搜索
高原冻土施工的重点、难点和解决方案一、高原冻土施工措施1、冻土学基础理论（1）基本概念冻土是指处于0℃以下，并含有冰的岩石和土体。包括多年冻土（指冻结状态维持在二年或二年以上的冻土）和季节冻土（指冬季冻结，来年夏季融化，冻结状态维持在二年以下的土体）。季节融化层是指每年暖季融化、寒季冻结的多年冻土上部覆盖层。季节冻结层是指每年寒季冻结、暖季融化的土层。多年冻土上限是指多年冻土顶面的埋藏深度。多年冻土下限是指多年冻土底面的埋藏深度。多年冻土人为上限是指工程建筑物修建和运营后，多年冻土新形成的上限。（2）不良冻土地质现象：A、冰椎：多年冻土区地下水或河流封冻后地下（河水）流出地表形成的椎状或盾状冰体。B、冻胀丘；多年冻土区地下水在冻结土层下聚集冻结，形成透镜状厚层冰体，将地表隆起形成丘状的土丘。C、热融湖塘：由人为作用或自然作用引起高含冰量多年冻土融化下沉所形成的积蓄水的洼地。D、热融滑坍：高含冰量冻土分布在平缓山坡，由于人为破坏坡脚，高含冰量冻土暴露融化，上覆土层失去支撑而坍塌，与融化泥水混合顺坡向下滑动的坡面坍滑现象。E、沼泽湿地：多年冻土区某些植被覆盖良好的山前平缓低地或洼地，由于地下水的出露和多年冻土层的隔水作用，使之积水而成的潮湿地段。F、厚层地下冰：指分布于多年冻土上限附近的一种含土冰层。冰中的土块似悬浮于冰中。2、沿线冻土分布该项目位于位于青海省海南州共和县恰卜恰镇同德路以南，环城东路至次汗素桥以西，次汗素村西山以东，平均海拔在2800米以上的。本项目建设地点每年有部分时间为冰冻期3、高原多年冻土区工程施工特点本工程施工具有施工工期短、劳动效率低下、施工条件艰苦、生态环境十分脆弱和环保意识强等特点。4、高原多年冻土区工程施工技术要求（1）施工前做好多年冻土工程地质核查工作，如果与设计不符，及时通知业主申请变更。（2）施工时重视多年冻土环境保护工作，严格按照设计进行土石方施工。（3）路基工程施工采用“机械化为主，人工为辅”的施工方式。（4）为减少施工对多年冻土的水状况影响，必须贯彻“先排水、后主体”的施工原则。排水包括永久性排水和临时排水。（5）路基防护工程根据路基成型情况及时安排施工，尽量缩短裸露时间，防止雨水冲刷边坡造成水土流失。（6）高原多年冻土区桥涵基础施工技术关键：明挖基础施工采用“基坑爆破一次成型，机械化快速开挖”工艺，严禁拉槽式开挖，基坑开挖后及时进行施工和回填，缩短暴露时间，减少多余热量进入多年冻土从而影响其热稳定性；孔桩基坑主要采用旋挖钻机施工工艺，尽量减少施工热扰动；基础混凝土一般采用低温早强耐久性混凝土，混凝土拌合物的入模温度宜控制在0～5℃。浇筑完成后，及时采取防风、防冻措施，采用蓄热法养护。5、低温早强耐久混凝土施工要求：5.1低温早强耐久砼拌制由工区混凝土拌合站统一集中拌制，混凝土罐车运至施工现场进行浇筑施工。5.2低温早强耐久砼浇筑：5.2.1低温早强耐久砼混凝土浇筑前应将模板及钢筋上的冰雪和污垢清理干净，不得将冰雪直接融化。5.2.2低温早强耐久砼运至浇筑地点，应尽快浇筑，减少热损失；当混凝土因凝结或冻结而降低流动性后，不得二次加水拌合使用；浇筑时的自倾落高度不得大于2米，当大于2米时，采用滑槽入模。5.2.3低温早强耐久砼应分层连续浇筑，分层厚度不得大于30cm。当因故间歇时，不得超过0.5h；当允许间歇已超过时，应按浇筑中断处理，同时应留置施工缝，并作出记录。施工缝处应埋入适量的接茬钢筋，并使其体积露出前层混凝土外一半左右。5.2.4混凝土采用插入式振捣器捣固，其移动间距不宜大于振捣器作用半径的1.5倍，且插入下层混凝土的深度宜为5～10cm；振捣时不得碰撞模板、钢筋和预埋部件；每一振点的振捣延续时间宜为20～30s，以混凝土不再沉落，不出现气泡，表面呈现浮浆为度。但不得超振，避免降低混凝土的含气量。