柴木鐵路高原凍土沼澤濕地路基施工綜合技術(shù)及應(yīng)用

李雙寶

（中鐵三局集團(tuán)第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

1 項(xiàng)目概況

青海境內(nèi)柴達(dá)爾至木里鐵路（下簡稱柴木）是當(dāng)今世界上海拔最高的地方鐵路，海拔高度為3 600～4 200 m，途徑青海省北部的剛察縣、祁連縣和天竣縣，全長142.04 km。木里煤田是我國優(yōu)質(zhì)焦煤基地之一，目前探明儲量為3.3×109t。幾十年來，開采的焦煤主要通過簡易公路外運(yùn)，運(yùn)力低下，成本昂貴。柴木鐵路的建成為該地區(qū)的資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)，繁榮地區(qū)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)具有重要意義。

青藏鐵路的建設(shè)為高海拔凍土區(qū)鐵路修建提供了諸多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。主動冷卻凍土路基的筑路理念已經(jīng)被廣泛接受。在青藏鐵路多年凍土區(qū)采取的主動冷卻措施包括塊石路基、熱棒路基、管式通風(fēng)路基、旱橋、拋碎石護(hù)坡等。截至到目前，這些措施不同程度地起到了降低多年凍土溫度、促進(jìn)路基穩(wěn)定的作用。借鑒這些成功經(jīng)驗(yàn)，柴木鐵路多年凍土路段計(jì)劃大規(guī)模應(yīng)用塊石通風(fēng)路基、熱棒等主動冷卻措施。但是柴木鐵路沿線多為凍土濕地，自然地理和地質(zhì)條件與青藏鐵路有很大差異，存在一系列問題。例如，這些措施能否在投資有限的前提下確保凍土路基的穩(wěn)定，現(xiàn)有措施的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝能否進(jìn)一步優(yōu)化，能否針對柴木鐵路的工程及地質(zhì)特點(diǎn)開發(fā)更有效的凍土路基和附屬工程穩(wěn)定措施，如何客觀定量評估柴木鐵路凍土路基的穩(wěn)定性以及柴木鐵路凍土路基未來的熱穩(wěn)定狀況怎樣等。根據(jù)這些問題，由業(yè)主單位和國家科研單位主導(dǎo)，工程施工單位參與聯(lián)合組成科研項(xiàng)目。

2 柴木鐵路凍土沼澤濕地路基修筑綜合技術(shù)

業(yè)主單位：青海省地方鐵路管理局

科研單位：中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州大學(xué)

施工單位：中鐵三局集團(tuán)公司，中鐵十一局集團(tuán)公司，中鐵十三局集團(tuán)公司

由業(yè)主單位、科研單位牽頭并主導(dǎo)，施工單位參與并配合，成立凍土沼澤濕地科研項(xiàng)目。以凍土調(diào)查、區(qū)劃、制圖為基礎(chǔ)，通過對現(xiàn)場試驗(yàn)工程的監(jiān)測分析，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)、數(shù)值方法等理論研究，研發(fā)了適用于柴木鐵路多年凍土濕地路基綜合修筑技術(shù)。主要成果包括以下幾項(xiàng)科技創(chuàng)新點(diǎn)。

第一，開發(fā)了高海拔多年凍土區(qū)種植草皮護(hù)坡、草皮水溝和鐵路涵洞技術(shù)。上游側(cè)止水綜合技術(shù)，制定了草皮移植、種植和涵洞上游側(cè)止水技術(shù)的施工方法。

青藏高原環(huán)境生態(tài)十分脆弱，在多年凍土路基邊坡上種植草皮，以往沒有成功的先例。通過和青藏高原生物研究所聯(lián)合，經(jīng)過多次科研實(shí)驗(yàn)，最終草皮配比和試種成功，選用適宜高原凍土地區(qū)的垂穗披堿草或多葉老芒麥與冷地早熟禾按7∶3的比例混合，選擇6、7月份在路基邊坡上攤鋪10 cm腐殖土后，人工撒種，常規(guī)施肥再用塑料薄膜或無紡布覆蓋，灑水養(yǎng)護(hù)。這項(xiàng)措施使草皮種植成活率達(dá)到85%以上，成效顯著。種植草皮護(hù)坡和草皮排水溝在全線得到推廣和應(yīng)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益、工程效益和生態(tài)效益，落實(shí)了“綠色、環(huán)?！钡蔫F路建設(shè)理念，如圖1所示。

