高原凍土施工的重點、難點和解決方案

1、高原凍土施工的重點、難點和解決方案一、高原凍土施工措施1、凍土學(xué)基礎(chǔ)理論（1）基本概念 凍土是指處于0以下，并含有冰的巖石和土體。包括多年凍土（指凍結(jié)狀態(tài)維持在二年或二年以上的凍土）和季節(jié)凍土（指冬季凍結(jié)，來年夏季融化，凍結(jié)狀態(tài)維持在二年以下的土體）。季節(jié)融化層是指每年暖季融化、寒季凍結(jié)的多年凍土上部覆蓋層。季節(jié)凍結(jié)層是指每年寒季凍結(jié)、暖季融化的土層。多年凍土上限是指多年凍土頂面的埋藏深度。多年凍土下限是指多年凍土底面的埋藏深度。多年凍土人為上限是指工程建筑物修建和運營后，多年凍土新形成的上限。（2）不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象：A、冰椎：多年凍土區(qū)地下水或河流封凍后地下（河水）流出地表形成的椎狀或盾狀冰

2、體。B、凍脹丘；多年凍土區(qū)地下水在凍結(jié)土層下聚集凍結(jié)，形成透鏡狀厚層冰體，將地表隆起形成丘狀的土丘。C、熱融湖塘：由人為作用或自然作用引起高含冰量多年凍土融化下沉所形成的積蓄水的洼地。D、熱融滑坍：高含冰量凍土分布在平緩山坡，由于人為破壞坡腳，高含冰量凍土暴露融化，上覆土層失去支撐而坍塌，與融化泥水混合順坡向下滑動的坡面坍滑現(xiàn)象。E、沼澤濕地：多年凍土區(qū)某些植被覆蓋良好的山前平緩低地或洼地，由于地下水的出露和多年凍土層的隔水作用，使之積水而成的潮濕地段。F、厚層地下冰：指分布于多年凍土上限附近的一種含土冰層。冰中的土塊似懸浮于冰中。2、沿線凍土分布該項目位于位于青海省海南州共和縣恰卜恰鎮(zhèn)同德路

3、以南，環(huán)城東路至次汗素橋以西，次汗素村西山以東，平均海拔在 2800 米以上的。本項目建設(shè)地點每年有部分時間為冰凍期3、高原多年凍土區(qū)工程施工特點 本工程施工具有施工工期短、勞動效率低下、施工條件艱苦、生態(tài)環(huán)境十分脆弱和環(huán)保意識強等特點。4、高原多年凍土區(qū)工程施工技術(shù)要求（1）施工前做好多年凍土工程地質(zhì)核查工作，如果與設(shè)計不符，及時通知業(yè)主申請變更。（2）施工時重視多年凍土環(huán)境保護工作，嚴格按照設(shè)計進行土石方施工。（3）路基工程施工采用“機械化為主，人工為輔”的施工方式。（4）為減少施工對多年凍土的水狀況影響，必須貫徹“先排水、后主體”的施工原則。排水包括永久性排水和臨時排水。（5）路基防護工

4、程根據(jù)路基成型情況及時安排施工，盡量縮短裸露時間，防止雨水沖刷邊坡造成水土流失。（6）高原多年凍土區(qū)橋涵基礎(chǔ)施工技術(shù)關(guān)鍵：明挖基礎(chǔ)施工采用“基坑爆破一次成型，機械化快速開挖”工藝，嚴禁拉槽式開挖，基坑開挖后及時進行施工和回填，縮短暴露時間，減少多余熱量進入多年凍土從而影響其熱穩(wěn)定性；孔樁基坑主要采用旋挖鉆機施工工藝，盡量減少施工熱擾動；基礎(chǔ)混凝土一般采用低溫早強耐久性混凝土，混凝土拌合物的入模溫度宜控制在05。澆筑完成后，及時采取防風(fēng)、防凍措施，采用蓄熱法養(yǎng)護。5、低溫早強耐久混凝土施工要求：5.1低溫早強耐久砼拌制由工區(qū)混凝土拌合站統(tǒng)一集中拌制，混凝土罐車運至施工現(xiàn)場進行澆筑施工。5.2低溫

