青藏鐵路高含冰量凍土地段路基設計

馬繼濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 概述

青藏鐵路格爾木至拉薩段(簡稱“青藏鐵路格拉段”)位于青藏高原腹地,線路經過多年凍土地區(qū)北界位于昆侖山北麓的西大灘,海拔高程4 350 m,線路里程DK957+640；南界位于唐古拉山南麓的安多河谷,海拔高程4 780 m,線路里程DK1513+770,青藏鐵路通過多年凍土區(qū)的長度為546.43 km。多年凍土穩(wěn)定性差、含冰量高,受全球氣溫升高、水文及水文地質等復雜因素影響,融沉、凍脹和不良凍土現(xiàn)象是多年凍土主要工程地質問題。

1.1 地形與地貌

多年凍土區(qū)處于青藏高原,線路通過的主要山系均呈東西走向,自北向南主要有昆侖山、可可西里山、風火山、烏麗山、開心嶺及唐古拉山、頭二九山,宏觀地形開闊,山嶺渾圓而坡度平緩,山體窄、溝谷寬,呈現(xiàn)“遠看是山,近看平川”的高原景色。

高原上,山系與河流交替出現(xiàn),形成高平原及盆地等地貌。高平原如楚瑪爾河平原,盆地自北向南有北麓河盆地、烏麗盆地、沱沱河盆地、通天河盆地、溫泉斷陷盆地。在盆地與山系之間又通過多處谷地,自北向南主要有西大灘斷陷谷地、尺曲谷地、布曲河谷地等。

線路通過的河流主要有楚瑪爾河，沱沱河，通天河及其支流布曲河、扎加藏布,這些河流主要由冰川融水和大氣降水補給,流量隨季節(jié)變化大。

沿線寒冷干旱,氣候多變,四季不明,空氣稀薄,氣壓低,一年內凍結期長達7、8個月(每年9月至次年4、5月)。年平均氣溫-4～-5.2 ℃,年平均降水量248.5～290.9 mm,年平均蒸發(fā)量1 316.9～1 638.9 mm。年平均風速3.9～4.1 m/s,最大風速20～28 m/s,風向以西北、西風為主,大風多集中于10月至次年4月間。

1.2 水文地質特征

凍土區(qū)具有一定厚度的多年凍土,形成一個較完整的統(tǒng)一隔水層,地下水出現(xiàn)了凍結層上水、凍結層下水、融區(qū)水等幾種特殊的地下水類型。

地下水的補給主要來自大氣降水、融雪水、冰川消融水。地表水在多年凍土區(qū)匯集成溪流,在徑流過程中滲入補給多年凍土區(qū)的層上水。由于凍結層的存在,多年凍土層下水不可能直接獲得地表水的補給,主要通過河湖融區(qū)及冰川底部融區(qū)接受層上水或地表水補給。凍結層下水主要通過融區(qū)排泄,徑流遲緩,其天然露頭在旱季形成冰椎或凍脹丘。

1.3 多年凍土工程地質特征

多年凍土工程地質條件的主要控制因素有平均地溫、含冰量、多年凍土上限等,這些控制因素再加上凍結層上水等水文地質條件及其組合關系，決定了多年凍土工程地質條件。

(1)年平均地溫

多年凍土土體溫度(簡稱地溫)是反映多年凍土熱穩(wěn)定性的重要指標,一般用年平均地溫(Tcp)表示,即年較差為零深度處的地溫。青藏鐵路通過地區(qū)的多年凍土分為4類不同地溫分區(qū)[1],年平均地溫分布情況見表1。低溫區(qū)凍土主要分布在昆侖山區(qū)、楚瑪爾河高平原邊緣區(qū)、可可西里山區(qū)、風火山區(qū)、開心嶺山區(qū)、唐古拉山區(qū)、頭二九山區(qū),分布長度約150 km,占多年凍土線路通過長度的30%；高溫極不穩(wěn)定區(qū)凍土主要分布在西大灘、楚瑪爾河高平原河谷區(qū)、沱沱河、通天河、布曲、扎加藏布等大河融區(qū)與多年凍土過度地段及其他融區(qū)與多年凍土過渡地帶。沿線河流河谷灘地與低階地凍土區(qū)長約112 km,約占多年凍土區(qū)線路長度的21%。高溫不穩(wěn)定區(qū)多年凍土分布于除低溫及高溫極不穩(wěn)定區(qū)以外的其他地區(qū)長228 km,約占多年凍土區(qū)線路長度的49%。

