多年冻土特殊路基处治技术

高原多年冻土特殊路基施工处治技术浅谈刘旭（中铁五局五公司青海兴海）摘要：本文分析了多年冻土的特殊工程地质特性，结合共玉公路多年冻土的地质情况，对路基施工采取了灵活的处治原则，尽量减少对冻土的扰动和破坏是冻土路基施工的技术关键。关键词：多年冻土路基处治1工程概况青海省共和至玉树公路A5合同段，起止里程为K290+000-K303+500,全长13.5公里。线路区属于青藏高原河源山源草甸区，海拨介于4100~4300米间，气候寒冷，年平均最低气温-10.3°C~-6.1°C。特殊的地理环境和气候条件，形成了不同类型的多年冻土区。本段多年冻土共13.39km，主要分布有岛状不连续多年冻土和大片连续多年冻土，冻土类型以少冰、少冰-多冰、富冰-饱冰为主，主要分布段落如下表：冻土段落分布表段落冻十类型工程地质条件工程地质评价处理措施K290+00~+800少冰冻土山前坡积洪扇，自然坡度3~8度，属高原草甸，地质岩土体以含碎石的粉质粘土、具块石的角砾土及含块石的碎石土良好冻土工程地质，不融沉填方路基：清除地表草皮或直接填筑50cm砂砾并冲击碾压。挖方路基：路床部分换填碎石。K290+800~K94+900大部为多冰冻土，局部为饱冰冻土、少部为富冰冻土山前坡积洪扇，自然坡度5~9度，属高原草甸，地表斑状草沼发育，地层以具块石的角砾土及含块石的碎石土为主。较好冻土工程地质，弱融沉填方路基：清除地表草皮或直接填筑50cm砂砾并冲击碾压。挖方路基：路床部分换填碎石。K294+900~K295+430大部富冰冻土，局部饱冰冻土，少部多冰冻土山前坡积洪扇，自然坡度5~10度，属高原草甸，地表斑状草沼发育，地层以具块石的角砾土及含块石的碎石土，基岩以砂板岩为主。较差冻土工程地质，融沉填方路基：采用片块石通风路基或复合式路基处理。挖方路基：路床部分换填碎石。K295+430~K295+540河湖融区河流河道宽约15~20m，土层为含块石的角砾十、碎石十、砂板岩较差冻土工程地质，融沉都沁大桥（6-20m箱梁）K295+540~K296+700大部富冰冻土，局部饱冰冻土，少部多冰冻土河谷东岸I级阶地，坡度1~5度接山前坡积洪扇，自然坡度10~20度，水草地。高原草甸，土层为含碎石的粉质粘土、具块石的角砾土、含块石的碎石土，13.8米以下为砂板岩。较差冻土工程地质，融沉填方路基：采用片块石通风路基或复合式路基处理。挖方路基：路床部分换填碎石。K296+700~K297+700大部富冰冻土，局部饱冰冻土，少部多冰冻土山前坡积洪扇，坡度14~20度，地表疙瘩状早沼，为水草地，见泉眼群，冻结层上水发育极差冻土工程地质段，融沉填方路基：采用片块石通风路基或复合式路基处理。挖方路基：路床部分换填碎石。K297+700~K298+330大部饱冰冻土，局部富冰冻土，少部多冰冻土山前坡积洪扇，坡度14~20度，0.4m地表为高原草甸，下部为含碎石的粉质粘土和含块石的碎石土较差冻土工程地质段，融沉填方路基：采用片块石通风路基或复合式路基处理。挖方路基：路床部分换埴碎石。K298+300~K300+550大部富冰冻土，少部多冰冻土冰水堆积台地前缘，冲沟儿岗河，I阶地，自然坡度3~8度。0.5m为高原草甸，下部粉质粘土厚0.8~3.2m，下段伏含块石的碎石土土，16.4m以下为凝灰岩较差冻土工程地质段，融沉填方路基：采用片块石通风路基或复合式路基处理。挖方路基：路床部分换填碎石。K300+550~K300+915大部饱冰冻土，少部富冰冻土冰水堆积台地前缘斜坡，冲自然坡度15~25度。0.5m，表部见疙瘩状草沼，为水草地，冻结上水发育，地表0.5m为高原草甸，下部粉质粘土厚约0.8~1.8m，下伏含块石的碎石土，13.2m以下为凝灰岩极差冻土工程地质段，强融沉填方路基：采用片块石通风路基或复合式路基处理。挖方路基：路床部分换填碎石。对草沼、水草地的高原草甸不良地质地区，冬季容易形成涎流冰，对线路有影响。该段路基采用碎石填筑，沿线路方向设置渗池，将渗水汇集后通过横向盲沟排出路基外。对发育泉眼的地段采用片块石路基，路基两侧开挖排水沟，降低地面水位。