羅余良

摘 要：在高原多年凍土區(qū)，鐵路、公路等建設(shè)面臨著大量嚴(yán)峻的工程問(wèn)題。因多年凍土熱敏感強(qiáng)，其熱穩(wěn)定性極差，在外界氣溫變化及人為對(duì)其周邊環(huán)境的影響下，極易出現(xiàn)融沉、凍脹、流變移位等凍土地質(zhì)災(zāi)害，使道路路基發(fā)生下陷、坍塌等破壞，甚至使工程嚴(yán)重毀壞而廢棄、重建。，通過(guò)采用隔熱層、片塊石、通風(fēng)管及熱棒法等新技術(shù)對(duì)富冰、飽冰多年凍土的路基進(jìn)行處治，維持和改善多年凍土的地溫場(chǎng)，保證了富冰、飽冰多年凍土區(qū)的公路路基工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：富冰、飽冰多年凍土；隔熱層法；片塊石法；通風(fēng)管法；熱棒法

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.168 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）04-0108-02

多年凍土區(qū)工程設(shè)計(jì)及建設(shè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何使多年凍土地溫場(chǎng)維持原狀或得到改善，以確保其處于凍結(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)或?qū)⑵涞責(zé)釥顟B(tài)控制在一個(gè)可接受的變化限度內(nèi)，從而確保多年凍土區(qū)建筑地基的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

1 工程概況

共和至玉樹(shù)（結(jié)古）公路改擴(kuò)建工程GYⅡ-SGC5標(biāo)段，起點(diǎn)訖樁號(hào)K336+000～K376+000，全線長(zhǎng)40km，凍土路基段長(zhǎng)28.2km。采用高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80km/h，為分離式路基，路基寬度10m。路線經(jīng)苦海灘、醉馬灘、紅土坡埡口，該區(qū)是島狀和連續(xù)多年凍土分布區(qū)，第四松散堆積物分布廣泛，冰緣作用十分發(fā)育，熱融湖塘，熱融洼地，冰脹丘，凍土草沼等冰緣地貌較普遍。

K347+100～K354+550、K355+950～K357+500兩段路線海拔位于4134m～4485m間，年平均最低氣溫-10.3℃～ -6.1℃，因其特殊的地理環(huán)境和氣候條件，形成了“富冰、飽冰” 凍土，凍結(jié)深度2.0～3.0m，融化等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)，融沉或強(qiáng)融沉，屬于極差工程地質(zhì)路段。

共和至玉樹(shù)（結(jié)古）高速公路是我國(guó)第一條穿越多年凍土區(qū)的高速公路。公路等級(jí)高，對(duì)設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量也就提出了更高要求。為了解決“富冰、飽冰”多年凍土給路基帶來(lái)的隱患，本項(xiàng)目中研究和探索了該凍土地質(zhì)條件下的道路修筑新技術(shù)和新方法，解決了“富冰、飽冰”多年凍土區(qū)修筑路基存在的工程地質(zhì)問(wèn)題。

2 富冰、飽冰路基施工技術(shù)

項(xiàng)目施工時(shí)結(jié)合高原多年凍土地區(qū)道路設(shè)計(jì)類(lèi)型及實(shí)際特點(diǎn)，以保護(hù)凍土，綜合治理為原則，充分借鑒鐵路、公路專(zhuān)業(yè)在類(lèi)似項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)反復(fù)比選及優(yōu)化，制定了科學(xué)合理的凍土處治方案。并認(rèn)真研究每道施工工序，制定標(biāo)準(zhǔn)，不斷地完善和總結(jié)。順利完成施工任務(wù)，在隨后多年監(jiān)測(cè)及質(zhì)量跟蹤結(jié)果表明，所采用的多年凍土路基修筑技術(shù)措施是科學(xué)合理的，為高原凍土地區(qū)道路施工提供借鑒。

針對(duì)本項(xiàng)目為高溫多年凍土不穩(wěn)定路基的情況，分別采用隔熱層、片塊石路基、通風(fēng)管路基、熱棒路基等多種主動(dòng)降溫的工程措施。

2.1 隔熱層路基

隔熱層路基在路基本體中增設(shè)工業(yè)隔熱材料，使路基熱阻增大，能有效阻止大氣（太陽(yáng)）熱量傳入路基下凍土的處理措施。可以起到延緩凍土退化及保護(hù)凍土的作用。

