多年冻土区路桥过渡段变形整治措施研究_党海明.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202201027开放科学（资源服务）标识码（OSID）多年冻土区路桥过渡段变形整治措施研究党海明1，苗学云2,3，韩龙武2,3，米维军2,3，张 芳2,3（1.中国铁路青藏集团有限公司，西宁810000；2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州730000；3.青海省冻土与环境工程重点实验室，新疆格尔木816000）摘要：针对青藏铁路 K1297+055 路桥过渡段多年冻土区路基沉降变形，通过现场调查、理论分析及室内试验，分析了路桥过渡段病害产生的成因，采用在桥台台背回填片石的技术措施，并对变形和地温进行监测。结果表明：实施整治措施后的最终沉降量为 14.715.8 mm，达到规范要求，且地层多年冻土上限较措施前减小约 1.5 m，有效提高了路基整体稳定性。关键词：路基工程；病害治理；倾填片石；路桥过渡段；变形监测；地温监测；多年冻土中图分类号：U213.1+1文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0013 05 0 引言青藏铁路格拉段穿越约 550 km 多年冻土地段，全线海拔高程大于 4 000 m 的地段约 965 km，由于地处高原特定环境，高原地质、水文地质、大气气候等状况均有着其特殊的发生、发展及其变化过程1。随着全球气候的变暖及铁路施工、运营，必然导致地基多年冻土的赋存环境发生变化，进而有可能影响铁路工程的稳定性。近年来，在多年冻土区的 447 座桥梁中，有 161 座桥桥头路基下沉明显，沉降范围距桥台背胸墙 50.0 m 甚至达 100.0 m，其中大多沉降量 2030 cm，下沉量较大的超过1.0 m1-2。受多年冻土区路桥过渡段内不同结构物、路基填料、地基土的多种介质非均匀热传输状况的影响，桥头路基的病害程度远远高于普通路基，成为影响多年冻土区铁路安全运营的主要隐患之一。因此，有必要结合当地自然环境和工程特点，分析桥台路基病害产生机理，并采取有效的技术措施，为铁路长期安全运行提供技术保障。国内学者做了大量多年冻土区桥台路基沉降变形的研究工作。在多年冻土区理论研究方面，田群山3运用数值模拟分析路桥过渡段的水平冻胀力，研究冻胀力产生的机理及特征；夏利江等4对多年冻土区桥台路基表面太阳能的辐射进行分析，研究桥台受热体系状态；牛富俊等5分析台后过渡段路基土体冻结特征和时空变化过程，为涵下地基处理和路涵过渡段的路基填料选择及铺设方式提供了参考。基于多年冻土区特殊的工程特性，周有禄、牛富俊等6-7，对青藏铁路运营以来多年冻土区路基病害类型进行划分，预测了多年冻土区路基工程热稳定趋势；王小军等8对路基试验段裂缝及沉降问题进行研究；田亚护等9提出采用粗颗粒土填筑，预防多年冻土上限的下降的方法；唐彩梅等10通过现场调查、资料调研、理论分析等综合研究手段，提出有效的多年冻土区路桥过渡段路基病害整治方法。桥头路基的沉降变形不仅影响铁路的正常运营，同时增大了工务部门的工作量和维护成本。目前，学者们研究了多年冻土区路桥过渡段冻胀力产生机理、受热体系状态及冻结过程的时空变化规律，分析病害现象，结合理论研究提出适宜的病害整治措施。由于多年冻土区覆盖面积广，沿线地质环境复杂，遇到的病害问题都有其特殊性，需具体分析病害产生的主要成因，提出针对性的措施，才能保障有效治理。本文针对青藏铁路 K1297+055 桥台路基沉降变形问题，分析其沉降变形的主要成因，并提出有效的技术措施，为多年冻土区类似工程提供技术参考。1 工程概况 1.1 地形地貌K1297+055 桥位于青藏高原多年冻土区，所 收稿日期：2022 08 25基金项目：中国铁路青藏集团有限公司科技研究开发计划项目（QZ2020-G01、QZ2021-G10）作者简介：党海明（1972），男，青海湟中人。