青藏鐵路多年凍土路基現(xiàn)狀及分析

郭惠芹 王李陽 王蘊嘉 陳鋒 王仲錦 張千里

1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 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1 956 km，線路穿過多個氣候區(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1 142 km，約有960 km 的線路海拔超過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期穩(wěn)定性是青藏鐵路安全運營的關(guān)鍵［2］。為減少凍土工程地質(zhì)問題及氣候變暖對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下部多年凍土起到主動保護的作用且部分措施適用于未來氣候升溫1 ℃的情況［5-7］。青藏鐵路自2006 年開通運營迄今16 年，多年凍土地段列車始終按100 km/h 的設(shè)計時速平穩(wěn)運行，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凍土地段依舊存在病害［8-10］。雖然這些病害尚未對青藏鐵路的運營造成重大影響，但增加了養(yǎng)護維修工作，同時隨著氣候變暖，凍土退化加劇也會對線路的安全運營造成嚴(yán)重威脅［11］。因此有必要針對這些病害開展詳細調(diào)研，明晰病害產(chǎn)生的根本原因，為青藏鐵路后期的運營維護提供依據(jù)，同時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)計與維護工作提供借鑒。

1 多年凍土路基工程概況

青藏鐵路沿線多年凍土區(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15 個地貌單元［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，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、太陽輻射強度大、晝夜溫差大、高寒等特點，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)青藏鐵路沿線多個氣象站的數(shù)據(jù)資料對氣溫變化進行了分析，發(fā)現(xiàn)1957—2020 年青藏鐵路沿線年平均氣溫在-2.7～-5.7 ℃，各氣象站年平均氣溫變化趨勢如圖1所示?？芍?，各氣象站年平均氣溫均具有升高的趨勢。

圖1 1957—2021年青藏鐵路沿線年平均氣溫變化

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年青藏鐵路沿線四個觀測站降水量見圖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，目前處在豐水期［16］。

圖2 青藏鐵路沿線降水量變化

青藏鐵路沿線多年凍土厚度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］。鐵路沿線不同多年凍土地溫分區(qū)占比［18］見表1，其中T為地溫?？芍?，高溫多年凍土區(qū)占比可達50%以上，與高含冰量凍土區(qū)重疊的里程長度約為124 km［12］。

表1 青藏鐵路沿線不同多年凍土地溫分區(qū)占比

青藏鐵路多年凍土路基長度為426.4 km，約占多年凍土區(qū)線路長度的78%。作為多年凍土地段占比最大的基礎(chǔ)類型，其穩(wěn)定性對青藏鐵路的安全運營具有重要意義，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)。青藏鐵路沿線多年凍土具有地溫變化復(fù)雜、熱穩(wěn)定性差、含冰量高、對溫度變化敏感、受太陽輻射影響強烈、坡向效應(yīng)明顯等特點［18-19］。因此，為保證青藏鐵路多年凍土路基的長期穩(wěn)定性，同時考慮到未來全球變暖對多年凍土的影響，采用了冷卻路基的設(shè)計，見圖3。主要包括片石氣冷路基、碎石（片石）護道（坡）、熱棒路基等及其不同形式的組合［3］，其中片石氣冷+碎石護坡、塊石護道-碎石護坡能夠適應(yīng)未來氣候升溫1.0 ℃帶來的影響［11］。施工完成后多年凍土地區(qū)設(shè)置片石氣冷路基長度為117.69 km，碎石護坡為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段路基秋檢評定情況見表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，說明青藏鐵路開通運營將近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定情況

2010—2018 年期間對青藏鐵路47 段路基開展了專項整治，整治里程累計21.582 km，其中多年凍土路基長度為21.157 km。整治內(nèi)容包括路基沉降變形、坡腳積水、路基開裂、路肩寬度不足、排水不良，這六種病害類型累計整治里程占比分別為47.51%、33.11%、7.64%、2.58%、1.28%?？梢钥闯?，路基沉降變形和坡腳積水為主要整治內(nèi)容，其整治里程占比均超過30%。

病害整治采取的補強措施為增設(shè)熱棒、排水溝、坡腳增設(shè)土護道、片石護坡、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、土護道、片石護坡主要起冷卻路基、保護下部多年凍土的作用，排水溝、坡腳增設(shè)土護道則是防止路基坡腳積水現(xiàn)象的產(chǎn)生，減少側(cè)向熱侵蝕對多年凍土路基穩(wěn)定性的影響。

經(jīng)過上述病害整治后，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、路基開裂、坡面變形、沙害等問題，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)累計長度分別為23.62、34.54、9.38 km，可見路基沉降變形和排水不良問題依舊突出。

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 項專項整治中的病害在青藏鐵路不同區(qū)段的長度占比分布情況及高溫凍土、高含冰量凍土分布情況見表3。

