青藏铁路多年冻土区路堑边坡病害特征及防治措施分析

胡田飞;杜升涛

【摘 要】There are 78 cutting slopes in permafrost regions along Qinghai-Tibet Railway, with the length of about 15. 6 km, and the stability of the slopes is directly related to the safe operation of the line. This paper analyzes stability conditions, forms of defects, influencing factors and mechanisms of the slopes based on field surveys. The rationality of the protective measures is also discussed. The results show that the number of defected cutting slopes comes to 15, 4 of which lost their stability. The defects are characterized by surface scouring, longitudinal cracks, destruction of protective structures, collapse and toe swollen. The defects are mainly located at the upper part of slopes, rather than the sunny side, and the top of the cutting is the weakest part. The development is characteristics of periodic process and fluctuated deterioration. Thermal erosion of external water and suprapermafrost water, freeze-thaw action of active layer are the main causes of the defects. Defect mechanisms include erosion of external water, frozen expansion of stagnant water and freeze-thaw circulation. The inspection in the operation period shows that slopes without protection are prone to scouring and deformation, closed anchor-spray concretes are likely to be ruptured by freezing expansion force of stagnant water, light and flexible frame structure and L-type retaining wall are effective in protection.%青藏铁路格拉段多年冻土区共有路堑边坡78处,长约15.6 km,其稳定性直接关系到线路安全运营。根据现场调查,分析其稳定性状况、

病害形式、影响因素及机理,讨论防治措施的合理性。结果表明：先后有15处出现病害,其中4处失稳,病害问题值得重视；病害形式包括坡面冲刷、纵向裂缝、防护结构破坏、滑塌、坡脚鼓胀等；病害位置以边坡上侧为主,而非阳坡侧,堑顶是最薄弱的部位,发育过程表现为周期性和波动性的恶化；地表水和冻结层上水的热侵蚀及活动层冻融作用是病害的主要原因,病害机理包括地表水冲刷、滞水冻胀和冻融循环；经过运营期检验,无防护的坡面容易冲刷变形,封闭式锚喷混凝土面容易滞水冻胀破裂,轻型、柔性的骨架护坡和L型挡墙防护效果较好。 【期刊名称】《铁道标准设计》 【年(卷),期】2015(000)011 【总页数】6页(P26-30,31)

【关键词】青藏铁路;多年冻土;路堑边坡;病害特征;防护措施 【作 者】胡田飞;杜升涛

【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044; 中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000;中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000 【正文语种】中 文 【中图分类】U213.1

青藏铁路格拉段穿越多年冻土区的路基长度约329.7 km，由于地形和线路坡度的限制，不可避免的挖方行为形成了路堑和半路堑边坡共78处，长度约15.6 km。在青藏铁路建设过程中，考虑到多年冻土区沿线降水量不大，部分路堑二级边坡和边坡两端未做防护，还有少量低含冰量和低路堑边坡也未采取保护措施。青藏铁路运营以来，大幅度增加的降水引起了严重的坡面冲刷问题，边坡的冻结层上水发育，

热侵蚀导致冻土上限深度逐年加大。路基状况调查发现，青藏铁路格拉段多年冻土区的路堑边坡病害问题较为突出[1-2]。针对多年冻土区边坡的病害问题，冻土工程界进行了大量相关的研究工作[3]。发育特征方面，受厚层地下冰赋存条件的控制，青藏高原斜坡失稳的地形坡度一般较小，最小可达4°～6°，破坏形式可分为坍塌、滑塌和泥流3类[4]。青藏铁路北麓河段两处路堑边坡病害的发展及治理过程表明换填层厚度及保温和截排水措施对边坡的破坏形式有较大影响[5]。病害机理方面，多年冻土路堑边坡可概括为融滑破坏和蠕变破坏两种类型[6]。王天亮等[7]通过室内试验分析了压实度、荷载以及冻融次数对土体融沉性质的影响规律。三轴剪切试验表明冻融循环次数和围压及冻结温度之间的交互作用对土体力学性质有显著影响[8]。稳定性评价方面，沈宇鹏等[9]比较了正融土斜坡常用的5种稳定性分析方法，推导了考虑孔隙气压力的热融泥流安全系数计算公式。防护措施方面，铁路部门于2001年在风火山地区设置了北麓河厚层地下冰路堑边坡试验段，对L型挡墙、加筋土挡墙、加筋土护坡、预制混凝土拼装式骨架护坡、泡沫玻璃板护坡和移植草皮护坡等措施进行了长期的观测，并从设计、施工、作用机理及应用效果等多个方面分析了上述结构的合理性[10-14]。熊治文等[15]总结了低纬度、高海拔多年冻土区路堑边坡及其防护结构的病害特征，并提出了现有路堑边坡典型病害的整治原则。

