青藏鐵路多年凍土區(qū)旱橋樁基沉降病害及其治理啟示

陳 繼， 黨海明， 美啟航，4， 侯 鑫，4， 王進昌， 楊 林

（1. 中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 2. 中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院青藏高原北麓河凍土工程與環(huán)境綜合觀測研究站，甘肅 蘭州 730000； 3. 中國鐵路青藏集團有限公司，青海 西寧 810000； 4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

和路基相比，樁基礎(chǔ)作為冷結(jié)構(gòu)對地溫場擾動小，承載力高，抗變形能力強，施工季節(jié)靈活，對不同地形地貌和惡劣地質(zhì)條件的適應(yīng)性強，后期維護少且使用壽命長，加上其對環(huán)境破壞小，兼具動物遷徙通道功能，被廣泛應(yīng)用于多年凍土區(qū)［1］。青藏鐵路在高含冰量、極不穩(wěn)定的凍土段使用了總長125 km 的旱橋，通車以來旱橋樁基的平均沉降量小于10 mm，遠遠小于《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（TB10093—2017）》中有砟橋面橋梁墩臺工后均勻沉降量80 mm 的要求，確保了高溫高含冰量凍土區(qū)鐵路的運營安全和運營水平［2-3］。借鑒青藏鐵路的成功經(jīng)驗，青藏直流輸電工程中也廣泛采用了錐柱、現(xiàn)場灌注等多種形式的樁基礎(chǔ)，同樣取得了良好的工程效果［4-5］。多年凍土區(qū)樁基礎(chǔ)與非多年凍土區(qū)樁基礎(chǔ)不同之處在于：以依附環(huán)境溫度為生存條件的多年凍土區(qū)中，凍土溫度的高低、含水（冰）量的多少是決定樁基礎(chǔ)強度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在一定含水率條件下，溫度的高低直接控制著多年凍土的工程性質(zhì)［6］。

對于凍土區(qū)的打入樁而言，樁基的承載力主要來自于樁土界面間的附加凍結(jié)力，端承力僅占樁基承載力的一小部分，除非樁端位于基巖或融化后比較穩(wěn)定的粗顆粒土上［7］。多年凍土區(qū)的附加凍結(jié)強度取決于凍土溫度、土質(zhì)類型、含冰量、樁的表面粗糙度以及多年凍土孔隙水的含鹽量［8-11］。對于凍土區(qū)的鉆孔灌注樁而言，樁基的承載力包括側(cè)摩阻力、凍結(jié)力、樁端阻力和殘余摩阻力。現(xiàn)場原位試驗表明，樁端阻力可以達到樁基上部載荷的35.6%［1］。

多年凍土溫度是樁基設(shè)計考慮的關(guān)鍵指標。在高溫多年凍土區(qū)（>-1 ℃），如果地基土融化后是穩(wěn)定的，可以按照融土來設(shè)計［8］。在融化后不穩(wěn)定的凍土地區(qū)，必須預(yù)先融化、壓密地基土或者冷卻地基到-1 ℃以下。樁基的插入深度、樁徑必須滿足最大設(shè)計容許荷載及其沉降變形要求。凍土變形具有黏塑性特征。當樁基的上部及其自身荷載超過凍土的極限強度時，樁基就進入了具有恒定速度的黏塑性流動階段［12］。樁基施工及其水化熱對凍土尤其是高溫凍土的熱擾動較為劇烈。在處于多年凍土區(qū)過渡帶的極高溫凍土區(qū)，混凝土入模溫度為11 ℃的情況下，試樁灌注280 天后，仍存在大部分未凍結(jié)的融土層。如果在夏季施工入模溫度較高的混凝土，可能導(dǎo)致樁基礎(chǔ)區(qū)域內(nèi)多年凍土的完全退化［13］。與入模溫度相比，水化熱對多年凍土的擾動更加顯著，且持續(xù)時間更長［14-15］。低溫凍土區(qū)，入模50 天后，樁身溫度顯著高于天然場地；高溫凍土區(qū)，入模100天后，試樁還未完全回凍［16］。鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較高，無論樁基周圍有無保溫層，樁基周圍的凍融過程都將被增強［17-18］。

氣候變暖也會導(dǎo)致樁基周圍多年凍土活動層厚度的增加和凍土厚度的減?。?9-21］，并進而導(dǎo)致樁基和多年凍土之間附加凍結(jié)力的減小［22］，危害樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定。

