青藏鐵路風火山地段路基病害特征及防治措施研究

程 佳,王 濤,朱兆榮,唐彩梅,趙相卿

(1.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000； 2.青藏鐵路凍土工程實驗室, 青海格爾木 816000；3.甘肅煤炭地質(zhì)勘查院, 蘭州 730000)

青藏鐵路風火山地段路基病害特征及防治措施研究

程 佳1,2,王 濤3,朱兆榮1,2,唐彩梅1,2,趙相卿1,2

(1.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000； 2.青藏鐵路凍土工程實驗室, 青海格爾木 816000；3.甘肅煤炭地質(zhì)勘查院, 蘭州 730000)

近年來,山區(qū)高填方斜坡路基發(fā)生病害成為青藏鐵路一種新的線路病害類型,對青藏鐵路的運營造成了安全隱患,需要對其進行針對性研究。以該類病害發(fā)生較為典型的風火山地區(qū)某路段作為研究對象,采用收集地質(zhì)、氣象等資料和進行現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)勘探、試驗相結合的方法,進行病害特征及防治措施研究。研究結論：將其病害特征歸納為路基下坡側(cè)坡腳滲水、路基坡體出現(xiàn)開裂、路基沉降明顯3個方面。并從地形因素、地質(zhì)條件、水位氣象因素、凍土地質(zhì)環(huán)境4個方向?qū)Σ『Ξa(chǎn)生原因進行了綜合分析。在此基礎上提出了加固路基坡體、完善防排水系統(tǒng)、加強熱防護措施和加強安全監(jiān)測等防治措施建議。

青藏鐵路； 風火山地區(qū)；路基病害；防治措施

1 概述

自青藏鐵路格拉段運營以來，路基工程整體處于穩(wěn)定狀態(tài)[1]，但受凍土環(huán)境的影響，也有部分路段發(fā)生病害，其前期主要發(fā)生在路橋過渡段、凍融過渡段、格拉段多年凍土區(qū)南界附近(唐南安多)、沼澤化濕地等地段。針對這些地段的路基問題，前人進行了大量的研究，分析了其影響因素，并提出了相應防治措施[2-8]。

近年來，根據(jù)沿線長期觀測與代維單位維修養(yǎng)護監(jiān)測的結果，山區(qū)高填方斜坡路基地段發(fā)生病害成為青藏鐵路一種新的典型線路病害類型，其發(fā)生區(qū)域以風火山地段較為典型。因此，針對此類病害進行調(diào)查研究，分析其病害原因并提出治理措施，有利于維護青藏鐵路的安全運營。

青藏鐵路格拉段穿越了大片連續(xù)的多年凍土地段，其中就包括風火山多年凍土區(qū)(K1137+150～K1157+150)。風火山地區(qū)地形復雜，地貌崎嶇，線路主要行走在山間斜坡和溝谷之間。在該區(qū)段線路橋梁和隧道通過的線路長度約為8.2 km，其余地段主要以路基形式通過，長度約為11.8 km。由于特殊的地形，路基地段多為高填方斜坡路基。以青藏鐵路風火山地區(qū)某病害路段為研究對象，對其凍土工程地質(zhì)特征及病害原因進行分析研究，并提出相應的防治措施建議。

2 風火山地區(qū)凍土工程地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

風火山地區(qū)地形主要以山前丘陵及低高山區(qū)為主，海拔4 500～4 700 m，相對高差200～300 m。山頂基巖裸露，山梁較平緩，自然山坡上陡下緩，山間溝谷發(fā)育，岸坡深而陡，呈頂平坡緩、谷寬溝短的地貌形態(tài)。

2.2 氣候變化特征

氣候變化是導致凍土變化的一個重要因素，以風火山氣象觀測資料(1976～2012年)為基礎進行分析研究[9]，風火山地區(qū)氣候變化主要體現(xiàn)在氣溫和降水兩個方面。

(1)風火山地區(qū)氣溫處于升溫過程中，近37年氣溫升溫率為0.045 4 ℃，其中2000年以來年平均氣溫升溫率為0.047 3 ℃/a，氣溫上升有所加快。同時，地面溫度升溫率為0.062 1 ℃/a。地面溫度上升速率大于氣溫上升速率。

(2)37年來風火山年降水量平均值為347.0 mm，其中2004年以前降水量偏小，低于37年平均值，2004年以后則高于37年平均值，且降水量隨時間變化整體處于增加狀態(tài)。

2.3 地層巖性

該地段包含的典型地層：第四系全新統(tǒng)洪積角礫土、粉質(zhì)黏土，下伏基巖為第三系泥巖。其工程地質(zhì)特性描述如下。

(1)角礫土：厚度0.5～2.0 m，σ0=300 kPa；粉質(zhì)黏土：厚度2.3～3.5 m，σ0=100 kPa。

(2)粉砂土：厚度2.3～3.5 m，少冰、多冰凍土，不融沉、弱融沉，σ0=350 kPa；富冰、飽冰凍土，融沉、強融沉，σ0=250～280 kPa；含土冰層：融陷。

