東北鐵路凍土區(qū)路基病害整治的試驗(yàn)研究

1、鐵路視點(diǎn) 1問(wèn)題的提出哈爾濱鐵路局管內(nèi)大興安嶺地區(qū)是我國(guó)多年凍土分布的主要地區(qū)之一,屬高緯度多年凍土區(qū)。該區(qū)的鐵路有牙林、嫩林、伊加、潮莫和林碧線,計(jì)長(zhǎng)1530km 左右,均修建于20世紀(jì)5060年代,由于對(duì)多年凍土的認(rèn)識(shí)不足,缺少經(jīng)驗(yàn),因而自從運(yùn)營(yíng)以后,就普遍產(chǎn)生了各種不同的路基、橋涵、房屋設(shè)施方面的病害,僅路基下沉和凍脹病害就占運(yùn)營(yíng)里程的60%70%。多年來(lái),盡管不斷整治,但路基病害仍時(shí)有發(fā)生,不僅給鐵路運(yùn)輸安全帶來(lái)重大的危害,也是增加運(yùn)輸成本的一個(gè)重要原因。因此,有必要在采用新技術(shù)、新措施的條件下,對(duì)多年凍土地區(qū)路基病害的整治展開進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。2凍土路基病害的原因及分析大興安嶺多年凍

2、土是高緯度古代冰川沉積殘留物在長(zhǎng)期自然歷史條件下形成的。如果打破或改變多年凍土生存的自然條件,就必然導(dǎo)致多年凍土的退化,發(fā)生鐵路路基病害。在大興安嶺地區(qū)影響多年凍土路基病害的最主要因素是水。水是一種最普遍的溶劑,而且具有其他物質(zhì)難以比擬的比熱和相變潛熱?？梢哉f(shuō),水是引起多年凍土變化和破壞的最活躍因素,并且有不可逆的導(dǎo)向。大興安嶺多年凍土地區(qū)的鐵路大多處于山前緩坡的沼澤地帶,地表普遍生長(zhǎng)塔頭草,地表徑流條件不暢,表層土質(zhì)為淤泥質(zhì)砂粘土,因此容易產(chǎn)生路基病害。鐵路路基的修筑不僅改變了原始地表的形態(tài),也改變和惡化了地表徑流的狀況,因此一旦造成路基坡腳積水,并向基底滲透,就必然會(huì)發(fā)生路基的熱融下沉。其

3、他影響路基病害的因素還有塔頭草植被的破壞,在路基附近隨意取土形成熱融湖塘,地表排水系統(tǒng)的不當(dāng)或失效造成路基坡腳積存水體,以及在未探明地質(zhì)條件的情況下進(jìn)行人為工程活動(dòng),導(dǎo)致地下富冰凍土的破壞和融化等。3凍土路基病害整治措施3.1試驗(yàn)工程概況試驗(yàn)工程共包括五個(gè)涵洞工點(diǎn)和五處路基工點(diǎn)。路基工點(diǎn)為牙林線101K +100m 101K +800m ,107K +200m 107K +795m ,274K +500m 275K +100m ,275K +460m 276K +000m ;嫩林線285K +120m 285K +860m 。病害表現(xiàn)為路基坡腳存水,基底過(guò)水,路基不均勻熱融下沉。均采用綜合整治

4、措施。涵洞工點(diǎn)為:牙林線99K +490m ,100K +335m ,107K +283m ,270K +567m ;嫩林線287K +967m。涵洞病害主要表現(xiàn)為基礎(chǔ)不均勻沉陷,涵管脫節(jié),錯(cuò)落與坍塌,端墻破損開裂。整治措施均為拆除改建。伊承貴:哈爾濱鐵路局科委辦,副主任,高級(jí)工程師,黑龍江哈爾濱,151000周長(zhǎng)義:哈爾濱鐵路局齊齊哈爾科研所,工程師,黑龍江齊齊哈爾,161002整治路基病害采取的工程措施及工作原理,通過(guò)分析初步觀測(cè)數(shù)據(jù),凍土區(qū)路基病害整治的試驗(yàn)研究東北鐵路 可有效降低多年凍土的地溫,防止多年凍土發(fā)生融化,改善路基土體的力學(xué)特征。試驗(yàn)工程所采用的熱棒規(guī)格為 108、89兩種,

5、長(zhǎng)13m,分為蒸發(fā)段、絕熱段、散熱段,散熱段附有散熱翅片。熱棒置于路肩兩側(cè),距線路中心4.0m,傾斜75°鉆孔埋設(shè),深9m ,目的是直接對(duì)路基中心內(nèi)部發(fā)揮更大的作用。熱棒是保護(hù)多年凍土的一種主動(dòng)工程措施。(2XPS 、EPS 保溫板。XPS 、EPS 保溫板是一種強(qiáng)度很高、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率小的聚苯乙烯泡沫板,它的作用是減緩和阻礙熱量的傳遞。將它埋設(shè)在路基下或護(hù)道內(nèi)可大大減少暖季時(shí)外部熱源向地下傳入,進(jìn)而減少多年凍土上限的年變化幅度和病害程度。但在冬季時(shí)也阻礙了地層內(nèi)熱量向外界的散發(fā),不利于多年凍土的恢復(fù)。所以,保溫板是一項(xiàng)中性土的措施,由于它的保溫性能好,仍在保護(hù)凍土的工程中廣泛應(yīng)

