青藏铁路两类路基次生病害分布特征及影响因素

刘本仕

中铁五局集团机械化工程有限责任公司，湖南 衡阳 421000

青藏高原多年冻土对外界环境变迁和人类工程活动十分敏感，冻土路基由于热状况不同引起的路基温度场非对称性问题，及其导致的工程病害愈加引起人们的关注。几十年来，针对这些病害问题，冻土学家们在青藏公路、214线以及我国东北铁路建设和维护中做了大量的试验研究，取得了系列重要成果[1-7]。

修建于21世纪初期的青藏铁路吸取了青藏公路50多年运行的经验和教训，采取了一系列冷却路基的工程措施，极大地消除了工程地质隐患。从目前来看，这些特殊路基，如通风管路基、块石路基等对于保护路基下伏多年冻土是十分有利的[8-11]。但青藏铁路线路长、地质条件复杂，受气候变暖及人类活动的双重影响，由路基温度场差异以及冻土变暖引起的路基病害随时间的发展也在不断加剧。为此，文章基于对青藏铁路的长期调查，分析了路基沉陷和路基裂缝两类主要病害的分布特征，及其与冻土条件、路基高度等之间的关系。研究成果对青藏铁路冻土段路基维护和未来寒区工程设计优化均具有指导意义。

1 路基沉陷分布特征及其影响因素

基于对青藏铁路近10年的路基病害调查，笔者收集到了56处路基严重呈现路段，并结合青藏铁路设计阶段钻探资料和路基结构形式进行了分布规律统计分析。

1.1 路基沉陷发生的地温分区差异

青藏铁路路基沉陷发生数量与多年冻土地温分区的统计关系如图1所示。在统计的56处路基沉陷路段中，发育于高温极不稳定多年冻土区（TCP-Ⅰ）的有35处，占路基沉陷路段的一半以上；其次为发育于融区（R）的，有12处；发育于高温不稳定多年冻土区（TCP-Ⅱ）的为7处，低温基本稳定多年冻土区（TCP-Ⅲ）和低温稳定多年冻土区(TCP-Ⅳ)各1处。上述资料基本表现出了路基沉陷与冻土分区之间的定性关系特征。

图1 路基沉陷发生数量与多年冻土地温分区的统计关系

1.2 路基沉陷发生的冻土类型差异

青藏铁路路基沉陷发生数量与多年冻土类型的统计关系如图2所示。按照融区、少冰-多冰多年冻土和富冰-饱冰多年冻土区域对路基沉陷发生段进行统计，结果表明在所统计的57处主要沉陷路段中，12处发生在融区（R），19处发生在少冰-多冰多年冻土区（S-D），26处发育在富冰-饱冰多年冻土区（F-B）。显然，路基土体含冰量对沉陷量具有明显影响。

图2 路基沉陷发生数量与多年冻土类型的统计关系

1.3 路基沉陷发生的路基高度差异

青藏铁路路基沉陷发生数量与路基高度的统计关系如图3所示，路基平均沉陷量与路基高度的统计关系如图4所示。结果表明，在所统计的56处沉陷中，总的平均沉陷量为17.8cm；大多数沉陷发生在路基高度为4～6m的路基上，该高度的路基在沿线相对比较普遍。若按照平均发育程度，则高度低于4m的路基平均沉陷量为15cm；4～5m高度路基平均沉陷量为13cm；而5～7m高度路基平均沉陷量为17～23cm；8m高度路基相对较少，平均沉陷量为13.8cm。这基本显示了随着路基高度的增加，沉陷量也有所增加。此现象与青藏公路随着路堤高度的增加路堤沉陷病害减少的现象有所不同，这是因为公路路基沉陷的主要原因在于多年冻土融化。

图3 路基沉陷发生数量与路基高度的统计关系

图4 路基平均沉陷量与路基高度的统计关系

1.4 路基沉陷与各因素综合相关性分析

对路基沉陷与各因素进行相关性分析，得到结果如表1所示。该结果表明，路基沉陷与路基填土高度的正相关性最大，其相关系数为0.16；其次与多年冻土含冰量也呈微弱的正相关关系，相关系数为0.04；路基沉陷与地温呈微弱的负相关关系，即地温越低，路基沉陷量越小，相关系数为-0.02。上述结果与单项统计分析的结果一致。

