多年凍土特殊路基處治技術(shù)

高原多年凍土特殊路基施工處治技術(shù)淺談劉旭（中鐵五局五公司青海興海）摘要：本文分析了多年凍土的特殊工程地質(zhì)特性，結(jié)合共玉公路多年凍土的地質(zhì)情況，對(duì)路基施工采取了靈活的處治原則，盡量減少對(duì)凍土的擾動(dòng)和破壞是凍土路基施工的技術(shù)關(guān)鍵。關(guān)鍵詞：多年凍土路基處治1工程概況青海省共和至玉樹公路A5合同段，起止里程為K290+000-K303+500,全長13.5公里。線路區(qū)屬于青藏高原河源山源草甸區(qū)，海撥介于4100~4300米間，氣候寒冷，年平均最低氣溫-10.3°C~-6.1°C。特殊的地理環(huán)境和氣候條件，形成了不同類型的多年凍土區(qū)。本段多年凍土共13.39km，主要分布有島狀不連續(xù)多年凍土和大片連續(xù)多年凍土，凍土類型以少冰、少冰-多冰、富冰-飽冰為主，主要分布段落如下表：凍土段落分布表段落凍十類型工程地質(zhì)條件工程地質(zhì)評(píng)價(jià)處理措施K290+00~+800少冰凍土山前坡積洪扇，自然坡度3~8度，屬高原草甸，地質(zhì)巖土體以含碎石的粉質(zhì)粘土、具塊石的角礫土及含塊石的碎石土良好凍土工程地質(zhì)，不融沉填方路基：清除地表草皮或直接填筑50cm砂礫并沖擊碾壓。挖方路基：路床部分換填碎石。K290+800~K94+900大部為多冰凍土，局部為飽冰凍土、少部為富冰凍土山前坡積洪扇，自然坡度5~9度，屬高原草甸，地表斑狀草沼發(fā)育，地層以具塊石的角礫土及含塊石的碎石土為主。較好凍土工程地質(zhì)，弱融沉填方路基：清除地表草皮或直接填筑50cm砂礫并沖擊碾壓。挖方路基：路床部分換填碎石。K294+900~K295+430大部富冰凍土，局部飽冰凍土，少部多冰凍土山前坡積洪扇，自然坡度5~10度，屬高原草甸，地表斑狀草沼發(fā)育，地層以具塊石的角礫土及含塊石的碎石土，基巖以砂板巖為主。較差凍土工程地質(zhì)，融沉填方路基：采用片塊石通風(fēng)路基或復(fù)合式路基處理。挖方路基：路床部分換填碎石。K295+430~K295+540河湖融區(qū)河流河道寬約15~20m，土層為含塊石的角礫十、碎石十、砂板巖較差凍土工程地質(zhì)，融沉都沁大橋（6-20m箱梁）K295+540~K296+700大部富冰凍土，局部飽冰凍土，少部多冰凍土河谷東岸I級(jí)階地，坡度1~5度接山前坡積洪扇，自然坡度10~20度，水草地。高原草甸，土層為含碎石的粉質(zhì)粘土、具塊石的角礫土、含塊石的碎石土，13.8米以下為砂板巖。較差凍土工程地質(zhì)，融沉填方路基：采用片塊石通風(fēng)路基或復(fù)合式路基處理。挖方路基：路床部分換填碎石。K296+700~K297+700大部富冰凍土，局部飽冰凍土，少部多冰凍土山前坡積洪扇，坡度14~20度，地表疙瘩狀早沼，為水草地，見泉眼群，凍結(jié)層上水發(fā)育極差凍土工程地質(zhì)段，融沉填方路基：采用片塊石通風(fēng)路基或復(fù)合式路基處理。挖方路基：路床部分換填碎石。K297+700~K298+330大部飽冰凍土，局部富冰凍土，少部多冰凍土山前坡積洪扇，坡度14~20度，0.4m地表為高原草甸，下部為含碎石的粉質(zhì)粘土和含塊石的碎石土較差凍土工程地質(zhì)段，融沉填方路基：采用片塊石通風(fēng)路基或復(fù)合式路基處理。