本文根据青藏铁路沿线气候长期观测和路堑边坡现场调查结果，对路堑边坡稳定性状况、病害形式、影响因素及病害机理进行了分析，并讨论了其防治措施的合理性。 青藏铁路格拉段多年冻土区路堑边坡主要分布在昆仑山区、风火山区、开心岭山区、布曲河谷区和唐古拉山区，总长约15.9 km。运营后路堑边坡病害状况如表1所示，先后出现严重病害的路堑边坡有15处，占路堑边坡总数的19.2%，其中4处整体失稳，可见路堑边坡病害问题较为严重。

根据现场调查情况，路堑边坡主要出现坡面冲刷、堑顶纵向裂缝、坡面防护结构破

坏、局部滑塌和坡脚鼓胀等病害形式。 2.1 坡面冲刷

青藏高原雨季集中在暖季的7月～9月，降雨容易在堑坡表面形成地表径流，引起冲刷破坏和坡脚积水、道床积水及基底过水等水害问题。其中坡面冲刷病害日益严重，图1所示为K1111+720～K1112+200路堑左侧一段边坡，坡面冲刷严重，冲沟发育。 2.2 堑顶纵向裂缝

在暖季，降水集中下渗会增大季节融化深度，导致多年冻土上限深度增加。对于路堑边坡，降水量的增加必将增强冻结层上水对边坡的热侵蚀。同时，由于堑顶包角受双向热流的影响，其融化深度更大。调查发现边坡病害多集中在边坡的上侧，而非阳坡侧，图2所示为K1111+720～K1112+200路堑右侧一段边坡和K1127+900～K1128+400路堑右侧一段边坡，堑坡顶部纵向张拉裂缝发育，发展过程表明其主要与活动层的冻融作用有关。这说明上侧地表水和冻结层上水的热侵蚀比阴阳坡地温差异对路堑边坡稳定性的影响更大。 2.3 坡面防护结构破坏

青藏铁路多年冻土区78处路堑边坡中有33处采用锚喷混凝土防护，运营后均出现了大小不一的裂缝，严重部位还有渗水、掉块等现象发生。图3(a)所示为K1111+720～K1112+200路堑左侧一段边坡，喷射混凝土面破裂鼓出。由于锚喷混凝土面阻挡了冻结层上水的排泄，导致混凝土面在冷季滞水冻胀的冰劈作用下隆起变形或破碎脱落。表明封闭式的刚性锚喷混凝土护坡结构不适宜用在多年冻土区的边坡防护工程中。

骨架护坡属于柔性防护结构，菱形空窗内土体临空，可基本释放冻胀力，但小部分冻胀力也会由骨架承担，极端情况下会导致骨架损坏、隆起失效。图3(b)所示为K1127+900～K1128+400路堑右侧一段边坡，部分骨架变形过大导致破坏，但

骨架结构整体基本完好，坡面保持稳定。骨架变形呈现寒季冻胀、暖季融沉的一般特点。 2.4 局部滑塌

在寒季末和暖季初，白天气温升至0 ℃以上，地表的积雪和表层的冻土逐渐融化，水分向下渗流，夜间气温降至0 ℃以下，重新冻胀。在上述冻融循环作用下，表层土间会逐渐形成冰土夹层，使夹层上部冰雪融水难以下渗，含水量增大使土体增重、软化，在重力作用下逐渐产生滑塌。图4所示为K1149+710～K1149+815路堑右侧一段边坡，坡体局部滑塌，骨架护坡结构破坏。该边坡先是于2006年暖季在堑顶平台出现数条纵向裂缝，一年后病害进一步发展，坡面变形塌陷。此类滑塌的主要原因是坡体的反复冻胀与融解。 2.5 坡脚鼓胀