(3)角礫土：上限以下厚度1.0 m左右，少冰、多冰凍土，不融沉、弱融沉，σ0=600 kPa；富冰、飽冰凍土，融沉、強融沉，σ0=250～320 kPa。

(4)泥巖：鉆孔深度范圍內(nèi)未見層底，強風化-全風化地層，少冰、多冰凍土，不融沉、弱融沉，σ0=350 kPa；富冰、飽冰凍土，融沉、強融沉，σ0=250～280 kPa。

2.4 水文地質(zhì)條件

該區(qū)段橋通過區(qū)季節(jié)性流水沖溝發(fā)育，未見常年性地表徑流。

勘探過程中揭示的地下水類型主要為凍結層上水，水位不穩(wěn)定，連續(xù)性差、水質(zhì)差，主要受大氣降水補給，廣泛分布于季節(jié)融化層內(nèi)，對工程穩(wěn)定性影響較大。已有資料顯示該段地下水具硫酸鹽中等侵蝕性。

2.5 多年凍土特征

通過對病害路段左右坡腳鉆探和測溫資料綜合判定，路基左側(cè)坡腳人為上限2.3～3.5 m，右側(cè)坡腳人為上限2.7～3.6 m。該段年平均地溫為-1.0～-1.2 ℃，但上限附近高含冰量凍土層地溫較高，在-0.5 ℃以上。

多年凍土類型主要為飽冰凍土、含土冰層，且高含冰量凍土主要集中在上限附近。

該區(qū)段年平均地溫在-1.2 ℃左右，屬低溫基本穩(wěn)定多年凍土(Tcp-Ⅲ)，但上限附近高含冰量凍土層地溫較高，在-0.5 ℃以上，路基下地基多年凍土穩(wěn)定性較差，再加上凍結層上水發(fā)育，水熱侵蝕作用較強。從凍土工程地質(zhì)條件評價來看，本段屬凍土工程地質(zhì)條件較差地段。

3 路基病害特征

以風火山地區(qū)某病害路基地段為對象，通過詳細的調(diào)查分析，認為其路基病害特征主要體現(xiàn)在路基下坡側(cè)坡腳滲水、路基坡體開裂、路基沉降3個方面。

3.1 路基下坡側(cè)坡腳滲水

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，線路路基存在下坡側(cè)坡腳滲水現(xiàn)象。右側(cè)坡腳(上坡側(cè))便道土體松軟，多處可見流水下滲形成的坑洞。局部地段土體已經(jīng)呈飽水狀態(tài)，人站上去腳部明顯下陷。路基左側(cè)坡腳(下坡側(cè))多處出現(xiàn)水流痕跡。

根據(jù)現(xiàn)場勘探結果，該段線路路基坡腳鉆探可見凍結層上水，路基右側(cè)坡腳水位較低(表1)。水位以上土體含水率均在10%以上，整體含水率較高，土體較松軟(表2)。

表1 監(jiān)測斷面初見水位 m

表2 監(jiān)測斷面含水率 %

注:H——含土冰層;B——飽冰凍土

3.2 路基坡體出現(xiàn)裂縫

路基坡體發(fā)生開裂現(xiàn)象，左側(cè)路基邊坡從某涵洞拉端涵頂開始斜向開裂到距路肩3 m處，再斜向向下，至片石護坡坡腳，整個開裂基本上位于坡面中下部，坡面開裂長度約70 m。見圖1。

圖1 坡體開裂

3.3 路基明顯沉降

根據(jù)長期變形監(jiān)測資料分析，該區(qū)段路基近年來一直處于沉降過程中，2008年至2013年路基累計沉降量達到了60～100 mm這個區(qū)間范圍，其中左路肩沉降量大于右路肩，且有加劇趨勢。見圖2。

圖2 路基累計沉降曲線

4 病害原因分析

4.1 地形因素

該段處于山前緩坡，路基右高左低(圖3)，路基修筑后由于人為上限的提升在路基右側(cè)其凍融界面形成縱向集水溝，水不易排出，進而導致路基上坡側(cè)坡腳積水和下坡側(cè)坡腳滲水，水的熱侵蝕作用引起地基表層粉質(zhì)黏土軟化導致承載力下降，同時，積水下滲至土體中形成凍結層上水對高含冰量多年凍土有強烈的熱侵蝕作用，從而導致該段多年凍土路基發(fā)生較大沉降變形。

圖3 路基結構示意

4.2 地質(zhì)因素

該地段地層表層巖性以角礫土和粉砂土為主，粗顆粒土為主的地質(zhì)條件有利于水的匯聚、滲透和流通，也就容易導致路基軟化沉降，產(chǎn)生各種路基病害。路基斷面土體級配見表3。

