呼伦贝尔多年冻土区工程病害与冻土工程地质特征及评价

殷 玲 方明伟 迟占颖 钱秀杰 李福祥

(1.呼伦贝尔学院 内蒙古 海拉尔 021008；2.内蒙古自治区多年冻土勘察工程技术研究中心 内蒙古 牙克石 022150)

呼伦贝尔多年冻土属于我国高纬度低海拔的东北大兴安岭多年冻土。在不同的冻土结构中，由于水的存在，不论是冻结状态或是融化状态, 都发生着一系列不良地质现象，这些不良地质现象对各类工程造成的病害是十分严重的。多年冻土工程地质评价是工程建设重要的基础资料，其准确与否决定着工程设计原则是否合理、工程措施是否得当。项目组自2009年开展了工程病害和冻土工程地质特征研究的相关工作，取得了基础性成果。[1]本次工作在进一步调查分析工程病害的基础上，探讨冻土工程地质特征并对其评价，旨在为地区工程建设及病害的防治提供一定的参考。

1 不良地质现象与工程病害

1.1 冻胀

季节活动层通常是多年冻土区建筑物地基的组成部分。活动层冻结时在水分迁移冻结的作用下，土体冻胀产生法向和切向冻胀力，通过基础底面和侧面传递至建筑物。活动层每年周期性地冻融交替作用可导致墙体开裂、道路损毁、涵洞冻胀塌腰。本次调查发现路基寒冻纵向裂缝、冻胀隆起现象尤为突出。

1.2 冰锥、涎流冰

冬季地下水活动通道受阻，在地质构造薄弱地段出露形成冰椎；地下水顺着地形坡度的起伏形成涎流冰。冰锥、涎流冰的发生可使路基路堑边坡结冰挂冰、桥孔涵洞堵塞冻胀、基础移位倾斜。如牙林线、嫩林线部分路段常因发生冰锥，导致施工中原设计方案被迫修改或增大后期维护难度。[2-4]

涎流冰在呼伦贝尔北部广泛分布，仅对额尔古纳西北部奇乾-伊木河和荒火地-牛耳河两条公路统计，涎流冰达125处之多。涎流冰地段易导致交通事故或引起公路翻浆、山体滑坡、边坡滑塌、路基和桥涵水毁等病害。

1.3 冰丘

寒冷季节，地下水活动受冻结土层的阻挡在薄弱地带冻结膨胀，造成地表变形隆起形成冰丘。冰丘形成时，产生巨大的隆胀力可将路堤抬起、路基冻胀隆起；紧邻桥墩的冰丘可使桥墩产生倾斜、桥梁涵管脱节错牙。

1.4 厚层地下冰

多年冻土层内一般厚度大于30cm的冰层称为厚层地下冰，主要存在于粘性土中。在根河的牛耳河、金林、嘎啦牙一带厚层地下冰分布较典型。厚层地下冰的形成和融化是导致多年冻土区地表变形、造成诸多工程破坏的主要原因。

1.5 热融下沉(沉陷)、热融湖和热融滑塌

人为活动和自然条件变化带来的热干扰导致多年冻土上限下降、下限上升，引起冻土衰退产生热融下沉。冻土区因热融下沉引起的病害占1/4以上。本次调查结果也验证了这一现象。

热融下沉地面积水后可形成热融湖，融沉时常与热融滑塌循环发生，这些现象不仅引起边坡陷裂等问题，同时亦加剧工程的沉陷和冻胀。如牙林线、嫩林线发生的热融下沉、热融湖及滑塌对道路造成了严重病害。[5-7]

2 典型路段不良地质现象与工程病害

2.1 调查线路

不良地质现象的发生与冻土分布特征有一定关系。前期研究呼伦贝尔多年冻土分区为：I-大片连续多年冻土区、II-岛状多年冻土区和III-稀疏及零星岛状多年冻土区。[8]

本次调查根据多年冻土分布特征及交通线路情况，确定路线沿着大兴安岭西麓满归以北(漠河附近)-额尔古纳-博克图布设，沿线路分布有大片连续多年冻土区(Ⅰ区)、岛状多年冻土区(Ⅱ区)，最后进入稀疏及零星岛状多年冻土区(Ⅲ区)。具体调查线路如下：