挖方路基：路床部分換埴碎石。K298+300~K300+550大部富冰凍土，少部多冰凍土冰水堆積臺(tái)地前緣，沖溝兒崗河，I階地，自然坡度3~8度。0.5m為高原草甸，下部粉質(zhì)粘土厚0.8~3.2m，下段伏含塊石的碎石土土，16.4m以下為凝灰?guī)r較差凍土工程地質(zhì)段，融沉填方路基：采用片塊石通風(fēng)路基或復(fù)合式路基處理。挖方路基：路床部分換填碎石。K300+550~K300+915大部飽冰凍土，少部富冰凍土冰水堆積臺(tái)地前緣斜坡，沖自然坡度15~25度。0.5m，表部見疙瘩狀草沼，為水草地，凍結(jié)上水發(fā)育，地表0.5m為高原草甸，下部粉質(zhì)粘土厚約0.8~1.8m，下伏含塊石的碎石土，13.2m以下為凝灰?guī)r極差凍土工程地質(zhì)段，強(qiáng)融沉填方路基：采用片塊石通風(fēng)路基或復(fù)合式路基處理。挖方路基：路床部分換填碎石。對(duì)草沼、水草地的高原草甸不良地質(zhì)地區(qū)，冬季容易形成涎流冰，對(duì)線路有影響。該段路基采用碎石填筑，沿線路方向設(shè)置滲池，將滲水匯集后通過橫向盲溝排出路基外。對(duì)發(fā)育泉眼的地段采用片塊石路基，路基兩側(cè)開挖排水溝，降低地面水位。2凍土的工程性質(zhì)根據(jù)對(duì)現(xiàn)有G214線多年凍土路段觀測試驗(yàn)資料的研究分析:該區(qū)段多年凍土地溫在-0.3°C~-1.5°C，具有凍土地溫高、退化速率快、對(duì)熱干擾更敏感、凍土熱穩(wěn)定性更差等特點(diǎn)，具有強(qiáng)烈的垂直地帶性，多年凍土溫度、厚度受海撥高度的控制。3多年凍土路基處治原則由多年凍土引起的特殊工程地質(zhì)問題，主要有融沉、凍脹和冰椎凍脹丘、融凍泥流、熱融滑坍、熱融湖塘、沼澤濕地、厚層地下冰等不良地質(zhì)現(xiàn)象。3.1降溫原則針對(duì)凍土含冰量較高，凍土上限較淺及凍土厚度較大的多年凍土段，采用主動(dòng)冷卻，增加對(duì)流等工程等措施降低多年凍土地溫或控制多年凍土地溫因氣候變暖引起的升溫趨勢，使之在路基使用年限內(nèi)能有效保護(hù)多年凍土的穩(wěn)定。目前主要措施有熱棒路基、片塊石路基、通風(fēng)管路基以及上述措施組合的復(fù)合路基。3.2保溫原則針對(duì)多年凍土厚度大于2m，凍土埋深較大的凍土地段，采用被動(dòng)保護(hù)多年凍土的工程措施，來保護(hù)和延緩多年凍土的融化，使之在路基設(shè)計(jì)年限內(nèi)能有效維持路基穩(wěn)定。目前主要措施：一是自然保溫，即填土路基保溫，通過保證一定的路基填筑高度來維護(hù)路基下多年凍土的穩(wěn)定;二是采取特殊保溫措施，如路基兩側(cè)護(hù)坡道、鋪設(shè)保溫材料（XPS隔熱板）等。4多年凍土路基的施工方案根據(jù)青藏鐵路凍土處治成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合G214公路凍土科研成果，對(duì)多年凍土路基采取不同的措施處理。多年凍土施工遵循“寧填少挖”的原則，多以填方路基通過，減少對(duì)凍土的干擾。