郭惠芹 王李陽(yáng) 王蘊(yùn)嘉 陳鋒 王仲錦 張千里

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081

青藏鐵路（西寧—拉薩）全長(zhǎng)1 956 km，線(xiàn)路穿過(guò)多個(gè)氣候區(qū)和地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，地形地貌復(fù)雜；其中格爾木—拉薩段長(zhǎng)1 142 km，約有960 km 的線(xiàn)路海拔超過(guò)4 000 m，穿越連續(xù)多年凍土區(qū)約550 km［1］。多年凍土路基工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是青藏鐵路安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵［2］。為減少凍土工程地質(zhì)問(wèn)題及氣候變暖對(duì)多年凍土路基的影響，青藏鐵路的修建采取了冷卻路基的方式［3-4］，研究表明這些措施能夠有效對(duì)下部多年凍土起到主動(dòng)保護(hù)的作用且部分措施適用于未來(lái)氣候升溫1 ℃的情況［5-7］。青藏鐵路自2006 年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)迄今16 年，多年凍土地段列車(chē)始終按100 km/h 的設(shè)計(jì)時(shí)速平穩(wěn)運(yùn)行，多年凍土路基總體呈穩(wěn)定狀態(tài)，但部分路段尤其是高含冰量?jī)鐾恋囟我琅f存在病害［8-10］。雖然這些病害尚未對(duì)青藏鐵路的運(yùn)營(yíng)造成重大影響，但增加了養(yǎng)護(hù)維修工作，同時(shí)隨著氣候變暖，凍土退化加劇也會(huì)對(duì)線(xiàn)路的安全運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重威脅［11］。因此有必要針對(duì)這些病害開(kāi)展詳細(xì)調(diào)研，明晰病害產(chǎn)生的根本原因，為青藏鐵路后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù)，同時(shí)也為青藏高原新建鐵路及其他現(xiàn)有凍土區(qū)鐵路的設(shè)計(jì)與維護(hù)工作提供借鑒。

1 多年凍土路基工程概況

青藏鐵路沿線(xiàn)多年凍土區(qū)地處青藏高原腹地，自北至南根據(jù)地形地貌、工程地質(zhì)等劃分為高平原、山區(qū)、盆地、谷地共計(jì)15 個(gè)地貌單元［12］。大部分區(qū)域出露的地層巖性以砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、石灰?guī)r等為主，高平原及洪積或沖積平原區(qū)域還分布有粉土、黏土等，厚度一般小于5 m［13］。該區(qū)域內(nèi)地下水可分為凍結(jié)層上水、凍結(jié)層下水以及融區(qū)水，其中凍結(jié)層上水具有含水層薄且受季節(jié)影響大、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，而凍結(jié)層下水一般呈液態(tài)，受季節(jié)影響小并具有承壓性［14］。

多年凍土區(qū)氣候具有海拔高、氣壓低、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大、晝夜溫差大、高寒等特點(diǎn)，此外由于地形復(fù)雜，不同下墊面如土體、冰雪、草原等導(dǎo)致地區(qū)氣候多變，具有明顯的局地小氣候現(xiàn)象［15-16］。根據(jù)青藏鐵路沿線(xiàn)多個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)資料對(duì)氣溫變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)1957—2020 年青藏鐵路沿線(xiàn)年平均氣溫在-2.7～-5.7 ℃，各氣象站年平均氣溫變化趨勢(shì)如圖1所示?？芍?，各氣象站年平均氣溫均具有升高的趨勢(shì)。

圖1 1957—2021年青藏鐵路沿線(xiàn)年平均氣溫變化

隨著氣候的不斷變化，青藏高原降水量也逐漸發(fā)生改變。1976—2021年青藏鐵路沿線(xiàn)四個(gè)觀測(cè)站降水量見(jiàn)圖2。可知，年平均降水量為231.2～ 492.6 mm，降水量總體呈上升趨勢(shì)，目前處在豐水期［16］。