5、早強耐久砼澆筑：5.2.1低溫早強耐久砼混凝土澆筑前應(yīng)將模板及鋼筋上的冰雪和污垢清理干凈，不得將冰雪直接融化。5.2.2低溫早強耐久砼運至澆筑地點，應(yīng)盡快澆筑，減少熱損失；當混凝土因凝結(jié)或凍結(jié)而降低流動性后，不得二次加水拌合使用；澆筑時的自傾落高度不得大于2米，當大于2米時，采用滑槽入模。5.2.3低溫早強耐久砼應(yīng)分層連續(xù)澆筑，分層厚度不得大于30cm。當因故間歇時，不得超過0.5h；當允許間歇已超過時，應(yīng)按澆筑中斷處理，同時應(yīng)留置施工縫，并作出記錄。施工縫處應(yīng)埋入適量的接茬鋼筋，并使其體積露出前層混凝土外一半左右。5.2.4混凝土采用插入式振搗器搗固，其移動間距不宜大于振搗器作用半徑的1.5

6、倍，且插入下層混凝土的深度宜為510cm；振搗時不得碰撞模板、鋼筋和預(yù)埋部件；每一振點的振搗延續(xù)時間宜為2030s，以混凝土不再沉落，不出現(xiàn)氣泡，表面呈現(xiàn)浮漿為度。但不得超振，避免降低混凝土的含氣量。6、低溫早強耐久混凝土的養(yǎng)護及拆模6.1兩階段養(yǎng)生方法：A：砼早期養(yǎng)生采用補水養(yǎng)生，即首先在砼結(jié)構(gòu)物表面包裹一層蓄水物質(zhì)，如麻袋片等，然后，再用塑料薄膜包裹封閉嚴實，在砼養(yǎng)生期內(nèi)，需對蓄水物質(zhì)定時注水保證持續(xù)濕潤狀態(tài)，養(yǎng)生時間不得少于14天，并應(yīng)經(jīng)常檢查；B：剝離塑料薄膜，停止養(yǎng)生時，立即在砼結(jié)構(gòu)物表面噴涂一層抗低溫、抗紫外線輻射型砼保濕養(yǎng)護劑，以封閉砼內(nèi)部殘余水分不被蒸發(fā)，保證砼后期水化的持續(xù)進

7、行。6.2采用蓄熱法（低溫條件施工）進行養(yǎng)護時，應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定、凝土澆筑完畢后，應(yīng)延長脫模時間,帶模養(yǎng)護7天以上，注意保溫防寒，并用塑料薄膜覆蓋。6.2.2不得放水養(yǎng)護。6.2.3脫模后迅速在混凝土表面噴涂一層抗低溫、抗紫外線輻射型砼保濕養(yǎng)護劑，并用塑料膜（布）包裹。6.2.4在混凝土與外界環(huán)境的溫差極大情況下，采用棉被覆蓋等保溫保濕措施。7、成套凍土工程施工措施通過大量試驗研究和理論分析，對凍土在外界條件下的變化過程及對路基變形的影響規(guī)律有了新的認識。針對不同凍土條件，創(chuàng)新出一整套多年凍土工程措施：（1）片石氣冷措施。片石氣冷路基是在路基墊層之上設(shè)置一定厚度和空隙度的片石層，因片石層上下界面

8、間存在溫度梯度，引起片石層內(nèi)空氣的對流，熱交換作用以對流為主導(dǎo)，利用高原凍土區(qū)負積溫量值大于正積溫量值的氣候特點，加快了路基基底地層的散熱，取得降低地溫、保護凍土的效果。通過室內(nèi)摸擬試驗和試驗段工程測試分析，探索出片石氣冷路基的合理結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計參數(shù)和施工工藝。確定路基墊層厚度不小于0.3米，片石層設(shè)計厚度不小于1米，一般可在1.5米，粒徑0.20.4米，強度不小于30兆帕，片石層上鋪厚度不小于0.3米的碎石層，并加設(shè)一層土工布。這一措施已在沿線117公里的高溫不穩(wěn)定凍土區(qū)加以應(yīng)用。經(jīng)三個凍融循環(huán)的觀測分析，起到了降低路基基底地溫和增加地層冷儲量的作用，路基沉降變形明顯減小并基本趨于穩(wěn)定。這是

