劉本仕

中鐵五局集團(tuán)機(jī)械化工程有限責(zé)任公司，湖南 衡陽(yáng) 421000

青藏高原多年凍土對(duì)外界環(huán)境變遷和人類工程活動(dòng)十分敏感，凍土路基由于熱狀況不同引起的路基溫度場(chǎng)非對(duì)稱性問題，及其導(dǎo)致的工程病害愈加引起人們的關(guān)注。幾十年來，針對(duì)這些病害問題，凍土學(xué)家們?cè)谇嗖毓贰?14線以及我國(guó)東北鐵路建設(shè)和維護(hù)中做了大量的試驗(yàn)研究，取得了系列重要成果[1-7]。

修建于21世紀(jì)初期的青藏鐵路吸取了青藏公路50多年運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，采取了一系列冷卻路基的工程措施，極大地消除了工程地質(zhì)隱患。從目前來看，這些特殊路基，如通風(fēng)管路基、塊石路基等對(duì)于保護(hù)路基下伏多年凍土是十分有利的[8-11]。但青藏鐵路線路長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜，受氣候變暖及人類活動(dòng)的雙重影響，由路基溫度場(chǎng)差異以及凍土變暖引起的路基病害隨時(shí)間的發(fā)展也在不斷加劇。為此，文章基于對(duì)青藏鐵路的長(zhǎng)期調(diào)查，分析了路基沉陷和路基裂縫兩類主要病害的分布特征，及其與凍土條件、路基高度等之間的關(guān)系。研究成果對(duì)青藏鐵路凍土段路基維護(hù)和未來寒區(qū)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化均具有指導(dǎo)意義。

1 路基沉陷分布特征及其影響因素

基于對(duì)青藏鐵路近10年的路基病害調(diào)查，筆者收集到了56處路基嚴(yán)重呈現(xiàn)路段，并結(jié)合青藏鐵路設(shè)計(jì)階段鉆探資料和路基結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析。

1.1 路基沉陷發(fā)生的地溫分區(qū)差異

青藏鐵路路基沉陷發(fā)生數(shù)量與多年凍土地溫分區(qū)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖1所示。在統(tǒng)計(jì)的56處路基沉陷路段中，發(fā)育于高溫極不穩(wěn)定多年凍土區(qū)（TCP-Ⅰ）的有35處，占路基沉陷路段的一半以上；其次為發(fā)育于融區(qū)（R）的，有12處；發(fā)育于高溫不穩(wěn)定多年凍土區(qū)（TCP-Ⅱ）的為7處，低溫基本穩(wěn)定多年凍土區(qū)（TCP-Ⅲ）和低溫穩(wěn)定多年凍土區(qū)(TCP-Ⅳ)各1處。上述資料基本表現(xiàn)出了路基沉陷與凍土分區(qū)之間的定性關(guān)系特征。

圖1 路基沉陷發(fā)生數(shù)量與多年凍土地溫分區(qū)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

1.2 路基沉陷發(fā)生的凍土類型差異

青藏鐵路路基沉陷發(fā)生數(shù)量與多年凍土類型的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖2所示。按照融區(qū)、少冰-多冰多年凍土和富冰-飽冰多年凍土區(qū)域?qū)β坊料莅l(fā)生段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明在所統(tǒng)計(jì)的57處主要沉陷路段中，12處發(fā)生在融區(qū)（R），19處發(fā)生在少冰-多冰多年凍土區(qū)（S-D），26處發(fā)育在富冰-飽冰多年凍土區(qū)（F-B）。顯然，路基土體含冰量對(duì)沉陷量具有明顯影響。

圖2 路基沉陷發(fā)生數(shù)量與多年凍土類型的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

1.3 路基沉陷發(fā)生的路基高度差異

青藏鐵路路基沉陷發(fā)生數(shù)量與路基高度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖3所示，路基平均沉陷量與路基高度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖4所示。結(jié)果表明，在所統(tǒng)計(jì)的56處沉陷中，總的平均沉陷量為17.8cm；大多數(shù)沉陷發(fā)生在路基高度為4～6m的路基上，該高度的路基在沿線相對(duì)比較普遍。若按照平均發(fā)育程度，則高度低于4m的路基平均沉陷量為15cm；4～5m高度路基平均沉陷量為13cm；而5～7m高度路基平均沉陷量為17～23cm；8m高度路基相對(duì)較少，平均沉陷量為13.8cm。這基本顯示了隨著路基高度的增加，沉陷量也有所增加。此現(xiàn)象與青藏公路隨著路堤高度的增加路堤沉陷病害減少的現(xiàn)象有所不同，這是因?yàn)楣仿坊料莸闹饕蛟谟诙嗄陜鐾寥诨?/p>

圖3 路基沉陷發(fā)生數(shù)量與路基高度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

圖4 路基平均沉陷量與路基高度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

1.4 路基沉陷與各因素綜合相關(guān)性分析

對(duì)路基沉陷與各因素進(jìn)行相關(guān)性分析，得到結(jié)果如表1所示。該結(jié)果表明，路基沉陷與路基填土高度的正相關(guān)性最大，其相關(guān)系數(shù)為0.16；其次與多年凍土含冰量也呈微弱的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.04；路基沉陷與地溫呈微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即地溫越低，路基沉陷量越小，相關(guān)系數(shù)為-0.02。上述結(jié)果與單項(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果一致。

表1 路基沉陷與各因素之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)系數(shù)