青藏鐵路唐古拉山多年凍土區(qū)1401 旱橋樁基發(fā)生了較為嚴重的沉降，本文將主要介紹此處旱橋樁基的病害發(fā)展及治理過程，探討其形成原因，并給出此類病害防治的一些建議。

1 場地介紹

青藏鐵路1401 病害旱橋位于唐古拉山主脊北坡［圖1（a）］，總長約600 m。每個旱橋橋墩由四個單樁組成的樁群來支撐，樁長均為21 m，樁徑為1.2 m［圖2（a）］。在旱橋服役期內(nèi)，單樁的允許沉降量為80 mm，相鄰樁基的允許不均勻沉降量為40 mm。該旱橋的所有樁基均在2006 年以前完工。旱橋縱向地質(zhì)剖面見圖1（c）。

圖1 1401旱橋場地概況［26-27］Fig.1 The location of the Qinghai-Tibet Railway in the Tibetan Plateau （a） and the Geomorphology of the land-bridge of 1401 milestone in the Qinghai-Tibet Railway （b） and its longitudinal section （c）［26-27］

圖2 6#病害橋墩不同治理階段樁墩剖面圖（格爾木到拉薩方向）Fig.2 Pier sections at different stages of treatment （Gelmu to Lhasa）

距該旱橋南側(cè)約40 km 的氣象站1998—2006年數(shù)據(jù)表明，該處的年平均氣溫在-6.5～-6.0 ℃之間，年平均降水量在250～300 mm［23］，以固體降水為主，年均蒸發(fā)量大于1 700 mm，定時最大風(fēng)速28.6 m·s-1，瞬時最大風(fēng)速40.0 m·s-1，屬高原大陸性半干旱氣候區(qū)。該旱橋地處大片連續(xù)多年凍土區(qū)，沿著活躍斷層的地下水流或異常地?zé)嵋矔?dǎo)致多年凍土的完全退化［24］，間歇分布著地質(zhì)構(gòu)造或湖塘融區(qū)［25］。

橋址區(qū)地面高程5 035～5 040 m，局地地形較為平緩，植被蓋度整體在10%以下。在樁基南側(cè)邊坡的坡腳部位，發(fā)育著沼澤化草甸。旱橋西北側(cè)有一小河，距離旱橋約60 m，溝內(nèi)常年有流水，水量隨季節(jié)波動較大［圖1（b）］。地下水由凍結(jié)層上水及凍結(jié)層下水構(gòu)成。凍結(jié)層上水分布連續(xù)，埋深隨季節(jié)變化較大，約0～2.5 m，主要賦存于第四系冰水沉積砂類土、碎石類土層中，受左側(cè)斜坡坡面水、大氣降水補給，向右側(cè)沖溝排泄，水量受季節(jié)影響較大。凍結(jié)層下水主要賦存于侏羅系泥灰?guī)r節(jié)理裂隙中，具有承壓性，頂板位于多年凍土下限處，水量較大，鉆孔揭穿后一般可涌出地面。2010 年病害治理勘探期間，凍結(jié)層下承壓水水頭高度最高可達5.5～6.0 m；2014 年勘探期間，凍結(jié)層下承壓水水頭高度最高為0.10～0.20 m［28］。

橋址區(qū)表層為第四系全新統(tǒng)冰水沉積松散堆積層，下伏侏羅系泥灰?guī)r。松散堆積層主要為粉細砂、礫砂、角礫土及圓礫土，厚度為3.0～12.8 m，分布于地表，5#～8#墩松散層厚度>5 m，其中6#墩處厚度最大，其余墩臺厚度一般為3 m（圖1）。泥灰?guī)r為下伏基巖，泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部夾鈣質(zhì)膠結(jié)夾層，黏土礦物含量高，巖質(zhì)較軟，成巖差［28］。

橋址區(qū)多年凍土發(fā)育，上限以下主要為飽冰凍土、富冰凍土，局部發(fā)育有多冰凍土和含土冰層，年平均地溫分區(qū)為高溫極不穩(wěn)定區(qū)TCP-Ⅰ，融沉分級為Ⅳ級強融沉［28］。多年凍土層地層以泥灰?guī)r為主，僅在上部有薄層卵礫石層。該路段在原設(shè)計中采用的是路基，勘察中發(fā)現(xiàn)該路段地處高溫高含冰量多年凍土區(qū)，后來被調(diào)整為旱橋。考慮到青藏高原地區(qū)氣候變暖的趨勢更加強烈，該處旱橋樁基的承載力是按照凍土融化來考慮的。

