摘要：青藏鐵路要穿越約560km(西大灘～安多)高原多年凍土地區(qū)和210km(安多以南)零星分布的島狀多年凍土地區(qū)；該地區(qū)在含水量較大的粘性土狀況下，普遍分布有厚度較大的水平冰層，體積含冰量大于80%，最厚達(dá)5m，其頂面一般即為多年凍土上限。由于埋藏較淺，極易受地表條件和氣候變化的影響，凍融滑塌是高原凍土的突出現(xiàn)象，亦是造成各類建(構(gòu))筑物病害的主要原因之一。本文作者在對全國各類建(構(gòu))筑凍害實地調(diào)查總結(jié)和進(jìn)行了二十多年青藏高原腹地風(fēng)火山的各類實體試驗工程研究的基礎(chǔ)上，同時吸收其它行業(yè)在高原多年凍土地區(qū)實施工程建設(shè)的經(jīng)驗與教訓(xùn)，借鑒國外多年凍土地區(qū)工程建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗，對將要修建的青藏鐵路路基、橋梁、涵洞、隧道、站場、房屋建筑物、構(gòu)筑物等工程地基基礎(chǔ)類型的選擇及施工工藝提出了設(shè)計原則及建設(shè)性意見。

        關(guān)鍵詞：青藏鐵路    地基基礎(chǔ)選型

        1.0 概況

        青藏高原多年凍土地區(qū)處于地球的中緯度地帶，該地區(qū)海拔高度一般在4000m以上，氣溫比其它中緯度地區(qū)低的多，全年地表凍結(jié)期長達(dá)7～8個月(從每年9月至第二年的4～5月)，即使在暖季，夜間地表也有短暫的凍結(jié)現(xiàn)象，除了溫泉出露帶和大河河床下有融區(qū)外，多年凍土呈大面積連續(xù)分布，其存在主要受當(dāng)?shù)睾０胃叨鹊目刂�，并呈明顯的垂直分帶規(guī)律。

        青藏鐵路二期工程格爾木至拉薩段要穿越560km(西大灘至安多)高原多年凍土地區(qū)和210km(安多以南)零星分布的島狀多年凍土地區(qū)。該地區(qū)在含水量較大的粘性土狀況下，普遍分布有厚度較大的水平凍層，體積含冰量大于80%，最厚達(dá)5m，其頂面一般即為多年凍土上限，由于埋藏較淺，極易受地表條件和氣候變化的影響，其生態(tài)環(huán)境的脆弱性表現(xiàn)極強，融凍滑塌及熱融沉陷是高原凍土的突出現(xiàn)象，亦是造成各類建(構(gòu))筑物病害的主要原因。

        高原缺氧及氣壓低是高原多年凍土地區(qū)有別于高緯度多年凍土地區(qū)的另一自然客觀現(xiàn)實；缺氧使的人的體力、耐力以及工作效率大幅度下降，而工程機械尤其是內(nèi)燃工程機械則以海拔每升高1000米，功率下降8～10%的梯度遞減，這種狀況已在高原多年凍土地區(qū)試驗工程中得到充分證明。修建青藏鐵路的重要意義不言而喻，從五十年代中期至今，其研究、調(diào)查、勘測、設(shè)計前后歷時四十多年；盡管由于多種因素，時斷時續(xù)，但從未中止；尤其是五十年代初青藏公路的修建，六十年代東北多年凍土地區(qū)牙林線和嫩林線的建設(shè)，七十年高原多年凍土腹地風(fēng)火山大規(guī)模鐵路試驗工程的實施以及八十年代青藏公路的改建，都為高原多年凍土地區(qū)修筑鐵路提供了大量的成功經(jīng)驗和應(yīng)吸取的教訓(xùn)；本文作者作為中國第一本“多年凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范”的主要編寫人之一，在九十年代中期又對中國各類建(構(gòu))筑物凍害進(jìn)行了大范圍實地調(diào)查，結(jié)合各類實體試驗工程的研究成果，借鑒國外多年凍土地區(qū)工程建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗，并基于當(dāng)今科技水平及施工技術(shù)的提高和發(fā)展，各類新型施工機械和新型建筑材料的不斷涌現(xiàn)，經(jīng)過認(rèn)真分析研究，吸取消化，同時將設(shè)計、施工、運營等問題一并考慮；對將要修建的青藏鐵路二期工程從選線原則、路基設(shè)計施工、橋梁涵洞基礎(chǔ)、隧道設(shè)計施工、站場地基、房屋建筑物地基基礎(chǔ)、構(gòu)筑物地基基礎(chǔ)提出下述設(shè)計原則。

