利用热棒阵对多年冻土区桥墩进行主动热防护研究

孙 田， 郭宏新， 周天宝， 索华宁， 董添春， 张明国

（1. 江苏中圣高科技产业有限公司，江苏 南京 210003； 2. 中国铁路青藏集团有限公司，青海 西宁 810007；3. 南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京 211816）

0 引言

青藏铁路经过海拔最高的多年冻土地区，自然条件恶劣，工程地质条件复杂，其中穿越多年冻土区桥梁共有447座，总长118.6 km，约占铁路沿线各桥梁总长的七成，保证多年冻土区桥梁稳定对青藏铁路的可持续安全运营意义重大。青藏铁路K1401特大桥是最为典型桥梁之一，它共有10 个桥墩，每墩设计有4 根桩，青藏铁路通车运营期间各个墩台有不同程度的沉降，其中6#墩沉降最为严重。

关于青藏铁路多年冻土地区桥梁桥墩沉降机理和保护措施方面，很多学者进行了分析研究，沉降的主要原因是桩侧水热效应导致多年冻土与桩冻结应力减弱，甚至冻土退化引起不均匀法向冻胀增加，造成桩身承载性能下降，加速桩基沉降［1-6］，为保护冻土和桩基的稳定性，应高度关注水热交换问题，施工和病害治理时尽量减小对冻土的热扰动［7-8］。热棒是一种无源高效传热装置，因施工扰动小、快速回冻降温明显，在寒区工程中应用广泛。特别是其可不破坏现有工程体系，在工程运行期间仍可施工，成为寒区既有工程病害整治的主要措施［9-10］。学者们通过现场监测、室内试验以及数值模拟等［11-18］手段对热棒工作效能主要影响因素、热棒选型与布置方式对热棒降温冷却效果进行了系统研究，发现双侧热棒路基的长期降温效果明显强于单侧热棒路基，斜插式热棒路基强于直插式热棒路基，热棒实际埋深应主要参考初始冻土上限。数值分析和现场试验证明，热棒群在快速降温和温度场调控方面效果好，可抬高冻土上限，保护浅埋隧道口冻土稳定［19-20］。热棒在输电线塔基地温控制中也效果明显，这可以通过高密度电法、地探雷达和现场钻探相结合的方法进行验证［21-23］。学者们通过将热棒植入混凝土桩中形成热桩，并开展室内模型试验，研究在不同功率与埋设方式条件下热桩冷却效果，与无热棒混凝土桩比较，试验发现：热棒能有效提高桩与冻土间冻结速率和冻结强度，是无热棒情况下冻结速率的2.5 倍、冻结强度的1.5 倍；热桩的冷却范围可覆盖桩周围2倍桩径范围内的区域，为寒区桩基施工和热防护提供新思路［24-25］。采用热棒技术对桩基础进行热防护，抵挡桩周冻土热侵蚀和降低土体温度，提高桩侧冻结应力，因此采用热棒技术治理桥墩沉降病害具有重要实用价值。

本文以青藏铁路K1401 特大桥桥墩为研究治理对象，设计一种主动热防护的热棒阵治理方法，并开展现场试验研究。以2018年10月—2020年12月监测数据分析热棒阵对桥墩保护的降温效能，探讨治理桥墩沉降新方法，为此类冻土区内的桥梁设计、整治提供借鉴。

1 试验区基本工况

现场试验特大桥位于青藏铁路唐古拉站与唐古拉北站之间，起讫里程K1401+570.56～K1401+903.43，孔跨样式为10～32 m 梁桥，全长332.87 m。地形略有起伏，地表植被覆盖率5%～10%，植被稀疏，呈戈壁荒漠地貌景观，如图1所示。多年冻土为饱冰-富冰冻土、高温极不稳定区、强融沉，修建初期多年冻土上限约3 m。垂直铁路走向方向，多年冻土厚度呈现中部薄、两端厚的总体特征，最薄处位于铁路正下方；沿铁路走向方向，多年冻土呈现中部薄，两端厚的特征。桥墩区右侧约80 m 处有一条常年有水小型冲沟。地下水主要为冻结层上水及冻结层下水，冻结层上水在埋深2.5 m 以内的砂类土、碎石类土层中。冻结层下水具有承压性，桥墩基础底部位于多年冻土下限处，处于冻结层下水富集区域。