圖1 柴木鐵路凍土路基草皮護(hù)坡

圖2 熱棒—塊碎石復(fù)核通風(fēng)路基

柴木鐵路沿線降雨量較大，地表水和凍結(jié)層上水對涵洞基礎(chǔ)危害較大。夏季，凍結(jié)層上水的侵蝕導(dǎo)致涵洞基礎(chǔ)融沉加大；冬季，匯集在涵洞上游側(cè)的積水為涵洞基礎(chǔ)的凍脹提供了充足的水源，凍脹對涵洞基礎(chǔ)的危害較大?？蒲许?xiàng)目組開發(fā)了高寒地區(qū)多年凍土濕地、鐵路涵洞上游側(cè)止水板技術(shù)，止水板的功能就是阻止地表水入侵涵洞基礎(chǔ)底部，讓水按照設(shè)計(jì)路徑集中通過預(yù)先設(shè)置的通道，即涵基頂流水面排出路基外，使涵體不受水的侵害，從而達(dá)到涵洞主體和路基穩(wěn)定與安全。柴木鐵路吸取青藏鐵路的教訓(xùn)，重新研究了應(yīng)用方案和適用范圍。止水板施工必須避開雨季施工，在設(shè)計(jì)和施工的同時(shí)，要確保以下幾點(diǎn)：①首先沿涵洞上游鋪砌截水坪外側(cè)半米處進(jìn)行挖溝，溝寬0.8 m，溝槽要包住涵洞上游側(cè)鋪砌，同時(shí)從鋪砌外緣于路基接壤處彎曲延伸至擋水埝處。②溝的底部需深入多年凍土層內(nèi)0.5 m以上。③放置止水板，使止水板平展無折疊（事先應(yīng)檢查止水板，無破損方能使用），涵洞止水板要延伸至涵洞兩側(cè)路基擋水埝處，以便后期與路基擋水埝止水板搭接。④回填準(zhǔn)備好的填料（填料不能有較大顆粒），防止止水板被頂破而失去止水作用，必須使用黏性土，以達(dá)到密閉、不滲透的效果。⑤止水板要高出地表0.5 m（施工涵底時(shí)，折在涵底內(nèi)）。⑥將涵洞上游延伸出去的止水板與路基上游側(cè)止水板彎曲搭接，長度不小于2.0 m，使涵洞上游側(cè)止水板與路基上游側(cè)止水板形成一個(gè)密閉的帷幕，讓春季融水、夏季雨水無法從涵底、路基底通過，而是按照涵洞、排水溝路徑通過，從而達(dá)到止水、引水的效果。凍土濕地涵洞上游側(cè)止水板技術(shù)的應(yīng)用，保障了沿線一百多座涵洞夏季沒有發(fā)生融沉、側(cè)移，在冬季沒有出現(xiàn)凍脹開裂病害。

第二，發(fā)明了柔性熱棒，優(yōu)化了熱棒的結(jié)構(gòu)。熱棒冷凝段由原來的4 m縮短為1.5 m，取消絕熱段；完善了熱棒的設(shè)計(jì)參數(shù)，陰陽坡分別采用一排、二排的差異設(shè)計(jì)（專利號：ZL200710021057X）。

柴木鐵路采用的熱棒長度為7.0 m，較過去青藏鐵路使用的12 m和9 m熱棒有所縮短，從成本上節(jié)約了大量資金。對熱棒措施路段的數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測證實(shí)，熱棒措施的工程效果良好，降低了凍土路基的地溫，消除了東西走向路段的陰陽坡現(xiàn)象。

第三，提出了預(yù)冷塊石通風(fēng)路基和熱棒—塊碎石復(fù)合路基的思路。從理論上證實(shí)了這兩種措施的良好效果，給出了關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并對通風(fēng)塊石層頂層上覆填料的粒徑給出了合理的級配方案。塊石通風(fēng)路基施工工藝：①采用塊石預(yù)冷路基，即在入冬前或剛開春時(shí)施工，入冬前施工時(shí)，僅填筑塊石即可，使得塊石及其下部的路基在冬季充分預(yù)冷，在開春時(shí)快速填筑粗顆粒覆蓋層，阻止天然地基中冷能的釋放。②當(dāng)通風(fēng)路基位于凍土濕地路段時(shí)，傾填片石地面下1.0 m范圍內(nèi)拋填片石，片石粒徑不小于300 mm。③片石通風(fēng)路基頂層設(shè)0.2 m厚的碎（礫）石和0.2 m厚的中粗砂墊層，減少或杜絕填料過多進(jìn)入片石層，從而引起通風(fēng)效果的減弱。④選擇質(zhì)地堅(jiān)硬、不易風(fēng)化的片石作為通風(fēng)路基填料。⑤對于局部高溫極不穩(wěn)定凍土斜坡濕地路段，在國內(nèi)率先采用熱棒對預(yù)冷塊石通風(fēng)路基進(jìn)行強(qiáng)化，如圖2所示。

上述綜合措施的采用，減少了塊石通風(fēng)路基施工初期對凍土路基帶來的擾動，削弱了東西走向段凍土路基的不對稱性，從而促進(jìn)了塊石通風(fēng)路基的穩(wěn)定。

