青藏铁路路堑地基下多年冻土演化规律研究

孟进宝,杨永鹏,韩龙武,李 勇

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2.青海省冻土与环境工程重点实验室，青海 格尔木 816000)

青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路。格拉段(格尔木—拉萨)全长 1 142 km,海拔高于 4 000 m 的地段960 km，连续多年冻土地段约547 km。全球性气候变暖等也将影响到地基下多年冻土的生存，影响青藏铁路多年冻土区路基工程的稳定[1-4]。青藏铁路自2006年通车运营以来，沿线路基工程基本稳定。近年来，大幅度增加的降水引起了严重的坡面冲刷问题，边坡的冻结层上水发育，热侵蚀导致多年冻土上限深度逐年加大。青藏铁路格拉段路基状况调查发现，多年冻土区的路堑边坡病害问题较为突出[5-6]。针对多年冻土区边坡的病害问题，冻土工程界进行了大量相关的研究工作[7]。地基多年冻土的稳定是青藏铁路长期安全运营的保障[8-13]，因此，研究地基下多年冻土的演化规律显得尤为重要。本文根据青藏铁路长期监测系统地温观测资料,选取了K986+709和K1201+860这2个典型路堑监测断面，研究路堑地段多年冻土不同深度处地温、多年冻土人为上限变化特征和地温演化规律。

1 路堑地段天然状态下地基多年冻土不同深度处地温变化规律

根据K986+709和K1201+860这2个典型路堑断面天然地面孔资料，分析2.5，5.0，10.0 m处的多年冻土地温变化，研究典型路堑地段天然状态下地基多年冻土不同深度处地温变化规律。

K986+709断面位于昆仑山南麓，地形起伏较大，坡度较陡，基岩出露，为高温低含冰量多年冻土地段，植被覆盖率10%～15%，线路走向为SW50°，年平均地温-0.24 ℃，多年冻土天然上限为4.09 m。

图1 K986+709断面天然孔不同深度处地温变化曲线

图1为K986+709断面天然孔2.5,5.0,10.0 m深度处地温变化曲线。可知，地温随时间变化呈正余弦变化，受大气温度影响，地表以下2.5 m处地温变化幅度较5.0,10.0 m处大； 2.5 m深度处升温率为1.48×10-4℃/d，5.0 m深度处升温率为0.57×10-4℃/d，10.0 m深度处升温率为0.46×10-4℃/d。由此表明，青藏铁路昆仑山山区天然状态下多年冻土处于升温退化状态，地表以下2.5 m处升温速率约为10.0 m处的3倍，多年冻土自上而下的退化趋势明显。

K1201+860断面位于乌丽—沱沱河地区，植被覆盖率80%，线路走向SW65°，该段为高温低含冰量多年冻土区，年平均地温-0.21 ℃，多年冻土天然上限为7.67 m。

图2为K1201+860断面天然孔2.5，5.0，10.0 m深度处地温变化曲线。可知，地温随时间变化呈正余弦变化，受大气温度影响，地表以下2.5 m处地温变化幅度较5.0,10.0 m处大；2.5 m深度处升温率为1.04×10-4℃/d，5.0 m深度处升温率为0.72×10-4℃/d，10.0 m深度处升温率为0.44×10-4℃/d。由此表明，青藏铁路乌丽—沱沱河地区天然状态下多年冻土处于升温退化状态，地表以下2.5 m处升温速率约为10.0 m 处的2.5倍，多年冻土自上而下的退化趋势明显。

图2 K1201+860断面天然孔不同深度处地温变化曲线

2 路堑地段地基下多年冻土演化规律

2.1 路堑地段地基下多年冻土人为上限变化特征

图3 K986+709断面人为上限变化曲线

图3为K986+709断面人为上限变化曲线。可知，2007年左堑底人为上限较天然孔人为上限下降1.0 m左右，其后2008—2013年天然孔人为上限逐年增大，而左堑底人为上限在2008年减小以后也是逐年增大，在2011—2013年人为上限埋深一致。可以看出在气候影响下天然场地多年冻土人为上限发生变化，但其与路堑堑底变化一致，可见该段多年冻土上限变化主要是由于气候环境引起。

