多年冻土处理措施及应用

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1.中交基础设施养护集团有限公司北京100011

2.北京中咨恒通工程咨询有限公司北京100024

摘要：多年冻土的成因、类型和所处的环境各异，所处地区的公路建设也面临重大的挑战，影响路基稳定的最大问题是热融沉陷以及由此引发的一系列病害问题，在工程建设过程中，以保护冻土为原则，尽量以路堤形式通过多年冻土路段，采取一定的措施预防冻土上限下移；必须要对原有地层进行开挖时，要对基底一定范围内进行换填处理，保证路基无冻涨、无热融下沉的隐患。本人结合从业10年来的设计与施工配合经验，介绍冻土的分类、临界填土高度以及处理措施，并且结合工程实例，介绍冻土处理措施在设计和施工中的应用，阐述了实施过程中存在的问题及解决的方法。

关键词：冻土分类，通风片石路基，热棒，保温板，工程实践

一、前言

为响应习近平总书记提出的建设“一带一路”倡议，打通亚欧非大陆互联互通的核心通道，加强“丝绸之路经济带”的基础设施建设，由东向西将跨越青藏高原、帕米尔高原等高寒高海拔地区。

目前，我国青海、西藏两省地处高寒高海波地区，是国家高速公路网尚未连接的“孤岛”，由于交通基础设施比较落后，地广人稀、物资缺乏，严重影响了当地的社会经济发展。

交通基础设施的建设面临的重大难题之一就是多年冻土地区地基该如何处理，以保证公路建成通车后地基稳定，有效避免地基融沉，延长公路的使用寿命。

二、多年冻土分区及判断依据

多年冻土是指冻结状态持续两年或者两年以上的土石，在我国主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭以及西部局部高山地带，影响多年冻土区工程稳定性的因素有很多，例如：多年冻土区土层厚度、年平均地温、冻土类型、融沉等级、等。

1、多年冻土天然上限

多年冻土天然上限是冻土区工程处理深度的重要依据，上部冬冻夏融的活动层是公路工程地基处理的主要部分，下部是终年不融的多年冻土层，在设计与施工过程中尽量不干扰这一层，不人为的降低天然上限，多年冻土天然上限可通过地质钻孔、探坑（槽）判断，也可以通过地温来来测定。

2、多年冻土地温分区

依据多年冻土年平均地温Tcp值，将多年冻土区划分为高温极不稳定多年冻土亚区（Ⅰ）、高温不稳定多年冻土亚区（Ⅱ）、低温基本稳定多年冻土亚区（Ⅲ）和低温稳定多年冻土亚区（Ⅳ）四种类型：

当Tcp≥-0.5℃时，为Ⅰ区高温极不稳定多年冻土亚区

当-1.0≤Tcp＜-0.5℃时，为Ⅱ区高温不稳定多年冻土亚区

当-2.0≤Tcp＜-1.0℃时，为Ⅲ区低温基本稳定多年冻土亚区

当Tcp＜-2.0℃时，为Ⅳ区低温稳定多年冻土亚区

3、多年冻土类型

地基处理方案主要以多年冻土类型为依据，冻土类型的判断以含冰量（iv）大小为标准的判断，具体类型如下：

少冰冻土：iv≤10％多冰冻土：10％＜iv≤20％

富冰冻土：20％＜iv≤30％饱冰冻土：30％＜iv≤50％

含土冰层：iv＞50％

4、多年冻土融沉特征

评价多年冻土区基础稳定的重要指标就是其融沉特性，含冰量不同，其融沉特性不同，工程中将冻土的融沉划分为5级，具体类型如下：

少冰冻土：Ⅰ级，不融沉多冰冻土：Ⅱ级，弱融沉

富冰冻土：Ⅲ级，融沉饱冰冻土：Ⅳ级，强融沉

含土冰层：Ⅴ级，融陷

三、多年冻土处置措施

多年冻土区的治理以预防为主、治理的为辅的原则，减少对多年冻土的扰动，路线选线时应结合地形、地貌、水文、地质等特征尽量避让多年冻土区，或以最短距离通过；路线经过多年冻土区时遵循宁填勿挖的原则，高填深挖路段与桥隧方案进行比选。

1、路堤填土高度计算

路基最小填土高度H0：

Ht为冻土天然上限；y为设计路基时的年份

路基设计临界高度Hs

M为冻土类型修正系数；λu为路堤填料在融化状态下的导热系数；HR为路基合理高度计算值；S为季节融化层压缩沉降量；△t为道路设计年限。

2、处治措施

在路线设计时为满足工程技术标准、工程经济合理的要求时，避免不了要经过多年冻土区，那就要根据冻土区的地温、冻土类型、冻土厚度、冻土上限以及路基高度等因素采用不同的设计原则进行分段设计。