表1 青藏高原多年凍土的地溫分區(qū)

(2)含冰量

根據總含水率,多年凍土分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層。少冰凍土、多冰凍土稱為低含冰量凍土,富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層稱為高含冰量凍土?？辈焯矫髟?46.43 km連續(xù)多年凍土中,高含冰量凍土為223.16 km,占續(xù)多年凍土總長41%,多冰、少冰凍土為221.59 km,融區(qū)為101.68 km,見表2。

表2 多年凍土特征分布 km

(3)多年凍土上限

根據地溫觀測、綜合勘探、融化速度計算等方法對多年凍土進行統(tǒng)計分析,在昆侖山、風火山、烏麗山、唐古拉山等山區(qū)上限深度較淺,一般為2～3 m,西大灘斷陷谷地、楚瑪爾河高平原、沱沱河盆地、通天河盆地、溫泉斷陷盆地、布曲河谷地等平坦地區(qū)上限深度較深,一般為2～5 m。

(4)不良凍土現(xiàn)象

線路通過地區(qū)的各類不良凍土現(xiàn)象危害較大,但較易通過地面調查圈定。因此,可以通過優(yōu)化線路平面位置加以避繞或合理設置工程類別通過。但工程修建和活動會不可避免地改變地表水、地下水徑流條件和其他環(huán)境條件,誘發(fā)產生新的不良凍土現(xiàn)象。不良凍土分布情況及對工程的影響見表3。

表3 不良凍土分布情況及對工程的影響

2 路基工程特殊性問題

受多年凍土工程地質特性的影響,路基工程將產生不同于一般地區(qū)的特殊性問題,主要表現(xiàn)為地基融沉、路塹邊坡溜坍，不同結構物、不同地質條件在銜接部位附近的不均勻沉降及路基開裂等。

2.1 地基融沉

在多年凍土天然上限附近往往存在厚層地下冰和高含冰量凍土,由于其埋藏淺,受氣候、生態(tài)、微地貌、水文條件等天然因素和各種人為活動的影響，很容易融化,天然上限下降,融化后的土體在其自重作用下發(fā)生融沉,導致路基沉降變形。典型路基融沉變形如圖1所示。

圖1 國外某多年凍土鐵路

圖2 多年凍土融化引起邊坡溜坍

2.2 路塹邊坡溜坍

多年凍土融化并引起土體溜坍(見圖2)。路塹挖方對整個溫度場產生極為不利的影響,下臥多年凍土的工程性質將發(fā)生顯著變化,一旦凍土路塹開挖,凍土埋藏深度將變淺或完全暴露在大氣當中,冰開始融化,土體飽水,強度急劇下降。如果處理不當,將會引起路塹邊坡開裂、下滑、溜坍。

2.3 不同地質條件下結構物不均勻沉降

不同的結構形式、幾何尺寸,對多年凍土溫度場產生不同的影響,溫度場的差異又反過來影響下臥多年凍土的工程性質,引起路堤與路塹、路堤與橋在交接處附近產生不均勻沉降,影響線路的平順性。

融區(qū)附近的多年凍土對環(huán)境變化極為敏感,氣溫波動、人類活動極易引起多年凍土力學性質及強度指標變化,導致在多年凍土與融區(qū)交接處路基產生不均勻變形,也影響線路的平順性。

2.4 凍脹

在路基本體內含水量較高時,細顆粒土地基和路基填料由于寒季的凍結作用易產生較大的凍脹變形,導致鐵路軌道的不平順性,對行車速度和安全造成不良影響。

2.5 裂縫

在反復的凍結和融化作用下,最大融化深度范圍內的路基土體相應地發(fā)生凍脹和融沉變形,導致路基土體強度下降,尤其在凍脹和融沉變形較大的表層,土體強度下降幅度較大。由于路基陰陽坡受太陽輻射強度差別的影響,導致路基溫度場、多年凍土人為上限的橫向不對稱,產生橫向的不均勻沉降。兩方面因素導致多年凍土路基易出現(xiàn)縱向裂縫(見圖3)。裂縫寬度在幾毫米甚至幾十毫米,長度在幾米甚至幾十米。

