古洛铁路多年冻土特征与工程对策

甄庆廷

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津　300142)

古莲至洛古河铁路古莲至月牙湖段位于黑龙江省加格达奇地区的漠河县境内，全线均处于我国大兴安岭高纬度多年冻土区，为近30多年来在高纬度冻土区实施的第一条铁路项目，是中国最北端的铁路，线路基本呈近东西向展布，正线全长约33.0 km，为有砟轨道。

1　古洛铁路沿线自然环境特征

1.1　地形地貌特征

线路所处地貌主要为低山区，地势西高东低，一般海拔在520～650 m，相对高差100～130 m，坡度多在10°～15°，最大可达35°。局部线路行进在河谷阶地及缓山坡。线路跨越的主要河流有古莲河、霍拉盆河等，常年流水，均属黑龙江水系。

1.2　气候及植被特征

沿线属寒温带大陆性中低山地气候，冬季严寒漫长，夏季短促而温暖，每年仅两个月无霜期，9月中旬开始结冰降雪，春秋季节多风。按铁路工程气候分区属严寒地区。历年年平均气温-3.8 ℃；历年极端最高气温38.0 ℃；历年极端最低气温-48.1 ℃；历年最冷月平均气温-29.0 ℃；历年平均降水量431.2 mm；历年平均蒸发量845.8 mm；历年平均相对湿度70%；最大积雪深度45 cm；最大风速16 m/s。

沿线植被非常发育，均为次生森林，以落叶松、樟松、桦树为主，在大乔木林间长有兴安杜鹃、水冬瓜、椟柿、雅格达等灌木。地下有长年不化的多年冻土层，山阴坡及谷地低矮灌木丛绵密交错，潮湿地带长满喜湿石松类植物。宽谷地多被森林覆盖，局部地段有古河道及牛轭湖封闭演变的“塔头式”草甸和沼泽。

1.3　地层岩性及水文地质特征

沿线覆盖层主要为第四系粉质黏土、泥炭、中砂、砾砂、细角砾土、粗角砾土、块石土，一般厚1.0～3.6 m，最厚6.7 m；下伏白垩系下统(K1)泥质砾岩、含砾砂岩，元古界(Pt)片麻岩及澄江期(γ2)混合花岗岩，全风化至弱风化，局部基岩出露。

沿线地下水类型主要为冻结层上水、冻结层下水及冻结层间水。冻结层上水主要分布在沿线丘陵、低山缓坡、沟谷及霍拉盆盆地内，岩性为碎石类土、砂类土及黏性土层，含水性弱；冻结层下水主要分布于河谷盆地区和基岩山区；冻结层间水分布于多年冻土层内部的融区。

2　古洛铁路多年冻土特征

2.1　古洛铁路多年冻土类型及分布特征

沿线普遍处于多年冻土区，属高纬度不连续多年冻土。依据勘探成果，山体北坡为少冰冻土；南坡为少冰冻土—富冰冻土；沟谷及沼泽为富冰冻土—饱冰冻土，局部为含土冰层。受河流影响，在古莲河和霍拉盆河附近分布有岛状融区，多年冻土的上限为0.3～1.8 m，下限一般为25～38 m，局部下限为90 m。主要的不良冻土现象有热融滑塌、冻胀丘，融沉等。

2.2　古洛铁路多年冻土地温特征

地温是冻土动态特征的重要标志，地温状况是决定多年冻土生存和发育最基本的条件。一定深度的钻孔地温曲线可反映该处冻土的现状和变化趋势，地温曲线是分析多年冻土地温随深度变化的有效工具。采用热敏电阻对多年冻土的地温进行了观测，沿线21个钻孔的地温曲线如图1所示。

图1　古洛铁路实测地温曲线

从图1可以看出：古洛铁路沿线地表1.5～2.0 m范围内地温受气温影响较大，其下地温大部分均大于-0.5 ℃，曲线类型多属于正梯度温度曲线，属高温极不稳定多年冻土，其热稳定性差，极易在施工或热扰动下产生融化或衰退，从而产生大量下沉，对建筑物的稳定性产生较大影响。

