冻土铁路涵洞施工对地基土地温的影响

　　1、冻土铁路涵洞施工对地基土地温的影响

 

　　从1960年开始，中科院冰川所以及铁道部高原所对青藏多年冻土区的自然环境和冻土特征进行了全面考察。建立了冻土定位观测站，为进行冻土工程的研究打下了深厚的基础。通过对高原气象、多年冻土地温场、冻土热力学等冻土基本性质以及参数的试验和研究，在冻土铁路涵洞施工方面取得了一定的成果。为分析涵洞对该类冻土地基的适应性提供有力的依据。

 

　　1.1、由于青藏高原的特殊施工环境，适合采用冬季的现场施工工艺。因为冬季施工可以减小对涵洞明挖基础的冻土热扰动，减少了基底冻土回冻时间，从而满足了减少对多年冻土的扰动。

 

　　1.2、在施工的影响下，离地表近的土层在建涵的初期，其涵内浅层地温上升趋势明显；随着时间的延长，上升幅度将会变小，最终地温逐渐趋于稳定；此外，多年冻土层在施工的影响下，将会有部分的融化现象，且在随后的2～3年内这种冻融交替的现象会时常发生。故由于施工给冻土环境造成的影响在两年的时间里不能完全消散。

 

　　1.3、在夏季，涵洞内的地基土地温要比洞口低。这种差异距离地表越近，其表现越明显；虽然涵内浅层负温波动幅度比洞口大，但是其总的波动幅度却比洞口要小。所以表明路堤和涵洞具有保温、隔热的效果，气温对洞口地温的影响比对洞内的大。

 

　　1.4、通过对涵洞不同部位、不同深度的多年冻土人为上限的试验，得出结论，之所以洞口处的冻土人为上限通常情况下要比洞身中部的冻土上限影响大，是因为洞身受大气的影响要比洞口处明显。

 

　　1.5、涵底基础热对流效果对涵底最大冻深的影响

 

　　涵底基础是由片石混凝土或浆砌片石铺砌的，在前面的分析讨论中看到，涵底基础的冷季对流效果明显，加深了涵底最大冻结深度。在多年冻土区，碎石通风路基是一种积极保护多年冻土的工程措施，工作原理是：在寒冷季节，冷空气有较大的密度，在自重和风的作用下使片石间隙中的热空气上升，冷空气下降并进入地基；而在温暖的季节，热空气密度小，很难进入地基，类似于热开关效应。碎石路基在多年冻土区对于保护地基土冻结状态具有优势，被国内外广泛应用于冻土区房屋建筑，相关资料指出，某试验中块石层的有效导热系数在冬季是夏季的12.2倍。但在季节性冻土区，由于防止冻胀灾害关键在于减小冻结深度，减小冻胀量，而非多年冻土区的保护冻土层，防止冻土层的退化。在上面建立的涵洞温度场计算模型中，考虑到对流作用，对涵底基础取2倍于暖季导热系数的当量导热系数为其冷季热参数值，与实测数据的比较也能看出，这种处理办法是符合客观规律的。

 

　　2、冻土铁路涵洞类型选择

 

　　根据青藏公路多年冻土区涵洞的病害特征，铁路应选用能够适应一定变形能力且强度较高的封闭型结构。另外，青藏铁路多年冻土地区，高寒缺氧，环境恶劣，涵洞的施工应降低劳动强度，提高机械化程度，应集中预制，采用拼装化。因此，青藏铁路首选的涵洞为拼装式钢筋混凝土矩涵洞。本涵为铁道第一勘察设计院1979年编制的铁道部通用图，图号壹桥5193。预制件最大的重量8t左右（涵节长度按1m计）。构件的混凝土标号为C25及C302种，满足严寒地区的使用要求，本涵在国内各条铁路线上广泛使用（主要为现场浇筑），反映良好。因此，可在格尔木附近设预制场，集中预制，通过青藏公路运至涵址处，就地拼装施工。

 

　　金属波纹管涵洞是一种柔性结构物，波纹钢管的起源已有百年的历史，此种结构物在国外（如加拿大）多年冻土地区公路、铁路上普遍使用。近几年，在我国214国道上也设计了约10座波纹管涵洞，积累了不少资料和经验。波纹管涵洞从整体上讲是一个柔性体，具有以下特点：对地基土的要求不高，能够适应较大的地基变形，对场地破坏较小，结构简单，施工快速。波纹管涵洞采用分层夯实的砂垫层做为基础，因而比较简单。但是，此结构也存在不少缺点，主要体现在：对基坑砂垫层的夯实要求较严，对管涵周边的回填土要求很高，回填材料含水量应合适，应该仔细分摊两侧对称回填夯实，施工要求高。由于波纹管涵洞采用无基，地基下沉将导致涵洞变形过大，失去排水作用。另外，波纹管涵洞为金属结构，埋入地下，长期受水、酸碱性土壤的侵蚀以及泥砂的磨蚀，势必会产生锈蚀和损坏。因此，必须加强其防腐蚀的能力。

