柴木铁路高原冻土沼泽湿地路基施工综合技术及应用

李双宝

（中铁三局集团第六工程有限公司，山西 晋中 030600）

1 项目概况

青海境内柴达尔至木里铁路（下简称柴木）是当今世界上海拔最高的地方铁路，海拔高度为3 600～4 200 m，途径青海省北部的刚察县、祁连县和天竣县，全长142.04 km。木里煤田是我国优质焦煤基地之一，目前探明储量为3.3×109t。几十年来，开采的焦煤主要通过简易公路外运，运力低下，成本昂贵。柴木铁路的建成为该地区的资源优势转化为经济优势，促进民族团结，繁荣地区经济的建设具有重要意义。

青藏铁路的建设为高海拔冻土区铁路修建提供了诸多的实践经验。主动冷却冻土路基的筑路理念已经被广泛接受。在青藏铁路多年冻土区采取的主动冷却措施包括块石路基、热棒路基、管式通风路基、旱桥、抛碎石护坡等。截至到目前，这些措施不同程度地起到了降低多年冻土温度、促进路基稳定的作用。借鉴这些成功经验，柴木铁路多年冻土路段计划大规模应用块石通风路基、热棒等主动冷却措施。但是柴木铁路沿线多为冻土湿地，自然地理和地质条件与青藏铁路有很大差异，存在一系列问题。例如，这些措施能否在投资有限的前提下确保冻土路基的稳定，现有措施的设计参数和施工工艺能否进一步优化，能否针对柴木铁路的工程及地质特点开发更有效的冻土路基和附属工程稳定措施，如何客观定量评估柴木铁路冻土路基的稳定性以及柴木铁路冻土路基未来的热稳定状况怎样等。根据这些问题，由业主单位和国家科研单位主导，工程施工单位参与联合组成科研项目。

2 柴木铁路冻土沼泽湿地路基修筑综合技术

业主单位：青海省地方铁路管理局

科研单位：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，兰州大学

施工单位：中铁三局集团公司，中铁十一局集团公司，中铁十三局集团公司

由业主单位、科研单位牵头并主导，施工单位参与并配合，成立冻土沼泽湿地科研项目。以冻土调查、区划、制图为基础，通过对现场试验工程的监测分析，结合模糊数学、数值方法等理论研究，研发了适用于柴木铁路多年冻土湿地路基综合修筑技术。主要成果包括以下几项科技创新点。

第一，开发了高海拔多年冻土区种植草皮护坡、草皮水沟和铁路涵洞技术。上游侧止水综合技术，制定了草皮移植、种植和涵洞上游侧止水技术的施工方法。

青藏高原环境生态十分脆弱，在多年冻土路基边坡上种植草皮，以往没有成功的先例。通过和青藏高原生物研究所联合，经过多次科研实验，最终草皮配比和试种成功，选用适宜高原冻土地区的垂穗披碱草或多叶老芒麦与冷地早熟禾按7∶3的比例混合，选择6、7月份在路基边坡上摊铺10 cm腐殖土后，人工撒种，常规施肥再用塑料薄膜或无纺布覆盖，洒水养护。这项措施使草皮种植成活率达到85%以上，成效显著。种植草皮护坡和草皮排水沟在全线得到推广和应用，取得良好的经济效益、工程效益和生态效益，落实了“绿色、环保”的铁路建设理念，如图1所示。

图1 柴木铁路冻土路基草皮护坡

图2 热棒—块碎石复核通风路基

柴木铁路沿线降雨量较大，地表水和冻结层上水对涵洞基础危害较大。夏季，冻结层上水的侵蚀导致涵洞基础融沉加大；冬季，汇集在涵洞上游侧的积水为涵洞基础的冻胀提供了充足的水源，冻胀对涵洞基础的危害较大。科研项目组开发了高寒地区多年冻土湿地、铁路涵洞上游侧止水板技术，止水板的功能就是阻止地表水入侵涵洞基础底部，让水按照设计路径集中通过预先设置的通道，即涵基顶流水面排出路基外，使涵体不受水的侵害，从而达到涵洞主体和路基稳定与安全。柴木铁路吸取青藏铁路的教训，重新研究了应用方案和适用范围。止水板施工必须避开雨季施工，在设计和施工的同时，要确保以下几点：①首先沿涵洞上游铺砌截水坪外侧半米处进行挖沟，沟宽0.8 m，沟槽要包住涵洞上游侧铺砌，同时从铺砌外缘于路基接壤处弯曲延伸至挡水埝处。②沟的底部需深入多年冻土层内0.5 m以上。③放置止水板，使止水板平展无折叠（事先应检查止水板，无破损方能使用），涵洞止水板要延伸至涵洞两侧路基挡水埝处，以便后期与路基挡水埝止水板搭接。④回填准备好的填料（填料不能有较大颗粒），防止止水板被顶破而失去止水作用，必须使用黏性土，以达到密闭、不渗透的效果。⑤止水板要高出地表0.5 m（施工涵底时，折在涵底内）。⑥将涵洞上游延伸出去的止水板与路基上游侧止水板弯曲搭接，长度不小于2.0 m，使涵洞上游侧止水板与路基上游侧止水板形成一个密闭的帷幕，让春季融水、夏季雨水无法从涵底、路基底通过，而是按照涵洞、排水沟路径通过，从而达到止水、引水的效果。冻土湿地涵洞上游侧止水板技术的应用，保障了沿线一百多座涵洞夏季没有发生融沉、侧移，在冬季没有出现冻胀开裂病害。