工程师，主要从事多年冻土路基运营管理及相关维养措施创新研究工作。E-mail:。党海明，等：多年冻土区路桥过渡段变形整治措施研究 13 处地貌为冲洪积平原区，地形略有起伏，发育开阔型冲沟，植被覆盖率30%35%左右，高程4 350 m。该段桥台横断面右侧地势较高，左侧较低，坡度为 4%，路基表层填筑级配碎石，路基分层填筑碎石土，路基上坡段有片石层防护，排水沟内有杂土、碎石等阻塞物，左侧有积水汇集现象。1.2 地层岩性该段地层 00.5 m 范围内为地表土，工点范围内地层为第四系全新统人工填土，洪积砾砂、细圆砾土；地层以下 0.54.0 m 为多年冻土活动层，冻土类型有富冰、饱冰冻土和含土冰层为主；地层 4.0 m 及以下为多年冻土层，年平均地温处于负温，下伏第三系泥岩。1.3 气象水文该段属于高温极不稳定区与融区交界。地下水主要为冻结层上水，水位不稳定，较为发育，受大气降水补给，水量不大，径流排泄条件较好。气象监测资料表明，近年来沿线多年冻土区降水量显著增大，上世纪 90 年代中期后的年平均降水量较以前平均增大了约 65.3 mm/a，目前沿线多年冻土区处于丰水期。1.4 路基结构试 验 段 K1297+000+100 路 基 填 土 高 约10.0 m，路基面宽度 7.3 m，基底倾填片石层厚1.2 m，边坡碎石护坡左侧宽度 1.6 m，右侧宽度0.8 m，坡脚设片石护道；桥头道床两侧设长30.0 m、高约 1.0 m 的浆砌片石挡砟墙；桥台基础为桩基础形式，桩径 50 cm，桩长 20.0 m。路桥过渡段横断面，见图 1。路基表层以下1.5 m 范围内分层填筑级配碎石；路基以下 1.54.0 m 分层填筑细颗粒碎石土，厚 2.5 m；路基以下 4.08.8 m 范围分层填筑粗颗粒碎石土，厚为4.8 m。2.52.510.04.81.52.57.3细颗粒碎石线路右侧线路左侧粗颗粒碎石土级配碎石片石片石层挡砟墙1.64%1 1.5图1路桥过渡段横断面（单位：m）现场调查发现：K1297+055 桥台路堤长期处于沉降变形中，并且桥台受挤压前倾，轨道结构无法保持稳定。通过施作碎石护坡、埋设热棒、路肩增设挡砟墙等措施来控制路基沉降，但收效甚微，目前仅依靠大量补砟和起道来调整轨道纵断面。护锥“上塌下鼓”病害，见图 2。图2护锥“上塌下鼓”病害 2 变形成因分析 2.1 地质环境特征据现场调查，桥头路基右侧地势稍高，受夏季降水量增加的影响，路基右侧积水现象较为明显，路基左侧存在出水的现象，这说明已经形成了过水路基。由于流动的地下水带有大量的热量，所以在其渗流过程中将会把大量的热量传入地基多年冻土中，对多年冻土造成热侵蚀。2.2 路基填料工程特性路基填料及地基土含水率分析，见表 1。表1含水率分析深度/m含水率/%冻胀率/%冻土类型备注02 9.81路基填料2413.208.55强冻胀4610.1768 5.0681011.28地基土1012 8.40121457.04 路基填料为角砾土，路基活动层 04 m 范围内含水率较高，大于 10.00%。同时，地基土埋深1214 m，即地层表层含水率高达 57.04%，是一个软弱层，极易导致路基沉降变形。路基表层以下 4 m 处入渗的水分产生聚集，含水率达 13.20%，原有路基填料最佳含水率为 11.20%，该处的实测含水率较最佳含水率高 2.00%，受多年冻土区地层负温的影响，产生了冻结现象，产生冻土核，以此可推断活动层达到了 4 m，地层受到外界水份热侵蚀作用较为严重，根据室内试验检测结果，土样冻结前高为 38.0 mm，冻结后高为 41.3 mm，冻胀率达 8.55%，属于强冻胀土体，对桥台的稳定性产生了一定影响。2.3 原因分析路桥过渡段变形示意，见图 3。受地形起伏和路基工程 14 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）外界水份入渗影响，桥台右侧过渡段回填区 04.0 m，降雨时水份入渗地基一定范围内产生聚集现象，导致了路基在冻结过程中产生了冻胀作用；同时，桥台左侧由于地势较低，受降雨影响，在桥台桩基表面产生了汇水区，水份的入侵对多年冻土层产生了热侵蚀作用，桥台左侧产生了融沉变形。