青藏铁路多年冻土区桥头路基变形原因及对策研究

唐彩梅,杨永鹏,李 勇,杨晓明,蔡汉成,牛东兴

(中铁西北科学研究院有限公司, 兰州 730000)

青藏铁路多年冻土区桥头路基变形原因及对策研究

唐彩梅,杨永鹏,李 勇,杨晓明,蔡汉成,牛东兴

(中铁西北科学研究院有限公司, 兰州 730000)

桥头路基的变形问题是普遍存在的影响冻土区道路工程稳定的技术难题,结合青藏铁路多年冻土区桥头路基的变形问题,采用资料调研、现场调查、理论分析和总结等研究手段,对运营后多年冻土区桥头路基变形的特征及沉降原因进行分析研究,提出了通过改善地基多年冻土环境和优化桥头路基防排水系统等措施对桥头路基病害进行治理的方法。

青藏铁路；桥头路基；变形；对策

1 概述

青藏铁路是世界上第一条高海拔多年冻土区铁路干线，其在修建时充分吸取了青藏公路和东北多年冻土铁路对冻土认识不足的经验教训，采用了一系列新的冻土保护措施[1-3]，但多年冻土区桥头路基下沉现象仍较为普遍。养护部门每年需花费大量经费进行维修和养护，造成了巨大的经济损失。

本文采用资料调研、现场调查、理论分析和总结等研究手段，调查青藏铁路多年冻土区桥头路基变形现状，对运营后桥头路基变形的特征及沉降原因进行分析研究，提出解决多年冻土区桥头路基下沉的整治措施。

2 桥头路基变形特征

2.1 桥头路基变形分布特点

通过现场调查和监测数据分析得知，青藏铁路多年冻土区桥头路基下沉现象较为普遍，部分桥头路基在道路运行数年后仍处于缓慢下沉中，其中部分桥头路基沉降严重，年沉降量大于全线平均值(图1)。

青藏铁路桥头路基变形比较突出的段落主要分布在以下几个区段。

(1)楚玛尔河高平原K1001～K1006高温高含冰量地段。

(2)唐南多年冻土南界附近K1431～K1497多年冻土退化区段。

(3)多年冻土区高含冰量桥头路基。

(4)融区和多年冻土区过渡段路基。

图1 桥头路基沉降

2.2 桥头路基变形特征

多年冻土地区桥头路基变形主要包括融沉变形、冻胀变形、压密变形及固结变形[4]，即路基本体和地基土体在荷载作用下的压缩、固结变形以及由于地温变化而引起的含水或含冰土体体积变化产生的冻胀、融沉变形。

经监测数据及统计分析得知：青藏铁路多年冻土区桥头路基沉降具有以下4个特征。

(1)沉降量较大的桥头路基均位于高含冰量多年冻土区，且所处地势低洼，冻结层上水发育，地表覆盖率差、地表有积水。

(2)相对于其他地段路基，桥头路基的年累计沉降量大。

(3)桥头路基沉降量与靠近桥台的距离成反比。

(4)由于桥头路基受水热环境影响的不均匀性，致使路基两侧沉降量不一致，且差异沉降较明显。

3 桥头路基变形原因分析

桥头路基变形的影响因素既有一般地区的共同因素如刚性差异、填料压实度不足，又有冻土地区的特殊因素，并且往往是这些因素共同作用的结果。运营后多年冻土区桥头路基下沉可归纳为如下几类主要影响因素。

3.1 热影响3.1.1 气温

近十年来，在全球气候转暖的背景下，青藏高原气候也随之发生明显变化，气温影响着青藏高原多年冻土的发育和分布。20世纪50年代到90年代的40年里，中国的年平均气温呈上升趋势，气温倾向率为0.04 ℃/10 a，而青藏高原平均气温倾向率为0.16 ℃/10 a，远大于全国的平均值[5]。

表1为青藏高原几个气象站的升温率，由表中可以清楚地看出，自1957年以来的55年里(1957～2011年)青藏高原多年冻土区年平均气温以0.030～0.033 ℃/a的速率升高，其中安多地区的升温率最大，为0.033 ℃/a。由此看出，气候变暖是不争的事实。

表1 青藏高原多年冻土区各气象站升温率

注：风火山冻土定位观测站1957年～1975年资料用五道梁气象站同期资料相关所得。五道梁气象站1957年～1965年资料用那曲气象站同期资料相关所得。

据风火山观测站观测资料(表2)，可以看出，青藏高原气温升高引起了地表温度的升高，且升温速率高于气温，几乎是气温升温速率的2倍。地表温度是地下不同深度冻土温度变化的能量标志。因此，气温的升高必将影响多年冻土的生存状态，导致冻土的融化、多年冻土上限下降，特别是桥头路基处于路桥结合部，比一般路基在横向增加了一个换热面，在空间上形成了三维传热的条件，使得传入地基多年冻土的热量大大增加，将进一步加快其下多年冻土的退化，直接影响多年冻土区工程安全。