圖2 青藏鐵路沿線(xiàn)降水量變化

青藏鐵路沿線(xiàn)多年凍土厚度0～ 120 m 不等，天然上限深度1.0～ 5.0 m，年平均地溫-0.5～-4.0 ℃［17］，但隨著氣候升溫，多年凍土地溫也有不同程度的上升［11］。鐵路沿線(xiàn)不同多年凍土地溫分區(qū)占比［18］見(jiàn)表1，其中T為地溫?？芍?，高溫多年凍土區(qū)占比可達(dá)50%以上，與高含冰量?jī)鐾羺^(qū)重疊的里程長(zhǎng)度約為124 km［12］。

表1 青藏鐵路沿線(xiàn)不同多年凍土地溫分區(qū)占比

青藏鐵路多年凍土路基長(zhǎng)度為426.4 km，約占多年凍土區(qū)線(xiàn)路長(zhǎng)度的78%。作為多年凍土地段占比最大的基礎(chǔ)類(lèi)型，其穩(wěn)定性對(duì)青藏鐵路的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義，而路基的穩(wěn)定性又與下覆多年凍土熱穩(wěn)定性密切相關(guān)。青藏鐵路沿線(xiàn)多年凍土具有地溫變化復(fù)雜、熱穩(wěn)定性差、含冰量高、對(duì)溫度變化敏感、受太陽(yáng)輻射影響強(qiáng)烈、坡向效應(yīng)明顯等特點(diǎn)［18-19］。因此，為保證青藏鐵路多年凍土路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，同時(shí)考慮到未來(lái)全球變暖對(duì)多年凍土的影響，采用了冷卻路基的設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3。主要包括片石氣冷路基、碎石（片石）護(hù)道（坡）、熱棒路基等及其不同形式的組合［3］，其中片石氣冷+碎石護(hù)坡、塊石護(hù)道-碎石護(hù)坡能夠適應(yīng)未來(lái)氣候升溫1.0 ℃帶來(lái)的影響［11］。施工完成后多年凍土地區(qū)設(shè)置片石氣冷路基長(zhǎng)度為117.69 km，碎石護(hù)坡為127.00 km，熱棒路基為32.00 km［1］。

圖3 冷卻路基結(jié)構(gòu)形式

2 多年凍土路基服役狀態(tài)

2017—2019 年青藏鐵路K720+000 —K1425+000段路基秋檢評(píng)定情況見(jiàn)表2。其中多年凍土段（K951+452—K1425+000）為473.55 km，約占該段路基里程的77.73%。由表2 可知，各年該段路基合格率均在96%以上，其中2019 年該段合格率為97.69%，失格率為2.31%，失格里程19.64 km，說(shuō)明青藏鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)將近15 年后，多年凍土已經(jīng)基本穩(wěn)定，路基情況整體良好，僅部分路基段存在病害。

表2 青藏鐵路格拉段路基秋檢評(píng)定情況

2010—2018 年期間對(duì)青藏鐵路47 段路基開(kāi)展了專(zhuān)項(xiàng)整治，整治里程累計(jì)21.582 km，其中多年凍土路基長(zhǎng)度為21.157 km。整治內(nèi)容包括路基沉降變形、坡腳積水、路基開(kāi)裂、路肩寬度不足、排水不良，這六種病害類(lèi)型累計(jì)整治里程占比分別為47.51%、33.11%、7.64%、2.58%、1.28%?？梢钥闯觯坊两底冃魏推履_積水為主要整治內(nèi)容，其整治里程占比均超過(guò)30%。

病害整治采取的補(bǔ)強(qiáng)措施為增設(shè)熱棒、排水溝、坡腳增設(shè)土護(hù)道、片石護(hù)坡、積水坑填筑、保溫盲溝、裂縫注漿、擋砟墻等，這些措施在47 段路基病害整治區(qū)段分別應(yīng)用了35、21、19、18、8、5、4、4段，其中熱棒、土護(hù)道、片石護(hù)坡主要起冷卻路基、保護(hù)下部多年凍土的作用，排水溝、坡腳增設(shè)土護(hù)道則是防止路基坡腳積水現(xiàn)象的產(chǎn)生，減少側(cè)向熱侵蝕對(duì)多年凍土路基穩(wěn)定性的影響。

