多年凍土路基基底處理及路基填筑施工技術(shù)探討

戴文革

【摘 要】多年凍土路基工程質(zhì)量的控制及凍融、凍脹病害的預(yù)防是這個地區(qū)路基施工技術(shù)的關(guān)鍵，在施工過程中結(jié)合設(shè)計(jì)單位對于地表淺層黏性土層、粉砂層及局部地段的飽冰、含土冰層礫砂層采用挖除換填弱凍脹性土的措施；對于地面橫坡較陡且凍結(jié)層上水較為發(fā)育地段，于較高處路堤坡腳或路塹塹頂擋水埝中設(shè)置擋水板，凍土沼澤的地段于兩側(cè)護(hù)道中設(shè)置擋水板的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況制定了具體的施工方案及工藝。在施工過程中，我們不斷改進(jìn)完善施工方案，其施工技術(shù)和施工工藝填補(bǔ)了國內(nèi)同類工程施工的空白，并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對今后類似工程的施工具有重要的借鑒作用和推廣價值。

【關(guān)鍵詞】多年凍土；路基處理；路基填筑；施工技術(shù)

大興安嶺地區(qū)是我國多年凍土分布的主要地區(qū)之一，是高緯度古代冰川沉積殘留物在長期歷史條件下積累形成的。多為富冰凍土、局部為含土冰層，多年凍土的上限為0.3～1.8m、下限25～38m、局部下限為90m。在此種地質(zhì)條件下新修建鐵路不僅給施工帶來了很大困難，而且可能產(chǎn)生凍脹、沉融等不良路基病害。多年凍土具有的流變性、沉融性和凍脹性對鐵路建設(shè)影響嚴(yán)重。由多年凍土引起的主要地質(zhì)問題有：沉融、凍脹和冰錐、凍脹丘、融凍泥流、沼澤濕地、厚層地下冰等不良地質(zhì)現(xiàn)象。融沉是指多年凍土融化，使建在多年凍土區(qū)的建筑物地基變形和破壞，主要表現(xiàn)為路基下沉、路基向陽側(cè)邊坡和路肩開裂及下滑、路塹邊坡溜塌等。凍脹是土體凍結(jié)時產(chǎn)生的最重要的物理一力學(xué)過程，是因?yàn)樗梢后w變成了固體，體積膨脹增大而產(chǎn)生的，表現(xiàn)為地表的不均勻升高變形。伴隨土的凍脹，在建筑基礎(chǔ)表面將作用凍脹力，從而產(chǎn)生凍脹變形，嚴(yán)重時將引起建筑物的破壞。在諸多不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象中，對溫度變化最為敏感且對鐵路路基的修筑影響最大而且不容易繞避的主要是厚層地下冰，其融化時產(chǎn)生大的下沉量會引起工程建筑物的嚴(yán)重變形和破壞。因此如何正確合理的選擇施工工藝成為了解決路基施工的技術(shù)關(guān)鍵。

1 多年凍土路基工程概況

古蓮至洛古河線古蓮至月牙湖段位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)漠河縣境內(nèi)。線路自富西線古蓮站中心K679+500引出，跨古蓮河、漠古公路后沿古蓮河南岸并行八支線溯河西進(jìn)，至DK15+000m預(yù)留古蓮林場站后線路繼續(xù)西行，跨霍拉盆河至古蓮河露天煤礦南側(cè)邊緣，經(jīng)新設(shè)月牙湖站（DK31+550m），止于月牙湖站外DK33+070m。本工程正線里程33.4公里，線路所處主要地貌為低山區(qū)，地勢西高東低，一般山高在520-650米，相對高差100-130米，坡度多在10-15度，局部可達(dá)到35度。本段路基設(shè)計(jì)個別路基工點(diǎn)65處（28.452公里），占線路長度84.147%，路基工點(diǎn)主要為多年凍土路基，其中凍土低路堤18處（4.245公里），凍土路堤30處（17.784公里），凍土路塹15處（6.184公里），凍土沼澤地段路基2處（0.239公里）。古蓮至月牙湖段工程路基類型主要為多年凍土路基，其中凍土低路堤14處3.935Km，凍土路堤30處17.647 Km，凍土路塹14處7.108 Km，凍土沼澤地段路基1處0.202 Km，占線路總長度的85.5%。