 

　　目前波纹管涵洞在青藏铁路多年冻土地区的使用，仍存在较大的分歧和争议。有的专家认为波纹管涵洞施工简单、快速，对冻土破坏较小，应大力推广使用。但另有专家则认为波纹管涵洞刚度小，地基下沉将导致涵洞变形过大，受水、酸碱性土壤侵蚀、泥砂磨蚀，涵洞易锈蚀和损坏。由于青藏铁路多年冻土地区涵洞量大面广，多年冻土工程地质差异很大，且青藏铁路设计、施工工期短，需进行必要的实验研究。为此，已在青藏铁路试验段上设计了4座孔径1.2～1.5m的波纹管涵洞，进行实验观测，逐步积累经验。在其它路段，根据多年冻土工程地质状况，并根据试验情况，逐步推广应用。

 

　　3、优化冻土铁路涵洞施工工艺

 

　　3.1、施工准备

 

　　认真学习冻土知识和相应规范、细则、验标；按照设计要求，结合桩位和所处地形合理规划施工便道，修筑便道要直接在原地面上填筑，不清除地表植被，尽量减少对冻土及自然环境的扰动；测量控制桩设置在稳定土层或基岩上，禁止机动车辆从附近通过，以防止地表扰动。埋入多年冻土层的控制桩跨冻融季节使用时，埋深不小于两倍的天然上限，桩周回填粗粒土，以防冻融引起桩位变动。

 

　　3.2、涵洞明挖基础

 

　　3.3、拼装式钢筋混凝土矩涵基础、涵节拼装

 

　　3.3.1、基础块拼装

 

　　拼装前用样绳放出基础的轮廓尺寸，构件上标有中心线及吊装顺序的编号，确保基础块正确就位。拼装基础中应使水泥砂浆饱满，垫层顶面用100号水泥砂浆找平，确保基础均匀受力，并使相临基础的顶面高差满足规范要求。基础拼装完成后立即按设计及规范要求对基础块四周侧壁混凝土面涂防冻胀渣油、施作沉降缝、回填粗颗粒土，防止基础热融发生，保证涵节拼装的顺利进行。

 

　　3.3.2、涵节安装

 

　　涵节用拖车、平板车运输，人工配合汽车吊安装。涵身安装后焊接涵节之间的连接钢筋。涵节接头连接采用负温砂浆，水灰比一般为0.4～0.5。配制负温砂浆时要加入引气型防冻剂，使之能在负温条件下硬化增强，且硬化后具有良好的抗冻性及耐久性。砂浆捣实、抹平之后，应立即覆盖一层塑料膜保护，并在其上覆盖适当的保温材料。在负温条件下，拼装砂浆不得浇水养护。

 

　　3.4、混凝土施工

 

　　混凝土采用集中拌制、混凝土运输罐车运输、输送泵灌注的施工方式。当日平均气温降低到5℃或5℃以下，或者最低气温降到0℃或0℃以下时，混凝土按冬期施工。浇筑与冻土层有直接接触的基础混凝土时，为了减小混凝土水化热对地基的热影响，应控制混凝土的入模温度在2～5℃；浇筑端翼墙混凝土时，混凝土入模温度应控制在5～10℃。在浇筑混凝土过程中一定要注意振捣，尤其是浇筑翼墙斜面混凝土时，混凝土中气泡不易溢出，振捣一定要密实，避免拆模后混凝土表面产生气泡或蜂窝，影响涵洞外观质量。混凝土浇筑遇雨雪天气时，应采取遮蔽措施，混凝土终凝前不得泡水。

 

　　总而言之，在以后的工作中，对于冻土地区涵洞的开挖要特别的注意。确保做好高原冻土地区公路涵洞开挖施工准备；加大高原冻土区涵洞混凝土浇筑质量管理；提升高原冻土区公路涵洞涵身施工质量；做好高原冻土区公路涵洞涵背的回填等等，以此最终保证整体工程质量。

 

　　参考文献

 

[1]张旭芝.高原多年冻土涵洞温度场及地基土冻融变形规律研究[D].中南大学，2007.

 

[2]许兰民.青藏铁路五道梁冻土区工程结构热扰动研究[D].北京交通大学，2011.

 

[3]汪江红，牛永红，慕青松，牛富俊，李蒙蒙.深季节冻土区涵洞热状况分析[J].土木建筑与环境工程，2014，05：1-10.

 

[4]汪江红.深季节冻土区涵洞热状况研究及其优化设计[D].兰州大学，2014.

 

[5]郭法生.高原多年冻土地区铁路工程施工技术研究[D].西南交通大学，2006.