2.3　古洛铁路多年冻土工程地质分区特征

根据多年冻土的年平均地温状况及多年冻土在平面及剖面上的分布特征、土的含冰量及土的类别、地温观测结果，沿线多年冻土可划分为高温极不稳定冻土区(年平均地温tcp≥-0.5 ℃)、高温不稳定冻土区(-1.0 ℃≤tcp<-0.5 ℃)、低温基本稳定冻土区(-2.0 ℃≤tcp<-1.0 ℃)和河床融区。主要分区情况见表1。

表1　古洛铁路多年冻土分区

从表1可以看出：

①多年冻土在平面分布上不连续，多年冻土与融区相间出现，存在冻融过渡问题。沿线河床融区主要分布于古莲河和霍拉盆河范围内。

②高温极不稳定冻土区范围较大，高达83%，少部分属于高温不稳定多年冻土和低温基本稳定多年冻土，对铁路工程的安全稳定带来极为不利的影响。

测试分区成果表明，高温区主要分布于河谷盆地区，低温区主要分布于低山区。

3　工程对策

根据古洛铁路多年冻土的特征，研究确定了“以填代挖、少挖多填”的设计原则，线路尽量利用地形地貌与周围环境协调配合，集中取土，以减少对天然植被的破坏。针对覆盖层较薄、基岩风化层稳定性好、以高温极不稳定冻土为主的特点，路基工程采取了破坏冻土的设计原则，主要采取了以下工程对策。

3.1　控制基底融沉量

对于冻土路堤，冻土低路堤，冻土沼泽路堤，土质路堑等浅层黏性土层、粉砂层，以及局部地段的饱冰冻土、含土冰层，采取挖除换填弱冻胀性土措施，控制基底融沉量。

3.2　严格控制路基填料细粒(d≤0.075 mm)含量

要求填料满足：碎石类土细粒含量不大于15%，砂类土细粒含量不大于5%。基床以下浸水部分填筑细粒含量小于10%、渗透系数大于10-3cm/s的巨粒土。

3.3　系统的截排水设计

采用挡水埝拦截和排除地表水，采用埋置隔水板隔断冻结层上水，全方位对流向路基本体的水进行拦截、隔断和排除，最大限度地避免水对多年冻土的不良影响。同时做好路基与桥涵、车站排水的衔接，形成完整的排水系统。

路堑侧沟及低路堤换填地段两侧坡脚外均设置侧沟或排水沟，排水出口与桥涵设计结合，保证水流的顺畅。侧沟或排水沟采用C35素混凝土U形构件，侧沟外侧设置一层土工膜防渗布(750 g/m2)包裹。

3.4　路堤式路堑

在土质路堑中采用路堤式路堑，即在路堑内采用满足防冻胀要求的填料填筑高0.64 m、边坡率1∶1.5的路堤来保证路基的稳定性。典型路堤式路堑的结构如图2。

图2　典型路堤式路堑结构(单位：m)

4　结论

古洛铁路是目前我国最北端的铁路，全部位于高纬度不连续多年冻土区，以高温极不稳定冻土为主。山体北坡多为少冰冻土；南坡多为少冰冻土—富冰冻土；沟谷及沼泽为富冰冻土—饱冰冻土，局部为含土冰层。

根据沿线覆盖层较薄和以高温极不稳定多年冻土为主的特点，设计充分利用了基岩风化层稳定性好的特性，采用了破坏冻土的设计原则，通过控制基底融沉量、填料的细粒含量、系统的排水设计和路堤式路堑等设计措施，保证了多年冻土区路基的稳定，经施工运营检验效果良好，采用的工程措施对高纬度多年冻土区的工程设计具有一定的借鉴和指导意义。

[1]铁道第三勘察设计院集团有限公司.新建古莲至洛古河铁路初步设计第四篇地质[R].天津：铁三院，2009

[2]戴竞波.大兴安岭北部多年冻土地区地温特征[J].冰川冻土,1982(3)

[3]钱征宇.青藏铁路多年冻土区主要工程地质问题及其对策[J].中国铁路,2008(2)

[4]杨永鹏,程东幸,伏慧霞.东北大兴安岭多年冻土区工程地质特征及评价[J].工程地质学报,2008

[5]铁道第三勘察设计院集团有限公司.冻土工程[M].北京：中国铁道出版社,2002