經(jīng)過(guò)上述病害整治后，多年凍土路基依舊存在路基沉降變形、排水不良、路肩寬度不足、路基開(kāi)裂、坡面變形、沙害等問(wèn)題，其中路基沉降變形、排水不良、路肩寬度不足最為明顯。2019 年青藏鐵路K720+000 —K1425+000 區(qū)段內(nèi)這三種病害路基兩側(cè)累計(jì)長(zhǎng)度分別為23.62、34.54、9.38 km，可見(jiàn)路基沉降變形和排水不良問(wèn)題依舊突出。

3 多年凍土路基病害分布及成因分析

3.1 多年凍土路基病害分布情況

47 項(xiàng)專(zhuān)項(xiàng)整治中的病害在青藏鐵路不同區(qū)段的長(zhǎng)度占比分布情況及高溫凍土、高含冰量?jī)鐾练植记闆r見(jiàn)表3。

表3 不同區(qū)段凍土類(lèi)型、路基病害分區(qū)占比分布情況

由表3 可知：①谷地、平原、盆地區(qū)域病害占比較大，山區(qū)地段較少。這是由于谷地、盆地區(qū)域地形平坦或略有起伏但存在洼地，路基周?chē)菀仔纬蓞R水條件，進(jìn)而引起路基病害［14］。另外，西大灘斷陷谷地、唐古拉山及山間盆地分別位于多年凍土的北界和南界，凍土地溫較高退化明顯，病害整治長(zhǎng)度占比超過(guò)20%。②高溫凍土占比較多的地段，路基病害占比較大。隨著高溫凍土長(zhǎng)度占比增加，病害長(zhǎng)度占比增加（圖4），說(shuō)明多年凍土路基病害與下伏多年凍土的地溫有關(guān)。這是由于高溫凍土的物理力學(xué)性質(zhì)在溫度影響下會(huì)發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化［20］，在較高溫度下凍土壓縮量高于低溫狀態(tài)，高溫高含冰量?jī)鐾恋膲嚎s系數(shù)在高溫區(qū)間隨溫度的升高而增大［21］，基底多年凍土的壓縮變形能夠?qū)е侣坊a(chǎn)生不均勻沉降，影響路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。③高含冰量?jī)鐾琳急雀咔腋邷貎鐾琳急鹊偷膮^(qū)段路基病害占比相對(duì)較少。K1064+257—K1116+282 區(qū)段高含冰量?jī)鐾琳急冗_(dá)74.96%，但路基病害長(zhǎng)度占比低于0.5%。這是由于高溫凍土占比較少，大多數(shù)多年凍土處于低溫凍結(jié)狀態(tài)。低溫多年凍土區(qū)路基填筑后其下部多年凍土上限抬升且較為穩(wěn)定，更有利于路基工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定［22］。

圖4 多年凍土路基病害長(zhǎng)度與高溫凍土相關(guān)性分析

3.2 多年凍土路基病害成因分析

與非凍土區(qū)路基不同，在多年凍土區(qū)修建路基，工程活動(dòng)對(duì)下伏多年凍土造成熱擾動(dòng)，引起凍土上限下降、凍土溫度升高融化，并伴隨一系列不良地質(zhì)問(wèn)題如熱融湖塘等，導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻變形、開(kāi)裂等病害，威脅路基穩(wěn)定性。多年凍土路基的穩(wěn)定性與路基下部多年凍土上限的位置、形態(tài)密切相關(guān)。多年凍土路基變形實(shí)際上是包括下部多年上限形態(tài)變化在內(nèi)的土體冷生過(guò)程的力學(xué)表現(xiàn)，當(dāng)路基多年凍土上限高于天然上限時(shí)，即多年凍土上限呈上凸形態(tài)，路基相對(duì)穩(wěn)定，反之路基則會(huì)發(fā)生融沉變形［23］。此外，周?chē)疅岘h(huán)境變化也會(huì)對(duì)多年凍土路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。前述47段多年凍土路基病害專(zhuān)項(xiàng)整治中，有20 段路基沉降變形與坡腳積水共同出現(xiàn)。這是由于積水下滲過(guò)程中，一方面會(huì)造成地基土含水量增加，土體軟化，強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致路基穩(wěn)定性降低；另一方面積水會(huì)對(duì)多年凍土路基造成嚴(yán)重的水熱侵蝕，引起多年凍土退化，誘發(fā)多年凍土路基產(chǎn)生熱融沉陷、路基開(kāi)裂等問(wèn)題［24-25］。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究資料分析發(fā)現(xiàn)，青藏鐵路沿線(xiàn)大部分路基病害如一般路基段沉降變形、橋頭路基沉降變形、路基開(kāi)裂等主要發(fā)生在高溫高含冰量多年凍土地段，同時(shí)伴隨著坡腳積水、凍結(jié)層上水發(fā)育、凍土退化、路基下部溫度場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)等現(xiàn)象［26-28］。多年凍土區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)期間多年凍土場(chǎng)變化和水熱防護(hù)不足是引起多年凍土路基病害產(chǎn)生的主要原因。