第四，首先考慮植被類型與多年凍土的關(guān)系，建立了多年凍土模型，獲取了柴木鐵路沿線1∶500 000的大比例凍土分布圖，如圖3、圖4所示。

圖3 柴木鐵路沿線植被分布圖

圖4 柴木鐵路沿線凍土分布圖

第五，首次綜合考慮自然地理和地質(zhì)條件、凍土工程特點(diǎn)、路基結(jié)構(gòu)、路基穩(wěn)定性措施等因素，建立了多年凍土工程地質(zhì)條件和凍土路基熱穩(wěn)定性定量評價(jià)方法。

第六，初次建立了濕地凍土路基預(yù)警系統(tǒng)，為柴木鐵路的安全運(yùn)營提供保障。該預(yù)警系統(tǒng)包括沿線15個(gè)路基監(jiān)測斷面，6套自動氣象站，并首次考慮了水分的影響，通過對上述監(jiān)測設(shè)施的定期采集、分析，為柴木鐵路的安全運(yùn)營提供參考。

3 柴木鐵路凍土沼澤濕地路基修筑綜合技術(shù)的應(yīng)用及反饋

在柴木鐵路施工過程中，凍土沼澤濕地路基修筑綜合技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，具體的做法有：①各施工單位抽調(diào)技術(shù)員、領(lǐng)工和單位相關(guān)負(fù)責(zé)人員參加業(yè)主組織的各期凍土沼澤濕地綜合技術(shù)培訓(xùn)班，由科研課題組專家講解凍土理論及關(guān)鍵方法學(xué)習(xí)，如片石通風(fēng)路基、涵洞止水板技術(shù)、草皮種植技術(shù)等。②施工現(xiàn)場各施工標(biāo)段采取樣板段實(shí)作，驗(yàn)收合格后推廣施工的模式，并經(jīng)常組織現(xiàn)場觀摩，即組織相關(guān)標(biāo)段到樣板段做得好的標(biāo)段現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)，專家現(xiàn)場講解指導(dǎo)，確保關(guān)鍵的創(chuàng)新技術(shù)措施落實(shí)到位，確保工程質(zhì)量。③強(qiáng)化路基沉降觀測措施，建立沉降觀測控制網(wǎng)絡(luò)。④采集現(xiàn)場沼澤濕地路段地表水匯集點(diǎn)，流量變化數(shù)據(jù)，及時(shí)采取設(shè)計(jì)施工措施，確保凍土路基的穩(wěn)定性。⑤將草皮種植技術(shù)應(yīng)用于取土場、棄土場的處理，使鐵路沿線環(huán)境保護(hù)狀態(tài)良好。

通過廣泛實(shí)踐檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)測量以及柴木鐵路的運(yùn)營狀況，充分驗(yàn)證了凍土沼澤濕地路基修筑綜合技術(shù)科學(xué)合理，使該技術(shù)得到更為成熟的發(fā)展，取得了豐碩的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，為柴木鐵路節(jié)約投資達(dá)6億多元。該技術(shù)經(jīng)過青海省科技廳鑒定和評價(jià)，認(rèn)為該技術(shù)達(dá)到國內(nèi)、國際先進(jìn)水平。為高原凍土沼澤濕地工程建設(shè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，值得借鑒、推廣、應(yīng)用。

在高原凍土沼澤濕地進(jìn)行工程建設(shè)，還須注意：①地下工程施工工序的銜接，工種的配合。例如，涵洞基礎(chǔ)的施工，基坑開挖后，應(yīng)以最快的速度進(jìn)行基礎(chǔ)施工，以防地表水或雨水對基底凍土的侵蝕，引起基底凍土熱能變化，增大涵洞基礎(chǔ)的融沉。②凍土路基的施工。因鐵路長線條的特點(diǎn)，施工段落的劃分必須長度適當(dāng)，避免路基施工開槽過長，基槽換填不及時(shí)，引起地表水、雨水或日照輻射等因素對路基基底凍土的擾動增加，促使凍土熱能變化，增大了路基的沉降量和不穩(wěn)定性。③在凍土沼澤濕地施工，必須把握施工季節(jié)，鐵路路基基底施工最好選擇在冬季或剛開春時(shí)。在柴木鐵路施工經(jīng)驗(yàn)證明，冬季施工的便道及路基的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他時(shí)間。④在施工過程中，加強(qiáng)對開挖時(shí)產(chǎn)生的天然草皮、腐殖土的保護(hù)，集中堆放、保養(yǎng)，以便在路基附屬工程中使用，最大限度地減少對高原植被的破壞。

4 結(jié)束語

柴木鐵路的建成通車和投入運(yùn)營，已成為拉動地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動力，柴木鐵路凍土沼澤濕地路基修筑綜合技術(shù)也必將在高原凍土地區(qū)的未來發(fā)展中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。