多年凍土路基工程質(zhì)量的控制及凍融、凍脹病害的預(yù)防是這個地區(qū)路基施工技術(shù)的關(guān)鍵，我們在施工過程中結(jié)合設(shè)計(jì)單位對于地表淺層黏性土層、粉砂層及局部地段的飽冰、含土冰層礫砂層采用挖除換填弱凍脹性土的措施；對于地面橫坡較陡且凍結(jié)層上水較為發(fā)育地段，于較高處路堤坡腳或路塹塹頂擋水埝中設(shè)置擋水板，凍土沼澤的地段于兩側(cè)護(hù)道中設(shè)置擋水板的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況制定了具體的施工方案及工藝。但設(shè)計(jì)要求凍土路基及路塹基底處理要在秋冬、冬春交替季節(jié)（氣溫在0℃左右）施工，由于受總體工期的限制，在夏季也必須進(jìn)行凍土路堤及基底處理，施工方案隨之也進(jìn)行了優(yōu)化。

2.路基基底處理及路基填筑施工

2.1 凍土施工原則

對于凍土路基施工而言，保護(hù)凍土、控制融化、破壞凍土原則是路基施工應(yīng)該遵從的原則。

（1）保護(hù)凍土原則：指應(yīng)用該原則設(shè)計(jì)、施工的路基在規(guī)定的使用年限內(nèi)，能保持其熱穩(wěn)定性。即人為上限始終控制在指定的深度范圍內(nèi)，保持其下臥多年凍土的凍結(jié)狀態(tài)。

（2）控制融化原則：指在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)允許所設(shè)計(jì)的路基基底（或邊坡）多年凍土逐漸完全融化或產(chǎn)生局部融化，而且經(jīng)融化下沉變形量計(jì)算，可以將融化速率和深度控制在路基穩(wěn)定性所允許的變形范圍之內(nèi)。

（3）破壞凍土原則：指在設(shè)計(jì)文件中規(guī)定在施工過程中將基底（或邊坡）多年凍土融化或清除（全部或達(dá)到設(shè)計(jì)深度），并將融化后的水份疏干。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求路基施工采用的是破壞凍土原則，既將路基地表淺層黏性土層、粉砂層及局部地段的飽冰、含土冰層礫砂層采用挖除換填弱凍脹性土的措施。路基填筑施工工藝與其他地區(qū)施工區(qū)別不大。設(shè)計(jì)要求凍土路基及路塹基底處理要在秋冬、冬春交替季節(jié)（氣溫在0℃左右）施工，但由于受總體工期的限制，在夏季也進(jìn)行了基底換填施工。為減少氣溫對基底多年凍土的影響，在施工過程中盡量選擇夜間施工，同時不大面積開挖，采取分段開挖分段封閉的方式組織施工，一般在開挖前就準(zhǔn)備好換填料，開挖20米左右馬上進(jìn)行回填處理，盡量壓縮基底多年凍土的暴露時間，將熱融影響降低到最低限。如若在基底開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高以后發(fā)現(xiàn)凍土融化了一些，馬上采取拋石擠淤的方式進(jìn)行處理，然后在其上在填筑弱膨脹土。這樣也很好地解決了夏季施工對凍土的影響。