2冻土的工程性质根据对现有G214线多年冻土路段观测试验资料的研究分析:该区段多年冻土地温在-0.3°C~-1.5°C，具有冻土地温高、退化速率快、对热干扰更敏感、冻土热稳定性更差等特点，具有强烈的垂直地带性，多年冻土温度、厚度受海拨高度的控制。3多年冻土路基处治原则由多年冻土引起的特殊工程地质问题，主要有融沉、冻胀和冰椎冻胀丘、融冻泥流、热融滑坍、热融湖塘、沼泽湿地、厚层地下冰等不良地质现象。3.1降温原则针对冻土含冰量较高，冻土上限较浅及冻土厚度较大的多年冻土段，采用主动冷却，增加对流等工程等措施降低多年冻土地温或控制多年冻土地温因气候变暖引起的升温趋势，使之在路基使用年限内能有效保护多年冻土的稳定。目前主要措施有热棒路基、片块石路基、通风管路基以及上述措施组合的复合路基。3.2保温原则针对多年冻土厚度大于2m，冻土埋深较大的冻土地段，采用被动保护多年冻土的工程措施，来保护和延缓多年冻土的融化，使之在路基设计年限内能有效维持路基稳定。目前主要措施：一是自然保温，即填土路基保温，通过保证一定的路基填筑高度来维护路基下多年冻土的稳定;二是采取特殊保温措施，如路基两侧护坡道、铺设保温材料（XPS隔热板）等。4多年冻土路基的施工方案根据青藏铁路冻土处治成功经验，结合G214公路冻土科研成果，对多年冻土路基采取不同的措施处理。多年冻土施工遵循“宁填少挖”的原则，多以填方路基通过，减少对冻土的干扰。对于多冰、少冰路段采取允许冻土融化的原则，路基填筑高度以最小1.8m控制，低填路基路床部分换填碎石；对于饱冰、富冰多年冻土路段，采取保护冻土、主动降温的原则，路基最小高度以2.1m控制，设0.9〜1.5m的片块石通风层，达到冷却降温、减缓融化、提高强度的作用。4.1少冰、多冰冻土以融化原则处理为主，填筑高度大于1.8m，直接在原地面上填筑50cm砂砾然后冲击碾压，顶面设置一层双向塑料土工格栅；对于填方高度在1.5m~1.8m时，清除地表30~40cm草皮后填筑50cm厚砂砾，采用碾压补强（不具备冲击碾压条件的路段，采用30T以上重型压路机补强），顶面铺设一层双向塑料土工格栅；对于填筑高度小于1.5m时，按低填浅挖路基处理。4.2富冰、饱冰多年冻土4.2.1缓坡地段填方路基（路面横坡小于1:5）采用片块石（通风管）通风路基或复合式路基（XPS隔热板）处理。工艺如下：当路基高度H大于30cm（砂砾垫层露出地面高度）+h（片块石厚度）+20cm砂砾反滤层+路面结构层（73cm）时，采用片块石通风路基：直接在原地表填筑砂砾（出露地面30cm），然后填筑0.9〜1.5m片块石层。片块石倾填完成后，先在片块石顶面全宽范围内全宽范围内填筑20cm碎石（厚度计入片块石总厚度）整平层（粒径5~10cm），再在碎石层上面填筑20cm砂砾反滤层，最后采用重型振动压路机压实（必要时采取冲击碾压补强）。为防止细颗粒堵塞片块石空隙，顶面增设一层土工布再填筑砂砾，在砂砾层顶面铺设土工格栅，以改善路基的整体性。|B/2B/2|B/2B/21不开挖，直接填筑30cm砂砾采用XPS板复合式路基，工艺如下：当路基高度b+0.8<H<1.2+0.2+路面厚度73c时，采用复合式路基进行处理。用砂砾或石渣填筑，并在上路床底面设置XPS隔热板，板宽为路基宽度，厚度为8cm（两层4cm错缝安装）。XPS板材料性能：XPS板厚度4cm，抗压强度不小于0.65MPa，导热系数不大于0.03W/m。°C，容重不小于44.9Kg/m3。XPS板施工前，将下承层清理整平，将XPS板埋设在路床底以下40cm处，XPS拼接方式按设计要求进行，在订购XPS板时预先制作搭接槽。当XPS板设置在弯道时，采用直向积累集中拼接处理进行铺设。XPS板铺设完成后填筑砂砾整平碾压。4.2.2陡坡地段填方路基（路面横坡陡介于1:5~1:2.5）采用通风片块石路基，工艺如下：片块石（0.9m~1.5m）设置地面线以下，其底面大致为一水平面，片块石底面以下用砂砾填筑或石渣填筑，同时对陡坡挖台阶，台阶宽度不小于2m，设置4%内倾横坡，换填砂砾或石渣，并根据路基的稳定性分析，设置土工格栅或护脚矮墙。片块石通风层以上路基部分按一般路基进行填筑。土工布、砂砾反滤层、土工格栅的设置与一般路段通风片块石路基相同。1乌采用XPS板复合式路基，工艺如下：对陡坡开挖台阶，台阶宽度不小于2m,设置4%的内倾横坡，换填砂砾或石渣，并根据路基的稳定性分析，设置土工格栅或护脚矮墙。