        2.1 選線原則

        合理選線是青藏鐵路二期工程建設(shè)的首要問題，由于本段線路通過長距離的高原和多年凍土地區(qū)，海拔4000m以上地段占86%，多年凍土及島狀多年凍土地段占全線70%，而且沿線地廣人稀，沒有大的貨物集散地，基本上為內(nèi)地與西藏貨物交流的通過車流；所以在列車重量、速度、密度的組配上，應(yīng)以提高速度，縮短列車通過高海拔(4000m以上)地區(qū)的運行時間為立足點；為此，要充分發(fā)揮牽引動力的作用，合理加大最小曲線半徑，加強軌道強度，在運輸設(shè)備上努力提高現(xiàn)代化水平，建立適應(yīng)高原鐵路的先進(jìn)鐵路技術(shù)體系，減少線路維修工作量和運營管理人員。

        鑒于近年來唐古拉山以南部分地區(qū)雪害嚴(yán)重的情況，選線過程中對本線建成運營后的防災(zāi)救災(zāi)工作要給予充分關(guān)注，在線路、地質(zhì)、路基、橋梁、隧道各專業(yè)之間充分協(xié)商、綜合選線的前提下，線路應(yīng)盡最大可能靠近即有公路。

        丘陵地段，線路宜高不宜低，最好從緩坡的上部通過；河谷地段，線路宜選擇在較高階地上；不良地質(zhì)地段定線的原則是從厚層地下冰分布的上方邊緣或從熱融滑塌體的下方以高路堤通過,對可能產(chǎn)生熱融滑塌范圍采取工程措施予以防護(hù)；在地下水發(fā)育地區(qū)，應(yīng)注意路基可能改變地質(zhì)狀況而產(chǎn)生冰椎、凍脹丘的可能性。

        冰丘、冰椎地段，線路宜在其下方通過，有困難時，采用橋梁跨越。

        2.2 路基工程

        路基工程在高原多年凍土及島狀凍土地段均應(yīng)嚴(yán)格采用保護(hù)凍結(jié)狀態(tài)的設(shè)計原則，盡量減少挖方，注意避免低填淺挖及零斷面，一般地段路堤最小高度不小于1.40m；地表潮濕及排水困難地段，路堤最小高度不得小于2.0m，且基底必須采用砂卵(礫)石進(jìn)行換填，其厚度1.0～1.5m且不大于天然上限，為防止地表水入滲基底，需在砂卵(礫)石墊層表面鋪設(shè)二～三層土工布，并夯填30cm厚的粘土隔水層。

        當(dāng)路基設(shè)在丘陵緩坡地段，且基底地下水發(fā)育，為避免路堤上方產(chǎn)生春融隆脹丘，堤下必須采用砂、礫石換填，其換填厚度不小于天然上限，沿路堤方向的換填長度不小于10m，不大于15m，換填與不換填段間隔以10m為宜，分段實施。

        地下冰，凍脹性土地段的低填、淺挖和零斷面，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況，采取換填措施，必要時調(diào)整線路縱坡，亦可采用凸形豎曲線予以解決。

        路塹地段應(yīng)特別注意，路塹基層的換填要求與上述要求相仿，為防止路塹邊坡滑塌，建議采用雙層網(wǎng)噴柔性防護(hù)新技術(shù)，不再設(shè)置重力式路塹擋墻。

        應(yīng)該特別強調(diào)的是路基設(shè)計過程中，必須強化環(huán)保意識，保護(hù)天然植被和草皮，取土地點要遠(yuǎn)離路基坡腳，在高原多年凍土及島狀凍土地段必須集中取土，堅決消除一條路堤兩側(cè)融溝的現(xiàn)象，使脆弱的多年凍土地區(qū)生態(tài)環(huán)境得以保護(hù)。

        3.0 橋梁、涵洞工程

        3.1 橋梁工程

        在高原多年凍土及島狀凍土地段，除無地下水、地表水，地基為粗粒土或裸露基巖外，橋梁基礎(chǔ)類型優(yōu)先采用樁基，針對青藏高原缺氧嚴(yán)重施工條件惡劣的狀況，根據(jù)調(diào)查和試驗結(jié)果，鉆孔灌注砼樁──這種工效較高、勞動強度低、施工方便、施工速度快的基礎(chǔ)形式應(yīng)重點推廣，但施工過程中必須嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)定的數(shù)量及品種添加低溫砼速凝劑。

    在勘測過程，橋址地形及地質(zhì)狀況必須詳細(xì)準(zhǔn)確，根據(jù)嫩林線、牙林線及青藏公路沿線橋梁凍害的調(diào)查研究結(jié)果，橋梁設(shè)計除了遵循現(xiàn)行規(guī)范外，在多年凍土及島狀多年凍土地區(qū)尚應(yīng)注意以下事項：

    橋梁上部結(jié)構(gòu)即梁與橋臺之間，梁與梁之間的伸縮縫應(yīng)大于現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值2～3倍。