图1 青藏铁路K1401特大桥位置图Fig. 1 Location map of Bridge K1401 of the Qinghai-Xizang （Tibet） Railway

青藏铁路运营期间，发现该桥各桥墩均有不同程度的沉降。从2009 年2 月开始对桥梁桩基进行垂直沉降观测，沉降观测点设在各墩的承台处。自建成运营以来，大部分桥墩的垂直沉降变化较小，年累计变形量小于7 mm，基本稳定，但K1401 特大桥6#桥墩持续沉降。2012年对6#桥墩进行了第一次加固，采用在6#桥墩两侧增设4 根直径1 m、长度40 m 桩的方法，与既有桥墩一起浇筑新承台，使基础形成整体，增设一排长20 m 的热棒，热棒埋地深度17 m。据监测，施工期间（2011—2012 年）6#桥墩累计沉降量超过210 mm，2013 年年内累计沉降量71 mm，2014 年年内累计沉降量57 mm。2015 年8月，You 等［26］采用高密度电法、探地雷达、地形测绘等综合物探方法，对桥墩及附近区域的冻土上限、下限、厚度进行了联合勘察、综合反演。高密度电法反演显示，6#桥墩冻土厚度小于20 m，电阻率从地表至约-8 m 左右深度呈现高阻特征，说明6#桥墩热棒发挥了冷却效果，其冻结程度较好，有助于桥墩稳定，但其作用的水平范围和深度均有限。桥墩基础施工导致桩基附近的多年冻土融化，施工完成后，混凝土桩基作为传热的良导体，加之承压冻结层下水的影响，融化的多年冻土层难以恢复冻结，这使得桥桩与土壤的冻结力、摩擦力以及桩端承载力等不足以使桥墩在荷载作用下保持长期稳定。2015 年期间又采取热棒加密治理，仍未取得良好的效果。综上，桩基加固施工后，桩基沉降变形有所改善，但沉降量仍较大，治理6#桥墩沉降问题采取的措施应尽可能减小热扰动，同时还应增大热棒布置范围，能够长期维持桩基承载的稳定性。

2 热棒阵设计思路与布置方案

6#桥墩沉降量持续增大的原因包括全球气温的升高、桩基础深入多年冻土层中的热扰动、冻结层上水热交换、冻结层下水热侵蚀等，其核心问题是冻土受到热扰动、多余热量侵蚀，进而引起了冻土的融化，产生了不同程度的桥墩沉降病害。为此设计热棒阵，通过主动降温实现保护桥墩周围冻土的热稳定性。

2.1 设计思路

图2 为单排热棒和热棒阵作用简要原理图，其能更好解释热棒阵作用原理。从图中可以看出，左图单排热棒的外侧受热侵蚀影响，外侧冻结区会缩减，造成冻结区不稳定；而右图热棒阵外侧形成的冻结阻隔区抵御热侵蚀，保护内侧冻结区的稳定。第一次加固单排热棒形成的冻核区与外侧水产生热交换，热棒实际有效冻结半径和冻结区温降程度不足，冻核区抵御外界热侵蚀能力弱，进而沉降治理控制效果不强。增设的第二排热棒，使得热棒间有效冻结半径和冻结区温降程度进一步增加，在外界热侵蚀影响下，热棒外侧的冻结区随时间周期无法增强甚至缩减。第三次采用热棒阵加固措施后，沉降效果得到有效控制。新增的热棒主要用来进一步降低冻核区的冻土温度，提高冷储量，较靠近桥墩的热棒埋深可减少2～4 m，相邻两排热棒间距应不大于2 m。

图2 单排热棒和热棒阵作用简要示意图Fig. 2 Brief schematic diagram of action of single row thermosyphon （a） and thermosyphon group （b）

