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        青藏鐵路碎石護(hù)坡路基長期效果分析

        2014-05-04 08:40:54劉爭平
        鐵道建筑 2014年10期
        關(guān)鍵詞:多年凍土青藏鐵路等值線

        劉爭平

        (中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地路處,陜西西安 710043)

        1 概述

        青藏鐵路格爾木至拉薩段全長1 142 km,其中穿越連續(xù)多年凍土地區(qū)長約550 km[1]。青藏鐵路多年凍土路基工程采取了多種處理措施,其中采用碎石護(hù)坡路基是青藏鐵路多年凍土地區(qū)主要的工程處理措施。

        碎石護(hù)坡路基就是在凍土路堤的兩側(cè)邊坡,鋪設(shè)一定厚度的碎石,以通過碎石層的導(dǎo)熱特性保護(hù)下伏凍土、冷卻地基,確保路基的熱穩(wěn)定性[2]。

        碎石護(hù)坡路基一般使用在高溫高含冰量多年凍土地區(qū)。在路基邊坡鋪設(shè)碎石層時(shí),可以根據(jù)陰陽坡側(cè)的不同情況設(shè)置不同厚度的碎石層。相關(guān)資料表明,碎石層在寒季的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)是暖季的5~10倍,甚至更多,在夏季能夠有效阻止或減緩?fù)獠繜崃肯蚵坊鶅?nèi)傳入,具有熱“二極管”效應(yīng)和遮陽作用[2-4]。兩種作用的綜合效果可降低多年凍土地溫,有效提高路堤下的蓄冷量,對(duì)多年凍土地基起到保護(hù)作用。

        為監(jiān)測多年凍土路基的工程穩(wěn)定性,2003年5月在青藏鐵路楚瑪爾河地區(qū)選擇了12個(gè)路基監(jiān)測斷面,進(jìn)行地溫和沉降長期監(jiān)測。里程分布范圍為DK1043—DK1067,約 24 km[5-7],其中有碎石護(hù)坡斷面2個(gè)。監(jiān)測工作從2003年開始,目前還在進(jìn)行中,歷時(shí)近11年,取得了大量的實(shí)測數(shù)據(jù)。

        楚瑪爾河地區(qū)處于青藏高原的腹地,具有典型的多年凍土地區(qū)特點(diǎn),其路基結(jié)構(gòu)具有多年凍土區(qū)路基的一般特征,經(jīng)過多年來的觀測,其地溫變化和沉降變形也具有普遍性和代表性。本文通過地溫和沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),對(duì)青藏鐵路采用碎石護(hù)坡路基的長期效果進(jìn)行探討。

        2 測試斷面基本情況[5]

        長期監(jiān)測的碎石護(hù)坡路基斷面位于青藏鐵路楚瑪爾河地區(qū),里程為DK1054+000,路基底寬21.6 m,頂寬7.3 m,高度3.15 m,左護(hù)坡(陽坡側(cè))碎石層厚度1.6 m,右護(hù)坡(陰坡側(cè))碎石層厚度0.8 m,路基兩側(cè)設(shè)置土護(hù)道,其中左側(cè)寬3 m,右側(cè)寬2 m。

        根據(jù)勘測資料,本段路基下地層為第四系角礫土、黏土及礫砂,下伏第三系全風(fēng)化泥巖,成巖性差。多年凍土類型為含土冰層、富冰及飽冰凍土,屬于高含冰量凍土。凍土年平均地溫-1.4℃。本段鐵路線走向東南至西北,受日照影響,路基陰陽坡具有很強(qiáng)的地溫差異。

        本段路基在2002年5月填筑完成,即開展了凍土路基的地溫及沉降長期監(jiān)測。2003年10月開始鋪軌并開始工程車運(yùn)行作業(yè),2006年7月正式投入運(yùn)營。所以本研究項(xiàng)目是目前青藏鐵路在運(yùn)行期間對(duì)路基監(jiān)測時(shí)間最長的項(xiàng)目。

        地溫測試孔及沉降觀測點(diǎn)分別布置在左右路肩、左右坡腳,在左坡腳外20 m處布置地溫測試孔作為天然孔。測試從2003年5月開始,每月測試2次,獲得了大量的實(shí)測數(shù)據(jù)。2008年對(duì)部分測試孔進(jìn)行了補(bǔ)充及維修,對(duì)測試元件進(jìn)行了補(bǔ)充、更換及重新標(biāo)定,目前本項(xiàng)目還在進(jìn)行中。本文僅用2003—2011年的監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)路基長期效果進(jìn)行分析,2012年、2013年資料沒有納入,但其變化趨勢不受影響。