6、用,但要配合其他措施合理組合。(3保溫護(hù)道。土質(zhì)保溫護(hù)道的作用及原理基本與保溫板相同。由于采用一般土質(zhì)的土填筑,隔熱效果不高,因而需有較大的斷面形態(tài)。試驗(yàn)工程寬為3.0m,厚1.0m,中間平鋪一層EPS 保溫板。除施工工藝簡(jiǎn)單外,優(yōu)點(diǎn)在于可以防止路基坡腳積水,減少地表水滲入路基基底所帶來(lái)的熱交換,還可以改變路基兩側(cè)多年作用。(4擋水板。SPRE 擋水板是一種強(qiáng)度好、低溫性能好、不吸水的柔性復(fù)合防水材料,它的作用是阻斷地下水的流通。它垂直埋設(shè)在路基坡腳外保溫護(hù)道外緣內(nèi),埋深為4.34.8m,直達(dá)多年凍土上限下0.5m。其目的是隔斷地表水及潛水向路基基底的滲入,直接消除地下水的熱交換作用,從而防止

7、基底下多年凍土上限的逐步退化,達(dá)到整治熱融下沉病害的目的。(5碎石護(hù)坡和遮陽(yáng)板。碎石護(hù)坡厚0.6m,遮陽(yáng)板為長(zhǎng)、寬0.6m,高0.4m 方形混凝土方凳,是應(yīng)用于路基邊坡的一種改善坡面溫度場(chǎng)的措施,具有較好的防熱輻射和散熱通風(fēng)降溫的作用,在冬夏季均能起到較好的效果,以保護(hù)和改善多年凍土的存在條件。(6排水溝式滲水軟管。排水溝式滲水軟管是一種有鋼性骨架的柔性滲水軟管,地表做成排水溝形式,溝底埋設(shè)滲水軟管,軟管直徑為200mm,起到排除地表水的作用。(7其他排除地表水措施。土質(zhì)擋水埝均設(shè)置在上游側(cè)保溫護(hù)道或滲水軟管外約5m 處,以盡量減少它們之間滯留地表水的距離,并達(dá)到攔截、引導(dǎo)上游地表匯水的目的。

8、人工梯形土溝設(shè)在擋水板埝外,起排除地表匯水的作用,并將其引向涵洞。4初步觀測(cè)研究目前全線各工點(diǎn)已基本完成施工,共設(shè)置了自然孔、地溫孔、水準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)155個(gè),沉降樁點(diǎn)143個(gè)。自然孔、水準(zhǔn)點(diǎn)深20m,地溫孔深15m,對(duì)比孔、熱棒孔深10m,分層沉降孔深5m,共計(jì)進(jìn)尺1634m 。工程完成時(shí)進(jìn)行了數(shù)次初測(cè)工作,現(xiàn)已進(jìn)3.2具體工程措施整治凍土病害具體工程措施包括兩方面:一是建立完備的排水及擋水系統(tǒng),二是采用熱棒、EPS 板等新技術(shù)、新材料對(duì)凍土進(jìn)行保護(hù)。結(jié)合大興安嶺地區(qū)既有鐵路的實(shí)際情況,針對(duì)多年凍土地溫的差異,整治工程的措施可分為4種組合(見表1。與整治凍土病害相配合的排水措施有:滲水軟管,擋水埝,

9、人工梯形土溝。圖1為整治凍土路基病害典型工程示意圖。3.3各種工程措施的作用(1熱棒。熱棒又稱無(wú)芯重力式熱管、熱虹吸管,是熱管中一種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的重力型單向無(wú)源散熱元件。其工作原理是利用介質(zhì)的相轉(zhuǎn)換熱傳遞熱量。當(dāng)冬季氣溫低于地溫時(shí),熱棒即可自動(dòng)將地層中的熱量向大氣散發(fā),而到暖季氣溫高于地溫時(shí),熱棒則自動(dòng)停止工作。熱棒是無(wú)源冷卻系統(tǒng)中熱量傳輸效率最高的裝置,具有傳熱能力大、傳熱溫差小、啟動(dòng)溫度低、均溫性能好、單向傳熱、安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),表1整治凍土病害工程措施凍土人為上限的形態(tài),向著有利于保護(hù)凍土和減輕病害程度的方向引導(dǎo)。青藏線采用的片石護(hù)道是基于它有較好的隔熱降溫作用,但一般不適用于地表沼澤化的

