青藏铁路多年冻土区路基变形特征及影响因素分析

董昶宏,赵相卿

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070；2.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000)

1 概述

多年冻土被冰所胶结，具有比较鲜明的物理、化学特性[1-2]，它既具有一般土的共性，又是一种多相复杂的体系。青藏铁路路基常常会因为土体构造的变化而引起一系列冻胀与融沉变化[3-4]，进而影响铁路路基的稳定性，不仅影响青藏铁路的正常运营，而且致使养护维修费用大幅度增加。

青藏铁路由青海省省会西宁至西藏自治区首府拉萨，全长1 956 km，其中550余km为多年冻土区。因为冻土对于外界的环境变化十分敏感，尤其在高温多年冻土地区，温度和热量的扰动会引起冻土上限的变化，进而致使地上工程出现一系列病害，严重危及线路的安全运营。本文依托青藏铁路沿线长期观测系统，在分析大量相关数据的基础上，掌握了青藏铁路路基下伏高原多年冻土的沉降变形特征及影响因素，这对于高原地区科研项目或设计工作均具有十分重要的意义。

2 监测系统的设置与观测

在青藏铁路沿线布设66个观测断面和3个气象站，自2006年1月起开始观测，通过对青藏铁路路基断面进行长期、系统、连续的路基沉降变形观测、地温监测和气温监测，获得比较完整的路基变形资料，依托该资料对高原多年冻土区铁路路基的冻胀与融沉变形特征进行归纳并分析出青藏铁路路基对下伏多年冻土的冻胀与融沉变形特征及其主要影响因素。

2.1 观测断面选择

系统观测断面主要按照以下原则筛选：

(1)重点监测高温高含冰量冻土分布地段的工程和多年冻土边缘地带的工程；

(2)在低温冻土区的工程布置适当的断面；

(3)施工期监测中发现的不良冻土现象危害地段的工程；

(4)施工期监测的工程在监测期内一直变形较大，认为有必要进一步监测的断面；

(5)典型工程措施路段包括片石气冷路基、抛石、碎石护坡、保温材料和抛石、碎石护坡的复合措施路基、热棒路基、通风管路基、保温材料等结构措施的断面。

2.2 观测内容及方法

依托长期观测系统，从地温、路基变形、气象三个方面对青藏铁路进行全面监测，从中获取比较完整的路基变形资料。

(1)地温观测

采用热敏电阻(其精度为0.01 ℃)，每隔5 d采集一次数据。

(2)变形观测

采用光学水准仪进行观测，闭合差按照《建筑变形测量规程》(JGJ/T8—97)二级变形测量进行控制，在路基地温监测断面的左右路肩部位设立变形监测点，每月进行1次路基变形观测，水准基点设立于距路基监测断面坡脚20 m以外的天然地表。

(3)气象观测

“系统”设立了3个自动气象站，每小时采集一次。其主要的观测内容包括：气温、风速、风向；气压、相对湿度、地表温度、太阳辐射和日照。

3 路基变形特征

青藏高原多年冻土区铁路路基的冻胀、融沉变形主要与多年冻土的构造类型、多年冻土的工程地质条件、路基施工的质量以及路基所在地区的太阳辐射等条件有关。从2006年1月至2009年12月底，通过对66个观测断面进行变形观测和和3个气象站的气象监测，在对大量数据进行分析处理后，青藏高原多年冻土地区铁路路基的沉降表现归纳为下列3个特点。

(1)青藏铁路路基在每一个冻融循环后，路基整体变形稳定性较好。

以2009年青藏铁路路基变形为例，对路基断面变形量进行统计，在观测的66个路基断面中2009年累计变形量小于20 mm且沉降速率小于2 cm/年的路基断面有60个，占观测路基断面的90.9%，年变形量20 mm≤累计变形量<50 mm且沉降速率小于5 cm/年的路基断面有6个，占观测路基断面的9.1%。按照《铁路路基设计规范》(TB10001—2005、J447—2005)规定(路基的工后沉降应满足以下要求：Ⅰ级铁路不应大于20 cm，沉降速率不应大于5 cm/年)，青藏铁路路基整体变形可评定为稳定性较好[5]。

