铁伊高速铁路岛状多年冻土融沉特性及工程对策

王斌

黑龙江铁路发展集团有限公司，哈尔滨 150000

在多年冻土地区修建高速铁路，破坏了多年冻土的赋存状态。全球气候变暖，气温逐渐升高，铁路路基下伏多年冻土逐步开始融化。冻土层厚度减小、冻土上限下降、季节活动层厚度增加等现象是多年冻土退化的主要表现，原本衔接的多年冻土成为不衔接状态，多年冻土的退化是路基差异沉降的主要原因，而路基差异沉降又是各种病害发生的直接原因［1］。岛状多年冻土是不连续多年冻土，是连续多年冻土带的边缘，呈岛状分布，工程稳定性较多年冻土差，对温度变化敏感。铁伊高速铁路位于高纬度岛状多年冻土区，该地区岛状多年冻土分布零散，规模小，厚度变化较大，工程稳定性差。研究岛状多年冻土的融沉特性及工程处理措施对高速铁路的建设及后期运营维护具有重要意义。

相关学者通过室内试验、现场试验、数值计算等方法对岛状多年冻土工程特性开展了大量研究。Shan 等［2］采用地质勘探、室内试验、数值模拟、理论分析等方法研究多年冻土力学性质、退化过程等，得出随着冻土融化岩土力学指标显著下降，含水率越大，孔隙率越高，力学指标下降幅度越大。张书良［3］通过室内试验测定了冻土层的物理、力学指标，从土的固结压缩性质和弹塑性变形性质出发研究了冻土退化对路基变形及稳定性的影响。宇德忠等［4-7］结合室内外试验测定了桩基所在区域典型土层的天然密度、含水率等物理参数，在低温条件下测出了冻土土样内摩擦角、黏聚力等力学参数，利用温度监测系统对桩基回冻前后温度场实现监测，通过静动载试验揭示了高纬度岛状多年冻土桥梁桩基回冻前后承载力特性。常继峰［8］综合考虑了冻土上限处土体性质、融沉性质、地基处理方式等因素，共设置20个路基断面作为试验断面，通过对岛状多年冻土路基进行地温变化趋势分析、数值仿真及现场实测对比研究，提出较为精确的冻土退化型路基地温特征数值计算模型。霍明等［9］通过现场试验和数值模拟计算分析了清基对东北岛状冻土路基产生的影响，研究了清基对路基融化核形成和发展的影响以及清基对于路基温度场的影响特性。邢向达［10］对博牙高速公路冻土路基铺筑后的温度及含水率进行跟踪观测，从而评价岛状冻土路基处置效果。张旭东［11］依托大兴安岭南麓地区某公路的多年冻土段路基处理工程，研究CFG 桩-筏板复合地基在岛状多年冻土中的承载力特性并进行现场试验，结果表明复合地基周围冻土回冻缓慢，复合地基的桩端反力占基础承载力的50%以上，并随着荷载的增加桩周土承担的荷载逐渐增大。张冬［12］通过室内试验研究了冻土的物理力学特性，结合现场监测手段分析了冻土的不同类型，通过工前温度监测分析了地表温度对冻土工程性能的影响范围，比选出适合的冻土地基治理方案。

综上所述，在东北岛状多年冻土区，冻土地基受到不同程度工程扰动后，其工程稳定性必将受到影响。铁伊高速铁路是世界上第一条穿越岛状多年冻土区的高速铁路，岛状多年冻土的工程稳定性是保障高速铁路列车安全运营的重要保障。本文结合铁伊高速铁路通过岛状多年冻土融沉特性试验，探明岛状多年冻土的融沉特性，研究分析相应的工程处理措施，研究成果将为高寒高纬度岛状多年冻土区高速铁路建设提供技术参考。

1 工程概况

铁伊高速铁路地处我国东北高纬度深季节冻土区，穿越大片不连续且处于持续退化状态的岛状多年冻土，线路沿线土质含冰量高，有机质丰富。目前对饱冰、富冰多年冻土路段，设计采用挖除换填的工程措施进行处理，以节省旱桥等措施所产生的经济成本。铁伊高速铁路设计时速250 km，是构建哈尔滨2 h 经济圈之哈伊客运系统的组成部分。该线位于黑龙江省中部偏北，呈近南北走向，线路南起黑龙江省铁力市，经绥化市庆安县、伊春市翠峦区，北迄于伊春市乌马河区，线路全长112.299 km，线路走向如图1所示。线路位于小兴安岭南段的低山丘陵及冲洪积平原区，沿线主要出露白垩系砂泥岩，侏罗系凝灰质砂岩、凝灰熔岩、凝灰岩，华力西期和燕山期花岗岩等。岛状多年冻土是线路主要地质问题之一。