第二，发明了柔性热棒，优化了热棒的结构。热棒冷凝段由原来的4 m缩短为1.5 m，取消绝热段；完善了热棒的设计参数，阴阳坡分别采用一排、二排的差异设计（专利号：ZL200710021057X）。

柴木铁路采用的热棒长度为7.0 m，较过去青藏铁路使用的12 m和9 m热棒有所缩短，从成本上节约了大量资金。对热棒措施路段的数值模拟和现场监测证实，热棒措施的工程效果良好，降低了冻土路基的地温，消除了东西走向路段的阴阳坡现象。

第三，提出了预冷块石通风路基和热棒—块碎石复合路基的思路。从理论上证实了这两种措施的良好效果，给出了关键技术参数，并对通风块石层顶层上覆填料的粒径给出了合理的级配方案。块石通风路基施工工艺：①采用块石预冷路基，即在入冬前或刚开春时施工，入冬前施工时，仅填筑块石即可，使得块石及其下部的路基在冬季充分预冷，在开春时快速填筑粗颗粒覆盖层，阻止天然地基中冷能的释放。②当通风路基位于冻土湿地路段时，倾填片石地面下1.0 m范围内抛填片石，片石粒径不小于300 mm。③片石通风路基顶层设0.2 m厚的碎（砾）石和0.2 m厚的中粗砂垫层，减少或杜绝填料过多进入片石层，从而引起通风效果的减弱。④选择质地坚硬、不易风化的片石作为通风路基填料。⑤对于局部高温极不稳定冻土斜坡湿地路段，在国内率先采用热棒对预冷块石通风路基进行强化，如图2所示。

上述综合措施的采用，减少了块石通风路基施工初期对冻土路基带来的扰动，削弱了东西走向段冻土路基的不对称性，从而促进了块石通风路基的稳定。

第四，首先考虑植被类型与多年冻土的关系，建立了多年冻土模型，获取了柴木铁路沿线1∶500 000的大比例冻土分布图，如图3、图4所示。

图3 柴木铁路沿线植被分布图

图4 柴木铁路沿线冻土分布图

第五，首次综合考虑自然地理和地质条件、冻土工程特点、路基结构、路基稳定性措施等因素，建立了多年冻土工程地质条件和冻土路基热稳定性定量评价方法。

第六，初次建立了湿地冻土路基预警系统，为柴木铁路的安全运营提供保障。该预警系统包括沿线15个路基监测断面，6套自动气象站，并首次考虑了水分的影响，通过对上述监测设施的定期采集、分析，为柴木铁路的安全运营提供参考。

3 柴木铁路冻土沼泽湿地路基修筑综合技术的应用及反馈

在柴木铁路施工过程中，冻土沼泽湿地路基修筑综合技术得到了广泛的应用，具体的做法有：①各施工单位抽调技术员、领工和单位相关负责人员参加业主组织的各期冻土沼泽湿地综合技术培训班，由科研课题组专家讲解冻土理论及关键方法学习，如片石通风路基、涵洞止水板技术、草皮种植技术等。②施工现场各施工标段采取样板段实作，验收合格后推广施工的模式，并经常组织现场观摩，即组织相关标段到样板段做得好的标段现场观摩学习，专家现场讲解指导，确保关键的创新技术措施落实到位，确保工程质量。③强化路基沉降观测措施，建立沉降观测控制网络。④采集现场沼泽湿地路段地表水汇集点，流量变化数据，及时采取设计施工措施，确保冻土路基的稳定性。⑤将草皮种植技术应用于取土场、弃土场的处理，使铁路沿线环境保护状态良好。

通过广泛实践检验、数据测量以及柴木铁路的运营状况，充分验证了冻土沼泽湿地路基修筑综合技术科学合理，使该技术得到更为成熟的发展，取得了丰硕的社会效益和经济效益，为柴木铁路节约投资达6亿多元。该技术经过青海省科技厅鉴定和评价，认为该技术达到国内、国际先进水平。为高原冻土沼泽湿地工程建设提供了强大的技术支持，值得借鉴、推广、应用。

在高原冻土沼泽湿地进行工程建设，还须注意：①地下工程施工工序的衔接，工种的配合。例如，涵洞基础的施工，基坑开挖后，应以最快的速度进行基础施工，以防地表水或雨水对基底冻土的侵蚀，引起基底冻土热能变化，增大涵洞基础的融沉。②冻土路基的施工。因铁路长线条的特点，施工段落的划分必须长度适当，避免路基施工开槽过长，基槽换填不及时，引起地表水、雨水或日照辐射等因素对路基基底冻土的扰动增加，促使冻土热能变化，增大了路基的沉降量和不稳定性。③在冻土沼泽湿地施工，必须把握施工季节，铁路路基基底施工最好选择在冬季或刚开春时。在柴木铁路施工经验证明，冬季施工的便道及路基的稳定性远远超过其他时间。④在施工过程中，加强对开挖时产生的天然草皮、腐殖土的保护，集中堆放、保养，以便在路基附属工程中使用，最大限度地减少对高原植被的破坏。

4 结束语

柴木铁路的建成通车和投入运营，已成为拉动地区经济发展的强大动力，柴木铁路冻土沼泽湿地路基修筑综合技术也必将在高原冻土地区的未来发展中得到广泛的应用和发展。