Ⅰ区五条线路：①国道京漠公路樟岭-西林吉段建设项目；②嫰林线中段；③奇(乾)-伊(木河)和荒(火地)-牛(耳河)公路；④阿龙山-满归段道路；⑤牙林线(西线)。

Ⅱ区两条线路：①拉布达林-根河段道路；②牙林线。

Ⅲ区线路：仅选择了大兴安岭东西坡丘岭病害发生率较高的博克图-乌努尔段公路和铁路。

2.2 调查情况

典型路段不良地质现象与病害调查统计见表1：

表1 典型路段不良地质现象与病害调查统计表

续表1

2.3 不良地质现象与工程病害分析

从表1可以看出三个区均有沉陷发生，Ⅰ和Ⅱ区病害基本相同。由于气温升高、人为活动等因素，Ⅱ区热融现象活跃，热融湖较多出现。地处Ⅰ区南部与Ⅱ区交界的牙林线(西线)朝中-莫尔道嘎段路堤出现了热融滑塌，表明地温相对较低的Ⅰ区冻土温度亦升高。Ⅲ区滨洲线博克图附近路段受高温不稳定多年冻土退化的影响，活动层季节性冻胀病害发病率明显增高。

基于上述，研究区工程遭受沉陷的破坏相对严重。其次，活动层反复冻融作用引起的冻胀病害也不能忽视。可以预测，自然因素和人为生产活动的影响必将引发热融现象的加剧，继而导致冻土退化和病害发生愈加显著。因此，防治病害应在查明病害成因和类型的基础上,根据不同特点和影响因素制定防范和整治措施。

3 多年冻土工程地质评价原则和方法

3.1 冻土工程类型和融沉性分级[9]

多年冻土按含冰特征分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土及含土冰层五种工程类型。前两种统称为低含冰量冻土，后三种统称为高含冰量冻土。

依据融沉性的强弱将融沉系数划分为五级：少冰冻土，Ⅰ级，不融沉；多冰冻土，Ⅱ级，弱融沉；富冰冻土，Ⅲ级，融沉；饱冰冻土，Ⅳ级，强融沉；含土冰层，Ⅴ级，融陷。

3.2 多年冻土地温区(带)划分[10]

根据多年冻土的年平均地温Tcp (C°)划分：低温稳定区(带)，Tcp<-2.0；低温基本稳定区(带)，-2.0≤Tcp<-1.0；高温不稳定区(带)，-1.0≤Tcp<-0.5；高温极不稳定区(带)，Tcp≥-0.5。

3.3 多年冻土工程地质评价原则和方法[11]

如上所述，多年冻土区建筑物的破坏主要由融沉造成的。冻土含冰量不同，其融沉特性不同。本次工作依据冻土含冰特征、融沉性强弱，再结合年平均地温、土层类别及对工程的影响，划分为不同的工程地质地段，评价为较好、一般、较差、极差。具体地质地段评价方法见表2：

表2 不同工程地质地段评价方法

4 多年冻土工程地质特征及评价

为更有针对性地开展研究冻土工程地质特征，结合实际选择Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区部分典型勘察资料进行探讨分析。

4.1 国道京漠公路樟岭至西林吉段(K409+170～K409+400)工程建设项目

4.1.1 勘察基本情况

项目位于大兴安岭北部，所处地带为大片连续多年冻土区。勘探区处于堆积山间凹地边缘，场地存在冻土层上水， K409+170～K409+320路段南侧积水，冬季冻结形成冰锥和冰丘，随控山水及岩石裂隙水补给冰锥和冰丘逐渐扩大。

地层由上至下：①素填土；②腐植土；③含土冰层：含泥炭质土；钻孔揭露纯冰夹层；④圆砾: 孔隙充填砂类土及粉粘类土，可见冰粒及薄层状冰；钻孔揭露纯冰夹层；⑤全风化凝灰岩：局部含碎石及块石，可见冰粒及细小冰晶。

