應(yīng)忠旺

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州730000)

柴達(dá)爾至木里鐵路，位于青海省東北部的剛察縣和天峻縣境內(nèi)，與青藏鐵路西寧至格爾木段的哈爾蓋至柴達(dá)爾鐵路支線的柴達(dá)爾車(chē)站相接。地形上該鐵路線路主要走行于祁連山中東段的冷龍嶺與大通山之間的大通河上游谷地，區(qū)內(nèi)地形相對(duì)平坦，坡度較為平緩，屬高原亞寒帶半干旱氣候區(qū)域。鐵路沿線區(qū)域海拔高度介于3 500～4 600 m，沿?zé)崴?海拔3 600 m)、江倉(cāng)(海拔3 800 m)至木里(海拔4 299 m)海拔逐漸抬升［1］，地表發(fā)育有大通河、江倉(cāng)河、上下哆嗦河等河流，植被類(lèi)型以高寒草甸和沼澤化草甸為主，氣候高寒，區(qū)內(nèi)多年凍土廣泛發(fā)育，是典型的高山多年凍土分布區(qū)［2］。

柴木鐵路全長(zhǎng)142 km，區(qū)間路基長(zhǎng)度為119 km，全線多年凍土沼澤濕地段落約61處，總長(zhǎng)約79 km。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與工務(wù)部門(mén)的資料顯示，全線發(fā)生路基下沉的段落共計(jì)64處，均處于多年凍土沼澤濕地中。受全球氣候變暖，沼澤濕地退化，路基工程措施不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，路基的下沉量有逐年加大的趨?shì)［3］，對(duì)列車(chē)的運(yùn)行安全造成了潛在的威脅。

1 柴木鐵路沿線凍土沼澤濕地的現(xiàn)狀

柴木鐵路沿線地形平坦、地表水排泄不暢的高平原及山間谷地廣泛分布著凍土沼澤濕地，規(guī)模較大，一般為圓形、橢圓形，直徑數(shù)十米至數(shù)百米不等，沼澤濕地的巖性以第四系松散層細(xì)顆粒土為主，植被茂盛。在地質(zhì)演化和氣候變遷背景下，受區(qū)域地理環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、水文和海拔高程等因素的共同影響下，柴木鐵路沿線凍土沼澤濕地下客觀存在著多年凍土。

沼澤濕地是過(guò)濕或淺積水環(huán)境與其發(fā)育的水成土壤及生物群所構(gòu)成的地理綜合體，凍土是含水巖土的一種熱物理狀態(tài)，水分和負(fù)溫度場(chǎng)是其存在的必要條件［4］。沼澤濕地的多水及其結(jié)構(gòu)的熱物理特性，必然要對(duì)其下的凍土產(chǎn)生重要影響，而凍土的融凍過(guò)程也對(duì)上部的沼澤施加作用，這兩種作用相輔相成［5］，也即凍土促進(jìn)沼澤濕地發(fā)展，沼澤濕地保護(hù)了凍土［6］。

自20世紀(jì)70代以來(lái)，在全球氣候變暖的大趨勢(shì)下，脆弱的青藏高原多年凍土環(huán)境發(fā)生了深刻的變化，主要表現(xiàn)為多年凍土面積或厚度的減少，甚至有些多年凍土已消失。隨著多年凍土的退縮，也即多年凍土層上季節(jié)性活動(dòng)層的增大，水位也隨之下降，在時(shí)空上受多年凍土嚴(yán)格控制的沼澤濕地隨即出現(xiàn)了退化［7］。資料表明，青藏高原高平原和寬谷地帶的多年凍土厚度減薄3～5 m，伴隨著多年凍土上限的下移，土壤水分含量明顯降低，沼澤草甸開(kāi)始向高寒草甸演替，土壤層含水率降低，植被蓋度降低，沙漠化加劇。此外，因新構(gòu)造的隆升運(yùn)動(dòng)和河流下切，導(dǎo)致區(qū)域地下水下墊面改變，地下水位一般都在1～2.5 m，均大于沼澤濕地發(fā)育地區(qū)地下水位的理想埋深1 m的要求，致使沼澤濕地中的熱融湖塘也隨之萎縮或消失［8］。

2 柴木鐵路傾填片石路基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多年凍土層的頂板隔水作用和穩(wěn)定的地表水和多年凍土層上水是凍土沼澤濕地形成和存在的基本條件。柴木鐵路沿線的凍土沼澤濕地正是具備這兩個(gè)基本條件而存在的。在季節(jié)融化層細(xì)顆粒土發(fā)育和賦水條件良好的凍土沼澤濕地地段修筑路基時(shí)，應(yīng)充分考慮水分輸送的工程措施，而避免減弱水流量或改變水流方向的工程措施。

此外，實(shí)現(xiàn)凍土沼澤濕地路基穩(wěn)定的原則主要有以下3點(diǎn):

(1)凍土沼澤濕地路基基底具有足夠的承載力;