(2)多年冻土地区铁路路基的变形分为冻胀、融沉两部分，冻土路基变形表现为融沉冻胀循环，路基变形趋势以融沉为主。

从图1可以看出，高原多年冻土铁路路基的沉降变形随时间变化主要有以下特点。

随着寒季的到来，活动层地温逐渐下降至0℃以下，路基出现冻胀变形，但幅度较小；随着暖季的到来，活动层地温逐渐上升至0℃以上，铁路路基表现出融沉变形且幅度较大。

从路基沉降曲线图分析，在每一个冻胀～融沉变形循环内，路基的冻胀变形和融沉变形相互作用，高原多年冻土铁路路基在横断面上的融沉变形幅度大于冻胀变形幅度，总体以缓慢下沉变形为主，而且随着时间的推移，这种变形速率会逐渐降低，但短时间内不会停止。

图1 路基沉降曲线

(3)多年冻土地区铁路阴阳面较为明显的路基，其横断面上的变形会表现出左右不均匀。

以K1286+197路基断面为例，该断面位于通天河盆地南缘布曲河西岸阶地，线路走向南偏西68°，路基阴阳面较为明显。从图2中可以看出，阳坡侧(左路肩)的累计沉降量大于阴坡侧(右路肩)，并且阴阳坡的累计沉降量差值渐渐增大。2008年天然上限2.52 m，年平均地温-0.33 ℃；左路肩最大融化深度5.94 m，位于原天然地面以下1.75 m；右路肩最大融化深度4.34 m，位于原天然地面。2009年天然上限2.59 m；左路肩最大融化深度6.33 m，位于原天然地面以下2.14 m，比2008年加深0.39 m；右路肩最大融化深度4.31 m，位于原天然地面。2009年左路肩累计沉降量20 mm，右路肩累计沉降量6 mm。

图2 K1286+197断面路基累计变形曲线

综合分析，铁路路基由于吸收太阳辐射等因素的影响，使得阳坡侧的地温高于阴坡侧(图3)左路肩沉降量大于右路肩沉降量，出现阴阳坡沉降差异。

图3 K1286+197断面左右路肩2009年10月平均地温曲线

4 路基变形的主要影响因素分析

青藏铁路自20世纪50年代修建以来，穿越多年冻土的路段变形病害十分严重，其主要原因在于路基下伏多年冻土持续发生着融化、地温升高、上限下移等显著的退化现象[5-7]。因此，本文从线路走向、地温、太阳辐射、工程措施等方面分析青藏铁路路基变形的主要影响因素。

4.1 线路走向

路基阴阳面热状况的差异将会引起路基下伏冻土层温度场的不对称分布，从而产生路基横向不均匀变形的隐患。整体而言，路基阳面的沉降变形普遍大于路基阴面，预示着阳面多年冻土的融化更为剧烈。换言之，路基的阴阳坡差异与路基变形呈正比。

青藏铁路线路走向方向基本为南偏西，在观测的66个路基断面中，阴阳面差异较为明显的路基断面有34个，将其路基断面左右路肩地温线曲线与其路肩变形曲线进行对比分析可知，路基阳坡面地温高于阴坡面地温且阳坡面路基变形大于阴坡面路基变形。

以K0954+185断面为例，该试验路段纵向走向(拉萨向)为南偏西50°，路基修筑后左右边坡形成较为明显的阴阳面(左为阳面，右为阴面)。

通过地温监测系统，对该断面2006年到2007年铁路路肩地温绘制曲线，如图4给出了该断面路基左路肩(阳坡面)、右路肩(阴坡面)地温随深度变化过程。由图4可知两个规律：(1)路基阳坡面(左路肩)地层温度始终高于路基阴坡面(右路肩)地温；(2)冬季地层温度差异最大，阳坡面温度比阴坡面高约5 ℃。

图4 K0954+185路基断面(深度0.5 m)地温变化过程曲线

选择观测期间2006年1月～2007年1月的资料作为一个年度对浅地层温度进行年度温度指标分析，结果见表1。最高温度2个面差异不大，阳坡面比阴坡面只高出0.42 ℃；最低温度2个面差异非常明显，阳坡面比阴坡面高出10.52 ℃。阴坡面的冻结指数是阳坡面冻结指数的2倍多，而阴坡面的融化指数只有阳坡面的约4/5。