圖2-1 融化地段基底拋石處理

2.2 凍土路基施工方案

2.2.1基底處理

多年凍土地區(qū)路堤基底的處理，視工程的具體情況而定。對于無凍土現(xiàn)象的路堤基底，按照設(shè)計(jì)文件辦理即可。一般為挖除基底的粉土等軟弱土層，換填滲水土、粗顆粒土或圓礫土，然后填筑路堤。為減輕基底濕度，施工前做好排水系統(tǒng)，排水溝的設(shè)置宜寬而淺，排除地表積水，待地表晾曬后方可進(jìn)行路堤填筑。對于冰椎、凍脹丘的路堤基底，主要采取排水疏干的方式或路基外側(cè)積冰凍結(jié)的方式。對于多年凍土沼澤地段，主要采取排水疏干后的處理。首先在基底加設(shè)保溫材料，隨后填筑一定高度的滲水性填料，然后采用有相當(dāng)隔水性能的土作為路堤填料，最后或與路堤同時填筑兩側(cè)的保溫護(hù)道。

2.2.2 填料

多年凍土的存在，影響雨水的垂直滲透，使地表長期處于過濕狀態(tài)。為求路基免受凍害，路堤填料最好采用滲水性土壤，便于大量采取，而且冬季易予開挖。施工中應(yīng)盡量利用挖方或擴(kuò)大路塹的滲水性土壤作為填料，也可以選擇有滲水性土壤的取土坑集中采取。

2.2.3 路基工程類型的劃分及各類型路基的施工措施

零填、挖方與低路堤（H≤0.25最小設(shè)計(jì)填土高度H0）— 最不穩(wěn)定路基：這類路基由于多年凍土基底年融化深度最大，因此表現(xiàn)在年融化下沉變形量也最大。這類路段由于形成較深的融化盤，融化盤不易排水固結(jié)。對這類路基最好處理方式是換填砂礫石。對這類路堤最好施工季節(jié)是冬季開挖，因本標(biāo)段路塹路段很少，施工速度較快，能夠排水、能夠在一個施工季度內(nèi)完成路塹開挖、換填、支擋工程等，凍土段可采用爆破施工法挖方；

低于臨界高度的路堤（0.25H0

高于臨界高度（H≥H0）但有路基積水影響的路堤—亞穩(wěn)定路基：在亞穩(wěn)定路基內(nèi)，凍結(jié)過程天然融化層吸水聚冰，融化過程融冰排水固結(jié)。路基變形主要是天然融化層吸水聚冰，融化過程融冰排水固結(jié)。路基變形主要是天然融化層和填土自身的壓密變形和凍脹。在基底面與路基主體之間鋪設(shè)20—40CM厚的粗顆粒土層，既可以加快路基填土排水固結(jié)，又可以有效地減少凍脹。路基填土要求采用滲水土，施工方法和一般地區(qū)鐵路類似。

高于臨界高度﹙H﹥H0﹚—穩(wěn)定路段：這類路段路基變形僅發(fā)生于填土路堤與天然季節(jié)融化層之內(nèi)，但由于路基的壓密作用，每年發(fā)生的融沉和凍脹僅限于自身有限水分的相變，因此變形量一般均很小，認(rèn)為殘余變形主要是路基填土在荷載作用下壓密的結(jié)果。該類路基施工條件較好，可以按常規(guī)方法施工。另外要按照計(jì)算得出的數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制夏季施工進(jìn)度，防止超填造成融土核，否則將造成較大的工后沉降。

2.2.4 設(shè)置護(hù)道或護(hù)腳

為使銜接的多年凍土層上填筑的路堤穩(wěn)定，設(shè)計(jì)采用在其兩側(cè)設(shè)置1米高，2米寬的滲水護(hù)道。一般情況下，當(dāng)路堤高度大于其季節(jié)融化深度時，采用滲水護(hù)道，其結(jié)構(gòu)形式、高度、寬度、邊坡坡率及頂面橫坡按設(shè)計(jì)尺寸施工。滲水護(hù)道可與路堤同時填筑，其填料、分層厚度、壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與路堤相同；也可于路堤填筑后接著填筑，填料可就地取材，壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要符合設(shè)計(jì)要求，壓實(shí)層的虛鋪厚度與壓實(shí)遍數(shù)根據(jù)不同填料和壓實(shí)機(jī)具經(jīng)試驗(yàn)確定。但注意填筑材料不能與路堤填料相混。滲水護(hù)道施工時要做好防排水系統(tǒng)，在基底、坡腳、填層面均不得積水。滲水護(hù)道的填料采用粗顆粒土。凍土塊不可作為護(hù)道的填料。滲水護(hù)道的基底可不做處理，在護(hù)道填筑前要進(jìn)行平整。