(2)路基本體填料與基底以下土體的凍脹融沉變形在可控范圍之內(nèi);

(3)防止暖季凍土沼澤濕地的地表水和多年凍土層上水流動(dòng)不暢，對(duì)路基基底的多年凍土造成側(cè)向熱侵蝕，使上限下移。

基于凍土沼澤濕地存在的特點(diǎn)與鐵路路基的穩(wěn)定原則，柴木鐵路在凍土沼澤濕地地段近53 km長(zhǎng)的路基采用了傾填片石的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示［9］。

圖1 柴木鐵路DK74+000凍土沼澤濕地傾填片石路基(單位:m)

傾填片石路基的作用主要表現(xiàn)為3點(diǎn):

(1)通過(guò)在沼澤濕地上部?jī)A倒片石的方式，增加了基底淤泥質(zhì)土的承載力;

(2)大孔隙的透水作用，使沼澤濕地中路基兩側(cè)的水流通暢，不致單側(cè)積水而使路基下多年凍土發(fā)生不均勻融沉;

(3)外界空氣能夠在傾填片石內(nèi)部孔隙中自由流通，即熱空氣上升冷空氣下降，起到了主動(dòng)保護(hù)下伏多年凍土的目的。

合格的片石粒徑和厚度是保證路堤質(zhì)量的前提。柴木鐵路的設(shè)計(jì)與修筑施工中，要求使用的片石無(wú)級(jí)配，粒徑在10～40 cm，個(gè)別不平整處，用細(xì)石塊找平，同時(shí)采用25t振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓密實(shí)。對(duì)含水量過(guò)大、深度在2 m以內(nèi)的潮濕土，通常挖去濕土而換填為適用的干土或挖方石渣、天然砂礫等，并分層壓實(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。在高含冰量多年凍土地段，片石厚度為1.2 m，孔隙率要求達(dá)到最大，且為保證下伏多年凍土層的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，一般在路基兩側(cè)設(shè)1.0～2.0 m寬的護(hù)道［10］。

3 傾填片石路基的穩(wěn)定性分析

3.1 基本穩(wěn)定狀態(tài)分析

柴木鐵路凍土沼澤濕地傾填片石路基地溫場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)始建于2007年10月，2008年5月完成了包括坡面在內(nèi)的所有測(cè)溫元器件的埋設(shè)，當(dāng)年6月下旬開(kāi)始了部分?jǐn)嗝娴臄?shù)據(jù)采集工作。圖2、圖3、圖4分別為柴木鐵路凍土沼澤濕地傾填片石路基 DK94+340、DK94+660、DK94+900三個(gè)地溫監(jiān)測(cè)斷面在2008年至2010年之間的上限變化對(duì)比曲線。

圖2 DK94+340監(jiān)測(cè)斷面上限變化對(duì)比曲線

圖3 DK94+660監(jiān)測(cè)斷面上限變化對(duì)比曲線

圖4 DK94+900監(jiān)測(cè)斷面上限變化對(duì)比曲線

從圖2～圖4可以看出，天然地面下的多年凍土受全球氣候變暖與修筑鐵路時(shí)的熱擾動(dòng)，上限埋深2009年～2010年較2008年～2009年均有所加大，加大深度為0.07～0.31 m。路基左側(cè)(陽(yáng)側(cè))與右側(cè)(陰側(cè))比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，各觀測(cè)斷面左坡腳、左路肩下的人為上限埋深2009年～2010年較2008年～2009年均有所加大，加大深度為0.01～0.40 m;而右路肩、右坡腳下的人為上限埋深則有所抬升或基本保持不動(dòng)，最大抬升幅度為0.25 m。

此外，根據(jù)2011年、2012年工務(wù)部門(mén)的調(diào)查資料顯示，柴木鐵路凍土沼澤濕地段的傾填片石路基共64處發(fā)生了不均勻沉降變形，但最大累計(jì)下沉量為0.12 m，小于規(guī)范中不大于0.3 m的規(guī)定。目前柴木鐵路凍土沼澤濕地中的傾填片石路基總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 穩(wěn)定趨勢(shì)推測(cè)與應(yīng)對(duì)措施

受全球氣候變暖趨勢(shì)與傾填片石路基本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響，凍土沼澤濕地中傾填片石路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性存在著諸多不確定因素。

(1)全球氣候變暖趨勢(shì)的影響

全球氣候變暖已為地球氣候與環(huán)境變化不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，未來(lái)20年青藏高原厚度小于10 m的多年凍土將消失［8］。這就意味著青藏高原多年凍土將由片狀向島狀轉(zhuǎn)化，溝谷地帶及沖洪積平原上的大面積多年凍土厚度將減薄或消失，區(qū)域地下水位將因融區(qū)的逐漸擴(kuò)大而下降，屆時(shí)沼澤濕地中土壤養(yǎng)分及水分含量將明顯降低，植被逐步退化，沼澤化草甸中的藏嵩草將向高山草甸中的矮嵩草、雜草過(guò)渡，也就意味著沼澤濕地將隨著多年凍土的退化或消失而萎縮乃至消失。