橋臺基礎(chǔ)在卵石土狀況下，可以采取一般措施進(jìn)行處理，若地質(zhì)條件較差，則應(yīng)比照橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，但臺后填土必須采用粗顆粒土(非凍脹性土)，沿線路方向路堤填筑粗顆粒土的長度不得小于50m，以避免路堤線性凍脹造成橋臺向河心方向推移；解決橋臺推移問題的另一種方法是在橋梁縱斷面設(shè)計時，適當(dāng)延長橋長，使橋臺退居岸線后側(cè)20～25m，河岸邊坡采取輕型防護(hù)，臺后采用粗顆粒土的路堤長度則可減少為20m。

        3.2 涵洞工程

       相對于橋梁來講，涵洞屬于小型工點，但全國凍實調(diào)查結(jié)果表明，無論公路還是鐵路，在多年凍土地區(qū)是發(fā)生凍害最多的工程；拼裝式小橋涵、對于變形比較敏感的拱涵、抗凍脹性較差的砌體涵和蓋板涵，在高原多年凍土地區(qū)原則上不宜采用；一般情況下，應(yīng)盡量采用抗變形能力較好的框架箱涵，出入口采用一字墻，同時涵洞基礎(chǔ)用粗顆土予以換填，換填深度以天然上限為界；經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)比較后，亦可采用金屬波紋管涵；涵洞進(jìn)出口高差加大或排水坡率比現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值提高1～2個百分點。

        隧道本身結(jié)構(gòu)的受力不存在太大問題。但在多年凍土地區(qū)，尤其是鐵路隧道，其設(shè)計中的防水隔水構(gòu)造措施必須加強，且施工質(zhì)量至關(guān)重要，現(xiàn)狀運營中的鐵路隧道產(chǎn)生凍害的主要表現(xiàn)為：邊墻與拱頂交接處沿施工縫漏水、滲水掛冰，由于隧道洞中與洞口的溫、差，漏水使得洞口軌面結(jié)冰，邊墻掛冰；嚴(yán)重的，侵入限界，造成列車無法通行，沿施工縫滲水產(chǎn)生的冰楔作用造成邊墻脫落掉塊，并逐漸發(fā)展；據(jù)現(xiàn)場實測，最大掛冰厚度達(dá)40cm以上。軌道結(jié)冰后對列車的安全行駛造成威脅。

    隧道設(shè)計中對施工縫處的防水隔水措施必須予以加強，為了改善襯砌的受力狀態(tài)以及萬一產(chǎn)生凍害時方便治理，建議設(shè)計時邊墻以曲墻替代直墻；洞中泄水溝、洞應(yīng)采取保溫措施，至少引至洞口百米以外。

       青藏線二期工程除起點格爾木，終點拉薩站以外，沿線均為中間站，凡設(shè)在多年凍土及島狀多年凍土地段內(nèi)的車站站坪填土高度不得小于1.4m，車站要避免設(shè)在挖方地段，站場排水以明溝為好；其設(shè)計可借鑒多年凍土地區(qū)渠系設(shè)計規(guī)范來進(jìn)行。

       在多年凍土地區(qū)房屋建筑物地基與基礎(chǔ)，無論東北各線還是青藏高原，試驗工程最多，歷時最長；五十、六十、七十、八十年代均有大量工程實踐，以七十年代中期青藏線風(fēng)火山各種類型房屋基礎(chǔ)試驗工程為標(biāo)志，中國在高原多年凍土地區(qū)房屋基礎(chǔ)形式基本定型，即單層房屋以低填通風(fēng)基礎(chǔ)為好，多層房屋以架空樁基基礎(chǔ)最為成功，因此青藏鐵路二期工程沿線車站房屋設(shè)計應(yīng)以此原則。

       多年凍土地區(qū)各類構(gòu)筑物基礎(chǔ)的設(shè)計務(wù)必給予足夠重視，圍墻、大門門墩、電桿基礎(chǔ)、信號柱基礎(chǔ)、管道支架等當(dāng)屬此類，千萬不可因為此類構(gòu)筑物較小，而掉以輕心；東北及高原多年凍土地區(qū)此類構(gòu)筑物的大量破壞，均屬基礎(chǔ)設(shè)計不當(dāng)造成。

    此類構(gòu)筑物的地基除基巖裸露的情況外，均應(yīng)采用粗顆粒土換填，基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行抗凍脹性計算，并采取抗凍脹性構(gòu)造措施，施工中不得隨意簡化程序，以確保工程質(zhì)量。

        各類建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)十分重要，尤其是高原多年凍土地區(qū)，其一旦發(fā)生破壞，即無法恢復(fù)原狀，維修亦十分困難；所興的是四十多年以來，經(jīng)過幾代無數(shù)科技工作者的研究和工程技術(shù)人員的實踐，大部分工程技術(shù)問題都已得到解決，相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及研究工作的進(jìn)一步深化，中國第一條高原多年凍土地區(qū)的鐵路會建設(shè)的很好。

作者：凱凱