图1 铁伊高速铁路地理位置

2 沿线岛状多年冻土分布特征

通过工程地质调绘、工程地质遥感、物探等措施，得出铁伊高速铁路多年冻土上限深度和下限深度一般分别在1.5～2.6、6.0～11.8 m；大部分厚度3～6 m，最大处达9.5 m。铁伊高速铁路多年冻土在平面上连续性差，呈岛状零星分布，且段落长度较小；多年冻土天然上限较小，厚度变化较大，为中心厚边缘薄，剖面多呈梯形或透镜状。根据钻探与取样结果，验证了物探成果的准确性，揭示了铁伊高速铁路多年冻土的主要类型为多冰、富冰、饱冰冻土和含土冰层多年冻土。其中多冰、富冰多年冻土多为粗颗土，饱冰冻土和含土冰层多为粉质黏土和泥炭化冻土。对于细粒土而言，多年冻土类型主要为富冰冻土、饱冰冻土及含土冰层；对于砂类土而言，多年冻土类型主要为多冰冻土和富冰冻土；而对于碎石类土而言，多年冻土类型主要为少冰冻土、多冰冻土和富冰冻土。

3 岛状多年冻土融沉特性试验

3.1 多年冻土的物理组成

1）固体土骨架

固体土骨架结构是决定冻土性质的主要因素。土颗粒之间相互作用对土骨架结构影响较大。此外，土颗粒尺寸大小、形状结构及土颗粒表面离子交换量都会对土骨架结构、冻结水分迁移等产生影响。

2）冰

含冰量是多年冻土类型划分的重要指标，冰与冻土的结构构造、融沉特性及力学性能密切相关。

3）未冻水

土的冻结作用是随时间发生的复杂过程。土体发生冻结时，并不是所有的水都冻结成冰，由于土颗粒表面的吸附作用等，部分水会保持未冻结状态，这部分水就是未冻水。在一定负温下，未冻水含量与负温条件不相关，即一部分水与冰处于共存的不冻结状态。

4）水汽

多年冻土孔隙结构中会有部分水汽存在，水汽状态变化对冻土的相变有重要影响。水汽是冻土冻结过程中水分向冻结前缘迁移的主要因素。

3.2 融沉试验方法

根据GB∕T 50123—2019《土工试验方法标准》的试验方法进行试样制备及试验操作，测试岛状多年冻土在自重、不同荷载作用下的融沉与融化压缩值，分析不同种类岛状多年冻土体的融沉特性。

3.3 融沉试验结果分析

多年冻土的融沉是热融沉陷和压缩沉降共同作用的结果，工程设计计算地基结构稳定性时，需要考虑多年冻土的融沉系数α0和融化压缩系数mv。一般冻土的融沉系数和融化压缩系数通过试验确定，本文通过现场取样和室内试验对融沉压缩试验的融沉系数与融化压缩系数的主要影响因素进行分析。

3.3.1 多年冻土的融沉系数

多年冻土的含冰量是评价冻土融化的重要指标，体积含冰量与土体的组合关系决定了冻土的融化压缩沉降量。通过相关文献调研可知多年冻土的融沉系数主要取决于冻土密度和含水率。

1）含水率与融沉系数的相关性

多年冻土融化过程导致冰水相变发生，土颗粒产生相对移动，进而引起路基结构变形。细圆砾土、黏性土、泥炭质土3 类土的含水率与融沉系数的关系见图2。可知，3类土的融沉系数都随含水率的增加而增大，黏性土的融沉系数最大，泥炭次之，砾砂最小。多年冻土冻土的总含水率与起始融沉含水率的差值，是引起多年冻土融沉的关键影响因素。由于所取黏性土试样多数含或微含细圆砾、砂土（砾砂、粗砂、中砂、细砂及粉砂），影响了黏性土的α0-W回归拟合效果，相关系数为0.731。今后的研究中应细化黏性土土体分类，提高黏性土融沉系数公式的准确性。

