劉爭平

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(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，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。監(jiān)測工作從2003年開始，目前還在進(jìn)行中，歷時近11年，取得了大量的實測數(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，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。所以本研究項目是目前青藏鐵路在運(yùn)行期間對路基監(jiān)測時間最長的項目。

地溫測試孔及沉降觀測點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，獲得了大量的實測數(shù)據(jù)。2008年對部分測試孔進(jìn)行了補(bǔ)充及維修，對測試元件進(jìn)行了補(bǔ)充、更換及重新標(biāo)定，目前本項目還在進(jìn)行中。本文僅用2003—2011年的監(jiān)測數(shù)據(jù)對路基長期效果進(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、路基地溫場對稱性3個方面進(jìn)行分析。

3.1 地溫等值線

根據(jù)地溫實測數(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，說明路基冷儲量增加，碎石護(hù)坡對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0℃等值線的位置。多年凍土人為上限是評價路基下凍土狀態(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)定在某個固定深度，則說明路基趨于穩(wěn)定。反之則不然。

對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 地溫場對稱性

路基下地溫場左右側(cè)的對稱性反映碎石護(hù)坡調(diào)整地溫場的效果。若對稱性好，則路基下地溫場分布均勻，路基的穩(wěn)定性好;對稱性不好，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)。可見，碎石護(hù)坡路基對于調(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)坡施工對鐵路運(yùn)行影響小，故對于凍土鐵路運(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)計院集團(tuán)有限公司.青藏鐵路多年凍土工程地質(zhì)勘察報告［R］.西安:鐵道第一勘察設(shè)計院集團(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，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)測報告［R］.西安:鐵道第一勘察設(shè)計院集團(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)研討會會議文集.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)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.