多年凍土區(qū)不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象和對鐵路工程的危害

..多年凍土區(qū)不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象及其對鐵路工程的危害摘要多年凍土地區(qū)的不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象會對鐵路工程會產(chǎn)生種種危害,正確了解多年凍土地區(qū)這些特殊地質(zhì)現(xiàn)象對鐵路工程建設(shè)有著重大意義。本文對這些現(xiàn)象的形成機(jī)制、分布規(guī)律、防治方法、調(diào)查勘探原則、研究內(nèi)容以及選線和設(shè)計等進(jìn)行了詳細(xì)研究,并提出行之有效的建議。關(guān)健詞：凍土不良地質(zhì)現(xiàn)象鐵路工程危害防治AbstractSomeunhealthygeologicalphenomenoninpermafrostareacausekindsofharmtorailwayengineering.Itisofsignificanceforrailwayengineeringconstructiontounderstandthesespecialgeologicalphenomenoninpermafrostarea.Andthispaperproposessomesuggestionstodealwiththeenvironmentalgeologyinvestigating,surveyingandstudyandtheprincipleofrailwaylineandbuildingsiteselecting.Keywords:frost,harmfulgeologicalphenomenon,railwayengineering,endangerpreventionandcure引言我國多年凍土分布的面積約有2150000km2,占全國面積的22%左右,主要分布在青藏高原和東北大小興安嶺,另外祁連山、天山、阿爾泰山等高原山區(qū)也有多年凍土。隨著社會的發(fā)展,鐵路、公路不斷地向多年凍土地區(qū)縱深延伸著,從而成為一個重要的課題。多年凍土地區(qū)之所以會形成不良地質(zhì)現(xiàn)象,是由于多年凍土地區(qū)不僅氣候嚴(yán)寒,而且還有多年凍土層作為隔水頂板使地表水的下滲和多年凍土層上水的活動受到約束,這是凍土地區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生和存在的基本條件。而水的存在和相變是多年凍土區(qū)產(chǎn)生不良地質(zhì)現(xiàn)象的必要條件。自然條件下形成的對鐵路工程有直接影響的主要不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象包括:厚層地下冰、冰錐、凍脹丘、高含冰量凍土、融凍泥流、熱融滑坍、熱融湖塘、熱融洼地、凍土沼澤、寒凍泥流、石環(huán)、石玫瑰、草皮鱗階、寒凍裂縫、多邊形土等。這些不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象嚴(yán)重影著人類在高原凍土區(qū)的工程建設(shè),是多年凍土區(qū)筑路的主要工程地質(zhì)問題之一。另外,人類的工程活動將有可能導(dǎo)致新的不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象產(chǎn)生,這是多年凍土區(qū)工程建設(shè)應(yīng)十分注意的問題。