2.2 布置方案

针对6#桥墩设计热棒阵方案如图3～4 所示，第一次加固既有热棒15支（长度20 m），在右侧新增加18 支热棒（长度17 m），用来阻隔外界热侵蚀，一般热棒冻结有效半径在2 m 左右，考虑快速冻结提高降温能效，本试验热棒间距布设1.5 m 左右。同时设置测温孔5 个，其中①号测温孔与热棒同孔，②、③和④号测温孔分别距离热棒1 m、2 m 和3 m，⑤号测温孔距离外侧热棒5 m。①号测温孔内布置测点4 个，②～⑤号测温孔内布置测点15 个，竖直方向详细间距见图4。图5为桥墩热棒阵的现场照片。

图3 桥墩热棒阵及测温孔布置平面图Fig. 3 Layout plan of thermosyphon group and temperature measuring holes around the bridge pier

图4 ①～⑤号测温孔测点布置示意图Fig. 4 Profiles of measuring points of temperature measuring holes ①～⑤

图5 桥墩热棒阵的现场照片Fig. 5 On site photo of thermosyphon group around the bridge pier

3 结果与分析

3.1 热棒工作状态

热棒棒身温度变化与大气温度变化规律具有一致性，且在寒季冷凝段温度高于空气温度，说明热棒工作正常。以时间轴为横坐标，选择埋设热棒日为坐标原点，每周周一所测温度为该周温度代表值。数据统计日期为2018 年10 月14 日—2020 年12 月22 日，历经两个冬季。选择①号测温孔1 号和2号测温点温度为表征温度，1号测温点表征空气温度，2 号测温点表征热棒棒身温度，所测温度变化曲线绘制于图6。由图可知，两者曲线波动变化趋势一致，第0～20 周棒身温度随空气温度降低而降低，且两者温度相接近，此时热棒已启动工作，且明显降低了周围土体温度；在第20～45 周，空气温度从-10 ℃升高到3 ℃，而棒身温度仅升高至-1 ℃，说明热棒在第一个冬季启动期间的冷储量较大程度抵御了外界的热侵蚀；第45周以后的温度曲线变化规律仍与上述现象相符，同时在第100 周左右的棒身峰值温度已略低于第45周左右的棒身峰值温度，说明热棒维持着周围土体的热稳定性。由以上可知，热棒工作状态正常，且能有效降低周围土体温度。

3.2 水平方向降温规律

为研究热棒阵在水平方向不同距离降温效果，分析了②～⑤测温孔-3 m 深度处的测温变化，并将温度时程曲线绘制于图7。可以发现，距离热棒阵越近，降温速度越快，降温幅度越大。

图7 热棒阵附近各测温孔-3 m深度处地温时程曲线Fig. 7 Time varying curves of ground temperature at -3 m depth of the temperature measuring holes near thermosyphon group

在第10周（2019年12月24日），②～⑤测温孔的温度分别为-5.7 ℃、-2.6 ℃、-1.4 ℃和-0.7 ℃，热棒工作已超2 个月，热棒周边2 m 范围内降温明显，距离热棒5 m 处冻土温度没有明显变化。快速降温过程一直持续到第21周（2019年3月6日）左右，②～⑤测温孔冻土温度分别降低至-8.3 ℃、-6.6 ℃、-6.5 ℃和-5.1 ℃，相比回填时温度，分别降温7.2 ℃、6.3 ℃、5.7 ℃和4.4 ℃，平均降温5.9 ℃左右。第25周后（2019年4月16日），各个测温孔显示地温上升，在第50周（2019年9月24日）升高到最大值，②～⑤测温孔冻土温度分别升高至-1.7 ℃、-1.3 ℃、-1.2 ℃和-0.9 ℃，较最低水平上升幅度分别为6.6 ℃、5.3 ℃、5.4 ℃和4.2 ℃。第50 周（2019年9 月27 日）气温继续降低，热棒又开始工作，冻土温度又开始降低，到第75周（2020年3月17日），②～⑤测温孔冻土温度分别降低至-8.6 ℃、-6.9 ℃、-6.8 ℃和-5.3 ℃，与一年前相比，各测温孔地温略有降低，同比降低约0.2 ℃。之后的地温变化规律与2019 年相似，第107 周（2020 年10 月27 日）②～⑤测温孔冻土温度分别回升至-2.4 ℃、-1.8 ℃、-1.5 ℃和-0.9 ℃，与2019 年同期地温相比，下降幅度分别为0.6 ℃、0.5 ℃、0.4 ℃和0.1 ℃。