在高含冰地段，路堑边坡顶部及坡面上限附近高含冰量冻土的融化，会使季节融化层下部水分富集。由于冻土上限顶板的隔水作用，容易在冻土上限附近形成软弱面，导致边坡滑移失稳。图5所示为K1301+000～K1301+020路堑边坡，浅层整体滑移，堑顶出现了一条深约100 cm、宽80 cm的拉陷槽，坡体下部鼓胀裂缝发育，坡脚向外滑移20～30 cm。 2.6 病害发育特征

青藏高原边坡受太阳辐射的影响，一般阳坡地温比阴坡高，存在明显的不对称，但这种不对称性并没有在路堑边坡稳定性上明显表现出来。现场调查发现，路堑边坡上侧的病害发生率明显高于下侧，并且多发生在浅表层。冻土路堑边坡病害从轻微至严重一般会经历较长的过程，开始是坡面防护结构损坏，随后坡顶裂缝从窄到宽，进而出现错动的纵向大裂缝，之后坡体上部局部滑塌并逐渐加剧，坡面损坏严重，降水不断入渗形成恶性循环，坡体下部隆起，最终发生整体滑塌。

路堑边坡病害一般在寒季潜伏，暖季发育。随着季节的周期性变化，病害波动性起

伏变化，在此过程中缓慢累积，具有一定的周期性和间隔性。

多年冻土区路堑边坡稳定性与边坡走向、坡率关系不大，其影响因素主要包括温度、水、土质、工程结构和人为活动五大类。与一般地区相比，多年冻土区路堑边坡的温度变化和冰(水)是特有的因素，而冻土的蠕变特性，更使多年冻土区路堑边坡稳定性影响因素比一般地区复杂得多。 3.1 温度

与温度相关的影响因素包括多年冻土层地温、活动层地温及冻融循环过程。地温场不利影响主要表现为坡面冻土融化形成饱水冻融交界面，使边坡出现融滑失稳。对于冻土地层，冻土温度越低，蠕变变化越小，冻土的热稳定性越大，冻土路堑边坡越稳定。影响地温场的因素包括活动层厚度、气温、降水量、太阳辐射及地表条件等，其中气温是决定地温场稳定性的主要因素。受全球气候变暖影响，青藏铁路多年冻土区气温呈逐渐上升趋势，图6为风火山地区1978～2009年的气温变化情况[6]。季节活动层在春融期的变化特点是白天融化，夜间冻胀，这种反复的冻融作用会对路堑边坡造成强力破坏。青藏铁路多年冻土路堑边坡病害大多是由冻融循环过程中的不均匀冻胀和融沉造成的，所以往往在春融期可见大量的边坡滑塌现象。 3.2 水

水是影响边坡稳定性的关键因素之一，对于青藏铁路多年冻土区路堑边坡也是如此。与多年冻土斜坡路基稳定性相关的水包括地表水和冻结层上水。地表水对边坡稳定性的影响主要表现为坡面冲刷和使活动层土体水分富集。近年来青藏高原降水量逐年增大，图7为风火山地区1978～2009年的降雨量变化情况[6]。冻结层上水对边坡稳定性的影响主要表现为对多年冻土的热侵蚀，同时使活动层土体含水饱和而形成相对软弱面。在活动层融化期，冻土上限作为上部活动层的底板起到隔水作用，冻结层上水含量随融化深度的增加而增大，多聚集在冻结锋面，并受降水补给而变化较大。冻结层上水是引发冻融滑塌的主要因素，所以排除冻结层上水是边坡防治

的有效措施之一。冻结层上水的富集程度又与温度、土质条件有关。 3.3 土质

青藏铁路多年冻土区路堑边坡多建在土质、类土质或风化、半风化岩质斜坡上，坡体密度低，孔隙大，抗冲蚀能力低，地表水容易入渗，产生流水侵蚀面和冰冻夹层面。冻土上覆活动层的冻融循环过程会引起一系列的物理、热物理变化，如冻融变形、水分迁移、冻结锋面的存在和迁移、颗粒分选等。这一系列变化的作用使土体趋于松散，强度降低，坡面出现不均匀冻胀和融沉裂缝。尤其在细颗粒土内的浅层会出现含水量较高的冻融锋面，水分迁移使冻土上限附近水分富集，对冻土路堑边坡的稳定性不利。土的冻胀特性主要由土的级配成分决定。因此，选择合适的路堑换填料可以减小坡面的冻胀和融沉变形，对提高路堑边坡的稳定性具有重要意义。 路堑边坡病害是一个长期发展的过程，在此过程中各种因素相互作用与促进，故病害多是各种因素综合作用的结果。路堑边坡根据破坏机理可以概括为地表水冲刷、滞水冻胀和季节活动层冻融循环三种类型。其中地表水冲刷容易引起坡面冲沟和护坡骨架悬空，滞水冻胀容易引起封闭式刚性支挡结构的隆起破坏，季节活动层冻融循环容易引起堑顶纵向裂缝及坡体滑塌破坏。

