對凍土環境的鐵路工程施工技術的研究

姬浩浩+田川

摘 要：凍土具有極不穩定性，且受多種因素影響--氣候、太陽輻射、地質地理條件等。凍土環境中路基常見病害為凍脹和融沉，其主要受地下冰變化的影響，在鐵路施工時可以采取的對應措施來預防路基病害的發生。

關鍵詞：凍土環境；影響因素；鐵路施工技術

1.凍土環境

凍土，顧名思義就是受凍的土，通常情況下水在0℃以下變成冰，而土體中含有巖石，故凍土是處于0℃或以下環境中含有冰的土體和巖石的統稱。根據凍結狀態的不同，把凍土分為季節凍土和多年凍土。

凍土是一種對溫度及其敏感而且物理性質極不穩定的地質體。其成分、組構、熱物理及物理力學性質與一般土體均有著大不相同的許多特點。因為凍土中含有冰，由于冰受溫度影響很大，溫度升高冰會熔化變為水，體積縮小，會導致凍土整體結構下陷、坍塌等，相反由水變成冰會使凍土“膨脹”也會使凍土變形；凍土還與土中含冰量有關，而含冰量又直接與溫度有關，它隨著溫度的升高而減少，造成凍土的力學特性發生巨大變化，并且溫度與多種因素相關，很難人為地控制，故在鐵路施工中凍土環境是需要克服的一大困難。

2.凍土環境對鐵路工程施工的影響

凍土在正負溫度交替變化過程中水分產生劇烈的相變，伴隨產生凍土體積的變化，表現在工程建設中就是凍脹和融沉變形，對路基的破壞極大，而凍土極不穩定，受自然環境、人為因素等的影響。

2.1常見的路基破壞問題

（1）凍脹問題

凍脹是因為當溫度降低達到水的凝固點時，土體和巖石中含有的液態水變成了固態的冰，體積膨脹增大而產生的，表現為地表的不均勻升高變形。伴隨著凍土的凍脹，在建筑基礎表面將產生凍脹力，從而產生凍脹變形，嚴重時將引起建筑物的破壞。

（2）融沉問題

融沉由于多年凍土里含有的冰融化成為水后體積縮小造成的。主要表現為路基下沉、路基向陽側邊坡和路肩開裂及下滑、路塹邊坡溜塌等，使建在多年凍土區的建筑物地基變形和破壞。

（3）地下冰

地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結果就會造成地下冰融化，導致路堤產生融化下沉破壞。由于地下冰受多因素控制，在空間上形成不均勻的和不同的含冰狀態，這種不同的含冰狀態直接影響著凍土路基的穩定，而富冰、飽冰凍土和含土冰層一旦融化就會產生巨大的下沉量對工程產生巨大的破壞。

2.2影響路基工程狀態的因素

凍土是地層通過地面與大氣之間進行水熱交換的產物，其水熱狀況受氣候和地質地理條件的制約。氣候是多年凍土水熱狀況變化的動力，地質和地理條件則會導致多年凍土水熱狀況發生空間分異。

2.2.1氣候條件

（1）氣溫：低溫（0℃及以下）可以保護凍土，穩定的氣溫對凍土環境穩定性的保持起到一定作用，另一方面，也給凍土區路基工程的正常運營帶來許多技術難題。

（2）降水：降水形成的地表徑流和入滲，攜帶大量的熱量向路基及基底多年凍土層傳輸，促使多年凍土融化，對路基工程人為上限的形成具有很大影響。

（3）積雪：積雪具有低導熱性和較大容積熱容量等特性，積雪覆蓋阻擋了地面的熱量散失，對多年凍土具有保溫作用；同時，積雪反射了80-90%的太陽輻射，在一定程度上延滯了外部氣候條件對多年凍土熱狀況的影響。

2.2.2太陽輻射

太陽輻射是地球表面的能量的主要來源，它是影響多年凍土熱狀況的重要外部因素。地面與大氣之間的熱交換關系呈線性關系，在自然條件下，地面溫度變化大的下墊面因對流換熱作用失去或獲得的熱量也大，這種巨大熱量的變化再加上多年凍土表面相對較低的地表反射率，使得多年凍土的表面在全年絕大部分時間處于吸熱狀態，從而對多年凍土的熱狀況造成很大影響。

