青藏铁路冻土区路基工程技术措施的探讨.docx

青藏铁路冻土区路基工程技术措施的探讨马卫东1 , 李成2(11 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 甘肃兰州 730000 ; 21 铁道第一勘察设计院 甘肃兰州 730000)摘 要 :简要介绍青藏铁路多年冻土区各类路基工程措施 ,并强调全球范围内气温升高将改变青藏高原多年冻土的环境 。为了应对高温冻土和全球变暖的严峻挑战 ,必须改变以往沿用的消极被动保护冻土的方法 ,而采用积极主动保护 冻土的工程措施即冷却地基的方法 。介绍新的地温调控原理和技术 ,采用能冷却地基的新的路基结构形式 ,以确保路基 工程的长期稳定 。关键词 :青藏铁路 ; 多年冻土 ; 工程措施中图分类号 :u21311 + 53文献标识码 :b文章编号 :1004 2954 (2004) 11 0017 04受到工程的影响而产生融化下沉 。在青藏高原多年冻土区修筑工程会遇到一系列特殊的工程地质问题 ,如 热融滑塌 、热融湖塘 、冻胀丘 、冰锥 、冻土沼泽湿地 、厚 层地下冰及活动层冰融过程的融沉 、冻胀等 。青藏高 原其独特的地理位置 ,变化多样的地貌特征 ,严峻的自然条件和复杂的地质环境 ,使得冻土工程问题成为青 藏铁路工程建设中的一大难题 。(1) 青藏线多年冻土分布特征 青藏线多年冻土北起昆仑山北麓西大滩 ,南至安多县城附近 ,中间有融区分布 。多年冻土呈南宽北窄分布 。根据多年冻土的含冰量及其融沉性 、冻胀性 ,将 多年冻土分为少冰 、多冰 、富冰 、饱冰冻土和含土冰层 。 依据多年冻土平均地温 ,将沿线多年冻土划分为高温 极不稳定区 、高温不稳定区 、低温基本稳定区 、低温稳 定区 4 个区域 。沿线高海拔多年冻土的发育和分布明显受到三向 地带性的影响 ,热量和水分随高度变化而造成的垂直 地带性 ,热量南北差异引起的纬度地带性 ,距海洋远近 和大气环流特点而造成的降水不同所产生的地带性 。 高原多年冻土在受高程影响的同时也服从地带性规1概述青藏铁路格尔木至拉萨段全长约 1 100 km ,昆仑山北坡西大滩至唐古拉山南麓安多河谷地段 ,要穿越550 km 的多年冻土 。全线线路海拔高程大于 4 000 m地段长约 965 km , 在唐古拉山越岭地段 , 铁路最高海 拔为 5 072 m 。铁路通过地区大部分为高原腹地 ,沿线 大气透明度良好 ,云量少 ,太阳直射强 ,总辐射量大 ,日 照时数较大 ,为全国辐射量最大的地区 。由于青藏高原风大 ,地表所获辐射量的 9818 %通过湍流交换以感热或潜热的形式向大气逸散 ,用于土 壤增温和冻土融化的热量仅占 112 % , 使得高原上近 地表气温并没有显著升高 ,而地下土层处于低温状态 。 青藏高原中 、低纬度高海拔多年冻土不同于高纬度的 多年冻土 ,它所具有的独特的背景特征 ,使得高原多年冻土区环境对热扰动比较敏感 ,因而具有相对的不稳 定性 。青藏高原的多年冻土大多属于高温冻土 ,极易收稿日期 :2004 06 08第一作者简介 :马卫东 (1967 ) ,男 ,高级工程师 ,1987 年毕业于石家庄 铁道学院 。季节和温度变化反复的季节 ,更应加强对线路平顺状况的监控 。对不顺直线路应兼顾道床阻力和轨道不平 顺对无缝线路稳定性的影响 ,选择合适的时机进行线 路拨正 。(4) 加强对无缝线路的科学管理 工务部门要加强对无缝线路防胀工作的领导 ,实行专业化管理 ,强化防胀意识 。根据季节特点 、线路状 态和锁定轨温 ,确定不同时期防胀工作重点 ,按方针目 标管理的原则全面展开各项管理工作 。