青藏铁路多年冻土区边坡防护措施主要包括热防护措施、截排水措施、支挡措施和坡面防护措施等，其特点可以从温度、水及力学特性3个方面来论述。温度方面主要表现为边坡坡面与堑顶的保温，水方面主要表现为边坡上侧冻结层上水的截排，力学特性方面主要表现为冻土层中防护结构的应力松弛与蠕变，活动层季节性冻融循环致使支挡结构上土压力与水平冻胀力交替出现。对于多年冻土区路堑边坡，应采取综合性的防护措施。 4.1 堑顶及坡面保温措施

与我国东北及俄罗斯多年冻土地区相比，青藏高原多年冻土区太阳辐射强烈，日照时数长，坡面传热效果更为明显。热防护主要包括坡面保温防护和地基冻土保护措

施。热防护能够降低冻土地温，增大冻土热稳定性，防止冻土融化，减小冻土蠕变，同时提高冻土强度，降低冻融作用的不利影响。

路堑边坡的坡面防护一般采用换填表层土体的方法，如图8所示，换填料采用A、B组填料。同时，在换填层底部设置隔热层，常用的材料有聚苯乙烯硬质泡沫板(EPS板)、聚氨酯板(CPU板)和挤压聚苯乙烯板(XPS板)等低导热率材料。此外在坡面和堑顶换填地段设置泡沫玻璃板或移植马蔺、无芒雀麦及紫穗槐等植被进行护坡。由于边坡上侧的病害发生率明显高于下侧，堑顶的热侵蚀最为严重，可在堑顶设置热棒，增强土体的热稳定性，提高热棒设置部位人为上限，以阻挡冻结层上水向坡体渗流。此外，建议在堑顶平台上铺设片石层。 4.2 冻结层上水的截排措施

在融化季节，路堑边坡冻结层上水比较发育，其水量受地域性和气候变化的影响。冻结层上水的截排是多年冻土区路堑边坡防护的重要内容。截排水措施中，针对地表水一般采用挡水捻。针对冻结层上水，可设置竖向与斜向的浅层排水沟、土工滤排水材料和排水孔，土工滤排水材料、排水孔的埋置深度和主沟槽间距根据冻结层上水的深度和水量确定，主沟槽周围回填砂卵石土。此外，在两侧坡脚处设置碎石排水盲沟，将基床内积水引排至路堑边坡外路基排水体中。 4.3 支护结构措施

多年冻土区路堑边坡的支护措施主要有L型挡墙、加筋土挡墙、加筋土护坡、预制混凝土拼装式骨架护坡、锚喷混凝土护坡。L型悬臂式挡墙具有柔性变形卸载的特点，如图9所示，适应于堑坡冻胀的力学变化过程和融沉的交替变形过程，可以起到很好的防护效果[16]。加筋土挡墙、加筋土护坡能够满足防护要求，但试验证明这两类结构的施工工艺复杂，病害多，维修工程量大，不宜推广使用[17-18]。骨架护坡通过混凝土骨架将坡面分成菱形窗格，如图10所示，骨架与边坡土体牢固地联结为一体，从而提高了表层土体的抗剪切能力和抗冲刷能力。封闭式的坡面

防护结构容易阻滞冻结层上水的排出，例如锚喷混凝土层底面附近往往富集水分，在暖季初和寒季末的冻融过程中，受到冻胀力的作用，因此封闭式的护坡结构容易出现滞水冻胀变形破坏。

