第59卷第11期 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN V01.59 NO.11 NOV. 2Ol5 2015年11月 文章编号:1004—2954(2015)11—0026—05 青藏铁路多年冻土区路堑边坡病害 特征及防治措施分析 胡田飞 ,杜升涛 (1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;2.中铁西北科学研究院有限公司,兰州730000) 摘 要:青藏铁路格拉段多年冻土区共有路堑边坡78处,长约15.6 km,其稳定性直接关系到线路安全运营。根据 现场调查,分析其稳定性状况、病害形式、影响因素及机理,讨论防治措施的合理性。结果表明:先后有15处出现 病害,其中4处失稳,病害问题值得重视;病害形式包括坡面冲刷、纵向裂缝、防护结构破坏、滑塌、坡脚鼓胀等;病 害位置以边坡上侧为主,而非阳坡侧,堑顶是最薄弱的部位,发育过程表现为周期性和波动性的恶化;地表水和冻 结层上水的热侵蚀及活动层冻融作用是病害的主要原因,病害机理包括地表水冲刷、滞水冻胀和冻融循环;经过运 营期检验,无防护的坡面容易冲刷变形,封闭式锚喷混凝土面容易滞水冻胀破裂,轻型、柔性的骨架护坡和L型挡 墙防护效果较好。 关键词:青藏铁路;多年冻土;路堑边坡;病害特征;防护措施 中图分类号:U213.1 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004—2954.2015.11.007 Analysis of Defect Characteristics of and Protective Measures for Cutting Slopes in Permafrost Regions along Qinghai-Tibet Railway HU Tian—fei ,DU Sheng.tao (1.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China; 2.No ̄hwest Research Institute Co.,Ltd.of CREC,Lanzhou 730000,China) Abstract:There are 78 cutting slopes in permafrost regions along Qinghai—Tibet Railway,with the length of about 1 5.6 km,and the stability of the slopes is directly related to the safe operation of the line.This paper analyzes stability conditions,forms of defects,influencing factors and mechanisms of the slopes based on field surveys.The rationality of the protective measures is also discussed.The results show that the number of defected cutting slopes comes to 1 5,4 of which lost their stability.The defects are characterized by surface scouring,longitudinal cracks,destruction of protective structures,collapse and toe swollen.The defects are mainly located at the upper part of slopes,rather than the sunny side,and the top of the cutting is the weakest part.The development is characteristics of periodic process and luctuated deteriforation.Thermal erosion of external water and suprapermafrost water, ̄eeze-thaw action of active layer