2.2.5 泥沼凍土地帶路堤

不論何類沼澤，施工中均不挖除換土，但應(yīng)設(shè)置護(hù)道并按路堤高度、季節(jié)凍層厚度，施工季節(jié)等因素推算路堤預(yù)加沉落高度，于施工中一次加足。

沼澤地帶于冬季先鋪?zhàn)龅讓?，待暖季再填筑路堤?/p>

2.3 凍土路塹施工

多年凍土地區(qū)的路塹施工對多年凍土的熱干擾最為嚴(yán)重，開挖和處理不當(dāng)，可導(dǎo)致多年凍土大量融化，使施工無法進(jìn)行，嚴(yán)重影響路基工程的穩(wěn)定。因此路塹施工前，要根據(jù)土質(zhì)、水文、凍層等資料，針對不同情況慎重決定應(yīng)否保護(hù)多年凍層，選擇最恰當(dāng)?shù)氖┕し椒?。路塹開挖前，要進(jìn)行路塹范圍內(nèi)的地質(zhì)復(fù)查工作，準(zhǔn)確把握地質(zhì)空間分布情況，為施工方法的確定提供有力的依據(jù)。地質(zhì)復(fù)查的同時，按設(shè)計(jì)要求做好塹頂排水系統(tǒng)及土石方施工臨時排水系統(tǒng)；進(jìn)行施工階段的測量放線，訂設(shè)樁撅；選好棄土場地，按多年凍土地區(qū)環(huán)境保護(hù)要求修建臨時施工便道；編制施工組織設(shè)計(jì)時，重點(diǎn)放在減少多年凍土的暴露時間；制定爆破方案，優(yōu)先選用機(jī)械方式開挖，其次為人工開挖，不得以時方可采用爆破法開挖。路塹在厚層多冰凍土和富冰凍土分布區(qū)，采用保護(hù)多年凍土的原則開挖，選擇穩(wěn)定凍結(jié)期，即每年的11月中旬至次年四月中旬進(jìn)行施工。在穩(wěn)定凍結(jié)期，可以最大可能地減少多年凍土上限的降低幅度。邊坡在凍結(jié)狀態(tài)下土體強(qiáng)度較高，有時相當(dāng)于次堅(jiān)石（Ⅳ類）的強(qiáng)度，在這種狀態(tài)下，有利于邊坡穩(wěn)定，便于支擋工程的施工。

2.3.1 低含土冰量凍土分布區(qū)段的路塹

可于全年安排施工，冬季施工中密切注意地下水的活動，防止切斷地下水流，造成冬季塹內(nèi)冰椎危害；夏季施工時，密切注意地質(zhì)的變化，若低含冰量凍土中含有高含冰量凍土，要按高含冰量凍土的施工要求辦理。低含冰量凍土的路塹宜在暖季施工，工期可拉長一些，水平分層，逐層下挖，使凍層較平緩地逐漸下降，切忌一次掏槽，深挖到底，后再刷坡的施工方法。對于細(xì)粒土壤融化后承載力不足要采取換土措施或保護(hù)地基下凍結(jié)層的辦法。