参考文献 :雷 晓 燕. 轨 道 力 学 与 工 程 新 方 法 m . 北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社 ,2002 .童大埙. 铁路轨道m. 北京 :中国铁道出版社 ,1996 .广钟岩等. 铁路无缝线路 ( 修订版) m . 北京 : 中国铁道出版社 ,1995 .柳川秀明 ,片罔宏夫. 一 座屈安定性解析 探 j . railway research review ,2001 ,57 (1) :18 21 .12345周 毅. 无缝线路温度臌曲失稳过程的有限元分析 j . 中国铁道科学 ,1988 (2) .铁道标准设计 railway standard des ign 2004 (11)17线路/ 路基律 ,纬度每向南减小 1,多年冻土下界高程约上升 100130 m 。多年冻土的温度和厚度亦服从高程及纬度 地带性规律 ,一般高程每上升 100 m ,平均地温则下降018019 ,冻土厚度增加 20 m 左右 ;同一高程 ,纬度战 ,必须改变以往一直沿用的消极被动保护冻土的办法 ,采用积极主动保护冻土的工程措施 ,以确保路基工 程的长期稳定 。从传热理论来讲 ,调控辐射 、对流和传导均可有效地调控路基温度场 ,表现在工程措施上有 遮阳 、改变路基表面颜色 、通风 、热桩 、填石路堤 、变导 热系数材料 、保温材料等 。(1) 片石通风路基工程 青藏铁路多年冻土区路堤结构形式大量采用的是片石通风路堤 。片石通风路堤 、片石或碎石护坡路堤 和片石护道路堤 ,是保护多年冻土路基工程有效的方 法 。片石通风路基结构形式是一种利用自然冷能保护 多年冻土的工程措施 。采用片石通风路堤可降低路堤 堤身和基底温度 ,加速堤身和基底热量的逸散 ,冷却堤身和基底 ,无论是施工过程还是工程效果 ,都对冻土起 到了一种保护作用 。填土路基在冻土区取土 ,无论离 线路远近 ,都是对多年冻土天然保护层大片地破坏 ,而 片石取材于基岩裸露或埋深较浅区段 ,对多年冻土环 境破坏甚微 ,很好地起到了保护多年冻土环境的作用 。同时 ,片石通风路基减缓了人为上限的不对称性 ,不仅 有利于路基的稳定性 ,而且对防止不均匀变形和开裂 也有一定作用 。(2) 通风管路基工程 通风管路基是一种积极保护冻土的工程措施 ,其工作原理是 :在寒冷季节 ,冷空气有较大的密度 ,在自 重和风的作用下 ,将埋置于路基土体通风管中的热空 气挤出 ,并不断将周围土体中的热量带走 ,达到保护地 基土冻结状态的目的 。另外 ,通风管对防治路基纵向 裂缝有很好的作用 。在青藏铁路冻土路基工程中采用了 upvc 管和钢筋混凝土管通风管 ,设置通风管后 ,由 于通风管的温度调控作用减少了左右两侧路基土体的 不均匀沉降 ,消除了由于不均匀沉降所造成的张拉裂 缝 ;同时 ,upvc 通风管和钢筋混凝土通风管具有一定 的抗拉和抗剪强度 ,同加筋路堤的土工格栅一样 ,在路基土体中起到了水平向加筋作用 ,可消除沿软弱面 (融 化面) 所产生的裂缝 。此外 ,两种通风管具有较高的抗 压和抗弯刚度 ,这是土工格栅所不具有的性能 ,可抵御 外荷载所产生的变形 ,增强了路基的整体性 ,减少了路 基沉降的不均匀性 ,消除了由于不均匀沉降所产生的张拉裂缝 。(3) 热棒在冻土路基工程中的应用热棒技术是 20 世纪 60 年代初发展起来的一种广 泛用于冻土工程中的无需外加动力的冷冻技术 。它实 际上是一种无芯重力式热管 ,用来冷却地基 ,防止冻胀 和融沉 ,增加地基的强度 ,保证冻土地基的稳定 。