不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育變化特征及其危害冰丘、冰椎1.1.1冰丘在多年凍土地區(qū)冬季表層土由上而下凍結(jié)時,使多年凍土層頂部與季節(jié)凍土層底部的過水?dāng)嗝嬷饾u減少,促使地下水承壓,同時在凍結(jié)過程中水向凍結(jié)面轉(zhuǎn)移,形成地下冰層。因為水凍成冰體積增大,產(chǎn)生很大的批準(zhǔn)力,隨著凍結(jié)深度的增加,當(dāng)冰層的膨脹力和水的壓力增加到大于上覆土層的強度時,地表就發(fā)生隆起形成冰丘。1.1.2冰椎在冬季河水上層結(jié)冰以后,過水?dāng)嗝孀冃『铀鲃邮茏瓒鴿u具有承壓性。上部冰凍的越厚下部流水受壓越大。當(dāng)壓力增加到一定程度時水就沖破上覆冰層外溢,邊流邊凍形成河冰椎。1.1.3冰丘、冰椎的主要危害〔1由于冰丘的隆起可將低路堤一同抬起,靠近橋墩的冰丘可使橋墩產(chǎn)生傾斜?！?對于那些較大的冰椎可造成冰漫路基,或阻塞橋孔,或使涵洞產(chǎn)生冰塞,有時冰椎還能沖入房屋的地下室。在工程施工中還可認(rèn)為造成冰椎,如開挖路塹,筑堤取土,開鑿隧道等,由于地下水的涌入造成許多人為冰椎,處理起來十分困難,危害較大。1.2地下冰在多年凍土地區(qū)天然上限附近往往存在著一層冰,這種層狀冰多為地表水下滲轉(zhuǎn)移到凍結(jié)鋒面上逐漸形成的,其中對溫度變化最為敏感且對鐵路路基的修筑影響最大而且不容易繞避的主要是厚層地下冰。它是在多年凍土形成過程中由于氣候寒冷、水分補給充分、凍結(jié)速度緩慢而造成大量水分向凍結(jié)鋒面遷移并凍結(jié)的結(jié)果。厚層地下冰融化時產(chǎn)生大的下沉量會引起工程建筑物的嚴(yán)重變形和破壞。常見的地下冰有楔形冰和層狀冰兩種?！?楔形冰由于地溫的不均勻變化,導(dǎo)致多年凍土中發(fā)生上大下小的裂縫,裂縫中聚水后凍結(jié)形成楔形冰?！?層狀冰〔純冰層厚幾厘米至幾米平行地面呈層狀存在的冰層稱為層狀冰,多存在于泥炭、黏土、砂黏土層中。1.3凍脹丘凍脹丘是地下水活動與凍結(jié)作用的產(chǎn)物。承壓的凍結(jié)層下水沿斷裂帶上升,在季節(jié)融化層下凍結(jié)成冰核,在地面拱起成鼓丘。冬季季節(jié)融化層從地表向下逐漸凍結(jié),凍結(jié)層上水承壓,因自然因素或人為環(huán)境因素使水流在某一地點匯集并凍結(jié)成冰核或冰層,地面鼓起成土丘。凍脹丘按照存在時間分為季節(jié)性凍脹丘和多年生凍脹丘；按其物質(zhì)組成分為泥炭丘、土丘、泥炭一泥炭巖凍脹丘；按外來水補給分為開敞系統(tǒng)凍脹丘和封閉系統(tǒng)凍脹丘。特別需要指出的是一種爆炸性凍脹丘,由于其下部含有高壓氣體,當(dāng)凍脹丘上部因融化等原因而導(dǎo)致強度降低時就發(fā)生爆炸,此時高壓水氣沖天而出,最后凍脹丘塌陷成坑。凍脹丘對鐵路工程的危害應(yīng)引起高度重視。凍脹丘形成時產(chǎn)生巨大的隆脹力會使道路變形,同時,由于凍脹丘的隆起可將路堤一同抬起,靠近橋墩的凍脹丘可使橋墩產(chǎn)生傾斜。1.4融凍泥流、熱融滑坍和熱融湖塘1.4.1融凍泥流在反復(fù)凍融過程中,飽水土體沿山坡向下緩慢蠕動,這種現(xiàn)象稱為融凍泥流作用。通常在凍結(jié)過程中,土體含水量逐漸增大并發(fā)生凍脹與蠕動,在融化過程中,這種飽水土體在重力作用下進(jìn)一步沿山坡向下蠕動。融凍泥流一般發(fā)生在活動層內(nèi),由于各部分運動速度的不同,形成各種形態(tài)的產(chǎn)物:泥流階地、泥流舌等。1.4.2熱融滑坍熱融滑坍是山坡上含冰量大的凍土<含土冰層或厚層地下冰>。