路塹開挖至路肩設(shè)計(jì)標(biāo)高以下0.6m時，將其表面進(jìn)行平整后，進(jìn)行基床表層的填筑?；脖韺拥奶钪瓿珊?，按設(shè)計(jì)要求再進(jìn)行邊坡刷坡和處理，然后進(jìn)行路基面整平并修建側(cè)溝和側(cè)溝平臺，注意開挖時不得破壞邊坡坡腳。低含冰量凍土路塹中間含有高含冰量凍土地段時，要按設(shè)計(jì)要求做好兩種路塹基床的過渡，以便減小基床的不均勻凍脹和基床剛度的不均勻性。低含冰量凍土路塹局部含有高含冰量凍土?xí)r，施工中要予以挖出，并用融化的低含冰量土體回填、夯實(shí)。挖除深度為低含冰量凍土天然上限的1.5倍。

2.3.2 高含冰量凍土分布地段的路塹

宜在冬季施工，可保證凍層不為施工破壞，利于塹底及邊坡保溫層和防護(hù)層的設(shè)置。施工方法為全斷面分層分段開挖的方法施工，開挖一段，防護(hù)一段。各工序要統(tǒng)籌安排，前后銜接，連續(xù)進(jìn)行，包括準(zhǔn)備工作、開挖、回填和整平四個環(huán)節(jié)。開挖的程序包括兩個方面：松土和棄土作業(yè)；回填作業(yè)要快速完成，回填順序?yàn)橛衫锏酵?、由高到底逐段填筑；整平作業(yè)主要為清坡、清溝和路塹成型。

高含冰量凍土路塹的邊坡和基床的換填材料、厚度、鋪設(shè)方法按設(shè)計(jì)文件執(zhí)行或按試驗(yàn)決定?；病⑦吰?lián)Q填粘性土?xí)r，底部要做0.5m的卵碎石土作墊層，并夯實(shí)碾壓，壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)同基床底層，碾壓合格后進(jìn)行粘性土填筑；基床表層0.6m用卵碎石分兩層填筑，每層填0.3m厚，邊坡填土分層填筑壓實(shí)。基床、邊坡全部換填卵石土?xí)r，基床部分的填筑要滿足TB10001-99規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；基床上部所設(shè)復(fù)合土工織物防滲層要做成自中心向兩側(cè)側(cè)溝成4%的坡度。邊坡填土分層填筑壓實(shí)?；苍O(shè)隔熱層時，隔熱層上、下中粗砂緩沖層必須壓實(shí)，并妥善保護(hù)，既確保隔熱層上填土得到壓實(shí)又不損傷和壓縮隔熱層。路塹全部換填完成后，方可進(jìn)行邊坡整修、路基面平整、邊坡表面處理，最后修建水溝和側(cè)溝平臺。高含冰量凍土地段路塹開挖前，必須做好臨時保溫措施，備好臨時保溫材料。對于保溫層和防護(hù)層，冬季施工時要有烘干或預(yù)熱融化等工序，于溫棚內(nèi)進(jìn)行或待融凍初期迅速短期完成。開挖的松土作業(yè)又分為松土機(jī)松土開挖法和鉆孔爆破松土開挖法兩種。松土機(jī)松土開挖需要大馬力的機(jī)械設(shè)備（250馬力以上），適于凍土開挖的松齒結(jié)構(gòu)的松土機(jī)。鉆孔爆破松土開挖采用深孔或深孔藥壺爆破方式。開挖的棄土作業(yè)，橫向推置于塹側(cè)開挖界限30m以外；上限以下含土冰層或飽冰凍土，視路塹長度，采用縱向一次推出或設(shè)橫向通道（鎖口）分段推出的方法，推棄于塹外適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)。鎖口的位置要與路塹開挖的松土方式同時進(jìn)行，間距以100m左右為宜。200m以下的路塹宜兩端相向開挖，并在塹口下方設(shè)鎖口；200m以上的路塹可分段施工，增設(shè)中部橫向鎖口。推土應(yīng)由高往低推進(jìn)。開挖至換填階段，應(yīng)對暴露的冰層做晝蓋夜開的簡易遮擋防護(hù)，以減少熱融影響。切忌雨季施工，避免增加土質(zhì)含水量和雨季水滲透，破壞凍層。