表3 不同區(qū)段凍土類型、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，路基周圍更容易形成匯水條件，進而引起路基病害［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，病害整治長度占比超過20%。②高溫凍土占比較多的地段，路基病害占比較大。隨著高溫凍土長度占比增加，病害長度占比增加（圖4），說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)在溫度影響下會發(fā)生實質(zhì)性的變化［20］，在較高溫度下凍土壓縮量高于低溫狀態(tài)，高溫高含冰量凍土的壓縮系數(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高含冰量凍土占比高且高溫凍土占比低的區(qū)段路基病害占比相對較少。K1064+257—K1116+282 區(qū)段高含冰量凍土占比達74.96%，但路基病害長度占比低于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期穩(wěn)定［22］。

圖4 多年凍土路基病害長度與高溫凍土相關(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，工程活動對下伏多年凍土造成熱擾動，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)問題如熱融湖塘等，導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻變形、開裂等病害，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，即多年凍土上限呈上凸形態(tài)，路基相對穩(wěn)定，反之路基則會發(fā)生融沉變形［23］。此外，周圍水熱環(huán)境變化也會對多年凍土路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。前述47段多年凍土路基病害專項整治中，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程中，一方面會造成地基土含水量增加，土體軟化，強度降低，進而導(dǎo)致路基穩(wěn)定性降低；另一方面積水會對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、路基開裂等問題［24-25］。

通過對現(xiàn)有研究資料分析發(fā)現(xiàn)，青藏鐵路沿線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、路基開裂等主要發(fā)生在高溫高含冰量多年凍土地段，同時伴隨著坡腳積水、凍結(jié)層上水發(fā)育、凍土退化、路基下部溫度場不對稱等現(xiàn)象［26-28］。多年凍土區(qū)鐵路運營期間多年凍土場變化和水熱防護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的熱量會引起多年凍土場溫度升高并融化，此時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)過幾個凍融循環(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圍多年凍土融化，同時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基底多年凍土造成長期的熱侵蝕［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)層上水對多年凍土場的影響

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)定性問題［37］，當(dāng)多年凍土上限上凸程度逐漸增大還會引起路基開裂及邊坡滑塌等問題。此外，凍結(jié)層上水匯集與凍土融化均會增大土體含水量，引起土體強度降低，而高含冰量凍土的融化往往還伴隨著較大的壓縮變形，兩者共同作用下路基變形將進一步發(fā)展。

4 多年凍土路基補強措施

針對多年凍土路基沉降、開裂等問題主要采取了片石加高路肩，增設(shè)土護道、片石護坡、熱棒、排水盲溝等綜合補強措施［2，8-9］。通過對路基沉降嚴(yán)重地段進行綜合整治，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 年累計沉降量超過20 cm，超出TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》要求范圍，且路基一側(cè)存在積水問題。隨后根據(jù)路基沉降變形和積水問題，該斷面2010 年增設(shè)塊石護坡，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 年年沉降量及累計沉降變化曲線見圖6。可知，該斷面路基由于采取了補強措施，年沉降量逐漸減小并逐漸趨于穩(wěn)定，采取路基補強措施后累計沉降曲線分三個階段，即普通路基期間沉降加速增長階段、塊石護坡期間沉降緩速增加階段、塊石護坡+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明采取的補強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

綜合補強措施中如片石護坡、增設(shè)熱棒等大多遵循主動降溫、冷卻地基、保護凍土的原則，忽略了水熱侵蝕對多年凍土的影響，因此對多年凍土路基補強過程中還需要采取相應(yīng)的防排水措施，如對坡腳積水采取填筑、增設(shè)反壓護道，凍結(jié)層上水活躍地段通過埋設(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，影響線路的安全運營。因此在多年凍土路基維護過程中還需考慮氣候升溫對凍土的影響并及時或提前采取補強措施。

5 結(jié)語

青藏鐵路格拉段自建成通車以來，多年凍土基本穩(wěn)定，建設(shè)期間及運營期間采取的防護措施效果良好，能夠保證路基整體的穩(wěn)定性，僅在個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期穩(wěn)定的核心，路基下部多年凍土場變化與水熱防護不足是引起路基病害的根本原因。多年凍土路基設(shè)計及施工過程中采取的措施主要遵循主動降溫、冷卻地基、保護凍土。盡管也采用了部分防排水措施，但是對路基的水熱防護設(shè)計及研究仍存在不足。因此，多年凍土路基維護過程中除采取保護多年凍土的措施外，還需采取路基水熱防護措施，以保證多年凍土路基的穩(wěn)定。

對于常見且病害成因清晰的病害路段，仍可沿用當(dāng)前的增設(shè)土護道、片石護坡、熱棒、排水盲溝等綜合補強措施。對于病害反復(fù)出現(xiàn)的特殊路段，需重新進行勘察，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，對病害成因進行分析，制定相應(yīng)措施。

青藏鐵路的設(shè)計能夠滿足目前氣候升溫帶來的影響，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)定性問題會隨之增多，需開展更高升溫條件下現(xiàn)有凍土保護措施的有效性及補強措施的研究。