新疆多年冻土地区桥涵病害调查及防治措施

秦 毅

（新疆交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006）

1 多年冻土地区桥涵调查现状

1.1 现有公路区域自然条件概述

昆仑山边防公路哈巴克至神仙湾段，处于东经 77°50′～78°30′，北纬 35°30′～36°15′。起点从G219国道的K404+800（哈巴克）处开始，沿途经过神岔口、哈巴克达坂、黄羊滩、冰湖，终点至神仙湾边防连神仙湾哨卡，全长约119km，沿线海拔高程约5000m，全线均为公路改建工程，设计道路等级为四级，路面为砂石路面。

本项目位于西昆仑高山地区，属于高原亚寒带干旱气候。因为受高空环流、地理位置和地形地势的影响，整体上属于大陆性干旱气候区。由于本项目区地形起伏大，垂直地带性较显著，气候状况有较大差异，水分、热量的分布差异最为突出。降水在高山区多为固体降雪，从而在昆仑山高山区形成了大面积的冰川和积雪。沿线较大水系有喀喇喀什河、喀喇昆仑河、沙特巴克兰沙河、神仙湾大沟等。短期观测取得的天文点（5100m）及神仙湾（5370m）年降水量依次为54.6mm和67.7mm，推算沿线年降水量60～80mm。狮泉河（4278.8m）年平均气温仅0.4℃，极端最低气温-34.6℃；年平均地温5℃，最低地温-7.2℃。甜水海附近年平均气温为-4.42℃，年平均地温-3.5℃。沿线年平均相对湿度小于40%，年蒸发量为2000～2500mm，具备冻土生成的水热条件。

1.2 现有涵洞、过水路面的技术状况

本项目沿线现有桥梁2座，其中中桥1座、小桥1座、涵洞37道、过水路面75段。老路桥梁结构形式为钢桁架梁桥，设计荷载为汽—15级、挂—80级，桥面净宽为净—3.7m；涵洞为钢筋混凝土盖板明暗涵；过水路面为混凝土路面。

经调查，严重受损的涵洞11道，占本项目沿线涵洞总数的29.7%；一般受损的涵洞16道，占本项目沿线涵洞总数的43.2%；轻微受损或使用情况良好的涵洞10道，占本项目沿线涵洞总数的27.1%。涵洞受损最多最严重的部位是洞口接的附属构造物和涵底铺砌。严重破坏的过水路面41段，占本项目沿线过水路面段落总数的54.7%；一般破坏的过水路面16段，占本项目沿线过水路面段落总数的21.3%；轻微破坏或使用情况良好的过水路面18段，占本项目沿线过水路面段落总数的24.0%。过水路面破坏最多最严重的部位是下游垂裙掏空和路面破坏。

1.3 现有桥梁的技术状况

（1）K0+460哈神公路大桥。路线在K0+380～K0+520处跨越喀喇喀什河，由部队于1984年8月修建的哈神公路大桥钢桁架梁桥，设计荷载为汽—15级、挂—80级；上部结构为钢桁架梁，桥梁全长41.7m。钢桁架梁长30.2m，桥面净宽3.7m，桥面为木板搭建，现已腐朽，部分破坏。桥台为U形台，结构基本完好；桥下净空2～2.2m，测量时桥下水位平均为1.0m深。桥梁长度偏短、净空较低，原有河床被过度压缩，过水断面不足，造成泄洪能力不能适应河沟的排洪需要。桥面净宽仅能满足单车通行，达不到四级公路桥面净宽技术标准。

（2）K11+486.50仙人桥。部队于1984年8月修建的钢桁架梁桥，设计荷载为汽—15级、挂—80级；上部结构为钢桁架梁，桥梁全长19.4m。钢桁架梁长12.4m，桥面净宽3.7m，桥面为木板搭建，现已腐朽，部分破坏。桥台为U形台，结构基本完好；桥下净空2.5～2.8m，测量时桥下水位平均为0.7m深。桥面净宽仅能满足单车通行，达不到四级公路桥面净宽技术标准。以上两桥均作为施工便桥使用，两桥均新建。

2 桥涵工程的病害

桥涵结构物是公路工程项目的重要组成部分，也是路基横向排水的重要工程之一。因此，一旦桥涵结构物受损，轻则危及路基稳定，发生跳车颠簸，损坏车辆机件，影响车速；重则会使交通中断。

2.1 涵洞病害的成因

2.1.1 洞身、涵台的开裂和下沉

涵洞在水流方向的长度一般是10m以内，其基础形式多为分离式基础，也有少部分整体式基础。涵洞基础在回冻前是埋置在季节活动层中的，加上施工过程中的扰动，大量的热能侵入到了多年冻土层，使得多年冻土融化，承载能力下降。而这时涵洞洞身、涵台混凝土养生时间短导致强度低，抵抗不了融化下沉产生的应力，最终使涵台产生断裂。寒季冻胀、暖季融沉，涵洞基础在反复的强冻融作用下，由于基础埋置深度不足，涵洞易产生开裂下沉或是倾斜等形式的破坏。分离式基础的涵洞沉降缝未处理得当，通过涵底铺砌的水部分渗漏到铺砌层下和涵台周围的路基中，导致水的潜热带发展到多年冻土层内，改变了地基土的水热平衡，使涵台下沉开裂进一步扩大，更加剧了涵洞洞身的破坏。

