对冻土环境的铁路工程施工技术的研究

姬浩浩+田川

摘 要：冻土具有极不稳定性，且受多种因素影响--气候、太阳辐射、地质地理条件等。冻土环境中路基常见病害为冻胀和融沉，其主要受地下冰变化的影响，在铁路施工时可以采取的对应措施来预防路基病害的发生。

关键词：冻土环境；影响因素；铁路施工技术

1.冻土环境

冻土，顾名思义就是受冻的土，通常情况下水在0℃以下变成冰，而土体中含有岩石，故冻土是处于0℃或以下环境中含有冰的土体和岩石的统称。根据冻结状态的不同，把冻土分为季节冻土和多年冻土。

冻土是一种对温度及其敏感而且物理性质极不稳定的地质体。其成分、组构、热物理及物理力学性质与一般土体均有着大不相同的许多特点。因为冻土中含有冰，由于冰受温度影响很大，温度升高冰会熔化变为水，体积缩小，会导致冻土整体结构下陷、坍塌等，相反由水变成冰会使冻土“膨胀”也会使冻土变形；冻土还与土中含冰量有关，而含冰量又直接与温度有关，它随着温度的升高而减少，造成冻土的力学特性发生巨大变化，并且温度与多种因素相关，很难人为地控制，故在铁路施工中冻土环境是需要克服的一大困难。

2.冻土环境对铁路工程施工的影响

冻土在正负温度交替变化过程中水分产生剧烈的相变，伴随产生冻土体积的变化，表现在工程建设中就是冻胀和融沉变形，对路基的破坏极大，而冻土极不稳定，受自然环境、人为因素等的影响。

2.1常见的路基破坏问题

（1）冻胀问题

冻胀是因为当温度降低达到水的凝固点时，土体和岩石中含有的液态水变成了固态的冰，体积膨胀增大而产生的，表现为地表的不均匀升高变形。伴随着冻土的冻胀，在建筑基础表面将产生冻胀力，从而产生冻胀变形，严重时将引起建筑物的破坏。

（2）融沉问题

融沉由于多年冻土里含有的冰融化成为水后体积缩小造成的。主要表现为路基下沉、路基向阳侧边坡和路肩开裂及下滑、路堑边坡溜塌等，使建在多年冻土区的建筑物地基变形和破坏。

（3）地下冰

地下冰最为集中分布在多年冻土上限附近，修筑路堤后引起多年冻土上限变化，其结果就会造成地下冰融化，导致路堤产生融化下沉破坏。由于地下冰受多因素控制，在空间上形成不均匀的和不同的含冰状态，这种不同的含冰状态直接影响着冻土路基的稳定，而富冰、饱冰冻土和含土冰层一旦融化就会产生巨大的下沉量对工程产生巨大的破坏。

2.2影响路基工程状态的因素

冻土是地层通过地面与大气之间进行水热交换的产物，其水热状况受气候和地质地理条件的制约。气候是多年冻土水热状况变化的动力，地质和地理条件则会导致多年冻土水热状况发生空间分异。

2.2.1气候条件

（1）气温：低温（0℃及以下）可以保护冻土，稳定的气温对冻土环境稳定性的保持起到一定作用，另一方面，也给冻土区路基工程的正常运营带来许多技术难题。

（2）降水：降水形成的地表径流和入渗，携带大量的热量向路基及基底多年冻土层传输，促使多年冻土融化，对路基工程人为上限的形成具有很大影响。

（3）积雪：积雪具有低导热性和较大容积热容量等特性，积雪覆盖阻挡了地面的热量散失，对多年冻土具有保温作用；同时，积雪反射了80-90%的太阳辐射，在一定程度上延滞了外部气候条件对多年冻土热状况的影响。

2.2.2太阳辐射

太阳辐射是地球表面的能量的主要来源，它是影响多年冻土热状况的重要外部因素。地面与大气之间的热交换关系呈线性关系，在自然条件下，地面温度变化大的下垫面因对流换热作用失去或获得的热量也大，这种巨大热量的变化再加上多年冻土表面相对较低的地表反射率，使得多年冻土的表面在全年绝大部分时间处于吸热状态，从而对多年冻土的热状况造成很大影响。