热棒铁道标准设计 railway standard des ign 2004 (11)每向南减小 1,年平均地温就增加 019110冻土厚度亦相应减小 。(2) 多年冻土地区的工程特点,多年多年冻土的季节融化层 (活动层) 每年都发生季节性的冻融过程 ,并伴随发生各种不良冻土地质现象 ,产 生一系列的工程地质问题 ,融沉 、冻胀和不良冻土地质 现象等是多年冻土最主要的工程地质问题 。融沉 在多年冻土上限附近的细颗粒土和有一定 数量细颗粒土充填的粗颗粒土中往往存在着厚层地下冰 ,厚层地下冰容易受到人为因素的影响而融化 ,由此 产生沉降 。修筑路基后改变了地表层的水热交换条 件 ,当路堤很低时 ,冻土上限将会下降 ,造成地下冰融 化 ,引起下沉 。另外 ,修筑路基改变了水的径流条件 , 若排水措施不当造成积水 ,水体的热作用使地下冰融化而导致融沉 。冻胀 在低温冻土区 ,活动层厚度一般较薄 ,并存 在双向冻结 ,冻结速度较快 ,故冻胀相对较轻 。在高温 冻土区 ,活动层厚度一般较大 ,冻结速度也较慢 ,若细 颗粒粘性土层中含有足够的水分 ,则冻胀严重 。用粉质或黏性土填筑路基 ,冻结时水分迁移 ,可能在上部聚 冰而产生冻胀 。不良冻土地质现象 指土体的冻结和融化作用所 产生的对工程有不利影响的新形成物及中小型地形 , 如冰椎 、冻胀丘 、融冻泥流 、热融滑塌和热融湖 ( 塘) 等现象 。2多年冻土路基工程的主要技术措施冻土区筑路遇到的主要问题是冻胀和融沉 ,在季节冻土区主要问题是冻胀 ,而在多年冻土区主要问题 是融沉 。以保护多年冻土为原则 ,是多年冻土区工程措施中应用最为广泛的方法 ,它不但克服了冻土的融化下沉 ,而且充分利用了冻土强度高于融土的特性 。 在低温冻土区 ,增加路堤高度或铺设保温材料均可有 效地保护多年冻土 ,使多年冻土上限上升 。但是 ,在高温多年冻土区 ,修筑路基后改变了地表与大气的热交 换条件 ,使多年冻土地温重新进行热平衡调整 ,增加路 堤高度不但不能使冻土上限上升 ,反而形成融化盘 ;若 过高地增加路堤高度 ,由于吸热面的增大和阴阳坡的 作用 ,又会造成融化盘的不对称 ,而导致路基的不均匀 沉降 。另外 ,为了应对高温冻土和全球变暖的严峻挑18线路/ 路基安装置于冻土中的部分称之为蒸发器 ,露在地面之上且安装有散热片的部分称之为冷凝器 ,两段之间为绝 热段 。热棒用无缝钢管作管壳 ,将管中抽成真空后将液体工质注入 。在寒冷季节 ,由于空气温度低于多年 冻土的温度 ,蒸发器中液体工质吸收多年冻土中的热 量而蒸发 ,蒸汽在管内压差的驱动下沿热棒中心通道 向上流动至冷凝器 ,与相对温度较低的冷凝器管壁接 触后放出汽化热冷凝成液体 ,液体工质在重力作用下沿管壁流回蒸发器再蒸发 ,如此循环将大气的冷量源 源不断地传到多年冻土中 。在温暖季节 ,由于空气温 度高于多年冻土温度 ,热棒停止工作 。通过青藏线冻 土路基工程中的应用及观测表明 ,热棒对冷却地基 、抬 升多年冻土上限具有明显的效果 。设置热棒处的冻土上限上升较多 ,而热棒之间的冻土上限相对较低 ,呈以 热棒为中心反扣的漏斗形状 ,导致路基土体产生了一 些不均匀沉降而造成了纵向裂缝 ,随着路堤热平衡的 建立和路堤人为上限逐渐趋于稳定 ,裂缝将停止发展 , 不会影响路堤的整体稳定性 。(4) 保温材料在冻土路基工程中的应用 用保温材料保护冻土 ,就是在修筑路基时加铺一层保温材料 ,利用保温材料的低热导性 ( 热阻) 阻止上 部热量进入下部土层 ,从而起到保护冻土的作用 。在 多年冻土区筑路 ,地表热交换条件的改变所引起的路基内的热积累会导致多年冻土上限的下降 。