由于人為活動<施工取土等>或自然因素<河流侵蝕坡腳>的作用,破壞了其熱平衡狀態(tài)發(fā)生融化下陷,其上面的土體喪失平衡向下滑動,導(dǎo)致上側(cè)地面覆蓋破壞,冰層融化,融化下沉和滑塌互相作用循環(huán)發(fā)生,直至恢復(fù)熱平衡和力平衡狀態(tài)才能穩(wěn)定。由于滑塌是一塊一塊的發(fā)生,所以滑塌體表面呈臺階狀,又因為滑塌主要是自下而上發(fā)展,向兩側(cè)發(fā)展較少,所以滑塌體的輪廓呈簸箕狀。熱融滑坍不僅危害工程建設(shè),同時破壞凍土局部地區(qū)的生態(tài)平衡。熱融滑坍體在建筑物下方時可使建筑物基底失去穩(wěn)定性?；w在建筑物上側(cè)時,則有可能掩埋路基。對于橋涵工程,當(dāng)流域內(nèi)有較大的滑塌體時,滑塌產(chǎn)生的泥流可能淤積橋涵孔徑。1.4.3熱融沉陷和熱融湖塘由自然或人為因素引起季節(jié)融化深度加大,導(dǎo)致地下冰或多年凍土層發(fā)生局部融化,地表土層隨之沉陷而形成熱融沉陷,積水后形成湖塘稱為熱融湖塘。熱融湖塘?xí)鹇坊牟痪鶆騼雒浐统料菁斑吰孪萘训葐栴}。同時湖塘積水容易引起路基濕軟,加劇凍脹和沉陷。1.5凍土沼澤化濕地凍土沼澤化濕地是在多年凍土區(qū)適宜的水熱環(huán)境下形成的,凍土沼澤的發(fā)育又促進(jìn)了凍土層的形成和發(fā)育。按其水源供給及演變過程可分為低位、中位和高位沼澤。東北大興安嶺多年凍土區(qū)的沼澤主要為中位和高位類型沼澤；青藏高原凍土區(qū)主要為低水位草炭一泥炭沼澤。在泉水出露凹地、潮濕草洼地以及厚層泥炭潮濕地段,由于水分和植被的保溫作用,多年凍土上限埋深較淺,通常情況下存在厚層地下冰。2.凍害的防治凍害對工程建筑物造成的危害,主要包括對線路路基、橋涵隧道、房屋建筑、給水排水、電力供應(yīng)、通訊信號等各種設(shè)備及建筑物的危害。2.1預(yù)防工作〔1防止地下水滲入線路路基及各類建筑物的基礎(chǔ)下部,以防誘發(fā)凍害的發(fā)生?！?防止地下水侵入鐵路各種建筑物的限界,以免造成冰害和凍害?！?防止各種融化水侵入線路及各種建筑物,以免造成日融夜凍反復(fù)循壞凍害。2.2勘查工作根據(jù)不同的不良地質(zhì)現(xiàn)象特點,其勘查工作分述如下〔1冰丘、冰椎:應(yīng)著重查明其分布范圍,地表植被,地形、地貌及其自然營力產(chǎn)生的現(xiàn)象<如醉林、裂縫等>,地質(zhì)及水文地質(zhì)情況,積冰高度,冰層厚度,夾雜物,凍土融后地下水類型<上升泉或下降泉>,水質(zhì),水溫,地下水流向,流量,水位,補給來源。據(jù)此預(yù)測冰丘、冰椎發(fā)展趨勢,及其對建筑物造成危害的可能性,應(yīng)采取的工程措施。冰丘應(yīng)探至含水層底板或淤泥層下部土層至少1.0m。為查明淤泥層底部,橫坡至少布置兩個以上的勘探點,并應(yīng)分層取樣試驗。冰椎勘探深度應(yīng)以查明地質(zhì)情況為度,一般至多年凍土上限1.Om或冰層下1.Om為宜?！?凍脹:應(yīng)著重查明能發(fā)生凍脹的含水量在15%以上的細(xì)顆粒地層的分布范圍,凍脹的土、砂類地層的詳細(xì)顆粒分析資料及其含水量、含冰量、孔隙比、塑性指數(shù)等,凍脹地層的不同巖性厚度,地表植被覆蓋情況?？碧缴疃纫话阒炼嗄陜鐾辽舷尴?.0—1.5m。〔3厚層地下冰:應(yīng)著重查明地下冰分布范圍、深度、厚度、形態(tài)<層狀、楔狀或混合狀>,夾雜物,地下水補給來源,地表形態(tài)、保溫層<泥炭、塔頭草>等。勘探深度一般應(yīng)達(dá)到冰面以下1一2m。飽冰凍土和富冰土應(yīng)根據(jù)其融化系數(shù)計算總沉落量,若超過0.5m時,土層厚度應(yīng)按厚層地下冰處理?！?