2 路基裂縫分布特征及其影響因素

2.1 路基裂縫發(fā)育現(xiàn)狀

裂縫是對(duì)工程穩(wěn)定性影響較大的病害之一。對(duì)青藏鐵路西大灘（K957+766）至布曲河谷地（K1334+000）長(zhǎng)約376km的多年凍土段進(jìn)行路基裂縫現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)果表明，存在裂縫的路基長(zhǎng)度約為67km，占調(diào)查段總長(zhǎng)的17.8%。裂縫長(zhǎng)度分布特征統(tǒng)計(jì)如圖5所示。由圖5可知，裂縫以縱向裂縫為主，約占裂縫總長(zhǎng)度的88.7%；斜向裂縫和橫向裂縫相對(duì)較少，只占裂縫總長(zhǎng)度的11.3%。同時(shí)，由于路基兩側(cè)陰陽(yáng)坡效應(yīng)差異，陽(yáng)坡裂縫長(zhǎng)度占裂縫總長(zhǎng)度的61.3%，陽(yáng)坡大于陰坡。從分布部位來看，大部分裂縫主要分布在路肩及護(hù)道處，也有少部分對(duì)稱分布在路基兩側(cè)一定寬度范圍內(nèi)。

圖5 青藏鐵路裂縫長(zhǎng)度分布特征統(tǒng)計(jì)

2.2 多年凍土類型及地溫對(duì)路基裂縫的影響

裂縫長(zhǎng)度與多年凍土含冰量和地溫之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖6所示。從圖6中可以看到，在低含冰量多年凍土段，裂縫長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的15.6%；而在高含冰量多年凍土段，裂縫長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的25.1%。在低溫多年凍土段，裂縫長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的16.2%；而在高溫多年凍土區(qū)，裂縫長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的21.1%；融區(qū)裂縫出現(xiàn)較少。

圖6 裂縫長(zhǎng)度與凍土類型和地溫的關(guān)系

2.3 路基高度對(duì)裂縫長(zhǎng)度的影響

裂縫長(zhǎng)度與路基高度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看到，路基高度低于4m（不含4m）的路段裂縫較少，裂縫長(zhǎng)度僅占總長(zhǎng)度的10%左右；高于4m（含4m）的路段裂縫明顯增多，大于等于4m，小于6m的路段裂縫長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的約37%；≥6m且＜7m的路段裂縫長(zhǎng)度占裂縫總長(zhǎng)度約40%；7m（含7m）以上的高路堤段裂縫長(zhǎng)度超過了裂縫總長(zhǎng)度的一半。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，裂縫長(zhǎng)度與路基高度之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系，即路基越高，越容易發(fā)生裂縫，反之亦然。

圖7 裂縫長(zhǎng)度與路基高度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

如果把路基高度和裂縫長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的百分比值擬合成數(shù)學(xué)表達(dá)式，則

式中：h為路基高度，m；η為裂縫長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的百分比，%。

2.4 地基土類型對(duì)裂縫長(zhǎng)度的影響

地基土類型對(duì)裂縫長(zhǎng)度也有一定的影響。裂縫長(zhǎng)度與地基土類型的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖8所示。從圖8中可以看到，在粉土、粉質(zhì)黏土等細(xì)顆粒路段出現(xiàn)裂縫的概率較大，裂縫長(zhǎng)度達(dá)到總長(zhǎng)度的約36.5%；其次是細(xì)砂路段，達(dá)到21.28%；風(fēng)化巖石路段出現(xiàn)裂縫的概率最低，不足10%。由此可以看出，地基土顆粒越細(xì)，路基穩(wěn)定性越差，越容易形成裂縫等病害，這是粉土等細(xì)顆粒土強(qiáng)度較低、融沉系數(shù)較大等原因所致。

圖8 裂縫長(zhǎng)度與巖性條件的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

2.5 路基結(jié)構(gòu)對(duì)裂縫長(zhǎng)度的影響

裂縫長(zhǎng)度對(duì)路基結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也比較明顯。不同路基結(jié)構(gòu)段裂縫發(fā)育情況如圖9所示。從圖9中可以看到，土質(zhì)護(hù)道段極容易形成裂縫，裂縫長(zhǎng)度約占線路裂縫總長(zhǎng)度的85%；其次是普通路基，約占36%；片石護(hù)道和塊石通風(fēng)路基裂縫出現(xiàn)的概率基本相同，在14%左右；土工格柵段為10%左右；開挖路基段裂縫最少。此結(jié)果表明，由于特殊路基具有保護(hù)下伏多年凍土的作用，與普通路基相比相對(duì)較穩(wěn)定。

圖9 不同路基結(jié)構(gòu)段裂縫發(fā)育狀況統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

（1）路基沉陷和路基裂縫作為多年凍土區(qū)兩類最主要的路基次生病害，受氣候變暖及人類活動(dòng)的影響，在路基運(yùn)行期都將不斷發(fā)育并趨于嚴(yán)重，亟待從根本上進(jìn)行防治和整治。

（2）青藏鐵路路基平均沉陷量為17.8cm，路基沉陷主要發(fā)生在高溫凍土路段及富冰-飽冰多年凍土區(qū)，同時(shí)路基沉陷與路基填土高度具有正相關(guān)性。

（3）青藏鐵路路基裂縫主要發(fā)生在高溫、高含冰量多年凍土區(qū)，隨著路基高度的增加，裂縫數(shù)量隨之增加，高路基和細(xì)顆粒土段是裂縫病害的高發(fā)區(qū)。