（1）以保护冻土为原则

对于年平均地温较低，属于低温基本稳定和低温稳定多年冻土区的路段，受季节、外部温度影响较小，较为稳定，故以保护冻土为原则，采用的主要措施为设置隔热层，隔热层是利用工业隔热材料，铺设在路基范围内，增加路基热阻，减少路基下多年冻土的吸热量，在一定时间内保护多年冻土的作用。

（2）以主动冷却、综合治理为原则

对于年平均地温较高、冻土厚度较大且含冰量较高的多年冻土区段，地基受外界影响较大，且融沉严重易造成严重路基病害，此种路段采用以主动冷却、综合治理为原则，采用的主要措施有以下三种措施。

通风片石路基是采用10～25cm大小的坚硬岩石在路堤范围内铺筑1～1.5m厚的空气对流层，在温度和重力的作用下完成空气的热交换。

通风管路基是将钢筋混凝土预制管埋置与路基中，作用机理与通风片石路基相同。

热棒是通过其内部工质的蒸发和冷凝循环的过程，将多年冻土中的热量带到路基外侧，散发到大气中，降低多年冻土内部的温度，防治多年冻土融化。

（3）以控制融化速率为原则

对于少冰、多冰冻土区段，冻土融化后不会对路基造成严重病害的路段可采用控制融化速率的原则，逐渐使冻土融化进而使其消失，采用的主要措施有通风片石路基、通风管路基等。

（4）以预融冻土为原则

对于地温较高且冻土层不厚的区段，以预融为为原则，彻底消除冻土给路基带来的隐患，即将现有冻土进行翻挖或者换填，换填材料选择不冻涨或弱冻涨的土石填料。

四、工程实践中的应用

2016年本人参与国道213线祁连县城叉路口至大通河桥段公路改建工程施工图设计，主要负责沿线特殊路基的设计，本项目特殊路基种类较多，主要有滑坡、泥石流、涎流冰和多年冻土，针对本次论文研究方向，主要介绍一下多年冻土在工程实践中的处理措施以及实施过程遇到的问题及解决方案。

1、项目简介

本项目位于青海省祁连县境内，原路为三级公路，现升级改造为二级公路，地处高寒牧业区，海拔在2720m～4120m之间，相对高差大，自然横坡较陡。区内冻土较为发育.主要集中在K20+000-K62+000路段内，即大冬树山至终点段，该段冻土主要表现为连续多年冻土及少量不连续多年冻土，其它路段经过区域多为季节冻土区，局部地段通过冻土岛。沿线冻土主要为高温不稳定型冻土和高温极不稳定型冻土，其中高温不稳定型冻土区年平均地温约为－0.6℃～－0.7℃左右，分布在K23+000-K31+000（即大冬树山隧道进出口附近）的连续多年冻土区，其它不连续多年冻土则属于高温极不稳定型冻土。

本文以K23+000-K31+000段为例对多年冻土展开进一步的研究，本段为新建路段，根据地勘报告，隧道进口前的冻土主要集中在大冬树山阴坡，该段冻土属于高海拔多年连续饱冰冻土，冻土上限深度为3.5～4.0m，冻土层厚度约40m，室内测试含水率为34.24%，融沉类别属于强融沉。因冻土深度较大，随季节性温度变化易出现冻胀与融沉现象，对公路危害较大。隧道出口段冻土主要集中在大冬树山阳坡，海拔3890m～3937m，地表多为冻拔现象产生的小鼓丘，凹凸不平，根据挖探及钻探结果显示，该段冻土属于高海拔多年连续饱冰冻土，冻土上限为0.5m，冻土层厚度约40m，室内测试含水率为34.58%，在空间上可见一定量的分凝冰、土相间分布，冻深较大，随季节性温度变化，冻胀及融沉现象明显，对公路及隧道危害较大，地质条件较差-极差。

2、设计方案

冻土地段路基设计尽量以填方路基为主，纵面坚持以低指标适应保护冻土的原则，尽量保证多年冻土区路基最小填高，应灵活采用纵面指标，通过控制填土高度的方式保证路基稳定。但为了满足路线纵坡需要，不可避免的产生冻土挖方段。冻土处理原则如下：

（1）路堤设计

根据地勘资料，本段冻土类型为富冰、饱冰冻土及含土冰层。冻土热稳定类别为高温不稳定冻土。冻土天然上限为1.5m～3m。根据路基设计规范推荐公式计算，冻土路基上临界高度以3.0m（刨冰冻土段3.3m）控制，下临界高度以2.8m（刨冰冻土段3.0m）控制。不同路基高度采取不同的处理方案，根据具体情况采用如下处理方式：