铺设保温 层后在一定时期内 ,多年冻土的上限一般高于无保温 层的多年冻土上限 ,保温材料在多年冻土路基中可以 有效地防止多年冻土的融化 。但保温材料的这种热阻 效应在阻止上部热量向下传输的同时 ,也阻止了寒冷季节多年冻土向外部的散热 ,它可以改变进入多年冻 土的热周转量 ,但不能改善进出多年冻土热平衡的趋 势 。筑路后路基内通常呈热积累发展趋势 ,因此保温 材料层的效果也只是减弱热积累的发展 ,延缓多年冻 土的升温 , 而不能彻底扭转这种热积累的发展趋势 。对于低温冻土 ,保温材料层或许可以维持多年冻土上 限在使用期内的稳定性 ,而对于高温多年冻土 ,热积累 几乎完全用于多年冻土的融化 ,即使是少量的热积累 也可能使多年冻土发生逐年的融化 。因此 ,在没有其 他工程措施配合的情况下 ,高温多年冻土区保温材料层只能起减缓多年冻土融化速率的作用 。青藏线工程 实践证明 :在路堤中铺设保温材料对减少路堤下最大 季节融化深度 ,提高冻土上限具有明显的作用 。这种 作用在年平均气温较低地区比年平均气温较高地区更 为明显 。保温材料可有效降低路基高度 ,在优质填料 缺乏地区尤为适用 。但从工程实践中路基出现纵向裂缝的幅度和发展来看 ,单纯依靠保温材料不能达到很好的防治路基变形的作用 ,铺设保温板的路基宜与主 动保温措施配合使用 。(5) 多年冻土区土工格栅加筋路堤 在多年冻土区路堤土体内设置土工格栅加筋 ,充分发挥了土工格栅良好的抗拉性能 ,遏止了不均匀沉 降所产生的裂缝 ,提高了冻土路堤的整体稳定性 。在 青藏铁路多年冻土区高含冰量冻土较高路堤地段 ,采用了这种加筋措施 。测试调查结果表明 ,采用土工格 栅的加筋路堤较之非加筋路堤其变形要均匀 ,纵向裂 缝出现在未加筋或加筋较少的路堤护道部位 ,说明土 工格栅加筋层对应力的均匀分布起到了作用 ,土工格 栅加筋层对防止路基纵向裂缝的产生 、提高路基的整体性及不均匀沉降有明显效果 ,有力地证明了土工格 栅起到了稳定路基本体的作用 ,以及对防止多年冻土 区路堤的纵向开裂有良好的工程效果 。另外 ,测试结 果显示 ,在高寒区使用土工格栅加筋材料 ,冻融环境下 的强度特性能够满足使用要求 。(6) 冰椎及冻胀丘地段路基工程 冰椎及冻胀丘地段地下水活动剧烈 ,冻胀严重 ,地质条件差 ,所以在铁路选线时应尽量绕避 ,尤其不宜在 冰椎 、冻胀丘上方侧通过 。如在上方侧通过 ,则破坏了 地下迳流 ,将会产生新的冰椎及冻胀丘 。冰椎及冻胀丘地段路基工程 ,路堤填料应采用渗 水土填筑 。此外 ,应根据路基工程与冰椎 、冻胀丘的相 对位置分别设置适当的排水设施 。当路基工程位于冰 椎 、冻胀丘上方时 ,路堤上方侧应设置挡水埝 ,并阻断 地下水通道 ;如有可能应设置适当的排水设施将水引排至路堤下方一侧 ; 在路基上方侧尽量不要设置地面 排水沟 ,否则会给形成新的冰椎 、冻胀丘创造条件 。当 路基工程位于冰椎 、冻胀丘下方时 ,当靠近路基上方侧 的地面高度低于当地最大积冰高度时 ,应设置积冰沟 和挡冰堤等措施 ,截排融化水流 。水量较大时最好以桥通过 。(7) 热融滑塌地段路基工程 当路基工程位于热融滑塌坡面下方一侧时 ,首先要采取保温措施确保滑塌体及路基工程的稳定 ,并且 在上方一侧山坡设置通畅的排水通道 ,不能积水 。当路基工程位于热融滑塌上方一侧时 ,必须对滑塌体坡 面及路基工程采取必要的保温措施 ,确保滑塌体的稳 定 ,如不稳定应采用适当的支挡措施 。当路基在滑塌 体上通过时 ,应当挖除路基基底下滑塌体松软土层及 含土冰层 ,换填渗水土 ;对路基两侧滑塌体视具体情况 设置坡面保温层或支挡结构物 ,以保证滑塌体的稳定 。