        3 地溫長期效果分析

        對(duì)于凍土路基的地溫長期效果,主要從地溫等值線的形態(tài)、多年凍土上限、路基地溫場對(duì)稱性3個(gè)方面進(jìn)行分析。

        3.1 地溫等值線

        根據(jù)地溫實(shí)測數(shù)據(jù)[5]繪制地溫等值線圖,地溫等值線圖反映了路基下地溫場的分布情況。繪制不同階段的地溫等值線圖,可分析路基下地溫場的發(fā)展趨勢。

        以代表斷面DK1054+000為例,根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)繪制每年9—10月(即青藏鐵路沿線最熱月)地溫等值線圖。從2003—2010年路基下地溫場逐年發(fā)展情況見圖1。

        圖1 碎石護(hù)坡路基最大融深時(shí)地溫等值線(單位:℃)

        1)從地溫等值線形態(tài)來看,碎石護(hù)坡路基整體溫度場呈降溫趨勢。如:從 -1℃等值線來看,路基形成初期(2003年)在路基下就形成了“高溫槽”,這是由于路基填筑施工蓄熱所致;2004年“高溫槽”范圍有所擴(kuò)大,說明蓄熱沒有消退;2005年之后,“高溫槽”逐年減小,直到2010年基本消失,說明路基冷儲(chǔ)量增加,碎石護(hù)坡對(duì)路基起到了致冷作用,有效地保護(hù)了多年凍土。

        2)從路基下0℃等值線長期變化趨勢看,路基下地基已經(jīng)處于冷卻狀態(tài),地溫場已經(jīng)處于長期熱穩(wěn)定狀態(tài),2003年0℃等值線基本呈水平線狀態(tài);2004年已經(jīng)抬升至原地面附近;2005年之后0℃等值線已經(jīng)抬升至路基填土中;2007年之后基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),并且逐年變化不大。

        3.2 多年凍土人為上限

        多年凍土上限是多年凍土層的頂面埋深,亦即最熱月時(shí)的融化深度[8-9]。多年凍土人為上限,是指路基填筑以后,在路基下形成的新的凍土上限。在地溫等值線圖中,凍土人為上限即是每年最熱月時(shí)0℃等值線的位置。多年凍土人為上限是評(píng)價(jià)路基下凍土狀態(tài)變化的重要指標(biāo)。如果凍土人為上限有所抬升,則凍土冷儲(chǔ)量增加,說明路基結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)凍土的作用;凍土人為上限若穩(wěn)定在某個(gè)固定深度,則說明路基趨于穩(wěn)定。反之則不然。

        對(duì)DK1054+000斷面,左右路肩處凍土人為上限逐年變化曲線見圖2。

        圖2 碎石護(hù)坡路基左右路肩處凍土人為上限逐年變化曲線

        由圖2可見:碎石護(hù)坡路基凍土人為上限從2003—2005年有大幅抬升,從2006年之后逐漸趨于穩(wěn)定,并逐漸穩(wěn)定在2.6~2.7 m。所以碎石護(hù)坡路基的降溫效果顯著,路基下冷儲(chǔ)量增加,路基結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)凍土的效果。路基下地溫場趨于穩(wěn)定,長期效果好。

        另外,路基左側(cè)路肩處凍土人為上限略高于右側(cè),主要原因是左側(cè)碎石護(hù)坡厚度1.6 m,右側(cè)厚度0.8 m,其制冷效果略好于右側(cè);但是從2006年以后左右側(cè)差異來看,最大約10 cm,可見兩側(cè)凍土人為上限基本趨于一致,亦即采用不同厚度碎石層起到了減小路基內(nèi)部溫度差異的作用。

        3.3 地溫場對(duì)稱性

        路基下地溫場左右側(cè)的對(duì)稱性反映碎石護(hù)坡調(diào)整地溫場的效果。若對(duì)稱性好,則路基下地溫場分布均勻,路基的穩(wěn)定性好;對(duì)稱性不好,則穩(wěn)定性差。