2.1.2 涵洞进出水口的破坏

涵洞进出水口的破坏是本项目多年冻土区涵洞分项工程中最多、受损最严重的病害。它包括端墙、八字墙的开裂，八字墙倾斜、下沉和急流槽的破损、坍塌等形式。

本项目多年冻土区的涵洞洞口附属工程都是混凝土或浆砌片块石圬工结构，其特点是抗压强度大，但抗拉、抗剪强度小。锥坡破坏的主要原因是：

（1）锥心填土的压实度不够；

（2）锥坡基础的埋置深度不足；

（3）锥坡的砌筑厚度偏薄；

（4）锥坡采用的片石尺寸小、强度低、砂浆强度等级低以及地质条件差等。

涵洞一字墙和八字墙产生倾斜、下沉和裂缝的主要原因是：

（1）开挖基坑后暴露时间过长，大量的太阳辐射热能进入到了多年冻土层；

（2）设计的变形缝、沉降缝，施工中不能严格按照设计要求去做（不设或将缝勾抹）；

（3）基坑回填土的压实度不足，且回填料的含泥量偏大。

2.1.3 涵底铺砌的损坏

涵底铺砌损坏的主要表现形式是涵底铺砌断裂、铺砌下地基土及基础产生沉降和铺砌冻胀开裂破碎等。这主要是由于涵底铺砌抗冻胀、融沉强度过低造成的。涵底铺砌的破坏产生漏水，导致水的潜热带发展到多年冻土层内，使得多年冻土融化、上限下移，并导致地基土丧失或降低承载力，涵洞基础下沉，从而影响了整个涵洞的正常使用和涵洞附近的路基稳定性。

2.1.4 泥石流淤塞及洞内冰塞

在较陡的由风化碎屑覆盖表面的山坡上，融冻泥石流沟谷下泄到涵洞内堆积堵塞。冰塞多发生在排泄泉水的涵洞内。

另外，涵洞施工不合理会导致涵洞的破坏，养护不及时会加剧涵洞的破坏程度。总之，本项目多年冻土地区的涵洞工程主要病害是由于冻胀和融沉产生的各种破坏。如何防治混凝土的冻胀和融沉，就成为在多年冻土地区修筑涵洞工程的重中之重。

2.2 桥梁病害的成因

调查表明，基础的冻胀和融沉，是多年冻土区桥梁稳定性破坏的主要原因。一些桥梁，由于基础埋置深度不够，防冻胀措施不力，基础冻胀、沉降变形过大，导致桥梁毁坏。多年冻土地区桥梁病害产生的原因，可归纳为以下几个方面。

2.2.1 多年冻土地区的环境变化

因为多年冻土地区桥梁的施工和运营，改变了原有路段地表的热平衡条件，使得原有路基的多年冻土产生了衰退和融化，从而引起桥梁基础下沉。其中一种状况为桥梁施工完成后的短时间内，墩、台就产生沉降，引起整座桥梁的结构变形。因为在混凝土施工过程中产生的热量大量传入，使得地基冻土融化引起下沉。明挖基础通常在暖季施工，基坑暴露时间较长，更易引起这种病害。另一种状况为在建筑物恒载长期作用下引起的下沉。原因是地基冻土含冰量较大，且多年冻土的温度较高，在长期恒载作用下，地基冻土产生了蠕变引起沉降。

2.2.2 桥梁基础活动层的冻、融循环

桥梁基础埋置深度较浅且防冻胀能力差，台背回填压实度不够，在冻、融交替作用下，导致墩、台身和铺砌严重变形甚至开裂，冻胀变形和融化下沉等病害。对明挖基础而言，主要导致桥梁锥坡以及铺砌等桥梁附属工程的破坏；对于深基础，如果桩基础埋藏深度不足，也可导致墩、台身和铺砌工程严重变形或开裂，甚至引起桥面产生不均匀变形。

2.2.3 冻、融循环和冰蚀对钢筋混凝土结构的影响

根据现场调查和走访，在青藏高原的多年冻土地区，一年中出现正、负温交替次数高达180次左右。严酷的气候条件和钢筋混凝土抗冻耐久性能不足，从而导致了混凝土剥蚀、脱落等形式的破坏。

3 桥涵结构物病害的防治原则

在多年冻土地区修建桥涵工程，进行桥涵基础设计时，除考虑常规的基础变形因素外，更多的应该考虑与温度有密切关系的有效应力作用和水潜热对桥涵基础稳定性的影响。对多年冻土地区桥涵工程的基础进行设计时，应采取有效的措施，使得涵洞在施工和使用期间保持其所要求的热状态，这就是多年冻土地区桥涵工程防止冻害产生的基本原则。为此在桥涵的设计施工过程中，采取必要的工程措施，不改变或是尽量少改变多年冻土的水热平衡，减少或消除季节活动层的冻胀影响。防止桥涵工程冻害产生的方法有多种，但可归结为以下4种基本方法。