表2 风火山1976～2010年气温、地表温度均值 ℃

3.1.2 太阳辐射

青藏高原日照时间长且强烈。一年日照时数长达2 600～3 000 h[6-7]。日照百分率平均在50%～80%，如此之大的太阳辐射总量和多年冻土表面相对较低的太阳辐射地表反射率，使得高原多年冻土的表面在全年绝大部分时间地面净辐射为正值，处于吸热状态，从而对多年冻土的热状况造成重大影响。青藏铁路多年冻土区线性构造物两侧边坡吸收太阳辐射量是不均衡的，阳坡侧吸收的太阳辐射将远大于阴坡侧[8]。

现以尺曲谷地中桥A为例，分析太阳辐射对桥头路基沉降的影响。A桥位于高含冰量多年冻土区，桥位南偏西56°，两侧边坡阴阳侧较明显。图2清晰地显示了左路肩孔(阳坡侧)2007年与2013年暖季和寒季平均地温均高于右路肩孔(阴坡侧)，且暖季两侧的地温差要大于寒季的温差，因暖季太阳辐射时间和强度均高于寒季，可见太阳辐射对多年冻土地温影响显著。

图2 2007年、2013年左右路肩地温均值曲线

表3列出了A桥2009年～2013年全年累计变形量，对比5年以来该桥头路基两侧路肩全年累计沉降量，阳坡路肩(左路肩)的沉降量均大于阴坡路基(右路肩)。路基阴、阳边坡表面由于吸收的太阳辐射能的差异影响着坡面热状况差异，进而影响到了路基横向的热差异，导致不平衡的冻融状态，产生路基不均匀沉降。

表3 2009年～2013年全年累计变形量 mm

3.2 水影响3.2.1 降水量

水的传热特性使之成为冻土层以及冻土工程散热的重要影响因素[9-10]。大气降水时间影响冻土工程结构的散热性能发挥，降水量最终影响季节融化层中水分状况，也将影响冻土工程散热效率。青藏高原寒季降雪少，且由于风力风速的原因鲜有积雪，因此，在青藏高原对冻土工程散热影响较大的是大气降雨。

图3 风火山降水量距平图(1976年～2010年)

图3是利用风火山观测站35年年降水总量值，绘制的降水量距平图。由图3可以看出，1976年～1988年13年间降水量偏少，随后两年转折上升，从1990年～2003年14年间降水量又有所偏少，从2004年降水量开始出现转折，至2010年7年间降水量单调增加，近10年间风火山地区处于丰水期，降水量持续高于35年平均降水量值。降水形成的地表径流和渗流对多年冻土层形成热侵蚀，降水不及时排走，将使路基护道和路肩产生裂缝，影响路基稳定，使融沉、冻胀病害加剧发生。

3.2.2 冻结层上水

冻结层上水主要由大气降水、季节性冰雪融水、河溪入渗以及季节融化层中冰的融化补给[11]。冻结层上水的动态极不稳定，寒季冻结、暖季生成，其补给量、排泄量以及地下水的矿化度等随季节而变化。

以尺曲谷地中桥B为例，分析冻结层上水的影响。该桥位于高含冰多年冻土地层，分布大量的含土冰层或厚层地下冰，工程措施为片石气冷+块石护坡，地基土为含砂砾黏性土。图4是B桥桥头路基人为上限位置示意，从图中可以看出，天然条件下多年冻土上限为3.26 m，路基左坡脚孔的人为上限为3.78 m，比天然上限低0.52 m，这主要是由于左侧边坡为阳坡侧，左坡脚两面受热形成了融化凹槽。路基右侧为阴坡侧，人为上限本应高于左路肩处人为上限，但实际情况右路肩人为上限低于左路肩，且在路基基底附近同一深度处地温也高于左路肩，分析其原因，主要是受冻结层上水的影响。此冻结层上水从B桥右侧地面出露，形成积冰，如图5所示。

图4 桥头路基人为上限位置示意(单位：cm)

图5 右侧积冰

从B桥桥头路基断面左、右路肩累计变形量曲线(图6)可以看出，路基沉降速率在每年的12月前后明显加大，且此时冻融界面正处于零点幕。该地段地面为砂黏土，在含水量较大且未冻结状态时其承载力较小，致使路基下沉。因此，冻结层上水是造成此路基沉降的主要原因。

图6 桥头路基左右路肩累计变形量曲线

3.3 路基结构

青藏铁路格拉段主要的设计理念是“保护多年冻土”，目的就是要求路基修筑完成以后的若干年内原天然上限上升至路基本体，形成稳定的人为上限，保护地基多年冻土[12]。这种原则保护了多年冻土区路基的稳定，但同时也阻隔了路基两侧冻结层上水和地表水的径(渗)流，致使地表水和冻结层上水不得不从附近的桥、涵处通过，这就造成了水对桥头路基的侵蚀，水的进一步侵蚀则影响到地基多年冻土的稳定，引起青藏铁路多年冻土区桥头路基的变形。