對(duì)于多冰、少冰路段采取允許凍土融化的原則，路基填筑高度以最小1.8m控制，低填路基路床部分換填碎石；對(duì)于飽冰、富冰多年凍土路段，采取保護(hù)凍土、主動(dòng)降溫的原則，路基最小高度以2.1m控制，設(shè)0.9?1.5m的片塊石通風(fēng)層，達(dá)到冷卻降溫、減緩融化、提高強(qiáng)度的作用。4.1少冰、多冰凍土以融化原則處理為主，填筑高度大于1.8m，直接在原地面上填筑50cm砂礫然后沖擊碾壓，頂面設(shè)置一層雙向塑料土工格柵；對(duì)于填方高度在1.5m~1.8m時(shí)，清除地表30~40cm草皮后填筑50cm厚砂礫，采用碾壓補(bǔ)強(qiáng)（不具備沖擊碾壓條件的路段，采用30T以上重型壓路機(jī)補(bǔ)強(qiáng)），頂面鋪設(shè)一層雙向塑料土工格柵；對(duì)于填筑高度小于1.5m時(shí)，按低填淺挖路基處理。4.2富冰、飽冰多年凍土4.2.1緩坡地段填方路基（路面橫坡小于1:5）采用片塊石（通風(fēng)管）通風(fēng)路基或復(fù)合式路基（XPS隔熱板）處理。工藝如下：當(dāng)路基高度H大于30cm（砂礫墊層露出地面高度）+h（片塊石厚度）+20cm砂礫反濾層+路面結(jié)構(gòu)層（73cm）時(shí)，采用片塊石通風(fēng)路基：直接在原地表填筑砂礫（出露地面30cm），然后填筑0.9?1.5m片塊石層。片塊石傾填完成后，先在片塊石頂面全寬范圍內(nèi)全寬范圍內(nèi)填筑20cm碎石（厚度計(jì)入片塊石總厚度）整平層（粒徑5~10cm），再在碎石層上面填筑20cm砂礫反濾層，最后采用重型振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)（必要時(shí)采取沖擊碾壓補(bǔ)強(qiáng)）。為防止細(xì)顆粒堵塞片塊石空隙，頂面增設(shè)一層土工布再填筑砂礫，在砂礫層頂面鋪設(shè)土工格柵，以改善路基的整體性。|B/2B/2|B/2B/21不開挖，直接填筑30cm砂礫采用XPS板復(fù)合式路基，工藝如下：當(dāng)路基高度b+0.8<H<1.2+0.2+路面厚度73c時(shí)，采用復(fù)合式路基進(jìn)行處理。用砂礫或石渣填筑，并在上路床底面設(shè)置XPS隔熱板，板寬為路基寬度，厚度為8cm（兩層4cm錯(cuò)縫安裝）。XPS板材料性能：XPS板厚度4cm，抗壓強(qiáng)度不小于0.65MPa，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.03W/m。°C，容重不小于44.9Kg/m3。XPS板施工前，將下承層清理整平，將XPS板埋設(shè)在路床底以下40cm處，XPS拼接方式按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，在訂購XPS板時(shí)預(yù)先制作搭接槽。當(dāng)XPS板設(shè)置在彎道時(shí)，采用直向積累集中拼接處理進(jìn)行鋪設(shè)。XPS板鋪設(shè)完成后填筑砂礫整平碾壓。4.2.2陡坡地段填方路基（路面橫坡陡介于1:5~1:2.5）采用通風(fēng)片塊石路基，工藝如下：片塊石（0.9m~1.5m）設(shè)置地面線以下，其底面大致為一水平面，片塊石底面以下用砂礫填筑或石渣填筑，同時(shí)對(duì)陡坡挖臺(tái)階，臺(tái)階寬度不小于2m，設(shè)置4%內(nèi)傾橫坡，換填砂礫或石渣，并根據(jù)路基的穩(wěn)定性分析，設(shè)置土工格柵或護(hù)腳矮墻。