（1）减少施工对多年冻土的热扰动。

（2）消除或削弱季节活动层的冻胀和融沉。改变（换填）桥涵地基土就是一种减弱地基土冻胀的措施。换填地基土是指用粗砂砾石等非（弱）冻胀性材料置换天然地基的冻胀性土，用来削弱或是基本消除地基土的冻胀作用。

由冻胀及冻胀力变化规律可知，水分条件是决定性因素。只要可以控制住水源的产生，同样可以达到削减或消除地基土冻胀的目的。

因此，应做到以下3点。

①桥涵施工时，开挖的基坑应尽快将水排走，不得在基坑内留有积水。

②桥涵在使用期内，应注意在涵底、沉降缝等处不漏水、不渗水；桥梁、涵洞排水通畅，进出水口不得积水。

③桥涵在施工和使用过程中，桥涵内不得积水、不得冰塞，不得淤砂。

（3）增强桥涵结构物抵抗和适应冻融变形的能力。

（4）人工冷却桥涵基础。采用人工冷却桥涵结构物的地基，减少或是削弱冻土活动层冻胀、融沉量，能够达到防治涵洞冻害的效果。通常采用热桩制冷技术，就可以使多年冻土的地基温度降低，强化多年冻土地基的稳定性，满足桥涵结构物防冻融破坏的要求。

4 设计中的处理措施

本项目改建设计中共设中桥4座、小桥3座、涵洞136道，其中钢波纹管涵115道、钢筋混凝土盖板涵21道。本项目改建设计中均设置桥涵跨越沟槽，不设置过水路面。

在下列情形下适宜优先考虑钢波纹管涵：

（1）不良地质段落的桥涵结构物，包括多年冻土、膨胀土、软土、湿陷性黄土等；

（2）人力资源缺乏或是高危险、高原缺氧地区的工程项目；

（3）砂石料场资源缺乏的地区，水泥、钢材等运距较远的地区；

（4）能够解决北方严寒地区及冻土地区对桥梁、涵洞等混凝土结构物的破坏问题（冻胀与融沉）；

（5）现场安装不需使用大型设备，安装方便。

钢波纹管涵的基础埋置深度应视管径及地质条件而定。钢波纹管涵的基础一般采用砂砾垫层，厚度为波纹管直径的0.5～0.55倍，最小厚度不小于0.6m，最大厚度不大于1.5m。砂砾最大粒径不超过50mm，粉黏粒含量不超过3%，压实度为90%～93%，管两侧填料与基底材料相同。当地下水位较高时，换填分两层，下层为片块石，上层为天然砂砾。钢波纹管涵内外壁涂抹热沥青2道，每道厚1.5mm，钢波纹管涵洞涵底纵坡大于3%时，内壁涂抹2cm厚聚合物（环氧树脂）类水泥砂浆，范围为下半个涵管。在泥石流堆积扇或排泄砂石流量大、流速高的区段，优先考虑钢筋混凝土盖板涵。

本项目中，小桥桥墩、台基础均选用钻孔灌注桩基础。空心板梁底板应预留排水通气孔，排水通气孔直径5cm。桥涵混凝土采用抗冻水泥混凝土，混凝土抗冻级别应为F300。所有桥涵构造物（基础表面及墩台身在临土面下）须涂抹两层热沥青防腐，每层厚1.5mm。桥涵基础浇筑（砌筑）后，应在地基土冻结前回填覆盖。

浆砌工程砌体砌筑后应随时将缝位刮深2～3cm，用M10细砂砂浆勾出平缝或1～1.5cm深的凹缝，严禁勾凸缝；砌体砌筑后应立即覆盖洒水养生，养生期不应少于14d。砌体砌筑工程低温施工必须采取早强或保温抗冻措施。

施工技术人员的生活区应选在远离施工现场处，以减少人为活动对桥涵多年冻土地基的干扰。在暖季施工时，一定要注意防止基坑暴露时间过长。基坑暴露时间一般不宜超过15d，而小型结构物的施工时间不宜超过50d。只有当基础所需要的建筑材料、机具和垫层所用砂砾全部备齐后，才可以开挖基坑。如果基坑开挖后，发现基础全部或部分埋在纯冰层或含土冰层上，应立即采取保温措施并提高基础埋置深度，减少施工对多年冻土产生的热扰动。因此，选择合理的施工季节、施工方法，缩短施工工期，是减少施工对多年冻土产生热扰动最有利的措施。

[1]JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[2]武憼民，汪双杰，章金钊.多年冻土地区公路工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]汪双杰，李祝龙，章金钊，等.多年冻土地区公路修筑技术[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4]董玉超.多年冻土地区桥梁桩基础施工技术[J].建材技术与应用，2008（6）：13-14.

[5]赵华卿.浅析冻土地区桥梁桩基础的施工技术[J].中小企业管理与科技，2011（4）：167-168.