表1 路基沉陷与各因素之间的统计相关系数

2 路基裂缝分布特征及其影响因素

2.1 路基裂缝发育现状

裂缝是对工程稳定性影响较大的病害之一。对青藏铁路西大滩（K957+766）至布曲河谷地（K1334+000）长约376km的多年冻土段进行路基裂缝现状调查，结果表明，存在裂缝的路基长度约为67km，占调查段总长的17.8%。裂缝长度分布特征统计如图5所示。由图5可知，裂缝以纵向裂缝为主，约占裂缝总长度的88.7%；斜向裂缝和横向裂缝相对较少，只占裂缝总长度的11.3%。同时，由于路基两侧阴阳坡效应差异，阳坡裂缝长度占裂缝总长度的61.3%，阳坡大于阴坡。从分布部位来看，大部分裂缝主要分布在路肩及护道处，也有少部分对称分布在路基两侧一定宽度范围内。

图5 青藏铁路裂缝长度分布特征统计

2.2 多年冻土类型及地温对路基裂缝的影响

裂缝长度与多年冻土含冰量和地温之间的统计关系如图6所示。从图6中可以看到，在低含冰量多年冻土段，裂缝长度占总长度的15.6%；而在高含冰量多年冻土段，裂缝长度占总长度的25.1%。在低温多年冻土段，裂缝长度占总长度的16.2%；而在高温多年冻土区，裂缝长度占总长度的21.1%；融区裂缝出现较少。

图6 裂缝长度与冻土类型和地温的关系

2.3 路基高度对裂缝长度的影响

裂缝长度与路基高度的统计关系如图7所示。从图7中可以看到，路基高度低于4m（不含4m）的路段裂缝较少，裂缝长度仅占总长度的10%左右；高于4m（含4m）的路段裂缝明显增多，大于等于4m，小于6m的路段裂缝长度占总长度的约37%；≥6m且＜7m的路段裂缝长度占裂缝总长度约40%；7m（含7m）以上的高路堤段裂缝长度超过了裂缝总长度的一半。统计结果显示，裂缝长度与路基高度之间存在较好的正相关关系，即路基越高，越容易发生裂缝，反之亦然。

图7 裂缝长度与路基高度的统计关系

如果把路基高度和裂缝长度占总长度的百分比值拟合成数学表达式，则

式中：h为路基高度，m；η为裂缝长度占总长度的百分比，%。

2.4 地基土类型对裂缝长度的影响

地基土类型对裂缝长度也有一定的影响。裂缝长度与地基土类型的统计关系如图8所示。从图8中可以看到，在粉土、粉质黏土等细颗粒路段出现裂缝的概率较大，裂缝长度达到总长度的约36.5%；其次是细砂路段，达到21.28%；风化岩石路段出现裂缝的概率最低，不足10%。由此可以看出，地基土颗粒越细，路基稳定性越差，越容易形成裂缝等病害，这是粉土等细颗粒土强度较低、融沉系数较大等原因所致。

图8 裂缝长度与岩性条件的统计关系

2.5 路基结构对裂缝长度的影响

裂缝长度对路基结构的响应也比较明显。不同路基结构段裂缝发育情况如图9所示。从图9中可以看到，土质护道段极容易形成裂缝，裂缝长度约占线路裂缝总长度的85%；其次是普通路基，约占36%；片石护道和块石通风路基裂缝出现的概率基本相同，在14%左右；土工格栅段为10%左右；开挖路基段裂缝最少。此结果表明，由于特殊路基具有保护下伏多年冻土的作用，与普通路基相比相对较稳定。

图9 不同路基结构段裂缝发育状况统计

3 结论

（1）路基沉陷和路基裂缝作为多年冻土区两类最主要的路基次生病害，受气候变暖及人类活动的影响，在路基运行期都将不断发育并趋于严重，亟待从根本上进行防治和整治。

（2）青藏铁路路基平均沉陷量为17.8cm，路基沉陷主要发生在高温冻土路段及富冰-饱冰多年冻土区，同时路基沉陷与路基填土高度具有正相关性。

（3）青藏铁路路基裂缝主要发生在高温、高含冰量多年冻土区，随着路基高度的增加，裂缝数量随之增加，高路基和细颗粒土段是裂缝病害的高发区。