在多年凍土區(qū)修筑路基，打破了原有天然地基與大氣之間的熱平衡，填筑初期路基填料存儲(chǔ)的熱量會(huì)引起多年凍土場(chǎng)溫度升高并融化，此時(shí)路基多年凍土上限低于天然上限，即多年凍土上限呈下凹形態(tài)。正常情況下經(jīng)過(guò)幾個(gè)凍融循環(huán)后，由于路基填料熱量的散失、路基熱阻效應(yīng)、不同路基結(jié)構(gòu)的冷卻作用以及與環(huán)境之間持續(xù)的熱交換，路基下部形成凍土核，多年凍土上限最終發(fā)展為有利于路基穩(wěn)定的上凸形態(tài)［23，29］。但是由于路基的修筑及施工擾動(dòng)如周邊取土等，改變了地表狀態(tài)和地表水、地下水的滲流路徑并引起周?chē)嗄陜鐾寥诨?，同時(shí)由于大氣降水增加和地形地貌的影響，不僅造成地表積水現(xiàn)象，還會(huì)引起凍結(jié)層上水發(fā)生變化［30-31］。凍結(jié)層上水（2～ 4 ℃）的滲流和攜帶大量熱量的地表積水的入滲對(duì)基底多年凍土造成長(zhǎng)期的熱侵蝕［32-34］，導(dǎo)致多年凍土融化，引起路基多年凍土上限形態(tài)發(fā)生改變［35-36］。這種變化包括三個(gè)方面：①路基下部多年凍土上限表現(xiàn)為持續(xù)發(fā)展的下凹形態(tài)，如圖5（a）所示；②路基下部呈上凸形態(tài)的多年凍土上限由于水熱侵蝕作用凸起的凍土核發(fā)生融化，路基多年凍土上限逐漸低于天然上限，多年凍土上限轉(zhuǎn)變?yōu)橄掳夹螒B(tài)，如圖5（b）所示；③路基多年凍土上限呈上凸形態(tài)，但坡腳位置由于地表積水下部多年凍土融化加劇，凍土上限下降，導(dǎo)致多年凍土上限上凸程度增大，如圖5（c）所示。

圖5 凍結(jié)層上水對(duì)多年凍土場(chǎng)的影響

多年凍土上限持續(xù)下凹將引發(fā)路基沉降變形問(wèn)題。盡管呈上凸形態(tài)的凍土上限有利于多年凍土路基的穩(wěn)定，但由于路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在凍融交界面將引起路基邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題［37］，當(dāng)多年凍土上限上凸程度逐漸增大還會(huì)引起路基開(kāi)裂及邊坡滑塌等問(wèn)題。此外，凍結(jié)層上水匯集與凍土融化均會(huì)增大土體含水量，引起土體強(qiáng)度降低，而高含冰量?jī)鐾恋娜诨€伴隨著較大的壓縮變形，兩者共同作用下路基變形將進(jìn)一步發(fā)展。

4 多年凍土路基補(bǔ)強(qiáng)措施

針對(duì)多年凍土路基沉降、開(kāi)裂等問(wèn)題主要采取了片石加高路肩，增設(shè)土護(hù)道、片石護(hù)坡、熱棒、排水盲溝等綜合補(bǔ)強(qiáng)措施［2，8-9］。通過(guò)對(duì)路基沉降嚴(yán)重地段進(jìn)行綜合整治，路基穩(wěn)定性得到明顯提高。例如2007—2010 年青藏鐵路K1496+750 斷面每年沉降量均大于5 cm，截至2009 年累計(jì)沉降量超過(guò)20 cm，超出TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求范圍，且路基一側(cè)存在積水問(wèn)題。隨后根據(jù)路基沉降變形和積水問(wèn)題，該斷面2010 年增設(shè)塊石護(hù)坡，2011 年路基右側(cè)低洼地段墊土，2012年增設(shè)熱棒。