结合图7可知，热棒阵周边均有明显降温，⑤测温孔可表征天然地温，经过一个冬季的工作，最大降温幅度超过8 ℃，平均降幅超过3 ℃，-3 m 深度处的降温至-6 ℃，热棒工作的第二个冬季，热棒周边多年冻土温度持续降低，冬季最大降温值在第一个冬季基础上再降约0.2 ℃，经过2 年，距离热棒1 m、2 m、3 m 处多年冻土地温累计降幅1.2 ℃、1.5 ℃和0.7 ℃，热棒周边3 m范围内平均降温幅度1.1 ℃。

图8 为第21 周不同深度下地温沿水平距离变化，可以看出，热棒阵外侧不同深度地温在0～2 m 内降温比较明显，2～5 m 内仍存在降温效果。可见热棒阵扩大了冻结区域范围，增大了有效冻结半径，并降低冻土温度。热棒阵降温后，内侧热棒为外侧热棒降温效能辅助增强，使得外侧热棒周边低温冰核区域增大，通过热传导的方式将“冷量”向更远处冻土传递。采用热棒阵方案后，增大了有效冻结半径，可有效保护多年冻土上限不下移。

图8 第21 周（2019-03-10）不同深度处沿水平距离的地温变化Fig. 8 Ground temperature changes along horizontal distance at different depths in 21st week （2019-03-10）

3.3 竖直方向降温规律

将②测温孔-3 m、-9 m 和-15 m 深度处所测温度时程曲线绘制于图9。可以看出，在历经两个冻融循环后，随着埋深的增加，在垂直方向上地温曲线向下波动明显，热棒对多年冻土的降温幅度减小。在第一个冬季，距离热棒阵外侧1 m 的-3 m、-9 m和-15 m深度处地温分别降幅8.3 ℃、3.9 ℃和2.4 ℃，热棒工作的第二个冬季，热棒周边多年冻土温度持续降低，-3 m、-9 m 和-15 m 深度处多年冻土冬季最大降温在第一个冬季基础上分别再降约0.2 ℃、0.7 ℃和0.4 ℃。这主要有两方面的原因：①深层多年冻土温度较上层低，与空气温度之间温差较小；②热棒冷凝段液化的工质回流到深层冻土区域的温度较浅层的高，回流过程中发生热量交换。

图9 距外侧热棒1 m处测温孔不同埋深处地温随时间变化曲线Fig. 9 Time varying curves of ground temperature at different depths of the temperature measuring hole 1 m away from the outer thermosyphon

为了反映热棒埋深范围内温度变化情况，本文从监测时间段内选取2020 年12 月1 日、2019 年12月1日、2018年12月1日进行对比分析，选取距外侧热棒1 m 的测温数据绘制于图10，并用天然孔地温作为对照。从图中可以看出，随着时间推移，冻土温降明显，在埋深2～15 m 范围内，每经历一个冬季温降幅度在1 ℃左右，说明热棒阵工作后使得周围土体温度持续降低，能提供更多的冷储量。此外，经历两个冻融循环后，不同深度下的冬季谷值地温和夏季峰值地温均明显下降，这是因为热棒启动后在第一个周期内产生的冷储量抵御暖季热侵蚀后仍有余量，使得周围土体在第二个周期内累计冷储量进一步增多，冬季地温持续降低，抵御热侵蚀能力更强，造成暖季峰值地温增幅降低。

图10 距外侧热棒1 m土体温度剖面Fig. 10 Profile of ground temperature 1 m away from the outer thermosyphon