隔熱層路基主要適用于低溫多年凍土路段，宜在下列情況下使用：

（1）受路線縱坡控制，路基高度小于路基臨界高度或大于3.5m路段；

（2）路塹處或翻越埡口處，以保護(hù)下伏多年凍土的路段；

（3）因融化盤(pán)偏移而使引發(fā)路基不均勻沉降及路基病害路段。

要求隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)<0.025W/（m·K），吸水率<0.5%，密度>43kg/m3，其抗壓強(qiáng)度>580kPa。本項(xiàng)目采用擠塑聚苯乙烯泡沫（XPS）作為隔熱材料。隔熱板設(shè)置寬度大于路面寬，路基兩側(cè)各加寬60cm，隔熱板橫坡與路面相同，隔熱板上下設(shè)置厚度>20cm的砂礫層。

2.2 片塊石路基

片塊石路基為通風(fēng)路基，利用不均勻溫度場(chǎng)情況下空氣密度不同，較輕熱空氣上浮而促使空氣對(duì)流的特性。通風(fēng)片塊石宜一次性傾填到位，在增加石塊間空隙的同時(shí)也加快了施工進(jìn)度。夏季，外界熱量以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)入路基中、底部，因通風(fēng)片塊石路基中存在大量空隙，空隙中溫度升高的空氣上浮形成上升氣流，冷空氣填補(bǔ)下部。即空隙中上升氣流將熱量帶走，從而使路基底部持續(xù)保持較低氣溫。同時(shí)路基中存在的大量空隙也能有效阻止熱量的傳入；冬季，外界高密度冷空氣下沉而置換空隙中的熱空氣，使路基及地基得到冷卻。片塊石路基利用高原凍土區(qū)負(fù)積溫遠(yuǎn)大于正積溫的氣候特征，有效地將路基熱量散發(fā)出去，使路基保持低溫，維持及改善了路基溫度場(chǎng)，從而保護(hù)多年凍土不出現(xiàn)融化現(xiàn)象。

片塊石路基宜使用于地表徑流較發(fā)育或地下泉水發(fā)育的高溫凍土區(qū)，也常用于高含冰凍土區(qū)融化夾層發(fā)育的路基病害的治理。

片塊石路基采用較堅(jiān)硬巖石填筑，要求石料強(qiáng)度>30MPa。粒徑控制在10～30cm范圍內(nèi)。鋪筑層數(shù)根據(jù)路基高度、路面結(jié)構(gòu)層厚度等合理確定，頂面宜位于路床頂面以下30～50cm。鋪筑厚度一般宜為1.0～1.5m，分兩層鋪筑：下層0.8～1.0m采用規(guī)格大于20cm片塊石；上層0.2～0.5m采用規(guī)格10～15cm片塊石。

片塊石層底部鋪設(shè)砂礫層等輔助防護(hù)結(jié)構(gòu)；頂部鋪設(shè)土工布及層厚30cm的砂礫層。

2.3 通風(fēng)管路基

通風(fēng)管路基工作機(jī)理：在寒冷季節(jié)冷空氣由于具有較大密度，在自重和風(fēng)的作用下將管中熱空氣擠出，不斷將周?chē)馏w中熱量帶走，達(dá)到保護(hù)地基土凍結(jié)狀態(tài)的目的。

通風(fēng)管路基可用于路基高度大于2m的高溫高含冰量多年凍土路段。

通風(fēng)管通常采用鋼筋砼預(yù)制管，內(nèi)徑宜大于路基高度的1/8，通常為0.3～0.4m；壁厚宜采用5～8cm；管徑與長(zhǎng)度比值應(yīng)大于0.01。

通風(fēng)管埋設(shè)深度根據(jù)當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向與風(fēng)速、地表徑流、風(fēng)沙及積雪等自然因素綜合確定。埋深為3～5倍管徑，布設(shè)在路床頂面以下距地表0.5～0.7m范圍內(nèi)，底部設(shè)置不小于30cm的中粗砂墊層，兩端伸出路堤長(zhǎng)度不少于30cm。