6、低温早强耐久混凝土的养护及拆模6.1两阶段养生方法：A：砼早期养生采用补水养生，即首先在砼结构物表面包裹一层蓄水物质，如麻袋片等，然后，再用塑料薄膜包裹封闭严实，在砼养生期内，需对蓄水物质定时注水保证持续湿润状态，养生时间不得少于14天，并应经常检查；B：剥离塑料薄膜，停止养生时，立即在砼结构物表面喷涂一层抗低温、抗紫外线辐射型砼保湿养护剂，以封闭砼内部残余水分不被蒸发，保证砼后期水化的持续进行。6.2采用蓄热法（低温条件施工）进行养护时，应符合相关规定、凝土浇筑完毕后，应延长脱模时间,带模养护7天以上，注意保温防寒，并用塑料薄膜覆盖。6.2.2不得放水养护。6.2.3脱模后迅速在混凝土表面喷涂一层抗低温、抗紫外线辐射型砼保湿养护剂，并用塑料膜（布）包裹。6.2.4在混凝土与外界环境的温差极大情况下，采用棉被覆盖等保温保湿措施。7、成套冻土工程施工措施通过大量试验研究和理论分析，对冻土在外界条件下的变化过程及对路基变形的影响规律有了新的认识。针对不同冻土条件，创新出一整套多年冻土工程措施：（1）片石气冷措施。片石气冷路基是在路基垫层之上设置一定厚度和空隙度的片石层，因片石层上下界面间存在温度梯度，引起片石层内空气的对流，热交换作用以对流为主导，利用高原冻土区负积温量值大于正积温量值的气候特点，加快了路基基底地层的散热，取得降低地温、保护冻土的效果。通过室内摸拟试验和试验段工程测试分析，探索出片石气冷路基的合理结构形式、设计参数和施工工艺。确定路基垫层厚度不小于0.3米，片石层设计厚度不小于1米，一般可在1.5米，粒径0.2—0.4米，强度不小于30兆帕，片石层上铺厚度不小于0.3米的碎石层，并加设一层土工布。这一措施已在沿线117公里的高温不稳定冻土区加以应用。经三个冻融循环的观测分析，起到了降低路基基底地温和增加地层冷储量的作用，路基沉降变形明显减小并基本趋于稳定。这是主动降温、保护冻土的一种有效工程措施。（2）碎石（片石）护坡（或护道）措施。在路基一侧或两侧堆填碎石或片石，形成护坡或护道。碎石（片石）护坡空隙内的空气在一定温度梯度的作用下产生对流，寒季碎石（片石）内空气对流换热作用强烈，有利于地层散热，暖季碎石（片石）内空气对流作用减弱，对热量的传入产生屏蔽作用，从而增强了地层寒季的散热，减少了暖季的传热，达到了降低地温、保护冻土的效果。深入研究碎石（片石）护坡和护道的作用机理，确定了能够保持或抬高多年冻土上限的最佳厚度和粒径。实测表明，厚度1.0—1.5米的碎石（片石）护坡都具有很好的降温效果。通过改变路基阴阳坡面上的护坡厚度，阳坡面厚度1.6米，阴坡面厚度0.8米，可调节路基基底地温场的不均衡性。这项措施对解决多年冻土区路基不均匀变形具有重要作用。（3）通风管措施。在路基内横向埋设水平通风管，冬季冷空气在管内对流，加强了路基填土的散热，降低基底地温，提高冻土的稳定性。青藏铁路使用钢筋混凝土管和PVC管。现场试验研究表明，通风管宜设置在路基下部，距地表不小于0.7米，其净距一般不超过1.0米，管径为0.3—0.4米。通风管的降温效果受管径、风向及管内积雪、积沙的影响，特别是夏季热空气在管内的对流对冻土有负面影响。为解决这一问题，现场做了在管口设置自动控制风门的试验。当外界气温低时风门开启，以利冷空气进入管内；当外界气温高时风门关闭，以防热空气进入管内。（4）热棒措施。热棒是利用管内介质的气液两相转换，依靠冷凝器与蒸发器之间的温差，通过对流循环来实现热量传导的系统。当大气温度低于冻土地温时，热棒自动开始工作，当大气温度高于冻土地温，热棒自动停止工作，不会将大气中的热量带入地基。我们针对青藏铁路多年冻土特性，在工程实践中对采用热棒措施进行试验，研究了符合实际的热棒工作参数。青藏铁路有32公里路基采用了热棒措施，收到了基底地温降低、冻土上限上升的良好效果。（5）遮阳棚措施。在路基上部或边坡设置遮阳棚，可有效减少太阳辐射对路基的影响，减少传入冻土地基的热量。我们在风火山试验基础上，又在唐古拉山越岭地段设置了一处钢结构遮阳棚。现场测试表明，遮阳棚效果明显，降低了路基基底的地温，提高了多年冻土的稳定性。