2 病害發(fā)展及治理過程

2006 年7 月1 日青藏鐵路通車運營后，6#、7#墩附近地表在冬季發(fā)育冰椎，有可能上頂凈空較低的橋梁梁體。為消除潛在不利影響，在橋梁7#墩右側(cè)（下坡側(cè)）施工一泄水井，該井深入凍土下限以下，伴隨凍土層下承壓水的自流，冰椎病害的治理取得了良好效果。

冰椎病害消除后，青藏鐵路運營維護部門發(fā)現(xiàn)冰椎病害位置附近的旱橋墩臺存在不均勻沉降，并且這種沉降有緩慢加劇的趨勢。為準確把握沉降變形的現(xiàn)狀及趨勢，2009 年1 月開始對這些墩臺開展沉降變形監(jiān)測。監(jiān)測樁基沉降的基準點固定于一根埋深15 m的鋼管上，距離樁基礎(chǔ)約20 m。為了防止鋼管的凍拔，鋼管穿在一個PVC 套管內(nèi)，在鋼管底部焊接了一個較大尺寸的圓盤，并且在鋼管和PVC 套管之間的空隙內(nèi)注滿了潤滑油脂來減少鋼管和PVC 套管之間的摩擦力。沉降觀測點設(shè)在各墩的承臺處。

2009 年的監(jiān)測結(jié)果表明，6#墩當年沉降變形量達到了37 mm（圖3）?？紤]到樁基沉降變形隨時間而逐漸減小的一般發(fā)生規(guī)律，2007—2009 年底的工后沉降應(yīng)大于80 mm 的工后沉降設(shè)計限值。熱棒作為一種可以快速降低凍土地溫的工程措施，由于其施工簡單、對現(xiàn)有工程擾動小且對施工場地要求較低，在青藏鐵路建設(shè)和后期補強階段都得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果［6］。2010 年2 月，第一次采用熱管對病害橋墩予以補強。熱棒額定功率300 W，全長11 m，插入地下9 m［圖2（b）］。措施完工后一年，6#墩沉降量增加了68 mm。從2009 年1 月至2011 年10 月，6#墩北側(cè)沉降116 mm、東側(cè)145 mm、南側(cè)125 mm，平均年沉降量為45 mm。

圖3 6#墩累計沉降變形過程Fig.3 The accumulated settlement deformation process of Pier No.6

為確保鐵路安全運營，2011年10月至2012年5月，加固治理了1#～9#墩。4#～8#墩承臺東西兩側(cè)各增設(shè)1個由2根直徑1 m 幫樁支撐的鋼筋混凝土承臺，其中4#～6#墩樁長40 m，7#、8#墩樁長45 m［圖2（c）］。在施工幫樁和承臺期間，第二次采用熱棒加固樁基，熱棒總長19 m，插入地下17 m。

幫樁、承臺及第二次熱管措施施工期間及完工后，旱橋墩臺的沉降速率仍然比較大。2011年11月至2012 年5 月，6#墩沉降63 mm；2012 年6 月至2012年11 月，6#墩沉降71 mm。2011 年11 月到2012 年11 月期間的沉降量幾乎等于2009 年1 月年到2011年9月期間的沉降量，嚴重威脅了鐵路的運營安全。

2012—2013年冬季，對1#～9#墩的樁基礎(chǔ)第三次采用了熱棒措施，補充了大量增強型熱棒。熱棒外徑105 mm，額定功率400 W，插入地下23 m，熱棒縱向間距和橫向間距均縮小至1.6 m［圖2（d）］。

該次治理后，2013年和2014年的沉降量分別為64 mm、61 mm，與2012年相比，減少約50%。自2015年開始，沉降速率顯著減小。2015年、2016年、2017年的沉降量分別為12.0 mm、5.0 mm和4.5 mm。

以上監(jiān)測數(shù)據(jù)證實，當前的加固措施發(fā)揮了較好的穩(wěn)定效果，1401旱橋樁基已基本穩(wěn)定。

3 病害原因探討

該旱橋樁基的承載力在設(shè)計階段是按照融土來考慮的，即使多年凍土退化甚至融化，樁基的承載力也不會小于設(shè)計值。對于少冰凍土而言，凍土融化不會產(chǎn)生融沉問題，樁土之間的摩擦力、樁端阻力能夠確保樁基的承載力達到設(shè)計值；對于高含冰量凍土而言，凍土退化將導(dǎo)致地面的沉降變形［29］。假設(shè)凍土退化后，樁基沒有下沉，那么發(fā)生下沉的那部分土層將對樁基形成負的摩阻力，導(dǎo)致樁基承載力下降及可能的沉降病害。病害旱橋地處高溫凍土區(qū)，且富冰凍土及飽冰凍土發(fā)育，凍土退化勢必產(chǎn)生沉降變形。