圖3 路基裂縫

3 多年凍土路基設計原則

多年凍土工程地質條件取決于多年凍土地溫、含冰量、凍土上限及不良凍土現(xiàn)象等因素,也受包括氣候、生態(tài)、微地貌、水文條件及人類活動等外部因素的影響。而路基是跨越各種地質、地貌、凍土環(huán)境的長距離帶狀結構物,具有與大自然接觸廣的特點,氣溫、年平均地溫、含冰量、太陽輻射、凍結層上水、路基結構形式、路基邊坡朝向、施工季節(jié)、施工方式等都會影響路基基底下多年凍土地基的熱穩(wěn)定性,應根據綜合條件采取相應的工程結構與處理措施。

多年凍土的生存和發(fā)展,不僅和目前的地層巖性、含冰量、年均地溫等凍土本身性狀息息相關,其熱穩(wěn)定狀態(tài)還受氣溫變化的直接影響,尤其在全球氣候轉暖的大背景下,多年凍土對路基工程長期穩(wěn)定性的影響是必須考慮的。根據對青藏高原未來氣候變化的預測研究,采取的工程結構與處理措施應確保未來50年氣溫升高1℃的情況下路基工程穩(wěn)定,在此基礎上進一步提高路基工程抵御升溫的能力。

高含冰量凍土,在工程地質復雜地段、水文及水文地質條件復雜地段、與融區(qū)交界的地段,無論采取何種保護多年凍土的措施或延緩多年凍土融化速率的措施,路基融沉、開裂、沉降都比較嚴重,不宜以路基通過。

4 多年凍土路基設計

經過近半個世紀的實踐、認識、再實踐、再認識的艱苦探索,對多年凍土的認識水平在不斷提高,設計理念在不斷更新,處理措施在不斷完善,形成了成套高含冰量凍土地段不同綜合條件等級下的處理技術(見表4)。處理技術以凍土地基熱穩(wěn)定為核心,以凍土年平均地溫、含冰量、凍土上限、不良凍土現(xiàn)象、水文地質條件及路基高度等為基礎,充分考慮全球氣溫升高的影響,形成了青藏鐵路一整套保護多年凍土的工程措施。

表4 高含冰量凍土地段不同綜合條件等級下的處理技術

4.1 高含冰量凍土地段路堤設計

(1)綜合條件等級“一般”地段

①路基面兩側預留沉落加寬值0.40～0.60 m。

②路基兩側設置碎石護坡。碎石護坡陽坡側寬1.60 m,陰坡側寬0.80 m；陰陽坡不明顯時,兩側均為1.60 m。碎石粒徑為5～8 cm。

③碎石護坡下部設置片石護道,片石護道高1.50 m,陽坡側伸出碎石護坡2.50 m,陰坡側伸出碎石護坡2.0 m。片石粒徑為10～30 cm,片石抗壓強度不小于30 MPa。

④為防止裂縫發(fā)生,填土高度大于3 m時,在路堤上部2 m范圍內鋪設土工格柵；填土高度大于6 m時,在路堤上部4 m范圍內鋪設土工格柵。土工格柵鋪設間距0.9 m,最上一層距離路基面0.4 m。

路基斷面形式見圖4。

圖4 綜合等級為“一般”地段的路基斷面形式(單位：m)

(2)綜合條件等級“較差”地段

①路基面兩側預留沉落加寬值0.40～0.60 m；兩側設置土護道,寬度2.0 m。

②為防止基床凍脹,基底挖除換填粗顆粒土,換填厚度為1.4倍的天然上限,但不超過4.0 m。

③于路基面下0.80 m處鋪設隔熱保溫材料。隔熱保溫材料采用聚苯乙烯板(XPS),厚度0.08 m,10%應變條件下的抗壓強度大于600 kPa,吸水率不大于4%,在-45 ℃低溫下凍融循環(huán)200次抗拉強度不小于設計標準值,具有長期的抗老化性能。為防止施工過程中對保溫材料的破壞,保溫材料上下各鋪0.10 m厚中粗砂墊層保護。

④于路基兩側護道中心位置交錯設置熱管,沿線路縱向間距2.8 m,斜插式,與豎直線夾角13°。熱管其他技術性能要求如下：熱管單根長度7.0 m,直徑89 mm,翅片厚度不小于1.9 mm,冷凝段1.5 m,絕熱段1.5 m,蒸發(fā)段4 m,埋入5.5 m,外露長度1.5 m；屈服強度σs>290 N/mm ,抗拉強度σb>480 N/mm。冷凝器采用螺旋翅片,翅片表面應平整、無開口。路基斷面形式見圖5。

圖5 綜合等級為“較差”地段的路基斷面形式(單位：m)