4 桥头路基变形治理措施

笔者多年来一直参与桥头路基下沉现场整治研究，经过现场试验发现仅采取传统的抬高路基、增加热阻的保护冻土方法已经难以抵御气候变化和工程作用的综合影响，需要采取更加积极的主动保护冻土的工程技术措施，才能使冻土路基保持长期稳定性。桥头路基病害的防治，应本着“治水优先”、“主动降温与保温并举”的原则。

4.1 防排水措施

防排水设施在设置时应兼顾地表水、冻结层上水的排除问题。全面疏通桥头路基排水系统，将地表水及冻结层上水阻挡在桥头路基基础之外，减少水对多年冻土的热侵蚀。

(1)增设保温盲沟

在冻结层上水比较发育地段，可采用设置保温盲沟的方式对冻结层上水进行截排。保温盲沟应纵向顺坡修筑。图7为保温盲沟的横断面。

图7 保温盲沟

(2)修复或重建排水沟

当桥头路基坡脚有积水时，采取横向排水和纵向排水相结合的方法，自路基坡脚向外设置2%横坡横向排水。如果具备纵向排水条件，则沿线路方向在横向排水措施外侧设置纵向排水沟，引排至已有桥下排水设施内。

(3)片石注浆

当路基为片(碎)石护坡(道)路基，在护道外设置横坡排水，为防止横坡土体填筑后掩埋部分片(碎)石护坡(道)形成新的积水条件，需在片(碎)石护坡(道)内注黏土浆，注浆高度与土护道平齐。

(4)设置竖向挡水板

在地表水比较发育地段，为了防止地表水在桥头附近积聚、渗流，可在桥台护锥边缘、桥头路基护道上以及路基坡脚外侧加设竖向挡水板，用以保护冻土的稳定性。

4.2 热防护措施

为了解决水的热侵蚀问题，尽快恢复多年冻土地基的热平衡，宜采取主动降温与保温防护并举的措施。

(1)布置热棒

在台前、护锥及桥头路基坡脚处插入热棒，用热棒采集空气中的冷量，送入地基多年冻土，降低多年冻土地温，缩短土体冻结时间，削弱冻胀发生的基础，同时增加地基的承载力。

(2)加铺片石覆盖层。

在桥头路基及护锥体表面铺设片石层，利用片石层中存在的大量空隙，冬季起到冷却降温，夏季阻止热量入侵的作用。同时，与热棒协调工作，可加大制冷效果，减小季节冻融范围。

(3)设置保温护道

在桥头路基一侧或两侧设置保温护道，用以减少及削弱因热传导对多年冻土的影响。防止阳坡侧人为上限的下降和缓和阴坡侧人为上限上升的坡度，同时可以防止人为活动对路堤边缘地表的破坏。以黏性土填筑的保温护道可阻挡和减少路堤坡脚处地表水渗入基底。

(4)植被恢复

在顺坡完成后应及时恢复原地表植被，因植被覆盖良好地段较之裸露地段，地表暖季获得的太阳辐射能量较少，对其下伏冻土有一定的保护作用。

5 结论

通过对青藏高原多年冻土区桥头路基变形的影响因素、变形原因进行分析研究，得出以下几点结论。

(1)运营期间引起桥头路基变形的原因主要是由于高含冰量地基多年冻土受水、热侵蚀产生的融化压缩下沉，以及路基本体内受外来水作用，土体强度较低，扩大了刚度差异和列车动载效果，产生了较大压缩沉降。

(2)青藏铁路格拉段主要的设计理念 “保护多年冻土”原则具有其局限性，该原则保护了多年冻土区路基的稳定，但阻隔了路基两侧冻结层上水和地表水的径(渗)流，导致地表水和冻结层上水不得不从附近的桥、涵处通过，加剧了水对桥头路基的侵蚀。

(3)桥头路基下沉病害，应采用“治水优先”、“主动降温与保温并举”的治理原则，并针对水、热及路基结构3个主要影响方面提出桥头路基病害治理工程措施。

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Causes and Countermeasures for Subgrade Defects at Bridgehead in Permafrost Area of Qinghai～Tibet Railway

TANG Cai-mei, YANG Yong-peng, LI Yong, YANG Xiao-ming, CAI Han-cheng, NIU Dong-xing

(Northwest Research Institute Co., Ltd. of CREC, Lanzhou 730000, China)

Bridge subgrade deformation is a technical problem in Permafrost area. This article addresses the deformation at bridgehead in the permafrost region of Qinghai Tibet Railway by means of literature survey, field survey, theoretical analysis and summary with focus on study and analysis of the causes and characteristics of bridge embankment deformation in permafrost region since the Qinghai-Tibet Railway was put into operation. Forwarded are also such measures to treat these defects as improvement of permafrost environment and optimization of drainage system at bridgehead,

Qinghai-Tibet railway; Bridgehead subgrade; Deformation; Countermeasures

2015-02-03；

2015-02-27

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013003-B)；中国中铁股份有限公司科技研究开发计划项目(2013-重大-20-1)。

唐彩梅(1976—)，女，工程师，工学硕士，E-mail：tcm-ac@163.com。

1004-2954(2015)08-0018-04

U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.004