4.3热棒路基4.3.1工作原理热棒是一种汽液两相对流循环的导热系统。它是一根密封的管，里面充填一定量的工质(如氮、氟里昂、丙烷、CO2等)，上端为散热片组成的冷凝器，下端为装有工质的蒸发器，中间为绝热段。当冷凝器的温度低于蒸发器的温差时，蒸发器内的液体工质吸收热量而蒸发，在压差作用下，蒸汽上升至冷凝器端，放出汽化潜热，通过散热片放出，蒸汽工质也随之冷却凝结成液珠，在重力作用下，液珠沿管壁回流至蒸发器。如此反复循环，将地基土中的热量不断散发出去而使土体冷却。主要技术参数：热棒技术要求为°83X5mm，在工作温度为-5°C时，其传热能力不低于6KW；工作温度为-60C~-50C时，工作压力为0~2.2MPa，可靠工作时间不低于20年。4.3.2施工工艺施工准备工程施工前，对运输道路、水源、电源、照明做到三通一平，准备好细砂、吊车等主要机具材料及劳动力。钻孔后，孔周边0.5范围内的泥土和杂物及时清理干净并外运处理。孔附近不得有阻碍热棒吊装的施工材料和杂物。安装工序中有固定装置、保温、仪表监控、电极防腐等要求的在安装地点采取相应的措施后，方可进行相应的工序施工。气象条件不适合设备安装的要求(如阳光太强或雨雪大风天气)，需临时存放时，应保护好热棒，远离火源、防止阳光直晒，用隔热材料将热棒封盖。用其他设备、结构作为搬运设备的承力点时，应对结构的承载力进行复核，对12米长的热棒一般采用12T吊车安装，吊点位于热棒的上端。材料检查和保管设备开箱按下列项目进行检查，并作出记录：热棒外观检查，外表不得有裂纹、凹坑等缺陷，必须清除如毛刺等物，以防伤手。箱号、箱数以及包装情况；设备名称、型号和规格；装箱清单、设备技术文件、资料以及专用工具；设备有无缺损件，表面有无损坏和锈蚀等。设备及其零、部件和专用工具，均应妥善保管，如在短期内不进行安装工作，则应保护好热棒，远离火源、防止阳光直晒，用隔热材料将热棒封盖，以防止温度过高而损坏热棒。在采取保护措施后，方可施工，不得使其热棒变形、损坏、锈蚀、错乱或丢失。施工方法钻孔前应对该地段的路基边坡进行刷坡夯实，按照热棒尺寸、位置在坡面上放出热棒的具体点位，并打入护桩。热棒安装前，根据该地区《地质勘探报告》，需预先试验钻孔，待钻孔经复核合格再按照热棒的位置进行正式钻孔。孔径为180MM,孔净深8000+10皿，与地表面夹角有75°和90°两种，即斜置孔和铅直孔，孔直线度偏差应符合规范要求，孔纵向间距均为4.0米。钻探砂土就地堆存备用，钻孔应酌情采取成孔护壁措施，采用沙驼钻机150B型立轴转动角度，采用导斜量角器定位，准确省时。斜置采用导向装置，慢速钻进，液压给进加压，保证钻孔角度，为了避免钻进时钻头下俯，钻孔预留一个倾角15°角。钻机的固定采用较简单的地锚固定法。在地层较复杂，特别难钻，钻面震撼较大的情况下，采用钢绳固定，或支架支撑，以避免发生意外。钻孔完成后，及时安装热棒，在不能及时安装的情况下采取临时防护措施将孔盖住，防止孔内落入杂物等。如果钻孔不成型而造成塌孔现象则采取泥浆护壁方法进行施工处理，在孔附近挖设沉浆池，进行泥浆导流，待成孔后再将孔内泥浆慢慢回旋钻出。工件吊装与回填热棒安装前，对现场检验热棒管道的防腐、保温、防水层处理等以及相关项目进行检查。热棒安装有倾斜式和铅直式两种。在吊装时结合工件的强度，钢度，局部稳定性等选择最有利的受力位置，必要时采取补强加固措施，确保安全施工。搬运、吊装过程中会采取相应保护措施，防止起吊过程中外力的作用使翅片变形。注意不要压伤和擦伤工件(尤其是上部的翅片部份)，避免损坏散热片和工件保护层。在吊装单支热棒时，利用热棒本身顶部端盖的环行槽作为受力点进行系吊时，因热棒的长度为12米，要采取必要的防护措施，防止因设备的摇摆而发生危险。单件吊装重量不超过500KG，但要求吊车吊臂有效起吊高度不低于14米。吊装热棒，插入已成孔中，调整高度，垂直度用撑杆临时固定。回填钻孔间隙采用水中沉砂法，先用清水灌满孔隙，然后将砂徐徐灌入热棒与孔隙之间的间隙直至孔口为止。孔隙填砂冻结后拆除临时支撑，填砂回填时间5-7d。热棒安装整齐划一，路基同侧的热棒应在同一平面内。作好现场设备、管线的防护工作。清理场地与验收热