图4为K1201+860断面人为上限变化曲线。可知，近年来由于气候变化的影响天然状态下多年冻土人为上限埋深加大，地基下多年冻土退化明显；路堑左右侧堑底人为上限埋深也在增大，基本与天然状态下人为上限变化幅度接近；由于阴阳坡的差异影响，右侧堑底人为上限埋深较左侧大。

图4 K1201+860断面人为上限变化曲线

综上所述，在气候影响下青藏铁路多年冻土区路堑地段地基下多年冻土人为上限埋深均加深，多年冻土发生退化；同时可以看出路堑堑底人为上限变化基本与天然孔一致，可以认为主要是由于气候变化引起的；由于阴阳坡差异影响，路堑左右侧堑底地基下多年冻土人为上限发生较大的差异性变化。

2.2 路堑地段地基下多年冻土地温演化规律

图5为K986+709断面2007年和2013年天然地面孔的地温变化。可知，2013年冻土上限较2007年增大了将近1.5 m；2007年冻土完全回冻时间在2月中旬，而2013年回冻时间已经到了4月底；2013年各深度处冻土地温较2007年均有增大；可见该段地基多年冻土在气候及人为活动影响下升温退化明显。

图5 K986+709断面不同时间天然地面孔地温变化

图6为K986+709断面2007年和2013年左侧堑底孔地温变化。可知，2013年较2007年左侧堑底人为上限下降了1 m左右，各深度处多年冻土地温均有所抬升，地基多年冻土处于升温退化状态。

图6 K986+709断面不同时间左侧堑底孔地温变化

综上所述，K986+709断面在2007年和2013年间，天然场地人为上限增大了将近1.5 m，各深度处多年冻土地温均升高，在气候变化影响下地基多年冻土处于升温退化状态；左侧堑底2013年人为上限较2007年增大了近1 m，较天然场地地基多年冻土升温退化速度快。

图7为K1201+860断面2007年和2013年天然地面孔地温变化。可知，2013年相较2007年天然场地人为上限增大了1 m多；2007年的衔接性多年冻土在2013年退化为不衔接性多年冻土；各深度处地温在2013年均有升高。由此，该断面所处地段近年来由于气候及人物活动影响，多年冻土处于退化状态。

图7 K1201+860断面不同时间天然地面孔地温变化

图8为K1201+860断面2007年、2013年堑底孔地温变化。可知：①2007年左侧堑底人为上限较右侧小了将近2 m，左侧堑底在12月底之前已经冻结衔接，而右侧堑底在翌年2月才冻结衔接，左侧堑底不同深度处多年冻土地温均较右侧低，阴阳侧差异明显；②2013 年左侧堑底人为上限较右侧小了2 m，左侧堑底在2月冻结衔接，右侧堑底在6～9 m间存在一个融化夹层，左侧堑底不同深度处多年冻土地温均较右侧低，阴阳侧差异较大；③2013年左侧堑底人为上限较2007年增大了1.5 m，冻结衔接时间也退后了2个月，各深度处地温均有所升高，左侧堑底多年冻土退化严重；④2013年右侧堑底人为上限较2007年增大了1.5 m，出现了一个较大的融化夹层，不衔接多年冻土出现，同时各深度处地温均有所升高，左侧堑底多年冻土退化严重；⑤相较天然场地多年冻土地温变化，左右侧堑底多年冻土升温退化较严重。

图8 K1201+860断面不同时间堑底孔地温变化

综上所述，K1201+860断面在2007年—2013年间天然场地多年冻土处于严重退化状态，左右侧堑底多年冻土较天然状态下退化更严重，且左右侧差异极为明显。

3 结论

1)青藏铁路多年冻土区天然状态下多年冻土处于升温退化状态，地表以下2.5 m处升温速率约为10 m 处的2.5～3倍，多年冻土自上而下的退化趋势明显。

2)在气候影响下，青藏铁路多年冻土区路堑地段地基多年冻土人为上限埋深均加深，多年冻土发生退化。路堑堑底人为上限变化基本与天然孔一致，主要是由于气候变化引起的。

3)K986+709断面各深度处多年冻土地温均升高，在气候变化影响下地基多年冻土处于升温退化状态；左侧堑底2013年人为上限较2007年增大了近 1 m，较天然场地地基多年冻土升温退化速度快。

4)K1201+860断面在2007—2013年天然场地多年冻土处于严重退化状态，左右侧堑底多年冻土较天然状态下退化更严重，且左右侧差异极为明显。