(3)綜合條件等級“差”且路堤高度≥2.50 m的地段

①路基面兩側預留沉落加寬值0.40～0.60 m。

②當填土高度3.5 m>H≥2.5 m時,于基底設置1.0 m厚片石層,填土高度H≥3.5 m時,設置1.2 m厚片石層。片石粒徑10～30 cm。為防止片石層上部填土進入片石空隙,于片石層頂部依次設置0.2 m厚碎礫石層和0.2 m厚中粗砂墊層過渡。為防止基底積水或地面積水進入基底,片石層施工前先于基底填筑一層土拱,土拱自路基中心向外設排水橫坡(斜坡時為單面坡),土拱最小厚度不小于0.3 m。

③路基兩側設置不同厚度的碎石護坡：陽坡側寬1.60 m,陰坡側寬0.80 m,陰陽坡不明顯時,兩側寬度均為1.60 m。碎石粒徑5～8 cm。

④碎石護坡下部設置片石護道,片石護道伸出碎石護坡外2.0 m。片石護道高度與基底片石層高度一致。片石粒徑10～30 cm。

⑤為防止裂縫發(fā)生,在路堤內鋪設土工格柵。

路基斷面型式見圖6。

圖6 綜合條件等級為“差”且填土高度大于2.5 m地段路基斷面形式(單位：m)

(4)綜合條件等級“差”且路堤高度<2.50 m的地段

當填土高度小于2.50 m時,其處理措施同綜合等級為“較差”地段。

4.2 高含冰量凍土地段路塹設計

路塹邊坡坡率1∶1.75。為保護路塹邊坡下的高含冰量凍土,邊坡超挖厚度為1.4倍的天然上限但不超過4.0 m,換填粗顆粒土保溫,塹頂采用包角形式,高度0.8 m,并設置SBS等隔水材料。填筑保溫層前,在開挖的路塹邊坡上設2.0 m寬臺階,臺階與保溫層間鋪設4.0 m寬的土工格柵,使保溫層與其下多年凍土的緊密結合,防止因保溫層沿換填開挖面蠕滑導致的塹頂開裂。

為防止基床凍脹變形,挖除換填粗顆粒土,換填厚度為1.4倍的天然上限但不超過4.0 m；路基面下0.2 m處鋪設復合土工膜防水下滲。

若基底換填層下仍有高含冰量凍土,路基面下0.80 m處鋪設保溫材料,保溫材料采用聚苯乙烯板(XPS),厚度0.08 m,10%應變條件下的抗壓強度大于600 kPa,于其上下各鋪0.10 m厚中粗砂墊層保護。在兩側側溝平臺中部交錯設置熱管保護多年凍土,沿線路縱向間距2.8 m,熱管單根長度12.0 m,直徑89 mm,外露長度2.5 m(冷凝段),埋入9.5 m。

塹頂外側設置擋水埝,當凍結層上水發(fā)育時,為阻擋凍結層上水滲入路塹,在擋水埝下設置SPRE隔水材料。

路基面兩側預留沉落加寬值0.40～0.60 m。

側溝采用“U”形混凝土預制件拼裝,側溝平臺寬2.0 m。路基斷面形式見圖7。

圖7 高含冰量凍土路塹斷面形式(單位：m)

5 結束語

青藏鐵路多年凍土地區(qū)路基長度為423.52 km,以橋代路長度87.5 km。其中高含冰量凍土路基工程長度155.53 km,低含冰量凍土路基工程長度182.81 km,融區(qū)路基工程長度85.18 km。高含冰量凍土采用片石氣冷路堤長度為117.69 km,碎石護路堤長度為127.00 km, 熱管路基長度為32.6 km,凍土加筋路基長度為81.75 km。

2006年7月1日青藏鐵路開通運營以來,列車在多年凍土地區(qū)按設計速度100 km/h運行平穩(wěn),多年凍土地區(qū)路基工程沉降變形穩(wěn)定可控,多年凍土路基片石氣冷、碎石護坡、熱管、排水、以橋代路等多年凍土路基工程成套工程技術措施安全可靠。

[1]鐵一院.青藏鐵路高原多年凍土區(qū)工程設計暫行規(guī)定[S].蘭州：鐵一院，2001

[2]中國科學院寒區(qū)早區(qū)環(huán)境與工程研究所.青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應[R].蘭州：中國科學院寒區(qū)早區(qū)環(huán)境與工程研究所,2002

[3]秦大河.中國西部環(huán)境演變評估[M].北京：科學出版社,2002