影響凍土熱狀況的因素包括全球氣候變化和人類工程活動［30］。在人類工程活動的影響下，多年凍土區(qū)的凍融過程加劇，凍土地溫升高，多年凍土上限下降［31-35］。在青藏工程走廊帶，從1996 年到2007年，高溫凍土區(qū)公路路基下上限增加率變化范圍介于17.4～25.8 cm·a-1之間，平均值為22.5 cm·a-1；6 m 深凍土年平均溫度的升溫速率介于0.018～0.087 ℃·a-1，10 m 深凍土年平均溫度的升溫速率介于0.022～0.052 ℃·a-1。在氣候變化影響下，青藏公路沿線多年凍土監(jiān)測場地活動層厚度處于持續(xù)增加過程，活動層厚度增加速率達11.2 cm·a-1，高平原高溫多年凍土區(qū)，多年凍土升溫速率為0.023 ℃·a-1［32］。從距離病害旱橋最近的安多氣象站2001—2011 年的氣溫數(shù)據(jù)來看，過去十年的平均增溫幅度達到了1.091 ℃，沿線氣候變暖勢必將導(dǎo)致該旱橋部位多年凍土的劇烈退化。在2001 年青藏鐵路第一次勘察期間，1401旱橋橋址區(qū)的凍土上限在2.5～3.3 m，2010 年病害勘察發(fā)現(xiàn)，此處凍土上限已增加至2.8～3.5 m。

旱橋樁基在鐵路通車前第一次施工期間，由于夏季施工、較高的入模溫度加上混凝土水化熱的影響，可能導(dǎo)致多年凍土的劇烈退化，并且在較長時間可能都無法完全回凍［36-37］。鐵路通車后，因6#墩發(fā)育冰椎，在附近打了一眼泄水井。該泄水井深入凍土下限以下，隨著承壓水的流出，對凍土造成了嚴重的熱侵蝕。通車前，旱橋樁基施工勘察時各樁基的凍土下限基本一致，2010 年病害勘察時6#墩凍土下限已經(jīng)從2001年的31 m 上升到20 m。2011年10 月病害治理期間，在6#墩下游側(cè)又施工泄壓井一眼，同時對病害旱橋又增設(shè)了幫樁予以加固。此次病害治理期間，凍結(jié)層下承壓水水頭高度最高可達5.5～6.0 m；2014 年勘探期間，凍結(jié)層下承壓水水頭高度最高僅為0.1～0.2 m。承壓水水頭高度的巨大變化，表明該期間涌出了大量承壓水。在混凝土幫樁施工過程中，除了施工擾動、樁基水化熱的影響，還發(fā)生了大約100 m3混凝土在樁底流失的情況，再加上大量承壓水外泄帶來的熱擾動，6#墩樁底的多年凍土溫度顯著升高，凍土下限進一步抬升、凍土溫度升高。

無論是凍土上限加深、凍土下限抬升，還是凍土溫度升高，都將導(dǎo)致該旱橋樁基周邊凍土層的升溫及融化壓縮變形，對樁基產(chǎn)生負摩阻力，樁基承載力下降，墩臺沉降變形增加。

除了負摩阻力的影響以外，6#墩凍土下限從地表以下31 m上升到20 m，富冰及飽冰泥灰?guī)r地層的融化壓縮，樁端阻力下降，樁基承載減小，也可能是導(dǎo)致樁基沉降的另一個主要因素。

