多年冻土地区富冰、饱冰段公路路基施工技术研究

罗余良

摘 要：在高原多年冻土区，铁路、公路等建设面临着大量严峻的工程问题。因多年冻土热敏感强，其热稳定性极差，在外界气温变化及人为对其周边环境的影响下，极易出现融沉、冻胀、流变移位等冻土地质灾害，使道路路基发生下陷、坍塌等破坏，甚至使工程严重毁坏而废弃、重建。，通过采用隔热层、片块石、通风管及热棒法等新技术对富冰、饱冰多年冻土的路基进行处治，维持和改善多年冻土的地温场，保证了富冰、饱冰多年冻土区的公路路基工程的长期稳定性。

关键词：富冰、饱冰多年冻土；隔热层法；片块石法；通风管法；热棒法

中图分类号：U416.168 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0108-02

多年冻土区工程设计及建设需要解决的关键问题是，如何使多年冻土地温场维持原状或得到改善，以确保其处于冻结的稳定状态或将其地热状态控制在一个可接受的变化限度内，从而确保多年冻土区建筑地基的长期稳定。

1 工程概况

共和至玉树（结古）公路改扩建工程GYⅡ-SGC5标段，起点讫桩号K336+000～K376+000，全线长40km，冻土路基段长28.2km。采用高速公路建设标准，设计速度80km/h，为分离式路基，路基宽度10m。路线经苦海滩、醉马滩、红土坡垭口，该区是岛状和连续多年冻土分布区，第四松散堆积物分布广泛，冰缘作用十分发育，热融湖塘，热融洼地，冰胀丘，冻土草沼等冰缘地貌较普遍。

K347+100～K354+550、K355+950～K357+500两段路线海拔位于4134m～4485m间，年平均最低气温-10.3℃～ -6.1℃，因其特殊的地理环境和气候条件，形成了“富冰、饱冰” 冻土，冻结深度2.0～3.0m，融化等级为Ⅲ～Ⅳ级，融沉或强融沉，属于极差工程地质路段。

共和至玉树（结古）高速公路是我国第一条穿越多年冻土区的高速公路。公路等级高，对设计及施工质量也就提出了更高要求。为了解决“富冰、饱冰”多年冻土给路基带来的隐患，本项目中研究和探索了该冻土地质条件下的道路修筑新技术和新方法，解决了“富冰、饱冰”多年冻土区修筑路基存在的工程地质问题。

2 富冰、饱冰路基施工技术

项目施工时结合高原多年冻土地区道路设计类型及实际特点，以保护冻土，综合治理为原则，充分借鉴铁路、公路专业在类似项目的成功经验，并经反复比选及优化，制定了科学合理的冻土处治方案。并认真研究每道施工工序，制定标准，不断地完善和总结。顺利完成施工任务，在随后多年监测及质量跟踪结果表明，所采用的多年冻土路基修筑技术措施是科学合理的，为高原冻土地区道路施工提供借鉴。

针对本项目为高温多年冻土不稳定路基的情况，分别采用隔热层、片块石路基、通风管路基、热棒路基等多种主动降温的工程措施。

2.1 隔热层路基

隔热层路基在路基本体中增设工业隔热材料，使路基热阻增大，能有效阻止大氣（太阳）热量传入路基下冻土的处理措施。可以起到延缓冻土退化及保护冻土的作用。

隔热层路基主要适用于低温多年冻土路段，宜在下列情况下使用：

（1）受路线纵坡控制，路基高度小于路基临界高度或大于3.5m路段；

（2）路堑处或翻越垭口处，以保护下伏多年冻土的路段；

（3）因融化盘偏移而使引发路基不均匀沉降及路基病害路段。

要求隔热材料导热系数<0.025W/（m·K），吸水率<0.5%，密度>43kg/m3，其抗压强度>580kPa。本项目采用挤塑聚苯乙烯泡沫（XPS）作为隔热材料。隔热板设置宽度大于路面宽，路基两侧各加宽60cm，隔热板横坡与路面相同，隔热板上下设置厚度>20cm的砂砾层。

2.2 片块石路基

片块石路基为通风路基，利用不均匀温度场情况下空气密度不同，较轻热空气上浮而促使空气对流的特性。通风片块石宜一次性倾填到位，在增加石块间空隙的同时也加快了施工进度。夏季，外界热量以热传导方式进入路基中、底部，因通风片块石路基中存在大量空隙，空隙中温度升高的空气上浮形成上升气流，冷空气填补下部。即空隙中上升气流将热量带走，从而使路基底部持续保持较低气温。同时路基中存在的大量空隙也能有效阻止热量的传入；冬季，外界高密度冷空气下沉而置换空隙中的热空气，使路基及地基得到冷却。片块石路基利用高原冻土区负积温远大于正积温的气候特征，有效地将路基热量散发出去，使路基保持低温，维持及改善了路基温度场，从而保护多年冻土不出现融化现象。