9、主動降溫、保護凍土的一種有效工程措施。（2）碎石（片石）護坡（或護道）措施。在路基一側(cè)或兩側(cè)堆填碎石或片石，形成護坡或護道。碎石（片石）護坡空隙內(nèi)的空氣在一定溫度梯度的作用下產(chǎn)生對流，寒季碎石（片石）內(nèi)空氣對流換熱作用強烈，有利于地層散熱，暖季碎石（片石）內(nèi)空氣對流作用減弱，對熱量的傳入產(chǎn)生屏蔽作用，從而增強了地層寒季的散熱，減少了暖季的傳熱，達到了降低地溫、保護凍土的效果。深入研究碎石（片石）護坡和護道的作用機理，確定了能夠保持或抬高多年凍土上限的最佳厚度和粒徑。實測表明，厚度1.01.5米的碎石（片石）護坡都具有很好的降溫效果。通過改變路基陰陽坡面上的護坡厚度，陽坡面厚度1.6米，陰坡面厚

10、度0.8米，可調(diào)節(jié)路基基底地溫場的不均衡性。這項措施對解決多年凍土區(qū)路基不均勻變形具有重要作用。（3）通風(fēng)管措施。在路基內(nèi)橫向埋設(shè)水平通風(fēng)管，冬季冷空氣在管內(nèi)對流，加強了路基填土的散熱，降低基底地溫，提高凍土的穩(wěn)定性。青藏鐵路使用鋼筋混凝土管和PVC管。現(xiàn)場試驗研究表明，通風(fēng)管宜設(shè)置在路基下部，距地表不小于0.7米，其凈距一般不超過1.0米，管徑為0.30.4米。通風(fēng)管的降溫效果受管徑、風(fēng)向及管內(nèi)積雪、積沙的影響，特別是夏季熱空氣在管內(nèi)的對流對凍土有負面影響。為解決這一問題，現(xiàn)場做了在管口設(shè)置自動控制風(fēng)門的試驗。當外界氣溫低時風(fēng)門開啟，以利冷空氣進入管內(nèi)；當外界氣溫高時風(fēng)門關(guān)閉，以防熱空氣進入

11、管內(nèi)。（4）熱棒措施。熱棒是利用管內(nèi)介質(zhì)的氣液兩相轉(zhuǎn)換，依靠冷凝器與蒸發(fā)器之間的溫差，通過對流循環(huán)來實現(xiàn)熱量傳導(dǎo)的系統(tǒng)。當大氣溫度低于凍土地溫時，熱棒自動開始工作，當大氣溫度高于凍土地溫，熱棒自動停止工作，不會將大氣中的熱量帶入地基。我們針對青藏鐵路多年凍土特性，在工程實踐中對采用熱棒措施進行試驗，研究了符合實際的熱棒工作參數(shù)。青藏鐵路有32公里路基采用了熱棒措施，收到了基底地溫降低、凍土上限上升的良好效果。（5）遮陽棚措施。在路基上部或邊坡設(shè)置遮陽棚，可有效減少太陽輻射對路基的影響，減少傳入凍土地基的熱量。我們在風(fēng)火山試驗基礎(chǔ)上，又在唐古拉山越嶺地段設(shè)置了一處鋼結(jié)構(gòu)遮陽棚?，F(xiàn)場測試表明，遮陽

12、棚效果明顯，降低了路基基底的地溫，提高了多年凍土的穩(wěn)定性。這種措施可在一定條件下使用。（6）隔熱保溫措施。當路基高度達不到最小設(shè)計高度時，為減少地表熱量向地基傳遞，采用擠塑聚苯乙烯等隔熱材料，可起到當量路基填土高度同樣的保溫效果。實踐表明，路基工程宜在地表以上0.5米處鋪設(shè)隔熱材料，鋪設(shè)時間選擇在寒季末為好。隔熱保溫層在暖季減少了向地基傳遞的熱量，但在冬季也減少了向地基傳遞的冷量，屬于被動型保溫措施。所以，青藏鐵路僅在低路堤和部分路塹采用。（7）基底換填措施。為避免和減輕多年凍土對路基穩(wěn)定的影響，在挖方地段或填土厚度達不到最小設(shè)計高度的低路堤，基底采用了換填粗粒土措施，防止凍脹融沉，確保路基穩(wěn)