2.3.3 石質(zhì)凍土路塹施工

石質(zhì)凍土路塹的開挖方式與一般非凍土石質(zhì)路塹開挖方法相同。開挖前首先做好臨時排水系統(tǒng)，施工中隨時將滲出的地下水排出施工場地。邊坡要按照設(shè)計(jì)要求做好坡面防護(hù)，在地下水出露地段要做好排水設(shè)備。路塹開挖至路肩標(biāo)高以下0.6m，將其表面整平，并做成向兩側(cè)呈4%排水坡，表面凹坑用混凝土補(bǔ)平?；脖韺拥撞吭O(shè)0.1m的中粗砂墊層，在墊層上分兩層填筑卵碎石土，每層均為0.25m。

2.3.4 半填半挖地段

當(dāng)設(shè)計(jì)無特殊要求時，宜在冬季安排施工，施工時嚴(yán)禁擾動填挖邊坡以外的原有覆蓋層，填挖范圍內(nèi)覆蓋層經(jīng)施工挖除后，應(yīng)加做保溫層及防護(hù)層。挖方自坡頂下挖，填方自下分層夯實(shí)，并沿挖方坡頂外5—10m處挖寬0.5m溝槽，槽身要鑲?cè)攵嗄陜鐾翆?.5m，槽內(nèi)夯填粘質(zhì)土，防止水流滲入。

2.3.5 低填淺挖地段

低填淺挖和零斷面地帶的地表覆蓋層應(yīng)予鏟除，如基底為粗粒土?xí)r，不需特殊處理?；诪榧?xì)料土壤時，需采取換填和保護(hù)多年凍土層不被破壞的措施。換土施工宜在冬季進(jìn)行。換土槽設(shè)橫向及縱向的泄水坡，并每隔10m做橫向盲溝，以便排除槽內(nèi)積水。挖槽縱向兩端應(yīng)以不陡于1：10斜度深入不需換填的土壤中。槽兩側(cè)可做成垂直或5：1的斜坡。

2.4高寒地區(qū)多年凍土施工注意事項(xiàng)

保護(hù)多年凍土地基的熱狀態(tài)平衡。施工中千方百計(jì)減少熱融，嚴(yán)格保護(hù)自然植被，地表覆蓋層；科學(xué)合理安排施工季節(jié)；組織快速施工，施工一次到位；搞好臨時保溫措施，通暢施工排水。在富冰凍土、飽冰凍土或含土冰層地段路堤施工中，各種機(jī)械車輛不得在路堤基底與排水溝之間地帶行走，并盡量少設(shè)穿行通道，保持地表平順完整。暖季修筑不需處理的低路堤時，要在最大季節(jié)融化前一次填筑完成。

多年凍土路基施工必須防止地表水流入或滲水基底和邊坡。在凍土現(xiàn)象地段，要密切觀察注意不良地質(zhì)的活動變化。在開挖溝道或取土?xí)r，必須注意凍土融化及邊坡坍塌而影響路基穩(wěn)定。開挖不宜過深，防止地下水露出形成病害。

路基的防護(hù)與加固，首先考慮保溫，以免凍融作用下引起多年凍土的融化變形。遇沼澤或流動狀態(tài)的土壤內(nèi)修建路基，宜安排在冬季施工。

3. 結(jié)論

本文對大興安嶺多年凍土地區(qū)的鐵路路基施工技術(shù)進(jìn)行了研究，要求在施工中嚴(yán)格按規(guī)范和設(shè)計(jì)圖施工，嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)境保護(hù)措施。大興安嶺凍土地區(qū)施工有效工期短，多年凍土非常嬌貴，稍有破壞后果很難設(shè)想，因此要快速施工，如何正確合理的選擇施工工藝成為了解決路基施工的技術(shù)關(guān)鍵。另外也對多年凍土地區(qū)的排水及擋水系統(tǒng)的施工工藝作了詳細(xì)論述。凍土鐵路路基的穩(wěn)定問題仍需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和探討。

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