伴隨著氣候和施工對凍土的熱擾動，樁基表現(xiàn)出了與凍土變化較為一致的沉降變形。在旱橋冰椎病害治理前，除了早期的施工熱擾動之外，多年凍土主要受氣候變暖的影響，凍土退化較慢，樁基沉降變形都在允許值以內(nèi)，沒有對樁基沉降構(gòu)成顯著的危害。在冰椎治理以后，地下承壓水對排泄通道附近的多年凍土構(gòu)成了較為明顯的熱侵蝕，導(dǎo)致凍土溫度的升高和多年凍土底板的上升，樁基沉降顯著增加。在施工幫樁的2011 年8 月12 日到11 月11 日期間，泄水井內(nèi)大量承壓水的排出、施工和水化熱，以及大量混凝土流失造成的劇烈熱擾動，凍土溫度劇烈升高、凍土下限顯著上升，導(dǎo)致2011年8月到2012年8月的沉降量達到了126 mm，相當于治理前的3倍。泄水井的排水作用不僅僅發(fā)生在幫樁施工期間，直到2014年，承壓水的水頭才顯著降低，排水量才大幅度減小。在此期間，由于增強熱棒的冷卻作用，雖然6#墩位置的凍土下限變化較小，但是相鄰區(qū)域的凍土下限繼續(xù)抬升，凍土溫度也在升高［27］，因此2013年、2014年的樁基沉降量仍然較大。2015 年，隨著承壓水壓力的下降，泄水量顯著減小，熱侵蝕強度降低，再加上熱管的主動冷卻作用，樁周凍土溫度下降，多年凍土下限加深，樁土凍結(jié)力、樁端承載力增加，樁基沉降病害才得以有效治理。

凍土熱狀況變化所造成的影響，除了樁基沉降受到的施工擾動以外，在一年內(nèi)也具有顯著的季節(jié)性。在每年的2 月到8 月，樁基基本穩(wěn)定；在9 月到第二年的1月，樁基沉降變形快速增加（圖3）。這種變形規(guī)律同樣也與凍土的熱狀況有密切聯(lián)系。將樁周凍土溫度從-0.3 ℃下降到-1.0 ℃，可使樁基承載力增大2.5 倍，若溫度降到-2.0 ℃，承載力則增大3.8倍［38］。由于凍土中，溫度波傳遞的滯后性，每年2 月到8 月活動層以下的凍土溫度較低，承載力較高，樁基較為穩(wěn)定；在9 月到第二年的1 月，活動層以下的淺部多年凍土層溫度較高，是樁基沉降的主要發(fā)生階段。

4 治理啟示

青藏鐵路1401 旱橋的樁基病害自2009 年監(jiān)測、2010 年到2013 年期間的勘察和治理，直到2016年橋墩基本穩(wěn)定，前后經(jīng)歷了8年，在此期間列車運營時速顯著下降，嚴重降低了該段線路的運營質(zhì)量。為提高凍土區(qū)旱橋的運營水平，降低病害旱橋樁基的維護成本，預(yù)防以后類似問題的發(fā)生，結(jié)合該旱橋的病害治理過程及致災(zāi)機理分析，可以得到如下啟示。

（1）凍土樁基病害治理周期長，治理難度大，需要在勘察、設(shè)計階段充分重視多年凍土區(qū)旱橋樁基的設(shè)計。在高溫高含冰量多年凍土區(qū)，凍土層下有軟弱地層時，應(yīng)嚴禁樁端位于軟弱地層。如果多年凍土和軟弱土層均較厚，可以考慮樁端位于凍土層中，并對樁周和樁端凍土做降溫處理。

（2）當前樁基病害表明，凍土升溫及厚度減薄導(dǎo)致凍結(jié)力、樁端阻力下降及負摩阻力出現(xiàn)，是樁基承載力下降、沉降病害發(fā)生的根本原因。為確保樁基穩(wěn)定，在建設(shè)和運營階段，應(yīng)盡可能避免對樁周凍土有嚴重?zé)崆治g的工程活動。

（3）對凍土層下承壓水的揭露必須做好充分論證，包括承壓水量的調(diào)查、泄水通道大小、位置及施工過程中各種探測孔的封堵，否則可能對多年凍土產(chǎn)生強烈的熱擾動，從而導(dǎo)致多年凍土的劇烈退化。

（4）在全球氣候變暖的背景下，應(yīng)加強對旱橋病害的早期診斷及治理，除了鐵路運營部門的反饋之外，可以在每年對高溫高含冰量凍土區(qū)的旱橋樁基開展至少每年一次的定期三維變形監(jiān)測，以便在早期發(fā)現(xiàn)潛在病害樁基。

（5）樁基承載力由整個樁體共同決定，普通措施難以在較短時間內(nèi)對中部至底部樁體及樁周凍土發(fā)揮冷卻作用。在防治凍土樁基沉降病害時，建議采用熱棒措施，有利于快速降低中部至底部樁體及樁周凍土溫度、提高樁基承載力。