表1 2006年1月～2007年1月年度温度指标统计结果(采用天平均温度统计)

参照n系数的定义[8-9]，将0.5 m深度温度的冻结/融化指数与对应气温冻结/融化指数之比定义为浅地层温度n系数。图5给出了路基阴阳坡面、路基顶面以及天然地表浅地层温度冻结/融化n系数。

图5 路基阴阳面边坡、路基顶面及天然地表浅地层(深度0.5 m)温度n系数

冻结n系数越大、融化n系数越小，越有利于吸热，反之越利于放热。因此，路基阳坡面冻结n系数最低、融化n系数最高，最利于吸热；阴坡面冻结n系数最大，融化n系数比天然地表略大，整体呈现放热效应；阳坡侧路基冻胀、融沉变形大于阴坡侧路基，造成路基左右沉降不均匀的现象，对青藏铁路的运营造成隐患。

4.2 地温

依托长期观测系统所得数据，分析可得青藏高原多年冻土区铁路路基变形过程与地温的年波动变化关系(图6)。青藏铁路路肩变形，在2006年到2010年中随地温的年波动变化而变化，其变化以年为区段可分为冻胀和融沉两部分。当地温降低、土体冻结时，变形表现为冻胀变形；当地温升高、土体融化时，变形表现为下沉变形；同时，从图6可知，铁路路基冻胀变形速率小于融沉变形速率，路基变形整体趋势为下沉变形，符合上文所述路基变形第二特征。

从青藏高原多年冻土区铁路路基变形与地温波动关系(图6)中变形过程可以得出，冻土路基的冻胀变形时间在11月份到次年4月之间，沉降变形时间在5月到12月之间，符合冻土路基变形的时间变化特点。

图6 冻土路基变形与地温波动变化关系

4.3 太阳辐射、气温、水分迁移

太阳辐射、路基填筑体表面与大气的热交换、水分迁移引起的热交换是路基热量的主要来源，热量向温度较低的冻土传送，冻土中冰融化从而产生融沉现象，造成路基的变形。

在当前热质综合输运课题上，温度、辐射热和水分等作为混合边界，温度仍然是连续作用的最主要的边界条件[10]。特别是年度总积温(融化指数)与多年冻土的年最大融化深度有着十分密切的关系，如图7所示，其最大融深与融化指数呈正比，。所以，温度、水分、太阳辐射是影响多年冻土区路基变形的主要因素之一。

图7 可可西里山天然地表最大融深与融化指数(1984～1990年)关系[10]

4.4 工程措施

人为活动在一定程度上会使多年冻土区形成新的上限——人为上限。青藏铁路多年冻土区路基工程，针对不同的冻土条件和工程地质条件，采用了大量的热棒、碎石护坡、片石路基等防护措施[11]。各种措施通过改变热量传递中辐射、传导、对流3种方式的途径和过程，在一定程度上减小传入路基基底多年冻土中的热量，降低多年冻土地温，地基多年冻土强度增加，从而减小多年冻土路基的变形。

5 结论

通过长期监测系统对青藏铁路沿线气候、路基地温、路基变形、冻土条件和工程水热变化等进行长期、系统、连续监测，进行综合分析，可得出以下结论。

(1)青藏铁路多年冻土区铁路路基左右路肩变形量不同，具有一定的不均匀性，主要原因是路基两侧所接受的太阳辐射和水文条件较大差异所造成的。

(2)青藏铁路多年冻土区路基变形主要由冻胀和融沉两部分组成，每年12月份到次年1月份之间，冻土路基以冻胀变形为主；每年4月到7月底之间，冻土路基以融沉为主；其他时间，路基的变形处于融沉和冻胀变形的转变期，但路基变形整体趋势以融沉为主。

(3)青藏铁路多年冻土区路基变形主要与土体年平均地温、冻土工程地质条件密切相关，路基的变形主要发生于高温高含冰量路段，土体含冰量与融化下沉变形量呈等比关系。

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