10、塔頭草地區(qū),會(huì)引起沉陷和積水而帶來(lái)副人工梯形土溝圖1整治凍土路基病害典型工程措施示意圖熱棒XPS 保溫板護(hù)坡遮陽(yáng)板保溫護(hù)道E P S 保溫板擋水埝滲水軟管擋水板 入正常觀測(cè)階段。(1熱棒降溫。經(jīng)觀測(cè),熱棒在進(jìn)入冬季后工作正常。盡管熱棒的功率和路基土質(zhì)不盡相同,但它對(duì)降低周圍地溫的作用十分明顯。經(jīng)初步分析比較,可以看出熱棒處的地溫明顯下降,其影響半徑均超過(guò)2.5m。(2EPS保溫板隔熱。路基兩側(cè)的保溫護(hù)道均寬3.0m、厚1.0m,用碎石土填筑,在其中部0.5m處鋪設(shè)EPS保溫板,厚0.1m。從觀測(cè)的地溫曲線看,護(hù)道下的地溫波動(dòng)幅度明顯減少,起到了隔熱的效果。但由于施工在4-6月份進(jìn)行,不能使病害

11、地段原本地溫偏高的狀況得到改變。對(duì)于路基坡腳有積水和池塘處,護(hù)道的鋪設(shè)和擴(kuò)大其斷面,可以有效地減輕和防止地表水對(duì)路基基底的滲透。5結(jié)論在大興安嶺多年凍土地區(qū),整治路基熱融下沉病害的優(yōu)化綜合措施,是傳統(tǒng)的排水設(shè)計(jì)和熱棒、保溫護(hù)道、排水溝式軟管滲溝等新技術(shù)、新材料的有效結(jié)合,其中的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)合理的斷面結(jié)構(gòu)形式和新材料新技術(shù)的應(yīng)用,目的是杜絕地表水對(duì)路基基底的滲入所帶來(lái)的單向熱交換作用,恢復(fù)和形成基底最佳的人為上限形態(tài),達(dá)到徹底根治病害的效果。病害整治的效果及觀測(cè)研究的成果,不僅可以改進(jìn)和指導(dǎo)東北多年凍土地區(qū)鐵路路基病害整治的狀況,也為驗(yàn)證青藏線的工程措施與日后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供借鑒,同時(shí)為我國(guó)工程

12、凍土研究水平的進(jìn)一步提高打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。責(zé)任編輯周洲收稿日期2005-09-20鐵路建設(shè)項(xiàng)目高級(jí)管理人員研修班于2005年9月2127日在北京舉辦。鐵道部副部長(zhǎng)盧春房出席了研修班開班式,并作了重要講話。盧副部長(zhǎng)指出,舉辦這次研修班是鐵道部根據(jù)當(dāng)前鐵路建設(shè)形勢(shì)需要和鐵路建設(shè)管理干部隊(duì)伍現(xiàn)狀作出的一項(xiàng)重要決定。當(dāng)前鐵路建設(shè)既面臨難得的發(fā)展機(jī)遇,又面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。要求全體學(xué)員一是要認(rèn)清形勢(shì),充分認(rèn)識(shí)加強(qiáng)鐵路建設(shè)管理隊(duì)伍建設(shè)的重要性和緊迫性。二是突出重點(diǎn),不斷改進(jìn)和加強(qiáng)鐵路建設(shè)管理。三是加強(qiáng)學(xué)習(xí),努力提高領(lǐng)導(dǎo)和管理鐵路建設(shè)的能力。四是要真抓實(shí)干,堅(jiān)定信心,努力完成今年鐵路建設(shè)任務(wù)。五是集中精力,確保學(xué)習(xí)的實(shí)際效果。希望學(xué)員們很好地把握這次學(xué)習(xí)機(jī)會(huì),切實(shí)掌握鐵路建設(shè)管理新知識(shí)、新技術(shù),創(chuàng)造鐵路建設(shè)新成績(jī),為鐵路跨越式發(fā)展做出貢獻(xiàn)。來(lái)自全路18個(gè)鐵路局(集團(tuán)公司以及長(zhǎng)江三角洲城際鐵路公司籌備組、石太客運(yùn)專線籌備組、鄭西鐵路客運(yùn)專線籌備組、廣深港客運(yùn)專線公司籌備組、武合鐵路湖北有限責(zé)任公司、東南沿海鐵路福建有限責(zé)任公司、武廣客運(yùn)專線公司、合武鐵路安徽有限公司主管基建的領(lǐng)導(dǎo)和管理骨干共110余人參加了研修班。主要培訓(xùn)內(nèi)容包括鐵路建設(shè)招標(biāo)與市場(chǎng)管理、FIDIC合同條件在大型工程建設(shè)中的應(yīng)用、鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理模式、鐵路建設(shè)相關(guān)法律法規(guī)、鐵路建設(shè)程序、加強(qiáng)鐵路建設(shè)系統(tǒng)廉政建設(shè)、招標(biāo)投標(biāo)法及配套規(guī)則、時(shí)