在普通地区，土压力是挡土结构物上的主要荷载，但在多年冻土区，土压力和冻胀力会交替循环作用在支挡结构上，水平冻胀力量值要比土压力大数倍甚至数十倍[6]。相比重力式挡墙等刚性结构，L型挡墙、骨架护坡、轻型预制空心混凝土块等轻型和柔性支护结构的抗变形能力强，对多年冻土区路堑边坡的防护效果更优。 (1)青藏铁路格拉段多年冻土区共有78处路堑边坡，主要分布在昆仑山区、风火山区、开心岭山区、布曲河谷区和唐古拉山区。投入运营后，先后有15处路堑边坡出现严重病害，其中4个失稳，严重威胁到青藏铁路的正常安全运营，路堑边坡问题值得重视。

(2)青藏铁路多年冻土区路堑病害主要包括坡面径流冲刷、滞水冻胀、活动层冻融循环3种类型。滞水冻胀病害主要指封闭式锚喷混凝土面的破坏，活动层冻融循环病害主要指堑顶纵向裂缝、坡面防护结构破坏、局部滑坍及坡脚鼓胀，其中边坡上部和堑顶是病害的高发部位。路堑边坡病害是一个波动、缓慢持续发展的过程，是温度、水、土质、人工荷载等各种因素综合作用的结果。

(3)青藏高原大气温度和降水量呈不断增高的趋势，地表水及冻结层上水的热侵蚀和活动层的冻融循环作用是病害的主要原因，因此热防护和截排水是路堑边坡防治中最基本的措施。支护结构容易受到冻结层上水冻融循环过程中冻胀力的影响，支护措施应尽量选择轻型、柔性的L型挡墙和骨架护坡等结构。

【相关文献】

[1] 赵相卿，熊治文，韩龙武，等.多年冻土区典型路堑边坡失稳病害的防治[J].铁道工程学报，2009(1)：32-35.

[2] 周有禄，熊治文，李天宝，等.青藏铁路多年冻土区桥头路基病害成因分析及整治措施研究[J].铁道标准设计，2013(10)：40-44.

[3] 熊治文，廖小平，徐兵魁，等.青藏铁路多年冻土边坡与斜坡路基研究综述[J].铁道学报，2010，32(4)：102-107.

[4] 刘建坤，童长江，房建宏.寒区岩土工程引论[M].北京:中国铁道出版社，2005. [5] 刘争平，王连俊.青藏铁路北麓河路堑变形浅析[J].西部探矿工程，2005(4)：194-196. [6] 中铁西北科学研究院. 运营条件下青藏铁路多年冻土区路基病害调查与整治措施研究[R].兰州：中铁西北科学研究院，2011.

[7] 王天亮，卜建清，王扬，等.多次冻融条件下土体的融沉性质研究[J]. 岩土工程学报，2014，36(4)：625-632.

[8] 常丹，刘建坤，李旭，等.冻融循环对青藏粉砂土力学性质影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(7)：1496-1502.

[9] 沈宇鹏，许兆义，王连俊.青藏铁路路基中正融土斜坡稳定性分析[J]. 中国安全科学学报，2005，15(7)：97-100.

[10]王永顺.青藏铁路多年冻土区高含冰量路堑边坡挡护结构的探讨[J].铁道标准设计，2008(5)：19-22.

[11]温智，盛煌，马巍，等.多年冻土区路堑边坡防护试验研究[J].铁道工程学报，2009(7)：1-5. [12]魏智，金会军，张建明，等.主动和被动的冻土地温控制方法和技术[J].铁道工程学报，2008(11)：20-26.

[13]魏静，许兆义，葛建军，等.青藏铁路路基预制拼装式骨架护坡试验分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25(2)：329-333.

[14]刘娟.青藏铁路楚玛尔河地区复合路基地温状况分析[J].铁道标准设计，2013(12)：40-42. [15]熊治文，廖小平，朱本珍，等.多年冻土地区路堑边坡病害及其整治原则[J].铁道工程学报，2010(7)：6-10.

[16]梁波，葛建军.青藏铁路多年冻土区L型挡土墙综合特性的试验研究[J].岩土工程学报，2011，33(增1)：59-64.

[17]刘桂香，孙常新，梁波.青藏铁路多年冻土区加筋土特性试验研究[J].路基工程，2008(6)：133-135.

[18]王申平.柔性护坡在青藏铁路多年冻土区路基的试验[J].路基工程，2008(4)：76-77.