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青藏高原多年冻土地区铁路建(构)筑物


摘要:青藏铁路要穿越约560km(西大滩~安多)高原多年冻土地区和210km(安多以南)零星分布的岛状多年冻土地区;该地区在含水量较大的粘性土状况下,普遍分布有厚度较大的水平冰层,体积含冰量大于80%,最厚达5m,其顶面一般即为多年冻土上限。由于埋藏较浅,极易受地表条件和气候变化的影响,冻融滑塌是高原冻土的突出现象,亦是造成各类建(构)筑物病害的主要原因之一。本文作者在对全国各类建(构)筑冻害实地调查总结和进行了二十多年青藏高原腹地风火山的各类实体试验工程研究的基础上,同时吸收其它行业在高原多年冻土地区实施工程建设的经验与教训,借鉴国外多年冻土地区工程建设的先进经验,对将要修建的青藏铁路路基、桥梁、涵洞、隧道、站场、房屋建筑物、构筑物等工程地基基础类型的选择及施工工艺提出了设计原则及建设性意见。
   关键词:青藏铁路    地基基础选型
       1.0 概况
       青藏高原多年冻土地区处于地球的中纬度地带,该地区海拔高度一般在4000m以上,气温比其它中纬度地区低的多,全年地表冻结期长达7~8个月(从每年9月至第二年的4~5月),即使在暖季,夜间地表也有短暂的冻结现象,除了温泉出露带和大河河床下有融区外,多年冻土呈大面积连续分布,其存在主要受当地海拔高度的控制,并呈明显的垂直分带规律。
   青藏铁路二期工程格尔木至拉萨段要穿越560km(西大滩至安多)高原多年冻土地区和210km(安多以南)零星分布的岛状多年冻土地区。该地区在含水量较大的粘性土状况下,普遍分布有厚度较大的水平冻层,体积含冰量大于80%,最厚达5m,其顶面一般即为多年冻土上限,由于埋藏较浅,极易受地表条件和气候变化的影响,其生态环境的脆弱性表现极强,融冻滑塌及热融沉陷是高原冻土的突出现象,亦是造成各类建(构)筑物病害的主要原因。
        高原缺氧及气压低是高原多年冻土地区有别于高纬度多年冻土地区的另一自然客观现实;缺氧使的人的体力、耐力以及工作效率大幅度下降,而工程机械尤其是内燃工程机械则以海拔每升高1000米,功率下降8~10%的梯度递减,这种状况已在高原多年冻土地区试验工程中得到充分证明。修建青藏铁路的重要意义不言而喻,从五十年代中期至今,其研究、调查、勘测、设计前后历时四十多年;尽管由于多种因素,时断时续,但从未中止;尤其是五十年代初青藏公路的修建,六十年代东北多年冻土地区牙林线和嫩林线的建设,七十年高原多年冻土腹地风火山大规模铁路试验工程的实施以及八十年代青藏公路的改建,都为高原多年冻土地区修筑铁路提供了大量的成功经验和应吸取的教训;本文作者作为中国第一本“多年冻土地区建筑地基基础设计规范”的主要编写人之一,在九十年代中期又对中国各类建(构)筑物冻害进行了大范围实地调查,结合各类实体试验工程的研究成果,借鉴国外多年冻土地区工程建设的先进经验,并基于当今科技水平及施工技术的提高和发展,各类新型施工机械和新型建筑材料的不断涌现,经过认真分析研究,吸取消化,同时将设计、施工、运营等问题一并考虑;对将要修建的青藏铁路二期工程从选线原则、路基设计施工、桥梁涵洞基础、隧道设计施工、站场地基、房屋建筑物地基基础、构筑物地基基础提出下述设计原则。
   2.0 选线原则及路基工程
   2.1 选线原则