3.4 断面温度场降温效能

为进一步直观分析热棒阵在水平和垂直方向的影响范围，基于热棒阵附近各测温孔的地温数据，将热棒阵附近的2020年1月1日及2020年3月1日的温度场分别绘制于图11 和图12。①号测温孔位于热棒阵内，受双排热棒影响温度最低，其余四个测温孔的温度随着距热棒距离的增加温度也逐渐升高，说明热棒的降温效果随着水平距离的增加而减小。在水平方向，热棒阵对5 m 范围内的冻土均有一定的冷却作用，但从3 月1 日的等温线变化趋势可以看出，距热棒阵3 m 以内的降温效果最显著。在垂直方向上，热棒的降温效果也呈现出随着深度的增加而逐渐减小的趋势，最有效的冷却深度在-11 m以内。

图11 2020年1月1日热棒阵温度场Fig. 11 Temperature field of thermosyphon group on January 1， 2020

图12 2020年3月1日热棒阵温度场Fig. 12 Temperature field of thermosyphon group on March 1， 2020

对比图11 和图12 可知，随工作时间的增加，热棒的冷却范围呈显著增大的趋势，其中-4 ℃等温线2个月期间在水平方向上扩大了近1.8 m。并且，随着热棒工作时间的增长，在热棒冷却范围增大的同时，热棒阵周围的温度分布也变得比较均匀。

3.5 沉降变形分析

图13 为6#桥墩逐年沉降量变化曲线，该桥墩进行了三次沉降病害治理。第一次加固采用单排热棒，2012—2014 年间桥墩沉降速度明显减缓，但每年沉降量仍然大于50 mm；第二次加固增设热棒，热棒回冻、降温效果进一步提高，2015—2017 年间桥墩每年沉降量逐年减少，控制在10 mm 量级；热棒阵施工完成后，2018—2020 年期间沉降变形得到彻底控制，沉降量不超过3 mm。2012 年和2015 年加固措施采用单排热棒布置方式，与未采取加固措施相比，沉降控制效果明显，可见采取热棒技术治理沉降可行性强，但由于6#桥墩所处位置地下水丰富，加之工程施工扰动等因素影响，使得单排热棒治理沉降效果无法得到有效控制。

图13 桥墩逐年沉降量变化曲线Fig. 13 Change curve of the bridge pier settlement by year

结合上述，结合温度分布场可知，热棒之间的冻结核温度降温明显且区域范围内温度相对均匀分布，温度的降低有利于提高桩与冻土之间的冻结强度；外侧热棒温度场分布相比内侧温度高，但其使周围岩土体一直处于冻结状态，能够抵御热量。外侧热棒保护内侧热棒储冷冻结的区域不受影响，使得热棒之间的冻结核温度逐步降低。外侧热棒冻结形成冰幕，有效阻止外界冻结层上下水和外界环境的热交换，阻隔了内侧热棒冻结区受外界热侵蚀，直接保护和维持内排热棒冻结区的稳定发展，降低桥墩桩基附近多年冻土温度，使桩基冻结力和承载力增强，有效保护桥墩的长期稳定性。

4 结论

多年冻土区桥墩沉降主要原因是施工热扰动和地下水的热交换侵蚀所致。在典型桥墩开展热棒阵试验研究，通过地温和沉降变形监测相结合的方法，分析得到热棒阵能够有效保护桥墩稳定，主要成果如下：

（1）水平方向上，热棒阵周边3 m 范围内均有明显降温，测温孔监测最大温降值超8 ℃左右，-3 m深度处第一个冬季平均降温至-6 ℃左右，经过两个冬季后热棒周边3 m范围内平均降温幅度1.1 ℃。

（2）竖直方向上，随着埋深的增加，热棒对多年冻土的降温幅度减小，第一个冬季，测温孔-3 m、-9 m 和-15 m 深度处最大降温幅度分别为8.3 ℃、3.9 ℃和2.4 ℃，第二个冬季，热棒周边多年冻土温度持续降低，不同埋深平均降幅超过0.4 ℃。

（3）热棒阵施工完成后，沉降变形得到彻底控制。外侧热棒形成的冻结区冰幕，阻隔了外界热侵蚀；内侧热棒冻结区稳定发展，使桩基冻结力和承载力增强，有效保护了桥墩的长期稳定性。