片塊石通風(fēng)層以上路基部分按一般路基進(jìn)行填筑。土工布、砂礫反濾層、土工格柵的設(shè)置與一般路段通風(fēng)片塊石路基相同。1烏采用XPS板復(fù)合式路基，工藝如下：對(duì)陡坡開挖臺(tái)階，臺(tái)階寬度不小于2m,設(shè)置4%的內(nèi)傾橫坡，換填砂礫或石渣，并根據(jù)路基的穩(wěn)定性分析，設(shè)置土工格柵或護(hù)腳矮墻。4.3熱棒路基4.3.1工作原理熱棒是一種汽液兩相對(duì)流循環(huán)的導(dǎo)熱系統(tǒng)。它是一根密封的管，里面充填一定量的工質(zhì)(如氮、氟里昂、丙烷、CO2等)，上端為散熱片組成的冷凝器，下端為裝有工質(zhì)的蒸發(fā)器，中間為絕熱段。當(dāng)冷凝器的溫度低于蒸發(fā)器的溫差時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)的液體工質(zhì)吸收熱量而蒸發(fā)，在壓差作用下，蒸汽上升至冷凝器端，放出汽化潛熱，通過散熱片放出，蒸汽工質(zhì)也隨之冷卻凝結(jié)成液珠，在重力作用下，液珠沿管壁回流至蒸發(fā)器。如此反復(fù)循環(huán)，將地基土中的熱量不斷散發(fā)出去而使土體冷卻。主要技術(shù)參數(shù)：熱棒技術(shù)要求為°83X5mm，在工作溫度為-5°C時(shí)，其傳熱能力不低于6KW；工作溫度為-60C~-50C時(shí)，工作壓力為0~2.2MPa，可靠工作時(shí)間不低于20年。4.3.2施工工藝施工準(zhǔn)備工程施工前，對(duì)運(yùn)輸?shù)缆?、水源、電源、照明做到三通一平，?zhǔn)備好細(xì)砂、吊車等主要機(jī)具材料及勞動(dòng)力。鉆孔后，孔周邊0.5范圍內(nèi)的泥土和雜物及時(shí)清理干凈并外運(yùn)處理?？赘浇坏糜凶璧K熱棒吊裝的施工材料和雜物。安裝工序中有固定裝置、保溫、儀表監(jiān)控、電極防腐等要求的在安裝地點(diǎn)采取相應(yīng)的措施后，方可進(jìn)行相應(yīng)的工序施工。氣象條件不適合設(shè)備安裝的要求(如陽光太強(qiáng)或雨雪大風(fēng)天氣)，需臨時(shí)存放時(shí)，應(yīng)保護(hù)好熱棒，遠(yuǎn)離火源、防止陽光直曬，用隔熱材料將熱棒封蓋。用其他設(shè)備、結(jié)構(gòu)作為搬運(yùn)設(shè)備的承力點(diǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行復(fù)核，對(duì)12米長的熱棒一般采用12T吊車安裝，吊點(diǎn)位于熱棒的上端。材料檢查和保管設(shè)備開箱按下列項(xiàng)目進(jìn)行檢查，并作出記錄：熱棒外觀檢查，外表不得有裂紋、凹坑等缺陷，必須清除如毛刺等物，以防傷手。箱號(hào)、箱數(shù)以及包裝情況；設(shè)備名稱、型號(hào)和規(guī)格；裝箱清單、設(shè)備技術(shù)文件、資料以及專用工具；設(shè)備有無缺損件，表面有無損壞和銹蝕等。設(shè)備及其零、部件和專用工具，均應(yīng)妥善保管，如在短期內(nèi)不進(jìn)行安裝工作，則應(yīng)保護(hù)好熱棒，遠(yuǎn)離火源、防止陽光直曬，用隔熱材料將熱棒封蓋，以防止溫度過高而損壞熱棒。