       合理选线是青藏铁路二期工程建设的首要问题,由于本段线路通过长距离的高原和多年冻土地区,海拔4000m以上地段占86%,多年冻土及岛状多年冻土地段占全线70%,而且沿线地广人稀,没有大的货物集散地,基本上为内地与西 藏货物交流的通过车流;所以在列车重量、速度、密度的组配上,应以提高速度,缩短列车通过高海拔(4000m以上)地区的运行时间为立足点;为此,要充分发挥牵引动力的作用,合理加大最小曲线半径,加强轨道强度,在运输设备上努力提高现代化水平,建立适应高原铁路的先进铁路技术体系,减少线路维修工作量和运营管理人员。
   鉴于近年来唐古拉山以南部分地区雪害严重的情况,选线过程中对本线建成运营后的防灾救灾工作要给予充分关注,在线路、地质、路基、桥梁、隧道各专业之间充分协商、综合选线的前提下,线路应尽最大可能靠近即有公路。
   丘陵地段,线路宜高不宜低,最好从缓坡的上部通过;河谷地段,线路宜选择在较高阶地上;不良地质地段定线的原则是从厚层地下冰分布的上方边缘或从热融滑塌体的下方以高路堤通过,对可能产生热融滑塌范围采取工程措施予以防护;在地下水发育地区,应注意路基可能改变地质状况而产生冰椎、冻胀丘的可能性。
   冰丘、冰椎地段,线路宜在其下方通过,有困难时,采用桥梁跨越。
      2.2 路基工程
       路基工程在高原多年冻土及岛状冻土地段均应严格采用保护冻结状态的设计原则,尽量减少挖方,注意避免低填浅挖及零断面,一般地段路堤最小高度不小于1.40m;地表潮湿及排水困难地段,路堤最小高度不得小于2.0m,且基底必须采用砂卵(砾)石进行换填,其厚度1.0~1.5m且不大于天然上限,为防止地表水入渗基底,需在砂卵(砾)石垫层表面铺设二~三层土工布,并夯填30cm厚的粘土隔水层。
   当路基设在丘陵缓坡地段,且基底地下水发育,为避免路堤上方产生春融隆胀丘,堤下必须采用砂、砾石换填,其换填厚度不小于天然上限,沿路堤方向的换填长度不小于10m,不大于15m,换填与不换填段间隔以10m为宜,分段实施。
   地下冰,冻胀性土地段的低填、浅挖和零断面,应根据地质情况,采取换填措施,必要时调整线路纵坡,亦可采用凸形竖曲线予以解决。
   路堑地段应特别注意,路堑基层的换填要求与上述要求相仿,为防止路堑边坡滑塌,建议采用双层网喷柔性防护新技术,不再设置重力式路堑挡墙。
   应该特别强调的是路基设计过程中,必须强化环保意识,保护天然植被和草皮,取土地点要远离路基坡脚,在高原多年冻土及岛状冻土地段必须集中取土,坚决消除一条路堤两侧融沟的现象,使脆弱的多年冻土地区生态环境得以保护。
   3.0 桥梁、涵洞工程
   3.1 桥梁工程
       在高原多年冻土及岛状冻土地段,除无地下水、地表水,地基为粗粒土或裸 露基岩外,桥梁基础类型优先采用桩基,针对青藏高原缺氧严重施工条件恶劣的状况,根据调查和试验结果,钻孔灌注砼桩──这种工效较高、劳动强度低、施工方便、施工速度快的基础形式应重点推广,但施工过程中必须严格按照设计规定的数量及品种添加低温砼速凝剂。
   在勘测过程,桥址地形及地质状况必须详细准确,根据嫩林线、牙林线及青藏公路沿线桥梁冻害的调查研究结果,桥梁设计除了遵循现行规范外,在多年冻土及岛状多年冻土地区尚应注意以下事项:
   桥梁上部结构即梁与桥台之间,梁与梁之间的伸缩缝应大于现行规范规定值2~3倍。
桥台基础在卵石土状况下,可以采取一般措施进行处理,若地质条件较差,则应比照桥墩基础进行设计,但台后填土必须采用粗颗粒土(非冻胀性土),沿线路方向路堤填筑粗颗粒土的长度不得小于50m,以避免路堤线性冻胀造成桥台向河心方向推移;解决桥台推移问题的另一种方法是在桥梁纵断面设计时,适当延长桥长,使桥台退居岸线后侧20~25m,河岸边坡采取轻型防护,台后采用粗颗粒土的路堤长度则可减少为20m。