are the main causes of the defects.Defect mechanisms include erosion of external water,  ̄ozen expansion of stagnant water and freeze-thaw circulation.The inspection in the operation period shows that slopes without protection are prone to scouring and deformation,closed anchor—spray concretes are likely to be ruptured by freezing expansion force of stagnant water,light and flexible frame structure and L・type retaining wall are effective in protection. Key words:Qinghai-Tibet Railway;permafrost;cutting slope;disease characteristic;protective measure 青藏铁路格拉段穿越多年冻土区的路基长度约 收稿日期:2015—03—31;修回日期:2015一O4—13 基金项目:铁道部科技研究开发计划课题(2010G018-C-3) 作者简介:胡田飞(1988一),男,博士研究生,E—mail:hutianfei0508@ 163.com。 329.7 km,由于地形和线路坡度的,不可避免的挖 方行为形成了路堑和半路堑边坡共78处,长度约 第11期 胡田飞,杜升涛一青藏铁路多年冻土区路堑边坡病害特征及防治措施分析 29 要因素。受全球气候变暖影响,青藏铁路多年冻土区 气温呈逐渐上升趋势,图6为风火山地区1978~ 2009年的气温变化情况 。季节活动层在春融期的 变化特点是白天融化,夜间冻胀,这种反复的冻融作用 会对路堑边坡造成强力破坏。青藏铁路多年冻土路堑 边坡病害大多是由冻融循环过程中的不均匀冻胀和融 沉造成的,所以往往在春融期可见大量的边坡滑塌 现象。 赠 1982-1985 1990—1993 1998-2001 2006-2009 年份 图6 风火山地区1978—2009年间气温四年平均值曲线 3.2 水 水是影响边坡稳定性的关键因素之一,对于青藏 铁路多年冻土区路堑边坡也是如此。与多年冻土斜坡 路基稳定性相关的水包括地表水和冻结层上水。地表 水对边坡稳定性的影响主要表现为坡面冲刷和使活动 层土体水分富集。近年来青藏高原降水量逐年增大, 图7为风火山地区1978~2009年的降雨量变化情 况 。冻结层上水对边坡稳定性的影响主要表现为 对多年冻土的热侵蚀,同时使活动层土体含水饱和而 形成相对软弱面。在活动层融化期,冻土上限作为上 部活动层的底板起到隔水作用,冻结层上水含量随融 化深度的增加而增大,多聚集在冻结锋面,并受降水补 给而变化较大。冻结层上水是引发冻融滑塌的主要因 素,所以排除冻结层上水是边坡防治的有效措施之一。 冻结层上水的富集程度又与温度、土质条件有关。 3.3 土质 青藏铁路多年冻土区路堑边坡多建在土质、类土 质或风化、半风化岩质斜坡上,坡体密度低,孑L隙大,抗 冲蚀能力低,地表水容易人渗,产生流水侵蚀面和冰冻 夹层面。冻土上覆活动层的冻融循环过程会引起一系 列的物理、热物理变化,如冻融变形、水分迁移、冻结锋 面的存在和迁移、颗粒分选等。这一系列变化的作用 使土体趋于松散,强度降低,坡面出现不均匀冻胀和融 沉裂缝。尤其在细颗粒土内的浅层会出现含水量较高 的冻融锋面,水分迁移使冻土上限附近水分富集,对冻 土路堑边坡的稳定性不利。土的冻胀特性主要由土的 级配成分决定。因此,选择合适的路堑换填料可以减 小坡面的冻胀和融沉变形,对提高路堑边坡的稳定性 具有重要意义。 路堑边坡病害是一个长期发展的过程,在此过程 中各种因素相互作用与促进,故病害多是各种因素综 合作用的结果。路堑边坡根据破坏机理可以概括为地 表水冲刷、滞水冻胀和季节活动层冻融循环三种类型。 其中地表水冲刷容易引起坡面冲沟和护坡骨架悬空, 滞水冻胀容易引起封闭式刚性支挡结构的隆起破坏, 季节活动层冻融循环容易引起堑顶纵向裂缝及坡体滑 塌破坏。 4路堑边坡病害防治措施 青藏铁路多年冻土区边坡防护措施主要包括热防 护措施、截排水措施、支挡措施和坡面防护措施等,其 特点可以从温度、水及力学特性3个方面来论述。