2.2.3地质和地理条件

地质构造影响冻土的分布、温度、厚度、地下冰的结构及形态组合。地质构造能够影响大地热流、岩性、地表和地下径流、地形地貌变化和植被分布等，由此对多年冻土温度和厚度产生深刻的影响。地质构造、构造运动性质及地质发育历史对区域的岩性、表层堆积物性质和裂隙发育程度有相当大的控制作用，而岩性、表层堆积物类型和裂隙发育程度与多年冻土层中的冰体结构、类型及分布又有着密切的关系。

除此之外，水文地质条件、寒冻风化作用以及工程修建等因素引起的水热环境的变化也会对冻土环境造成一定的影响。

3.冻土环境中的铁路施工

3.1冻土环境施工原则

由上述分析可知，在铁路施工时路基设计应遵循三项原则：保护冻土环境，控制冻土环境的变化，避免冻土发生强烈的变化。

（1）保护冻土

保持施工的路基在规定的使用年限内的热稳定性。即人为上限始终控制在指定的深度范围内，保持其下卧多年冻土的冻结状态。

（2）控制融化

允许所设计的路基基底（或边坡 ）的多年冻土在使用年限内产生局部融化，但是要经融化下沉变形量计算，将融化速率和深度控制在路基稳定性所允许的变形范围之内。

（3）破坏冻土

在各种条件允许的情况下，将基底（或边坡）多年冻土融化或清除（全部或达到设计深度），并将融化后的水份疏干，使冻土环境变成普通的土壤和岩石环境后再进行施工，该措施只适用于少冰冻土的环境，如解决路基施工时开裂和坡面积水等问题。

3.2铁路施工指导建议

3.2.1路基病害预防施工技术

路基是由路堤、路堑及其交界处的填挖过渡段（浅堑、零断面、低路堤）组成的。针对冻土的病害特点，贯彻以防为主，防治结合的原则。

常见冻土路基防融沉冻胀的办法与技术：

（1）适当提高路基填土高度。用天然土保温，这种方法价廉，可普遍采用；

（2）在路基埋设工业保温层（UP、EPS等）。埋设5cm左右的保温板；

（3）埋设通风管。在路堤中埋设混凝土横向通风管，可以有效降低路基温度；

（4）采用抛石路基。即用碎块石填筑路基，利用填石路基的通风透气性，隔阻热空气下移，同时吸入冷量，起到保护冻土的作用；

（5）在少数极不稳定冻土地段修建低架旱桥，工程效果有保证，但造价高；

（6）地基土换填。用粗砂、砾石等粗粒土置换冻胀性或融沉性地基土；

（7）采取排水隔水措施。

3.2.2施工过程注意事项

（1）应该选择低温耐久的混凝土，水热化程度小的水泥材料。水泥优先采用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥。

（2）控制混凝土的拌合。采取保温棚内设置火炉、调节拌和水温等控制拌和温度。混凝土应集中拌和、集中供应、禁止分散拌和。拌制混凝土用骨料应清洁，不得含有冰、雪、冻块及其他易冻裂物质。

（3）混凝土养护施工。采取防风防冻，或者是蓄热养护措施，在混泥土达到一定抗冻强度后方可拆除模板。

（4）路基填料采用非冻胀性AB料，路基填筑采用草席子覆盖，白天摊平碾压，禁止晚上作业；

（5）在路堑地段挖除换填到设计标高，如果还有冻土，采用设计变更或一直挖到冻结深度以下；

（6）水沟采用保温出水口，涵洞冬修要回填基坑保温，防治冻胀；

（7）下雪后第一时间安排机械清理路基积雪，防止融化成水又结冰。

4、结束语

冻土物理特性极不稳定，且受多因素影响，给冻土环境施工造成极大阻碍，路基病害层出不穷。但如今技术越来越先进，相信贯彻以防为主，防治结合的原则，路基病害能够得到有效控制。

参考文献：

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