       3.2 涵洞工程
      相对于桥梁来讲,涵洞属于小型工点,但全国冻实调查结果表明,无论公路还是铁路,在多年冻土地区是发生冻害最多的工程;拼装式小桥涵、对于变形比较敏感的拱涵、抗冻胀性较差的砌体涵和盖板涵,在高原多年冻土地区原则上不宜采用;一般情况下,应尽量采用抗变形能力较好的框架箱涵,出入口采用一字墙,同时涵洞基础用粗颗土予以换填,换填深度以天然上限为界;经过技术经济指标比较后,亦可采用金属波纹管涵;涵洞进出口高差加大或排水坡率比现行规范规定值提高1~2个百分点。
       4.0 隧道工程
       隧道本身结构的受力不存在太大问题。但在多年冻土地区,尤其是铁路隧道,其设计中的防水隔水构造措施必须加强,且施工质量至关重要,现状运营中的铁路隧道产生冻害的主要表现为:边墙与拱顶交接处沿施工缝漏水、渗水挂冰,由于隧道洞中与洞口的温、差,漏水使得洞口轨面结冰,边墙挂冰;严重的,侵入限界,造成列车无法通行,沿施工缝渗水产生的冰楔作用造成边墙脱落掉块,并逐渐发展;据现场实测,最大挂冰厚度达40cm以上。轨道结冰后对列车的安全行驶造成威胁。
   隧道设计中对施工缝处的防水隔水措施必须予以加强,为了改善衬砌的受力状态以及万一产生冻害时方便治理,建议设计时边墙以曲墙替代直墙;洞中泄水沟、洞应采取保温措施,至少引至洞口百米以外。
       5.0 站场工程
      青藏线二期工程除起点格尔木,终点拉萨站以外,沿线均为中间站,凡设在多年冻土及岛状多年冻土地段内的车站站坪填土高度不得小于1.4m,车站要避免设在挖方地段,站场排水以明沟为好;其设计可借鉴多年冻土地区渠系设计规范来进行。
       6.0 房屋建筑物工程
      在多年冻土地区房屋建筑物地基与基础,无论东北各线还是青藏高原,试验工程最多,历时最长;五十、六十、七十、八十年代均有大量工程实践,以七十年代中期青藏线风火山各种类型房屋基础试验工程为标志,中国在高原多年冻土地区房屋基础形式基本定型,即单层房屋以低填通风基础为好,多层房屋以架空桩基基础最为成功,因此青藏铁路二期工程沿线车站房屋设计应以此原则。
       7.0 各类构筑物基础工程
      多年冻土地区各类构筑物基础的设计务必给予足够重视,围墙、大门门墩、电杆基础、信号柱基础、管道支架等当属此类,千万不可因为此类构筑物较小,而掉以轻心;东北及高原多年冻土地区此类构筑物的大量破坏,均属基础设计不当造成。
   此类构筑物的地基除基岩裸 露的情况外,均应采用粗颗粒土换填,基础设计应严格进行抗冻胀性计算,并采取抗冻胀性构造措施,施工中不得随意简化程序,以确保工程质量。
       8.0 结束语
       各类建(构)筑物的基础十分重要,尤其是高原多年冻土地区,其一旦发生破坏,即无法恢复原状,维修亦十分困难;所兴的是四十多年以来,经过几代无数科技工作者的研究和工程技术人员的实践,大部分工程技术问题都已得到解决,相信随着科学技术的进步及研究工作的进一步深化,中国第一条高原多年冻土地区的铁路会建设的很好。
作者:凯凯
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强烈的支持你
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“小姐,你喜不喜欢吃青椒诶?”
谢谢楼主你的分享,很不错
楼主,太爱你了。
谢谢你啊,好帖子不顶不行
谢谢楼主啦~~~~
谢谢您阿,我非常高兴
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