13、定。當基底為高含冰量凍土層時，換填厚度為1.31.4倍天然上限深度。為防止地表水下滲，換填時設(shè)置了復(fù)合土工膜防滲層。（8）路基排水措施。研究和實踐都證明，水是凍土病害的最大根源。排水不良將造成多年凍土路基嚴重病害。青藏鐵路設(shè)計統(tǒng)籌考慮了多年凍土區(qū)的防排水措施。合理布設(shè)橋涵，設(shè)置擋水埝、排水溝、截水溝等工程，以保證排水暢通。防止路基兩側(cè)積水造成凍融變形或引發(fā)不良凍土現(xiàn)象。（9）合理路基高度措施。在低溫多年凍土區(qū)，路基設(shè)計高度應(yīng)在合理范圍內(nèi)。路基達到一定填筑高度后，在一定的氣溫、地溫條件下多年凍土上限可以保持基本穩(wěn)定。但隨著路基高度增加，邊坡受熱面增大，由邊坡傳入地基的熱量增加，太高的路基不利于穩(wěn)

14、定。根據(jù)不同的地溫分區(qū)，多年凍土路基合理設(shè)計高度為2.55.0米。若不能滿足這個條件時，需采取其它工程措施。（10）路橋過渡段措施。為減少多年凍土區(qū)路橋過渡段的不均勻沉降，臺后不小于20米范圍內(nèi)，按倒梯形分層填筑卵礫石土或碎礫石土，分層碾壓夯實。橋臺基坑采用碎石分層填筑壓實，其上填筑片石、碎石、碎石土。經(jīng)工程列車運營檢測，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的變形，路橋過渡段處于穩(wěn)定狀態(tài)。（11）橋涵基礎(chǔ)措施。為減少橋梁工程施工對多年凍土的擾動，我們對凍土區(qū)橋梁鉆孔灌注樁、鉆孔打入樁和鉆孔插入樁等三種樁基形式開展了現(xiàn)場對比試驗。鉆孔打入樁在凍土層中打入困難，鉆孔插入樁樁周圍回填質(zhì)量難以控制。鉆孔灌注樁具有承載力大、抗

15、凍拔能力強的明確優(yōu)點。在使用旋挖鉆機施工速度快、質(zhì)量好、對凍土擾動小，因此在全線絕大多數(shù)非堅硬巖石地基的橋梁都采用了旋挖鉆機成孔的灌注樁基礎(chǔ)。對涵洞工程進行研究比較后，選用了矩形拼裝式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這種涵洞采用明挖基坑拼裝或混凝土基礎(chǔ)，在寒季施工對凍土的熱擾動小，基底凍土回凍時間短，易于控制施工質(zhì)量。在不宜修筑路基的厚層地下冰地段、不良凍土現(xiàn)象發(fā)育地段及地質(zhì)復(fù)雜的高含冰量凍土地段，采取了修筑雙柱式橋墩，以小跨度鋼筋混凝土橋梁通過。在550公里的多年凍土地段共修建橋梁120公里。其作用有三：減少對凍土的擾動，具有遮陽作用，可兼作動物通道。沿線凍土區(qū)車站站房采用樁基架空方式，電力塔架采用了鉆孔插

16、入樁基礎(chǔ)。對不同設(shè)計方案研究比選，確定了合理的孔跨和橋式方案，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和雙柱式橋墩，經(jīng)過23個凍融循環(huán)的考驗，證明效果良好，受到國內(nèi)外凍土專家的很高評價。針對不同特點的凍土地段綜合采用以上工程措施，取得了良好效果。經(jīng)過3個凍融循環(huán)的沉降觀測，多年凍土區(qū)地基凍土上限抬升0.51.0米以上，凍土路基下界面負積溫增加，地溫降低；路基工后沉降量一般小于2厘米。已建成的路基、橋涵和隧道工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的凍脹和融沉現(xiàn)象,鐵路修建沒有引發(fā)凍脹丘、熱融滑塌等次生不良凍土地質(zhì)災(zāi)害。凍土地段線路平順，安全可靠，貨運列車在多年凍土區(qū)運行平穩(wěn)，運行速度達到100公里/小時的設(shè)計速度。二、施工期環(huán)境