K1496+750 斷面2007—2016 年年沉降量及累計(jì)沉降變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。可知，該斷面路基由于采取了補(bǔ)強(qiáng)措施，年沉降量逐漸減小并逐漸趨于穩(wěn)定，采取路基補(bǔ)強(qiáng)措施后累計(jì)沉降曲線(xiàn)分三個(gè)階段，即普通路基期間沉降加速增長(zhǎng)階段、塊石護(hù)坡期間沉降緩速增加階段、塊石護(hù)坡+增設(shè)熱棒期間沉降變形穩(wěn)定階段，沉降速率的顯著降低說(shuō)明采取的補(bǔ)強(qiáng)措施能夠起到減緩多年凍土路基沉降、提高多年凍土熱穩(wěn)定性的作用。

圖6 K1496+750斷面沉降量變化

綜合補(bǔ)強(qiáng)措施中如片石護(hù)坡、增設(shè)熱棒等大多遵循主動(dòng)降溫、冷卻地基、保護(hù)凍土的原則，忽略了水熱侵蝕對(duì)多年凍土的影響，因此對(duì)多年凍土路基補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中還需要采取相應(yīng)的防排水措施，如對(duì)坡腳積水采取填筑、增設(shè)反壓護(hù)道，凍結(jié)層上水活躍地段通過(guò)埋設(shè)土工布或隔水板等方式阻斷水的滲流等［27］。

此外，氣溫升高引起多年凍土退化，具體表現(xiàn)為活動(dòng)層厚度增加、多年凍土溫度升高、多年凍土上限下降、凍土面積減少等。根據(jù)前面的分析，路基下部多年凍土退化引起的融沉變形將導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻變形，影響線(xiàn)路的安全運(yùn)營(yíng)。因此在多年凍土路基維護(hù)過(guò)程中還需考慮氣候升溫對(duì)凍土的影響并及時(shí)或提前采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

青藏鐵路格拉段自建成通車(chē)以來(lái)，多年凍土基本穩(wěn)定，建設(shè)期間及運(yùn)營(yíng)期間采取的防護(hù)措施效果良好，能夠保證路基整體的穩(wěn)定性，僅在個(gè)別地段存在較大變形。

多年凍土路基病害主要為路基沉降、排水不良。熱穩(wěn)定性是多年凍土路基保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的核心，路基下部多年凍土場(chǎng)變化與水熱防護(hù)不足是引起路基病害的根本原因。多年凍土路基設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中采取的措施主要遵循主動(dòng)降溫、冷卻地基、保護(hù)凍土。盡管也采用了部分防排水措施，但是對(duì)路基的水熱防護(hù)設(shè)計(jì)及研究仍存在不足。因此，多年凍土路基維護(hù)過(guò)程中除采取保護(hù)多年凍土的措施外，還需采取路基水熱防護(hù)措施，以保證多年凍土路基的穩(wěn)定。

對(duì)于常見(jiàn)且病害成因清晰的病害路段，仍可沿用當(dāng)前的增設(shè)土護(hù)道、片石護(hù)坡、熱棒、排水盲溝等綜合補(bǔ)強(qiáng)措施。對(duì)于病害反復(fù)出現(xiàn)的特殊路段，需重新進(jìn)行勘察，綜合考慮病害發(fā)生地段水文地質(zhì)、地溫變化、地形地貌、路基結(jié)構(gòu)形式、路基沉降及水平位移情況等因素，對(duì)病害成因進(jìn)行分析，制定相應(yīng)措施。

青藏鐵路的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足目前氣候升溫帶來(lái)的影響，但是隨著氣候升溫幅度和升溫速率的增加，由凍土升溫和退化引起的路基穩(wěn)定性問(wèn)題會(huì)隨之增多，需開(kāi)展更高升溫條件下現(xiàn)有凍土保護(hù)措施的有效性及補(bǔ)強(qiáng)措施的研究。