4.3 水文與氣象因素

根據(jù)氣象監(jiān)測資料可知，風火山地區(qū)近年來一直處于溫度(包括氣溫和地溫)升高、降水增加的狀態(tài)下，同時，該地區(qū)降水比較集中，主要集中在7～9月份，月均降雨量約100 mm。短期豐富的降水匯集導致路基上坡側(cè)地表水和凍結層上水極為發(fā)育，對路基和多年凍土形成侵蝕作用。

表3 路基斷面土體級配

4.4 凍土環(huán)境因素

該段線路走向NW86°，路基左側(cè)為近似正陽側(cè)。從鉆探資料及地溫監(jiān)測資料，斷面路基右側(cè)坡腳人為上限2.7 m，出水量很大，靜止水位地面下0.4 m；左側(cè)坡腳人為上限3.7 m，出水量較大，小于右側(cè)，靜止水位地面下1.1 m?？梢?，路基右側(cè)凍結層上水發(fā)育，路基底部有過水現(xiàn)象。由圖4、圖5可見，左側(cè)坡腳年平均地溫為-0.5 ℃，右側(cè)坡腳年平均地溫為-1.0 ℃，左側(cè)年平均地溫高于右側(cè)，這是由于路基左側(cè)為陽側(cè)，路基左側(cè)坡腳受熱干擾嚴重，導致左右側(cè)坡腳人為上限差異較大，引起路基左側(cè)發(fā)生較大融沉。因此，陰陽坡的差異和地下水的熱侵蝕引起左側(cè)路基基底多年凍土升溫融化，最終導致左側(cè)路基下沉，形成張拉裂縫。

圖4 監(jiān)測斷面地溫曲線(右坡腳)

圖5 監(jiān)測斷面地溫曲線(左坡腳)

4.5 小結

根據(jù)以上分析，導致路基病害產(chǎn)生的原因主要可概括為：地形對路基本體結構的穩(wěn)定性影響，水熱條件影響，以及氣候長期變化的影響，防治措施的研究也可以從這些方面出發(fā)考慮。

5 防治措施建議

通過對風火山地區(qū)路基病害特征及產(chǎn)生原因的分析，對于該類地區(qū)的病害防治，建議按以下幾個方面進行。

(1)針對發(fā)生了路基坡體開裂問題，應根據(jù)情況考慮采用支擋結構進行穩(wěn)固。

(2)水是導致路基病害發(fā)生的一個重要因素，應該要做好路基上坡側(cè)的防排水措施，可以根據(jù)地形地面、地層巖性等考慮采用保溫盲溝、擋水埝、排水溝、防水板等綜合結構措施。

(3)根據(jù)地溫監(jiān)測情況，該地區(qū)的多年凍土較為穩(wěn)定，但高含冰量土層分布較淺，因此，應遵循“保護多年凍土”的原則，加強熱防護措施，主要包括熱棒、片石保溫護坡、保溫土護道等。

(4)由于該地區(qū)的特殊地形條件，以及氣溫、降水逐年增加的趨勢，應加強線路安全監(jiān)測，及時應對可能發(fā)生的病害。

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Research on Subgrade Defects of Fenghuoshan Section on Qinghai-Tibet Railway and Countermeasures

CHENG Jia1,2, WANG Tao3, ZHU Zhao-rong1,2, TANG Cai-mei1,2, ZHAO Xiang-qing1,2

(1.Northwest Research Institute Co., Ltd. of C. R. E. C, Lanzhou 730000, China; 2.Permafrost Engineering Lab of Qinghai-Tibet Railway, Golmud Qinghai, 816000, China; 3.Gansu Provincial Coal Geological Exploration Institute, Lanzhou 730000, China)

In recent years, subgrade defects occur frequently in highfill slope embankment of Qinghai-Tibet railway, which results in potential risks to the traffic. It is necessary to conduct researches about it. Eith reference to the typical Fenghuoshan area, yhis paper addresses the issue, by collecting geological and atmospheric data, field investigation and experiments. The research results show that the defects fall into three categories, including water seepage at subgrade slope, subgrade slope cracking and subgrade settlement. The causes are analyzed in terms of topographical factor, geologic factor, hydrometeorological factor and permafrost environment. Based on the analysis, treatment measures are recommended to reinforce roadbed slope, improve drainage system, and strengthen heat-protection and monitoring.

Qinghai-Tibet railway; Fenghuoshan area; subgrade defect; Treatment measures

2015-01-08；

2015-02-24

中國中鐵股份有限公司科技開發(fā)計劃(2013-重點-45)

程 佳( 1983—)，男，工程師，工學碩士，E-mail:chengjia02@163.com。

1004-2954(2015)08-0014-04

U216.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.003