片块石路基宜使用于地表径流较发育或地下泉水发育的高温冻土区，也常用于高含冰冻土区融化夹层发育的路基病害的治理。

片块石路基采用较坚硬岩石填筑，要求石料强度>30MPa。粒径控制在10～30cm范围内。铺筑层数根据路基高度、路面结构层厚度等合理确定，顶面宜位于路床顶面以下30～50cm。铺筑厚度一般宜为1.0～1.5m，分两层铺筑：下层0.8～1.0m采用规格大于20cm片块石；上层0.2～0.5m采用规格10～15cm片块石。

片块石层底部铺设砂砾层等辅助防护结构；顶部铺设土工布及层厚30cm的砂砾层。

2.3 通风管路基

通风管路基工作机理：在寒冷季节冷空气由于具有较大密度，在自重和风的作用下将管中热空气挤出，不断将周围土体中热量带走，达到保护地基土冻结状态的目的。

通风管路基可用于路基高度大于2m的高温高含冰量多年冻土路段。

通风管通常采用钢筋砼预制管，内径宜大于路基高度的1/8，通常为0.3～0.4m；壁厚宜采用5～8cm；管径与长度比值应大于0.01。

通风管埋设深度根据当地主导风向与风速、地表径流、风沙及积雪等自然因素综合确定。埋深为3～5倍管径，布设在路床顶面以下距地表0.5～0.7m范围内，底部设置不小于30cm的中粗砂垫层，两端伸出路堤长度不少于30cm。

2.4 热棒路基

热棒是一种单向传热元件（无源制冷热虹吸管），当底部环境温度高于上部时，热棒底部（蒸发段）管内工质受热成气态上升，至受环境冷空气影响的上部（热棒冷凝段）后冷凝成液态，在重力作用下流回管底。在工质循环蒸发、冷凝过程中，将底部环境热量持续送往上部，不断降低底部环境温度，起到保护路基下冻土的作用。

热棒路基可用于极高温多年冻土区或冻土退化区，通常埋设在路基两侧；热棒还可用于因融化盘偏移而导致路基不均匀沉陷、纵向裂缝等病害的治理。

本项目热棒工质采用液氨，管壳采用碳钢及不锈钢两种，要确保其不少于30年的使用壽命。热棒埋设深度宜为多年冻土人为上限以下1.0～2.5m。布设间距宜为有效作用半径1.5～2.5倍；设置方式有单棒竖置、单棒斜置、双棒竖置和双棒斜置等，可参考以下原则：

（1）在不影响棒制冷效果的前提下宜斜置，宜斜置为75°。

（2）在极高温冻土区与冻土退化区宜埋置双向热棒，路基要确保适当填筑高度。

（3）在中高温冻土区，如人为冻土上限较高时宜双向热棒。

（4）因阴阳坡影响融化盘产生偏移时，在阳坡设置单向热棒。其结构见图1。

3 处理措施对地基变形的影响

本项目施工时各选择一段路基分别采用隔热层、片块石、通风管及热棒法进行冻土的处治。并对冻土路段进行持续的沉降观测，图2为典型路基断面中部沉降量变化曲线。

图中曲线表明，采用上述方法进行冻土处治的路基均在填筑后产生一定数值的沉降，是因填筑活动对冻土环境及冻土本身的热扰动及填土蓄热使部分冻土产融化，及本身压缩变形而产生沉降；入冬后，随着外界气温降低及填土蓄热消散，路基冻土上限升高，使路基产生冻胀变形，使得采用片块石、通风管及热棒法进行冻土处理的路基面标高有所抬升，春季后路基又开始沉降，至次年入冬以后沉降已趋于稳定，因经历两个冻融循环，路基的人为上限逐渐形成并基本稳定，可见采用上述方法进行冻土处理能达到使冻土长期稳定的目的。

采用隔热层进行冻土处治路段，因为隔热层阻止了热量传递，使填土蓄热的消散及环境温度影响冻土的速度大为减缓，故在第一个冻隔循环中，路基处于蓄热融化冻土及压缩变形为主导的过程，所以处于不断沉降的状态，但在第二冻融期时，路基冻土人为上限也已形成并基本稳定，同样起到长期保护路基稳定的目的。

4 结语

现场沉降监测及工程实践证明，本项目采用的隔热层、片块石、通风管及热棒法进行冻土处治取得了良好效果，降低了冻土温度，使路基冻土上限抬高，保证了富冰、饱冰冻土区路基工程的长期稳定。

参考文献

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