2.2.3地質和地理條件

地質構造影響凍土的分布、溫度、厚度、地下冰的結構及形態組合。地質構造能夠影響大地熱流、巖性、地表和地下徑流、地形地貌變化和植被分布等，由此對多年凍土溫度和厚度產生深刻的影響。地質構造、構造運動性質及地質發育歷史對區域的巖性、表層堆積物性質和裂隙發育程度有相當大的控制作用，而巖性、表層堆積物類型和裂隙發育程度與多年凍土層中的冰體結構、類型及分布又有著密切的關系。

除此之外，水文地質條件、寒凍風化作用以及工程修建等因素引起的水熱環境的變化也會對凍土環境造成一定的影響。

3.凍土環境中的鐵路施工

3.1凍土環境施工原則

由上述分析可知，在鐵路施工時路基設計應遵循三項原則：保護凍土環境，控制凍土環境的變化，避免凍土發生強烈的變化。

（1）保護凍土

保持施工的路基在規定的使用年限內的熱穩定性。即人為上限始終控制在指定的深度范圍內，保持其下臥多年凍土的凍結狀態。

（2）控制融化

允許所設計的路基基底（或邊坡 ）的多年凍土在使用年限內產生局部融化，但是要經融化下沉變形量計算，將融化速率和深度控制在路基穩定性所允許的變形范圍之內。

（3）破壞凍土

在各種條件允許的情況下，將基底（或邊坡）多年凍土融化或清除（全部或達到設計深度），并將融化后的水份疏干，使凍土環境變成普通的土壤和巖石環境后再進行施工，該措施只適用于少冰凍土的環境，如解決路基施工時開裂和坡面積水等問題。

3.2鐵路施工指導建議

3.2.1路基病害預防施工技術

路基是由路堤、路塹及其交界處的填挖過渡段（淺塹、零斷面、低路堤）組成的。針對凍土的病害特點，貫徹以防為主，防治結合的原則。

常見凍土路基防融沉凍脹的辦法與技術：

（1）適當提高路基填土高度。用天然土保溫，這種方法價廉，可普遍采用；

（2）在路基埋設工業保溫層（UP、EPS等）。埋設5cm左右的保溫板；

（3）埋設通風管。在路堤中埋設混凝土橫向通風管，可以有效降低路基溫度；

（4）采用拋石路基。即用碎塊石填筑路基，利用填石路基的通風透氣性，隔阻熱空氣下移，同時吸入冷量，起到保護凍土的作用；

（5）在少數極不穩定凍土地段修建低架旱橋，工程效果有保證，但造價高；

（6）地基土換填。用粗砂、礫石等粗粒土置換凍脹性或融沉性地基土；

（7）采取排水隔水措施。

3.2.2施工過程注意事項

（1）應該選擇低溫耐久的混凝土，水熱化程度小的水泥材料。水泥優先采用普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥。

（2）控制混凝土的拌合。采取保溫棚內設置火爐、調節拌和水溫等控制拌和溫度?；炷翍邪韬?、集中供應、禁止分散拌和。拌制混凝土用骨料應清潔，不得含有冰、雪、凍塊及其他易凍裂物質。

（3）混凝土養護施工。采取防風防凍，或者是蓄熱養護措施，在混泥土達到一定抗凍強度后方可拆除模板。

（4）路基填料采用非凍脹性AB料，路基填筑采用草席子覆蓋，白天攤平碾壓，禁止晚上作業；

（5）在路塹地段挖除換填到設計標高，如果還有凍土，采用設計變更或一直挖到凍結深度以下；

（6）水溝采用保溫出水口，涵洞冬修要回填基坑保溫，防治凍脹；

（7）下雪后第一時間安排機械清理路基積雪，防止融化成水又結冰。

4、結束語

凍土物理特性極不穩定，且受多因素影響，給凍土環境施工造成極大阻礙，路基病害層出不窮。但如今技術越來越先進，相信貫徹以防為主，防治結合的原則，路基病害能夠得到有效控制。

參考文獻：

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