        從圖1來看,碎石護(hù)坡路基的路基本體中,左右側(cè)地溫場的對(duì)稱性較好,凍土人為上限處的等溫線形態(tài)呈現(xiàn)為左右側(cè)較好的對(duì)稱梯形,而且2006年之后左右側(cè)凍土人為上限差異較小,在10 cm以內(nèi)。可見,碎石護(hù)坡路基對(duì)于調(diào)整路基陰陽坡的人為上限具有顯著作用。

        但是,路基左側(cè)坡腳處地溫有增高的跡象。左側(cè)坡腳處-0.5℃線在2009年之后有所下降,主要是左側(cè)碎石護(hù)坡范圍未到底以及施工便道人為干擾所致,故還需進(jìn)一步監(jiān)測分析。

        4 沉降變化長期效果分析

        從2003年7月1日至2011年7月1日路基沉降曲線(圖3)來看,碎石護(hù)坡路基的沉降表現(xiàn)為前期沉降較大,后期逐漸減小,至2011年路基總沉降量56~80 mm,路基左右兩側(cè)沉降差在20 mm以內(nèi);且2007年之后,沉降曲線呈現(xiàn)有規(guī)律的起伏,表現(xiàn)出暖季沉降、寒季凍脹的特性,每年的沉降量均在10 mm以內(nèi),沉降曲線也更加明顯地趨于平緩,說明路基沉降長期發(fā)展逐漸穩(wěn)定。

        圖3 碎石護(hù)坡路基沉降曲線

        由圖3可知,2007年之后路基總沉降變化速率約為10 mm/年,小于《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)所要求的沉降速率50 mm/年的要求[10],所以采用碎石護(hù)坡路基能夠滿足路基沉降要求。

        5 結(jié)論及建議

        1)在高含冰量多年凍土地區(qū),采用碎石護(hù)坡路基能夠有效地增加地基中的冷儲(chǔ)量,具有很好地冷卻地基,保護(hù)多年凍土的效果。凍土地溫總體上呈現(xiàn)降低趨勢,竣工后2年內(nèi)凍土人為上限明顯抬升,2005年以后上限變化基本穩(wěn)定,凍土路基逐漸呈現(xiàn)出熱穩(wěn)定狀態(tài)。

        2)碎石護(hù)坡路基左右側(cè)地溫場的對(duì)稱性較好,2006年之后左右側(cè)凍土人為上限的差異在10 cm以內(nèi)??梢?,碎石護(hù)坡路基對(duì)于調(diào)整路基陰陽坡側(cè)的凍土人為上限有顯著作用。

        3)碎石護(hù)坡路基能夠有效控制路基沉降變形。前期沉降較大,后期逐漸減小,2007年后每年的沉降量均在10 mm以內(nèi),路基已經(jīng)呈現(xiàn)出長期穩(wěn)定狀態(tài)。

        4)從鐵路工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修的角度考慮,碎石護(hù)坡施工對(duì)鐵路運(yùn)行影響小,故對(duì)于凍土鐵路運(yùn)營期間的病害治理,可采用碎石護(hù)坡措施進(jìn)行路基補(bǔ)強(qiáng)。

        [1]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.青藏鐵路多年凍土工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].西安:鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2000.

        [2]劉爭平.青藏鐵路多年凍土區(qū)碎石護(hù)坡路基長期穩(wěn)定性研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(增1):56-59.

        [3]HARRIS S A,PEDERSEN D E.Thermal regimes beneath coarse blocky materials[J].Permafrostand periglacial processes,1998,20(9):107-120.

        [4]赫貴生,丁靖康,李永強(qiáng).傾填碎石層的熱傳輸特性及其應(yīng)用[J].冰川凍土,2000,22(增):33-37.

        [5]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.青藏鐵路楚瑪爾河地區(qū)路基地溫及沉降監(jiān)測報(bào)告[R].西安:鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2012.

        [6]劉爭平.青藏鐵路楚瑪爾河地區(qū)多年凍土路基長期監(jiān)測與研究[C]//青藏鐵路技術(shù)研討會(huì)會(huì)議文集.西寧:青藏鐵路公司,2011:92-94.

        [7]徐志英,牛富俊.青藏鐵路楚瑪爾河地區(qū)凍土路基地溫狀況分析[J].路基工程,2011(3):5-8.

        [8]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50324—2001 凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2001.

        [9]祁輝,胡相鈺,李廷剛,等.高速鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究[J].鐵道建筑,2013(4):98-100.

        [10]中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

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