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

0 引言

和路基相比，樁基礎作為冷結構對地溫場擾動小，承載力高，抗變形能力強，施工季節靈活，對不同地形地貌和惡劣地質條件的適應性強，后期維護少且使用壽命長，加上其對環境破壞小，兼具動物遷徙通道功能，被廣泛應用于多年凍土區［1］。青藏鐵路在高含冰量、極不穩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設計規范（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鐵路的運營安全和運營水平［2-3］。借鑒青藏鐵路的成功經驗，青藏直流輸電工程中也廣泛采用了錐柱、現場灌注等多種形式的樁基礎，同樣取得了良好的工程效果［4-5］。多年凍土區樁基礎與非多年凍土區樁基礎不同之處在于：以依附環境溫度為生存條件的多年凍土區中，凍土溫度的高低、含水（冰）量的多少是決定樁基礎強度和穩定性的關鍵。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［6］。

對于凍土區的打入樁而言，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定的粗顆粒土上［7］。多年凍土區的附加凍結強度取決于凍土溫度、土質類型、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］。對于凍土區的鉆孔灌注樁而言，樁基的承載力包括側摩阻力、凍結力、樁端阻力和殘余摩阻力?，F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計考慮的關鍵指標。在高溫多年凍土區（>-1 ℃），如果地基土融化后是穩定的，可以按照融土來設計［8］。在融化后不穩定的凍土地區，必須預先融化、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。在處于多年凍土區過渡帶的極高溫凍土區，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的融土層。如果在夏季施工入模溫度較高的混凝土，可能導致樁基礎區域內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，且持續時間更長［14-15］。低溫凍土區，入模50 天后，樁身溫度顯著高于天然場地；高溫凍土區，入模100天后，試樁還未完全回凍［16］。鋼筋混凝土的導熱系數較高，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］，并進而導致樁基和多年凍土之間附加凍結力的減?。?2］，危害樁基礎的穩定。

青藏鐵路唐古拉山多年凍土區1401 旱橋樁基發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，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）

距該旱橋南側約40 km 的氣象站1998—2006年數據表明，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，年均蒸發量大于1 700 mm，定時最大風速28.6 m·s-1，瞬時最大風速40.0 m·s-1，屬高原大陸性半干旱氣候區。該旱橋地處大片連續多年凍土區，沿著活躍斷層的地下水流或異常地熱也會導致多年凍土的完全退化［24］，間歇分布著地質構造或湖塘融區［25］。

橋址區地面高程5 035～5 040 m，局地地形較為平緩，植被蓋度整體在10%以下。在樁基南側邊坡的坡腳部位，發育著沼澤化草甸。旱橋西北側有一小河，距離旱橋約60 m，溝內常年有流水，水量隨季節波動較大［圖1（b）］。地下水由凍結層上水及凍結層下水構成。凍結層上水分布連續，埋深隨季節變化較大，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，受左側斜坡坡面水、大氣降水補給，向右側沖溝排泄，水量受季節影響較大。凍結層下水主要賦存于侏羅系泥灰巖節理裂隙中，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，凍結層下承壓水水頭高度最高為0.10～0.20 m［28］。

橋址區表層為第四系全新統冰水沉積松散堆積層，下伏侏羅系泥灰巖。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）。泥灰巖為下伏基巖，泥質膠結為主，局部夾鈣質膠結夾層，黏土礦物含量高，巖質較軟，成巖差［28］。

橋址區多年凍土發育，上限以下主要為飽冰凍土、富冰凍土，局部發育有多冰凍土和含土冰層，年平均地溫分區為高溫極不穩定區TCP-Ⅰ，融沉分級為Ⅳ級強融沉［28］。多年凍土層地層以泥灰巖為主，僅在上部有薄層卵礫石層。該路段在原設計中采用的是路基，勘察中發現該路段地處高溫高含冰量多年凍土區，后來被調整為旱橋?？紤]到青藏高原地區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（下坡側）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現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狀及趨勢，2009 年1 月開始對這些墩臺開展沉降變形監測。監測樁基沉降的基準點固定于一根埋深15 m的鋼管上，距離樁基礎約20 m。為了防止鋼管的凍拔，鋼管穿在一個PVC 套管內，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。沉降觀測點設在各墩的承臺處。

2009 年的監測結果表明，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生規律，2007—2009 年底的工后沉降應大于80 mm 的工后沉降設計限值。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、對現有工程擾動小且對施工場地要求較低，在青藏鐵路建設和后期補強階段都得到了廣泛應用，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#墩北側沉降116 mm、東側145 mm、南側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#墩承臺東西兩側各增設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。

以上監測數據證實，當前的加固措施發揮了較好的穩定效果，1401旱橋樁基已基本穩定。

3 病害原因探討

該旱橋樁基的承載力在設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計值。對于少冰凍土而言，凍土融化不會產生融沉問題，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計值；對于高含冰量凍土而言，凍土退化將導致地面的沉降變形［29］。假設凍土退化后，樁基沒有下沉，那么發生下沉的那部分土層將對樁基形成負的摩阻力，導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，且富冰凍土及飽冰凍土發育，凍土退化勢必產生沉降變形。

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測場地活動層厚度處于持續增加過程，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，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 年的氣溫數據來看，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旱橋橋址區的凍土上限在2.5～3.3 m，2010 年病害勘察發現，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#墩下游側又施工泄壓井一眼，同時對病害旱橋又增設了幫樁予以加固。此次病害治理期間，凍結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，富冰及飽冰泥灰巖地層的融化壓縮，樁端阻力下降，樁基承載減小，也可能是導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，沒有對樁基沉降構成顯著的危害。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成了較為明顯的熱侵蝕，導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，但是相鄰區域的凍土下限繼續抬升，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，在一年內也具有顯著的季節性。在每年的2 月到8 月，樁基基本穩定；在9 月到第二年的1月，樁基沉降變形快速增加（圖3）。這種變形規律同樣也與凍土的熱狀況有密切聯系。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生階段。

4 治理啟示

青藏鐵路1401 旱橋的樁基病害自2009 年監測、2010 年到2013 年期間的勘察和治理，直到2016年橋墩基本穩定，前后經歷了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量。為提高凍土區旱橋的運營水平，降低病害旱橋樁基的維護成本，預防以后類似問題的發生，結合該旱橋的病害治理過程及致災機理分析，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、設計階段充分重視多年凍土區旱橋樁基的設計。在高溫高含冰量多年凍土區，凍土層下有軟弱地層時，應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致凍結力、樁端阻力下降及負摩阻力出現，是樁基承載力下降、沉降病害發生的根本原因。為確保樁基穩定，在建設和運營階段，應盡可能避免對樁周凍土有嚴重熱侵蝕的工程活動。

（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生強烈的熱擾動，從而導致多年凍土的劇烈退化。

（4）在全球氣候變暖的背景下，應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的旱橋樁基開展至少每年一次的定期三維變形監測，以便在早期發現潛在病害樁基。

（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對中部至底部樁體及樁周凍土發揮冷卻作用。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。