图2 各类土含水率与融沉系数的关系

2）干密度与融沉系数的相关性

多年冻土融沉会导致土骨架间孔隙不断变小。水到冰的相变会引起土骨架结构的扩张，即冻胀融沉特性。当土体孔隙比小于某个数值后，多年冻土融沉量显著降低，接近较稳定状态。

各类土的干密度与融沉系数的关系见图3。可知，土颗粒变细、塑性增强和有机质含量增加会使土体的密度变小，随着土样的干密度逐渐降低，其融化下沉系数逐渐增大。

图3 各类土干密度与融沉系数的关系

3.3.2 多年冻土融化压缩系数

融化压缩系数与干密度密切相关。用二次多项式对细圆砾土、黏性土和泥炭土土样融化压缩试验所得融化压缩系数与干密度数据进行回归分析，结果见图4。可知，在一定试验荷载范围内，融化压缩系数不是稳定不变的，而是随着荷载的增大逐渐减小。

图4 各类土干密度与融化压缩系数的关系

4 工程对策

对小兴安岭地区既有工程调查研究发现，多年冻土区铁路工程病害多发生于路基工程段落，对桥梁地段基本上影响较小。目前铁路路基工程中多年冻土的处理措施主要为保护或破坏方式。在保护冻土方面，通过增设热棒、片石层等措施减缓多年冻土退化速度，提升多年冻土上限，减小融沉变形，预防多年冻土路基工程病害，适用于冻土上限较大，冻土层厚度较深情况；在破坏冻土方面，采取的措施主要有预融或挖除冻土后换填粗颗粒填料，适用于冻土层较薄、冻土上限较小情况。铁伊高速铁路沿线岛状多年冻土多为高温极不稳定多年冻土，冻土上限较小，所以设计采用的是破坏多年冻土的措施，主要包括挖除换填、挖除换填+预融、螺杆桩及素混凝土桩等措施。

1）挖除换填

饱冰冻土或富冰冻土厚度小于6 m 时，全部挖除饱冰、富冰多年冻土，并换填冻胀不敏感A、B 组填料。挖除应选择冬季施工，以保证开挖换填基坑边坡稳定并减少地表水对基坑内地基的影响，挖除换填范围至排水沟外3 m（无排水沟时，至坡脚外）。

2）挖除换填+预融

粗粒土及全风化基岩多年冻土，上限埋深小于3 m且多年冻土厚度小于3 m时，挖除上限以下细粒土（粉质黏土、黏土等）多年冻土（饱冰冻土、富冰冻土），换填冻胀不敏感A、B 组填料。下层粗粒土或全风化基岩的多冰冻土及少冰冻土融沉系数较小，采取预融的方式处理。挖除时应选择春季施工，挖除换填范围至排水沟外3 m（无排水沟时，至坡脚外3 m），并将挖除的弃土堆至基坑边缘形成临时围堰，防止晾晒期间地表水的侵入，对基坑内的积水及时抽除。待多年冻土完全融沉后，各相关单位验槽确认后方可回填。

3）桩基加固

下限埋深大于6 m 的多年冻土地基，采用螺杆桩或素混凝土复合地基处理，桩采用正方形布置，桩径0.5 m，桩间距为2.2 m。

5 结论

1）铁伊高速铁路沿线多年冻土的土体类别主要为砾砂、黏性土和泥炭化土，其中黏性土的融沉系数最大，泥炭土次之，砾砂最小，砾砂土是良好的冻土地基。

2）岛状多年冻土的融沉系数随其含水率的增加而增大；冻土的总含水率与起始融沉含水率的差值是引起冻土融沉的含水率。土颗粒变细、塑性增强、有机质含量增加等因素变化会导致干密度逐渐变小；岛状多年冻土的融化下沉系数与干密度负相关。

3）岛状多年冻土的融化压缩系数在试验荷载范围是不断变化的，随着试验荷载的增大而逐渐减小，实际压力对融化压缩系数影响较大。

4）多年冻土地基处理措施主要有保护和破坏两种方式，铁伊高速铁路沿线岛状多年冻土为高温极不稳定型，工程措施采用破坏的方式。当冻土类型为融沉系数较大的饱冰或者富冰冻土，且埋深较浅时，采用挖除换填措施；当冻土类型为融沉系数较小的多冰或者少冰冻土时，采用挖除换填+预融处理措施；当多年冻土埋深较大时，采用桩基础加固，确保路基结构的稳定性。