这种措施可在一定条件下使用。（6）隔热保温措施。当路基高度达不到最小设计高度时，为减少地表热量向地基传递，采用挤塑聚苯乙烯等隔热材料，可起到当量路基填土高度同样的保温效果。实践表明，路基工程宜在地表以上0.5米处铺设隔热材料，铺设时间选择在寒季末为好。隔热保温层在暖季减少了向地基传递的热量，但在冬季也减少了向地基传递的冷量，属于被动型保温措施。所以，青藏铁路仅在低路堤和部分路堑采用。（7）基底换填措施。为避免和减轻多年冻土对路基稳定的影响，在挖方地段或填土厚度达不到最小设计高度的低路堤，基底采用了换填粗粒土措施，防止冻胀融沉，确保路基稳定。当基底为高含冰量冻土层时，换填厚度为1.3—1.4倍天然上限深度。为防止地表水下渗，换填时设置了复合土工膜防渗层。（8）路基排水措施。研究和实践都证明，水是冻土病害的最大根源。排水不良将造成多年冻土路基严重病害。青藏铁路设计统筹考虑了多年冻土区的防排水措施。合理布设桥涵，设置挡水埝、排水沟、截水沟等工程，以保证排水畅通。防止路基两侧积水造成冻融变形或引发不良冻土现象。（9）合理路基高度措施。在低温多年冻土区，路基设计高度应在合理范围内。路基达到一定填筑高度后，在一定的气温、地温条件下多年冻土上限可以保持基本稳定。但随着路基高度增加，边坡受热面增大，由边坡传入地基的热量增加，太高的路基不利于稳定。根据不同的地温分区，多年冻土路基合理设计高度为2.5—5.0米。若不能满足这个条件时，需采取其它工程措施。（10）路桥过渡段措施。为减少多年冻土区路桥过渡段的不均匀沉降，台后不小于20米范围内，按倒梯形分层填筑卵砾石土或碎砾石土，分层碾压夯实。桥台基坑采用碎石分层填筑压实，其上填筑片石、碎石、碎石土。经工程列车运营检测，没有发现明显的变形，路桥过渡段处于稳定状态。（11）桥涵基础措施。为减少桥梁工程施工对多年冻土的扰动，我们对冻土区桥梁钻孔灌注桩、钻孔打入桩和钻孔插入桩等三种桩基形式开展了现场对比试验。钻孔打入桩在冻土层中打入困难，钻孔插入桩桩周围回填质量难以控制。钻孔灌注桩具有承载力大、抗冻拔能力强的明确优点。在使用旋挖钻机施工速度快、质量好、对冻土扰动小，因此在全线绝大多数非坚硬岩石地基的桥梁都采用了旋挖钻机成孔的灌注桩基础。对涵洞工程进行研究比较后，选用了矩形拼装式钢筋混凝土结构。这种涵洞采用明挖基坑拼装或混凝土基础，在寒季施工对冻土的热扰动小，基底冻土回冻时间短，易于控制施工质量。在不宜修筑路基的厚层地下冰地段、不良冻土现象发育地段及地质复杂的高含冰量冻土地段，采取了修筑双柱式桥墩，以小跨度钢筋混凝土桥梁通过。在550公里的多年冻土地段共修建桥梁120公里。其作用有三：减少对冻土的扰动，具有遮阳作用，可兼作动物通道。沿线冻土区车站站房采用桩基架空方式，电力塔架采用了钻孔插入桩基础。对不同设计方案研究比选，确定了合理的孔跨和桥式方案，采用钻孔灌注桩基础和双柱式桥墩，经过2—3个冻融循环的考验，证明效果良好，受到国内外冻土专家的很高评价。针对不同特点的冻土地段综合采用以上工程措施，取得了良好效果。经过3个冻融循环的沉降观测，多年冻土区地基冻土上限抬升0.5—1.0米以上，冻土路基下界面负积温增加，地温降低；路基工后沉降量一般小于2厘米。已建成的路基、桥涵和隧道工程结构稳定，没有出现明显的冻胀和融沉现象,铁路修建没有引发冻胀丘、热融滑塌等次生不良冻土地质灾害。冻土地段线路平顺，安全可靠，货运列车在多年冻土区运行平稳，运行速度达到100公里/小时的设计速度。二、施工期环境保护1、青藏高原环境状况由于青藏高原的地势起伏和海拔高度的差异，形成了多种多样的生态系统，生物群落丰富多彩，有许多极具保护价值的珍稀濒危野生动、植物,沿线建立了各类自然保护区以保护这些动植物和维护高原生态系统；另外湿地也是青藏高原上自然资源比较丰富的农业生态系统，具有调控环境的作用（涵养水源、防止水土流失和调节气候、净化环境等功能），还具有很高的生物生产力，可提供各种食物、饮用水，