2.4 熱棒路基

熱棒是一種單向傳熱元件（無(wú)源制冷熱虹吸管），當(dāng)?shù)撞凯h(huán)境溫度高于上部時(shí)，熱棒底部（蒸發(fā)段）管內(nèi)工質(zhì)受熱成氣態(tài)上升，至受環(huán)境冷空氣影響的上部（熱棒冷凝段）后冷凝成液態(tài)，在重力作用下流回管底。在工質(zhì)循環(huán)蒸發(fā)、冷凝過(guò)程中，將底部環(huán)境熱量持續(xù)送往上部，不斷降低底部環(huán)境溫度，起到保護(hù)路基下凍土的作用。

熱棒路基可用于極高溫多年凍土區(qū)或凍土退化區(qū)，通常埋設(shè)在路基兩側(cè)；熱棒還可用于因融化盤(pán)偏移而導(dǎo)致路基不均勻沉陷、縱向裂縫等病害的治理。

本項(xiàng)目熱棒工質(zhì)采用液氨，管殼采用碳鋼及不銹鋼兩種，要確保其不少于30年的使用壽命。熱棒埋設(shè)深度宜為多年凍土人為上限以下1.0～2.5m。布設(shè)間距宜為有效作用半徑1.5～2.5倍；設(shè)置方式有單棒豎置、單棒斜置、雙棒豎置和雙棒斜置等，可參考以下原則：

（1）在不影響棒制冷效果的前提下宜斜置，宜斜置為75°。

（2）在極高溫凍土區(qū)與凍土退化區(qū)宜埋置雙向熱棒，路基要確保適當(dāng)填筑高度。

（3）在中高溫凍土區(qū)，如人為凍土上限較高時(shí)宜雙向熱棒。

（4）因陰陽(yáng)坡影響融化盤(pán)產(chǎn)生偏移時(shí)，在陽(yáng)坡設(shè)置單向熱棒。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

3 處理措施對(duì)地基變形的影響

本項(xiàng)目施工時(shí)各選擇一段路基分別采用隔熱層、片塊石、通風(fēng)管及熱棒法進(jìn)行凍土的處治。并對(duì)凍土路段進(jìn)行持續(xù)的沉降觀測(cè)，圖2為典型路基斷面中部沉降量變化曲線。

圖中曲線表明，采用上述方法進(jìn)行凍土處治的路基均在填筑后產(chǎn)生一定數(shù)值的沉降，是因填筑活動(dòng)對(duì)凍土環(huán)境及凍土本身的熱擾動(dòng)及填土蓄熱使部分凍土產(chǎn)融化，及本身壓縮變形而產(chǎn)生沉降；入冬后，隨著外界氣溫降低及填土蓄熱消散，路基凍土上限升高，使路基產(chǎn)生凍脹變形，使得采用片塊石、通風(fēng)管及熱棒法進(jìn)行凍土處理的路基面標(biāo)高有所抬升，春季后路基又開(kāi)始沉降，至次年入冬以后沉降已趨于穩(wěn)定，因經(jīng)歷兩個(gè)凍融循環(huán)，路基的人為上限逐漸形成并基本穩(wěn)定，可見(jiàn)采用上述方法進(jìn)行凍土處理能達(dá)到使凍土長(zhǎng)期穩(wěn)定的目的。

采用隔熱層進(jìn)行凍土處治路段，因?yàn)楦魺釋幼柚沽藷崃總鬟f，使填土蓄熱的消散及環(huán)境溫度影響凍土的速度大為減緩，故在第一個(gè)凍隔循環(huán)中，路基處于蓄熱融化凍土及壓縮變形為主導(dǎo)的過(guò)程，所以處于不斷沉降的狀態(tài)，但在第二凍融期時(shí)，路基凍土人為上限也已形成并基本穩(wěn)定，同樣起到長(zhǎng)期保護(hù)路基穩(wěn)定的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)及工程實(shí)踐證明，本項(xiàng)目采用的隔熱層、片塊石、通風(fēng)管及熱棒法進(jìn)行凍土處治取得了良好效果，降低了凍土溫度，使路基凍土上限抬高，保證了富冰、飽冰凍土區(qū)路基工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]吳志豎.青藏鐵路凍土區(qū)土體冷生過(guò)程對(duì)路基變形影響[J].巖土力學(xué)，2007（7）.

[2]陳瑞亮.凍土在土木工程中的危害及其治理[J].長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（3）.

[3]張魯新，熊治文，韓龍武.青藏鐵路凍土環(huán)境和凍土工程[M].北京：人民交通出版社，2011.