温 度方面主要表现为边坡坡面与堑顶的保温,水方面主 要表现为边坡上侧冻结层上水的截排,力学特性方面 主要表现为冻土层中防护结构的应力松弛与蠕变,活 动层季节性冻融循环致使支挡结构上土压力与水平冻 胀力交替出现。对于多年冻土区路堑边坡,应采取综 合性的防护措施。 4.1 堑顶及坡面保温措施 与我国东北及俄罗斯多年冻土地区相比,青藏高 原多年冻土区太阳辐射强烈,日照时数长,坡面传热效 果更为明显。热防护主要包括坡面保温防护和地基冻 土保护措施。热防护能够降低冻土地温,增大冻土热 稳定性,防止冻土融化,减小冻土蠕变,同时提高冻土 强度,降低冻融作用的不利影响。 路堑边坡的坡面防护一般采用换填表层土体的方 法,如图8所示,换填料采用A、B组填料。同时,在换 填层底部设置隔热层,常用的材料有聚苯乙烯硬质泡 沫板(EPS板)、聚氨酯板(CPU板)和挤压聚苯乙烯板 (XPS板)等低导热率材料。此外在坡面和堑顶换填 30 铁道标准设计 第59卷 地段设置泡沫玻璃板或移植马蔺、无芒雀麦及紫穗槐 等植被进行护坡。由于边坡上侧的病害发生率明显高 于下侧,堑顶的热侵蚀最为严重,可在堑顶设置热棒, 增强土体的热稳定性,提高热棒设置部位人为上限,以 阻挡冻结层上水向坡体渗流。此外,建议在堑顶平台 上铺设片石层。 向 图8 路堑边坡热防护及截排水治理措施示意圈 4.2冻结层上水的截排措施 在融化季节,路堑边坡冻结层上水比较发育,其水 量受地域性和气候变化的影响。冻结层上水的截排是 多年冻土区路堑边坡防护的重要内容。截排水措施 中,针对地表水一般采用挡水捻。针对冻结层上水,可 设置竖向与斜向的浅层排水沟、土工滤排水材料和排 水孔,土工滤排水材料、排水孔的埋置深度和主沟槽间 距根据冻结层上水的深度和水量确定,主沟槽周围回 填砂卵石土。此外,在两侧坡脚处设置碎石排水盲沟, 将基床内积水引排至路堑边坡外路基排水体中。 4.3支护结构措施 多年冻土区路堑边坡的支护措施主要有L型挡 墙、加筋土挡墙、加筋土护坡、预制混凝土拼装式骨架 护坡、锚喷混凝土护坡。L型悬臂式挡墙具有柔性变 形卸载的特点,如图9所示,适应于堑坡冻胀的力学变 化过程和融沉的交替变形过程,可以起到很好的防护 效果¨ 。加筋土挡墙、加筋土护坡能够满足防护要 求,但试验证明这两类结构的施工工艺复杂,病害多, 维修工程量大,不宜推广使用 。骨架护坡通过混 凝土骨架将坡面分成菱形窗格,如图10所示,骨架与 边坡土体牢固地联结为一体,从而提高了表层土体的 抗剪切能力和抗冲刷能力。封闭式的坡面防护结构容 易阻滞冻结层上水的排出,例如锚喷混凝土层底面附 近往往富集水分,在暖季初和寒季末的冻融过程中,受 到冻胀力的作用,因此封闭式的护坡结构容易出现滞 水冻胀变形破坏。 在普通地区,土压力是挡土结构物上的主要荷载, 但在多年冻土区,土压力和冻胀力会交替循环作用在 支挡结构上,水平冻胀力量值要比土压力大数倍甚至 数十倍 。相比重力式挡墙等刚性结构,L型挡墙、骨 架护坡、轻型预制空心混凝土块等轻型和柔性支护结 图9 L型挡土墙结构示意 图10骨架护坡结构示意 构的抗变形能力强,对多年冻土区路堑边坡的防护效 果更优。 5 结论 (1)青藏铁路格拉段多年冻土区共有78处路堑 边坡,主要分布在昆仑山区、风火山区、开心岭山区、布 曲河谷区和唐古拉山区。投入运营后,先后有15处路 堑边坡出现严重病害,其中4个失稳,严重威胁到青藏 铁路的正常安全运营,路堑边坡问题值得重视。 (2)青藏铁路多年冻土区路堑病害主要包括坡面 径流冲刷、滞水冻胀、活动层冻融循环3种类型。滞水 冻胀病害主要指封闭式锚喷混凝土面的破坏,活动层 冻融循环病害主要指堑顶纵向裂缝、坡面防护结构破 坏、局部滑坍及坡脚鼓胀,其中边坡上部和堑顶是病害 的高发部位。路堑边坡病害是一个波动、缓慢持续发 展的过程,是温度、水、土质、人工荷载等各种因素综合 作用的结果。 (3)青藏高原大气温度和降水量呈不断增高的趋 势,地表水及冻结层上水的热侵蚀和活动层的冻融循 环作用是病害的主要原因,因此热防护和截排水是路 堑边坡防治中最基本的措施。支护结构容易受到冻结 层上水冻融循环过程中冻胀力的影响,支护措施应尽 量选择轻型、柔性的L型挡墙和骨架护坡等结构。 参考文献: [1]赵相卿,熊治文,韩龙武,等.多年冻土区典型路堑边坡失稳病害 的防治[J].铁道工程学报,2009(1):32—35. 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