对于富冰、饱冰路段，当填高H≥2.8m（饱冰冻土段3m）时，未通过水草沼泽时填筑30cm砂砾，通过水草沼泽时填筑50cm砂砾，冲击碾压入地面。上部填30cm砂砾，碾压后，设置1.0～1.5m片块石通风层，并分两层铺筑，下层厚度0.8～1m规格不小于20cm的片块石，上层为0.2～0.5m规格10cm～15cm的片块石，片块石要求为弱风化或未风化新鲜硬质岩石，块石单轴饱和抗压强度不小于30MPa，压碎值不大于25%。通风片石层上部用20cm厚碎石整平，粒径在1～3cm之间，其顶部填筑30cm砂砾垫层，砂砾层与碎石整平层间铺设透水土工布，砂砾层上部布设双向塑钢土工格栅。在碾压时压路机的线压力与块石的抗压强度限制要匹配，避免骨架结构被破坏。

对于富冰、饱冰路段，当填高H＜2.8m（饱冰冻土段3m）时，未通过水草沼泽时基底换填80cm厚砂砾，换填坡度开挖成1：1，其下部设置一层隔水土工布，地面设置2%横坡，换填基底设置∅25带孔PVC管，排水管与排水系统顺接。冲击碾压均不清除地表草皮，采用冲击压路机进行碾压，将砂砾挤入地面以下，下路床顶面设置一层XPS保温板，厚度6cm。

对于含土冰层路段，路基未通过水草沼泽时填筑30cm砂砾，通过水草沼泽时填筑50cm砂砾，冲击碾压入地面。冲击碾压均不清除地表草皮，采用冲击压路机进行碾压，将砂砾挤入地面以下。位于土路肩外侧边缘，设置热棒。热棒沿路线走向，左右两侧交错布置，间距为4m。热棒适用于填方高度≤8m的路段，同时应埋置在多年冻土上限以下2.5m，可靠工作年限不低于20年，热棒应在钻孔完成后及时安装，如不能及时安装应对钻孔采取临时保护措施；在热棒吊装过程中，要保护好冷凝段翅片、蒸发段底部以及防腐涂层，以免影响热棒的使用效果。

（2）路堑设计

路堑段由于多年冻土被开挖裸露，夏季路基易热融沉陷，冬季则出现路基路面冻胀。当有地下水存在时，还会形成边坡挂冰，涎流冰上路等病害，因此冻土路段路堑边坡处理遵循保护多年冻土的原则进行设计，采取路床底部换填块片石的措施。

换填厚度H=安全系数*冻土天然上限*保温材料导热系数/土基融化状态导热系数。

对于富冰、饱冰路段，路床范围应进行换填砂砾处理，换填宽度延伸至碎落台范围内。换填坡度开挖成1：0.5，其下部设置一层隔水土工布，地面设置2%横坡，换填基底设置∅25带孔PVC管，排水管与排水系统顺接。路堑边坡采用黏性土换填，换填厚度为30cm，坡顶设置200cm宽粘性土栏水埂，坡面采用植物边坡防护。同时在下路床顶面及路堑边坡换填层底面设置一层XPS保温板。

含土冰层路段的挖方路基处理方式除在碎落台设置热棒外，其他与富冰、饱冰冻土路段处理方式一致。热棒应埋置在多年冻土上限以下2.5m，可靠工作年限不低于20年，热棒沿路线走向，左右两侧交错布置，间距为4m。

3、施工中遇到的问题及解决方案

本项目于2017年5月开工，大冬树山隧道进出口处施工是在2017年12月份，是全年温度较低的月份，日最高气温4℃，最低气温-22℃，比较适合冻土地区施工。

在施工中，对于通风片石路基，由于片石的抗压强度与压路机的线压力匹配不好，容易造成块石的破碎，失去了通风的效果，从施工角度出发，工程质量不好控制，根据现场情况以及专家讨论决定将通风片石路基取消，采用弱冻涨的沙砾进行路基填筑，加强对此处的路基以及冻土上限进行观测，若有路基变形或冻土融沉现象，及时采取措施进行治理。

对于设置XPS保温板路段，由于此种材料与碎石、沙砾等土工材料衔接性差，且其作为一种工业材料强度低，车辆荷载直接作用在其上是不可能的，若在其上铺筑沙砾层太薄保温板容易被压碎，太厚的话又不能保证压实度，在施工中保温板的压实问题需要进一步进行研究，目前对路堑段换填厚度加厚，取消了XPS保温板。

结束语

多年冻土地区的工程建设属于世界级难题，为攻克这个世界难题，我国以青海省共和至玉树高速公路为依托，实施青藏高原G214干线公路升级改造科技示范工程，目前已形成了完善的技术攻关和科技创新工作体系，在设计与施工中还缺乏实践经验，以及技术的推广。

因此，需要我们设计以及施工的工作者在实践过程中寻找问题，在问题中找方法，在方法中总结经验，为高寒、高海拔地区的工程建设提供强有力的知识储备和技术力量，让多年冻土地区的工程建设不再是难题。

参考文献：

[1]张会建多年冻土区路基施工技术北方交通2012年第7期

[2]蒲玉川共和至玉树公路设计方案的研究青海交通科技2013年第1期

[3]孙志玲浅谈国道214线多年冻土区路基施工措施青海交通科技2014年第6期