17、保護1、青藏高原環(huán)境狀況 由于青藏高原的地勢起伏和海拔高度的差異，形成了多種多樣的生態(tài)系統(tǒng)，生物群落豐富多彩，有許多極具保護價值的珍稀瀕危野生動、植物,沿線建立了各類自然保護區(qū)以保護這些動植物和維護高原生態(tài)系統(tǒng)；另外濕地也是青藏高原上自然資源比較豐富的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，具有調(diào)控環(huán)境的作用（涵養(yǎng)水源、防止水土流失和調(diào)節(jié)氣候、凈化環(huán)境等功能），還具有很高的生物生產(chǎn)力，可提供各種食物、飲用水，具有豐富的水能資源、生物多樣性富集、維持區(qū)域水平衡等特點。那曲屬重要沼澤濕地,沼澤植被類型較多,主要為藏北蒿草群落,分布在河漫灘、階地，是當?shù)氐闹匾輬觥?、工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響（1）對野生動物的影響：鐵路路基

18、及附屬設(shè)施占用部分土地，將使該地區(qū)野生動物失去部分棲息地；鐵路建設(shè)不可避免破壞部分植被，野生動物將失去部分食物基地；填方路基將從視線和視角上給野生動物的活動和遷移產(chǎn)生一些障礙；鐵路取棄土場及砂石料場設(shè)置在野生動物活動及遷移范圍內(nèi)，將給動物的生息和安全造成不利影響。（2）對自然保護區(qū)的影響：工程施工和運營將可能切割保護區(qū)野生動物的遷移通道；工程施工、取棄土及人為活動將擾動地表、破壞植被，引起土地沙化，加重水土流失。（3）對多年凍土的影響：土石方工程及其工程構(gòu)筑物直接破壞凍土的熱穩(wěn)定狀態(tài)；用地及土石方工程直接改變多年凍土區(qū)的地表、地下水徑流條件；工程建設(shè)行為等人為活動對多年凍土環(huán)境造成破壞，表現(xiàn)在

19、高溫凍土區(qū)的凍土退化，高含冰量凍土地段、地面破壞導(dǎo)致熱融沉陷的發(fā)生和發(fā)展，引起次生的凍土環(huán)境問題，如冰椎、凍脹等。（4）對環(huán)境的影響: 工程施工期間施工機械噪聲對周圍野生動物和當?shù)鼐用竦挠绊?施工期大臨設(shè)施及營地排放的固體廢物和生活污水對周圍地面水和地下水環(huán)境的影響;土石方工程施工產(chǎn)生的揚塵、運輸過程中的揚塵和機械尾氣排放產(chǎn)生的大氣污染.3、施工期環(huán)境保護措施及具體要求（1）充分認識青藏鐵路環(huán)境保護的重要性。建立環(huán)、水保領(lǐng)導(dǎo)小組，設(shè)一名專（兼）職人員分管環(huán)、水保工作，做到人員、組織機構(gòu)、管理措施三到位。（2）具體要求：A、自然保護區(qū)、濕地及野生動植物：設(shè)置醒目的標示牌、邊界線，嚴格限制施工人員活動范圍和機械作業(yè)范圍及行進路線；嚴禁施工人員獵捕野生動物和采摘、踐踏及隨意鏟出植被；在濕地橋涵處施工中，嚴格控制作業(yè)范圍，并采取措施確保橋涵兩側(cè)地表徑流通暢。 B、取、棄土場：取棄土場的地表植被和表土的鏟出應(yīng)分段進行，并在取棄土場內(nèi)選擇地點進行有效保存，場地使用完后及時以平整、并利用原有的表土和植被進行覆蓋恢復(fù)。 C、施工便道：盡量利用路基做便道，減少新開施工便道數(shù)量；盡量選在無植被或植被稀疏處，并盡可能把便道取短；施工便道寬度嚴格按設(shè)計要求控制，做到少占土地。修建完畢的便道必須進行區(qū)域界定和標識，以隔離便道與周圍環(huán)境和植被，任何施工人員和機械不得進入便道區(qū)域以外進行活動或隨意碾壓地表植被