场地为衔接性多年冻土，季节活动层深度最大2.30m。钻孔观测地温见表3：

表3 樟岭至西林吉段地温Tcp观测表(单位：℃)

4.1.2 季节活动层冻胀特征和多年冻土融沉特征

季节活动层冻胀特征判别(略)。

多年冻土融沉特征判别见表4：

表4 樟岭至西林吉段多年冻土融沉性分级表

4.1.3 工程地质条件评价

依据表2判断该场地工程地质条件为较差-极差。

4.2 牙林线岩山-育林段( K92+500～K108+000)路基病害整治工程

4.2.1 勘察基本情况[12]

工程处于岛状多年冻土区。线路行进于库都尔河宽阔谷地，线路两侧低洼地带积水融沉形成热融湖雏形，沿线路呈“串珠状”分布,并不断扩大危害路基。地表水渗入路基基底与多年冻土层上水产生热交换,使冻土上限明显下降产生融沉。活动层冻胀与融化导致路基产生冻胀变形。

勘探区季节冻土和多年冻土均存在衔接性多年冻土和非衔接性多年冻土,多年冻土上限2.0m～7.4m。据钻孔测温曲线分析,平均地温-0.5℃≤Tcp<0℃。

4.2.2 季节活动层冻胀特征和多年冻土融沉特征

季节活动层土层自上而下：①泥炭；②粉质黏土：冻结期间地下水位距冻结面的最小距离hw≤2.0m；③圆砾、角砾。活动层冻胀特征判别见表5：

表5 岩山-育林段季节活动层冻胀性分级

多年冻土土层由上至下：①粉质黏土：主要为饱冰冻土、富冰冻土,局部含土冰层；②圆砾、角砾：主要为多冰冻土,局部富冰冻土、少冰冻土。多年冻土融沉特征判别见表6：

表6 岩山-育林段多年冻土融沉性分级表

4.2.3 工程地质条件评价

依据表2判断该场地工程地质条件为较差-极差。

4.3 扎敦水利枢纽工程建设项目

4.3.1 勘察基本情况

项目所在扎敦河谷地，地处大兴安岭多年冻土南界附近，属稀疏及零星岛状多年冻土区。勘察查明，场地多年冻土沿坝轴线起于K0+070m，向水库左岸(南侧)、右岸(北侧)尖灭于K0+200m，冻土最大厚度在坝轴线K0+150m附近，约8.50m，整体上呈中间厚两侧薄的状态分布。

多年冻土自上而下：(1)淤泥质粉质黏土；(2)级配良好圆砾；(3)粉土质圆砾。

勘探区为非衔接性多年冻土。以邻区资料推测平均地温-0.3℃≤Tcp<0℃。

4.3.2 季节活动层冻胀特征和多年冻土融沉特征

季节活动层冻胀特征判别(略)。

本次勘察是根据野外鉴别判断多年冻土融沉特征。相关结果见表7：

表7 扎敦水利枢纽工程多年冻土融沉性特征野外鉴别表

4.3.3 工程地质条件评价

依据表2判断该场地工程地质条件为较差。

4.4 多年冻土工程地质特征及评价

总体来说，呼伦贝尔多年冻土工程类型多为富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层，大片连续多年冻土区和岛状多年冻土区的含土冰层更为发育；融沉等级Ⅲ-Ⅴ，融沉类别融沉-融陷。不同区段地温有差异，除大片连续多年冻土区西北部有低温不稳定区，其余地段为高温不稳定区和高温极不稳定区；稀疏及零星岛状多年冻土区冻土多呈塑性状态。冻土不良地质现象的发育对工程影响大，工程地质条件较差、极差的地段交错分布。工程设计时，应充分考虑这些因素，采取有针对性的工程措施，保证多年冻土区工程的稳定性。

本研究在已有成果的基础上对地区工程病害、冻土工程地质特征做了进一步分析，对不良地质现象与病害发生特征、冻土工程地质条件有了进一步认识，为下一步开展相关工作奠定了一定基础。由于受人力、物力和研究水平所限，研究成果的深度、广度还有待持续开展。