在采取保護(hù)措施后，方可施工，不得使其熱棒變形、損壞、銹蝕、錯(cuò)亂或丟失。施工方法鉆孔前應(yīng)對(duì)該地段的路基邊坡進(jìn)行刷坡夯實(shí)，按照熱棒尺寸、位置在坡面上放出熱棒的具體點(diǎn)位，并打入護(hù)樁。熱棒安裝前，根據(jù)該地區(qū)《地質(zhì)勘探報(bào)告》，需預(yù)先試驗(yàn)鉆孔，待鉆孔經(jīng)復(fù)核合格再按照熱棒的位置進(jìn)行正式鉆孔?？讖綖?80MM,孔凈深8000+10皿，與地表面夾角有75°和90°兩種，即斜置孔和鉛直孔，孔直線度偏差應(yīng)符合規(guī)范要求，孔縱向間距均為4.0米。鉆探砂土就地堆存?zhèn)溆?，鉆孔應(yīng)酌情采取成孔護(hù)壁措施，采用沙駝鉆機(jī)150B型立軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，采用導(dǎo)斜量角器定位，準(zhǔn)確省時(shí)。斜置采用導(dǎo)向裝置，慢速鉆進(jìn)，液壓給進(jìn)加壓，保證鉆孔角度，為了避免鉆進(jìn)時(shí)鉆頭下俯，鉆孔預(yù)留一個(gè)傾角15°角。鉆機(jī)的固定采用較簡單的地錨固定法。在地層較復(fù)雜，特別難鉆，鉆面震撼較大的情況下，采用鋼繩固定，或支架支撐，以避免發(fā)生意外。鉆孔完成后，及時(shí)安裝熱棒，在不能及時(shí)安裝的情況下采取臨時(shí)防護(hù)措施將孔蓋住，防止孔內(nèi)落入雜物等。如果鉆孔不成型而造成塌孔現(xiàn)象則采取泥漿護(hù)壁方法進(jìn)行施工處理，在孔附近挖設(shè)沉漿池，進(jìn)行泥漿導(dǎo)流，待成孔后再將孔內(nèi)泥漿慢慢回旋鉆出。工件吊裝與回填熱棒安裝前，對(duì)現(xiàn)場檢驗(yàn)熱棒管道的防腐、保溫、防水層處理等以及相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行檢查。熱棒安裝有傾斜式和鉛直式兩種。在吊裝時(shí)結(jié)合工件的強(qiáng)度，鋼度，局部穩(wěn)定性等選擇最有利的受力位置，必要時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施，確保安全施工。搬運(yùn)、吊裝過程中會(huì)采取相應(yīng)保護(hù)措施，防止起吊過程中外力的作用使翅片變形。注意不要壓傷和擦傷工件(尤其是上部的翅片部份)，避免損壞散熱片和工件保護(hù)層。在吊裝單支熱棒時(shí)，利用熱棒本身頂部端蓋的環(huán)行槽作為受力點(diǎn)進(jìn)行系吊時(shí)，因熱棒的長度為12米，要采取必要的防護(hù)措施，防止因設(shè)備的搖擺而發(fā)生危險(xiǎn)。單件吊裝重量不超過500KG，但要求吊車吊臂有效起吊高度不低于14米。吊裝熱棒，插入已成孔中，調(diào)整高度，垂直度用撐桿臨時(shí)固定?；靥钽@孔間隙采用水中沉砂法，先用清水灌滿孔隙，然后將砂徐徐灌入熱棒與孔隙之間的間隙直至孔口為止?？紫短钌皟鼋Y(jié)后拆除臨時(shí)支撐，填砂回填時(shí)間5-7d。熱棒安裝整齊劃一，路基同側(cè)的熱棒應(yīng)在同一平面內(nèi)。作好現(xiàn)場設(shè)備、管線的防護(hù)工作。清理場地與驗(yàn)收熱