融化沉降:應(yīng)著重查明擬作各種建筑物地基土層的巖性厚度、含水量、含冰量、孔隙率。季節(jié)融化深度、多年凍土上限以及地表覆蓋的塔頭草、草皮、泥炭厚度。根據(jù)融沉系數(shù)和實驗資料,計算沉降量。一般勘探探度至多年凍土上限以下0.5一1.0m左右。〔5熱融沉陷:應(yīng)著重查明鐵路各種建筑物修建后,由于人為的因素改變了地表面的溫度場狀況。發(fā)生熱融沉陷時,應(yīng)根據(jù)試驗分析資料,計算出極限最大融化深度,預(yù)測可能發(fā)生沉陷的地層、范圍、深度和危害。一般勘探深度至多年凍土上限下1.0—1.5m左右?！?融凍滑坍和泥流:應(yīng)著重查明可能發(fā)生滑坍和泥流的巖性、厚度、范圍、坡度、含冰量、含水量,以及預(yù)測可能發(fā)生滑坍和泥流的體積、形狀及塌落和蠕動對建筑物危害的程度,地表覆蓋植被、地表水情況,下覆地層的巖性,季節(jié)融化深度,多年凍土上限等。一般勘探深度至多年凍土上限下1.0—1.5m左右。2.3鐵路工程中常用防治措施〔1繞避法:鐵路線路及其所屬的各類建筑物,應(yīng)盡可能地繞避不良地質(zhì)現(xiàn)象在其發(fā)育最少,規(guī)模最小的地段通過,或盡可能從不良地質(zhì)現(xiàn)象地段的上方通過,<見圖1>?！?疏導(dǎo)排水法:把流向或接近線路及其所屬建筑物的地下水進(jìn)行疏導(dǎo)排除,如路塹頂部明挖排水天溝;塹內(nèi)路基采用地下暗式保溫排水溝;房屋建筑物周圍深挖排水溝;隧道底部開挖泄水洞排水等,<見圖2>?！?保溫法:即采用保溫的方法,將季節(jié)凍結(jié)線提高到地下水位以上,或降低地下水位到季節(jié)凍結(jié)層以下。如采用草皮、泥炭、塔頭草等就地保溫材料,作為建筑物的保溫層,使季節(jié)凍結(jié)線提高到地下水位以上,從而使地下水不具有承壓水頭,就形成不了冰椎、冰丘等有害現(xiàn)象。又如通過開挖地下保溫滲溝,把地下水匯集起來,排出線路或建筑物以外,人為地降低了地下水位,以消除病害對線路及建筑物造成的危害,<見圖3>?！?攔截法;即采用暴露的方法,開挖凍結(jié)溝降低季節(jié)凍結(jié)線的深度,加速凍結(jié)進(jìn)程。如在凍結(jié)季節(jié)開始前,在與地下水流向成垂直方向開挖溝渠,稱為凍結(jié)溝。鏟除地表覆蓋的草皮、泥炭、塔頭草等保溫較好的土層,使季節(jié)凍結(jié)層與多年凍土層在冬季形成一道整體的、封閉的地下截水墻。從而防止冰椎、冰丘侵襲線路及建筑物,<見圖4>。〔5積冰溝法:這是疏導(dǎo)攔截的一種綜合的治理方式。用開挖大斷面的天溝、明渠、側(cè)溝,攔截儲存一定數(shù)量的冰體,從而防止冰椎、冰丘侵襲線路及建筑物,<見圖5>?！?為了防止各類建筑物遭受凍脹、地下冰等不良地質(zhì)現(xiàn)象造成的凍害,可在建筑物基礎(chǔ)埋設(shè)深度和位置,基礎(chǔ)類型和結(jié)構(gòu)形式等方面采取措施。如房屋基礎(chǔ)、架空管道基礎(chǔ)、橋涵基礎(chǔ)、通訊電力桿柱基礎(chǔ)埋設(shè)在多年凍土層內(nèi)應(yīng)采用樁基基礎(chǔ)。結(jié)語多年凍土地區(qū)由于多種病害,嚴(yán)重地破壞了鐵路工程各種建筑物的穩(wěn)定性,威脅行車安全。通過實踐我們認(rèn)識到,在建筑物修建前做好凍土工程地質(zhì)勘測工作,合理選擇線路方向和建筑物場地,正確選定設(shè)計原則,是防治病害的根本措施。各種不同凍土構(gòu)造所產(chǎn)生的凍脹和熱融沉陷是建筑物遭受破壞最嚴(yán)重、最普遍、數(shù)量最多、影響最大的現(xiàn)象,其次是反復(fù)凍融作用所引起的凍害,也是不能