桥台回填区桥头路基10.0 m片石层冻土上限桥台桩基础冻土上限下降冻结层4.0 m桥台挤压变形冻结层上水侵蚀汇水区天然地面图3路桥过渡段变形示意 现场病害调查结果显示：调查范围内此类病害并不普遍存在，且沿线路基填料和路基施工严格按照规范要求进行。因此，此处桥台沉降变形成因需要结合现场调研、室内试验及理论分析综合判断。2.3.1 气象因素影响近年来，随着铁路沿线人类活动和全球碳排放增大的影响，多年冻土区地层普遍存在升温的现象，根据已有文献研究成果显示，风火山地区多年冻土年平均地温在 19782014 年升高了 0.580.91 11，且铁路沿线近多年降雨量也处在一个丰水期，近 10 年降雨量呈增加趋势，升温和降雨两者相互作用，对铁路路基病害的形成创造了先决条件。2.3.2 地形地貌影响该段桥头路基原始地形右侧明显高于左侧，使得外界水份容易向地势较低处汇集，产生积水。至外界夏季雨季降水，路基表面流水量较大，形成了过水路基，造成地基土层含水率增大，成为软弱层，同时对多年冻土造成热侵蚀导致多年冻土上限不断下降，两者共同作用导致路基产生较大的沉降变形。2.3.3 维护措施影响前期维护采取了抬高道床的维修办法，由于该段路基道床厚度较大，而桥头路基面地势又较低，所以道砟内部容易积水，造成路基填料中含水率较大，以致路基在冻结过程中产生较强的冻胀变形。冻胀过程中产生的水平冻胀力作用在桥台，使其产生倾斜变形。2.3.4 结构体系影响桥台路基结构本体与路基结构形式不同，路基结构体系是二维受热体系，而桥台结构地表构造体受到外界直接影响外，地层中桩基也受到地层温度变化的影响，表现为三维受热状态，使得桥台路基吸收外界热量的能力增大，受外界水体热侵蚀作用，产生了较大的变形量，造成了护坡、锥体的开裂和破坏。3 整治工程措施 3.1 整治措施方案选择原施工过程中路桥过渡段按照常规挖台阶，选择碎石土进行分层填筑，但碎石土填筑无法有效阻隔外界水的入渗，滞留在地基中水份在地基负温区产生了冻结现象，导致了对桥台的冻胀作用。片石通风路基是高原地区工程建设保护多年冻土区一种有效的路基形式，片石路基在暖季具有通风效果，相比传统路基有效减小了外界热量向地层的热传导作用，增加了地层中的冷储量，减小了多年冻土层温度的“散失”作用。同时，片石路基结构带有孔隙，可起到疏通水份的作用，使水份无法聚集，且片石具有弱冻胀效应，减小了对桥台的挤压作用。因此，选择片石作为路桥过渡段的填料，是保护多年冻土热稳定的有效措施，是控制路基变形的关键。3.2 整治措施设计工程措施采用桥头线路架空后将原路基填料全部挖出，回填粒径 1030 cm 片石。台背路基换填示意，见图 4。按照施工图纵、横断面自上而下开挖该段路基，边坡开挖成台阶状、每层台阶宽度不小于 1.0 m；开挖到位后底部铺设 0.2 m 厚中粗砂垫层，中间夹铺复合土工膜作为隔水层，倾填片石至基床以下，基床底层填筑粒径 58 cm 的碎石1.9 m，表层填筑级配碎石 0.6 m。复合土工膜路床以下部分6 m碎石倾填片石基床底层桥台轨顶线路基表层沉降监测点地温监测点中粗砂中粗砂图4台背路基换填示意 4 实施效果 4.1 监测措施在桥台尾过渡段两侧路肩设置 2 处沉降监测点和 2 处地温监测点。沉降监测采用常规电子水准仪；地温孔埋深 35 m，监测频次约 1 次/月，监测党海明，等：多年冻土区路桥过渡段变形整治措施研究 15 时间为 2019 年 1 月 20 日2020 年 9 月 20 日，约 480 天，以此验证措施后的效果。4.2 变形监测K1297+055 路肩沉降监测，见图 5。经过换填措施处理后，左右两侧路肩沉降表现出先增长后平稳的二阶段变化趋势，在开展监测 300 天左右，左右路肩沉降速率分别达到 1.4、1.5 mm/月，至监测期 1 年后沉降基本达到稳定，沉降量分别为15.6、16.4 mm，至监测期 480 天左右，沉降量分别