對(duì)于處于地球第三極——青藏高原中的柴達(dá)爾至木里凍土沼澤濕地來(lái)說(shuō)，對(duì)全球氣候變暖的趨勢(shì)存在著敏感性與脆弱性，修筑于其上的鐵路路基，將會(huì)產(chǎn)生較大規(guī)模的沉降變形而失穩(wěn)。

(2)傾填片石路基本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響

傾填片石路基基底的片石層易過(guò)水，受外來(lái)水的侵蝕，地基下多年凍土易產(chǎn)生熱融下沉，促使片石層下陷成為積水囊道，從而增加了水對(duì)地基下多年凍土的熱侵蝕。另一方面在上部荷載的作用下，片石易陷入地基土內(nèi)，片石空隙被土體充填，使片石作用失效，如圖5所示。

圖5 傾填片石路基切入地基土中示意

水的熱侵蝕和片石層失效又反過(guò)來(lái)加大了多年凍土地基的熱融下沉。如此惡性循環(huán)，導(dǎo)致片石路基的片石層不斷下陷，產(chǎn)生較大沉降，致使路基整體失穩(wěn)。

(3)應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)凍土沼澤濕地退化與傾填片石路基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)路基的穩(wěn)定性維護(hù)應(yīng)采取如下所述的積極應(yīng)對(duì)措施。

①采取熱棒、太陽(yáng)能制冷裝置等主動(dòng)降溫及保溫的附加措施增強(qiáng)地基土的凍結(jié)能力，抬升人為上限［11-12］。

②加強(qiáng)防排水設(shè)施和改善地表?xiàng)l件，消除因積水或排水不暢而使多年凍土退化所產(chǎn)生的融化下沉。

③對(duì)已經(jīng)下沉的地段采取幫寬、設(shè)置護(hù)肩及擋砟墻來(lái)抬高道砟。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)柴木鐵路凍土沼澤濕地中的傾填片石路基最大累計(jì)變形量為0.12 m，小于規(guī)范規(guī)定的不大于0.3 m的要求，當(dāng)前總體上是穩(wěn)定的。

(2)受全球氣候變暖、局域環(huán)境的變遷，以及受鐵路路基的熱擾動(dòng)，柴木鐵路沿線凍土沼澤濕地在加速萎縮，下部多年凍土在加速退化，致使修筑于其上部的鐵路路基處于加速失穩(wěn)狀態(tài)。

(3)為確保柴木鐵路凍土沼澤濕地中傾填片石路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定與列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全，應(yīng)采取積極的應(yīng)對(duì)措施。如，采取熱棒、太陽(yáng)能制冷裝置等主動(dòng)降溫及保溫的附加措施;同時(shí)，加強(qiáng)防排水設(shè)施和改善地表?xiàng)l件;對(duì)已經(jīng)下沉的地段采取幫寬、設(shè)置護(hù)肩及擋砟墻來(lái)抬高道砟等。

［1］李靜，盛煜，陳繼，等.青海省柴達(dá)爾—木里地區(qū)道路沿線多年凍土分布模擬［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2010，29(9):1100-1106.

［2］周勇，張魯新.青海省柴木鐵路多年凍土濕地路基問(wèn)題研究［J］.中國(guó)科技信息.2009(9):88-89.

［3］張秀敏，盛煜，趙林，等.基于分區(qū)和多元數(shù)據(jù)的青藏高原溫泉區(qū)域多年凍土分布研究［J］.地理科學(xué)，2012(12):1513-1520.

［4］孫廣友.試論沼澤與凍土的共生機(jī)理［J］.冰川凍土，2000，22(4):309-316.

［5］王春鶴.中國(guó)東北凍土融凍作用與寒區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)［M］.北京:科學(xué)出版社，1999:77-81.

［6］王小軍，米維軍，等.青藏鐵路多年凍土區(qū)路堤人為上限的主要影響因素分析研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010(8):1221-1227.

［7］郭廷鋒，張陸軍，辛元紅.長(zhǎng)江源區(qū)沼澤濕地退化的地質(zhì)原因及發(fā)展趨勢(shì)研究［J］.青海國(guó)土經(jīng)略，2009(6):34-36.

［8］陳繼，宋瑞芳，盛煜，董獻(xiàn)付，張魯新.柴木鐵路片石通風(fēng)措施的工程效果分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(5):40-44.

［9］李昌斌.高含冰量?jī)鐾撂幚砑夹g(shù)在柴達(dá)爾至木里鐵路中的應(yīng)用［J］.科技風(fēng)，2010(12 下):148-149.

［10］米維軍，王小軍，武小鵬.關(guān)于青藏鐵路路基穩(wěn)定性的探討［J］.路基工程，2010(4):129-131.

［11］米維軍，賈燕.確定熱棒制冷范圍的新方法［J］.路基工程，2007(1):20-23.

［12］沈宇鵬，吳艷，許兆義，王連俊.多年凍土斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(3):37-37.