19铁道标准设计 railway standard des ign 2004 (11)线路/ 路基(8) 热融湖 (塘) 及冻土沼泽 、湿地地段路基工程热融湖 (塘) 及冻土沼泽 、湿地地段路基工程 ,一般 采用基底铺设土工格室内填渗水土 ,或抛填片石填筑的方法 。如果路堤上部填筑普通土 ,则填土与渗水土 之间应设复合土工布隔断层 ; 用片石填筑时片石顶部 应设置碎砾石和中粗砂滤层 。此外 ,路堤两侧还应设 置片石保温护道 。值得指出的是 : 有关试验分析结果 表明 ,将土工格室这种材料用于多年冻土工程是可行的 ,高温条件下土工格室材料的强度比低温条件下低 很多 ,而负温循环下的土工格室材料强度比常温条件 下有较大幅度的提高 ,且伸长率降低很多 ,说明土工格 室这种材料更耐低温 。(9) 斜坡地段冻土路基工程由于受地形的影响 ,斜坡地段路基两侧边坡及天然 地表的几何形态不对称 ,因此导致路堤两侧受太阳直接 辐射的面积和与大气直接接触的面积均存在很大的差 异 ,路基温度场呈现强烈的不对称性 。当路基温度场呈 强烈的不对称时 ,寒冷季节由于未冻结水的不等量迁移作用 ,路基阴阳坡两侧的含水量和冻结深度都将产生较 大差异 ,致使路基产生明显的不均匀冻胀 ,而温暖季节 融化开始时 ,冻土路基中将形成倾斜的冻融滑动面 ,造 成路基阳坡侧路肩及边坡开裂甚至下滑 。在融化季节 , 路堤下冻融分界面为一倾斜的滑动面 ,且下坡一侧的融深较大 ,融化状态持续时间长 ,很容易引起路堤的滑动 和突然沉陷 ,因此 ,在不满足稳定性要求的斜坡地段路 堤 ,采取隔断上坡一侧地表水和冻结层上水 ,下坡一侧 修建片石通风保温反压护道等综合措施 ,必要时下坡一 侧应设置支挡工程 ,以确保路基稳定 。(10) 多年冻土区路堑工程 多年冻土地区应尽量避免修筑路堑 ,多填少挖则是多年冻土地区筑路的主要原则 ,但由于地形地貌的 变化 ,穿越多年冻土地段的路堑工程仍在所难免 。由 于路堑基床部位无法采用通风路基结构形式 ,目前主要采用了挖除冻土换填粗粒土并铺设保温材料保护冻 土的方法 。保温材料有聚氨酯板 、聚苯乙烯板和挤塑 式聚苯乙烯板 , 即 pu 、eps 和 xps 。有关测试结果表 明 ,pu 和 eps 两种材料保温效果均较好 ,但两种材料 的抗压强度及变形对保温效果影响很大 ,当施加荷载约 50 %强度时 ,变形量增大 ,导热系数急剧增加 ,且卸 载后变形基本不可恢复 。xps 板的保温性能 、压缩强 度及耐久性更为优良 。对路堑边坡高含冰量冻土应挖除换填一定的厚度 , 并设保温层 。另外 ,路堑顶部应设置挡水埝 、隔水板等 设施 ,以阻挡流向路堑边坡的地面水和冻结层上水 。203结语全球范围内气温升高将改变青藏高原多年冻土的环境 。对于跨越不同冰缘地貌单元的铁路建筑物而 言 ,大范围的气温变化所引起的多年冻土地温值的改 变 ,还将影响多年冻土的平面分布 ,如融区扩大 、大片 多年冻土南北界的移动 、稳定型多年冻土转化为不稳 定型多年冻土等 。因此 ,高温冻土的不稳定性加之全 球表面温度变化 ,使得青藏高原铁路的修建面临着严 峻的挑战 。现代科学技术水平的飞速发展及新材料 、 新工艺的不断出现 ,为防治各类工程冻害提供了新的 手段 。为了应对高温冻土和全球变暖的严峻挑战 ,必 须改变以往一直沿用的消极被动保护冻土的办法 ,采 用积极主动保护冻土的工程措施 ,即冷却地基的方法 , 研究开发新的地温调控原理和技术 ,采用能冷却地基 的新的路基结构形式 ,以确保路基工程的长期稳定 ,是 青藏铁路工程建设中的关键技术问题 。参考文献 :1铁道部