多年冻土区不良冻土地质现象及其对铁路工程的危害

多年冻土区不良冻土地质现象及其对铁路工程的危害摘要多年冻土地区的不良冻土地质现象会对铁路工程会产生种种危害，正确了解多年冻土地区这些特殊地质现象对铁路工程建设有着重大意义。本文对这些现象的形成机制、分布规律、防治方法、调查勘探原则、研究内容以及选线和设计等进行了详细研究,并提出行之有效的建议。关健词：冻土不良地质现象铁路工程危害防治AbstractSomeunhealthygeologicalphenomenoninpermafrostareacausekindsofharmtorailwayengineering.Itisofsignificanceforrailwayengineeringconstructiontounderstandthesespecialgeologicalphenomenoninpermafrostarea.Andthispaperproposessomesuggestionstodealwiththeenvironmentalgeologyinvestigating，surveyingandstudyandtheprincipleofrailwaylineandbuildingsiteselecting.Keywords:frost,harmfulgeologicalphenomenon,railwayengineering,endangerpreventionandcure引言我国多年冻土分布的面积约有2150000km²，占全国面积的22%左右，主要分布在青藏高原和东北大小兴安岭，另外祁连山、天山、阿尔泰山等高原山区也有多年冻土。随着社会的发展，铁路、公路不断地向多年冻土地区纵深延伸着，从而成为一个重要的课题。多年冻土地区之所以会形成不良地质现象，是由于多年冻土地区不仅气候严寒，而且还有多年冻土层作为隔水顶板使地表水的下渗和多年冻土层上水的活动受到约束，这是冻土地区不良地质现象发生和存在的基本条件。而水的存在和相变是多年冻土区产生不良地质现象的必要条件。自然条件下形成的对铁路工程有直接影响的主要不良冻土地质现象包括:厚层地下冰、冰锥、冻胀丘、高含冰量冻土、融冻泥流、热融滑坍、热融湖塘、热融洼地、冻土沼泽、寒冻泥流、石环、石玫瑰、草皮鳞阶、寒冻裂缝、多边形土等。这些不良冻土地质现象严重影着人类在高原冻土区的工程建设，是多年冻土区筑路的主要工程地质问题之一。另外，人类的工程活动将有可能导致新的不良冻土地质现象产生，这是多年冻土区工程建设应十分注意的问题。1.不良冻土地质现象发育变化特征及其危害1.1冰丘、冰椎1.1.1冰丘在多年冻土地区冬季表层土由上而下冻结时，使多年冻土层顶部与季节冻土层底部的过水断面逐渐减少，促使地下水承压，同时在冻结过程中水向冻结面转移，形成地下冰层。因为水冻成冰体积增大，产生很大的批准力，随着冻结深度的增加，当冰层的膨胀力和水的压力增加到大于上覆土层的强度时，地表就发生隆起形成冰丘。1.1.2冰椎在冬季河水上层结冰以后，过水断面变小河水流动受阻而渐具有承压性。上部冰冻的越厚下部流水受压越大。当压力增加到一定程度时水就冲破上覆冰层外溢，边流边冻形成河冰椎。1.1.3冰丘、冰椎的主要危害（1）由于冰丘的隆起可将低路堤一同抬起，靠近桥墩的冰丘可使桥墩产生倾斜。（2）对于那些较大的冰椎可造成冰漫路基，或阻塞桥孔，或使涵洞产生冰塞，有时冰椎还能冲入房屋的地下室。在工程施工中还可认为造成冰椎，如开挖路堑，筑堤取土，开凿隧道等，由于地下水的涌入造成许多人为冰椎，处理起来十分困难，危害较大。1.2地下冰在多年冻土地区天然上限附近往往存在着一层冰，这种层状冰多为地表水下渗转移到冻结锋面上逐渐形成的，其中对温度变化最为敏感且对铁路路基的修筑影响最大而且不容易绕避的主要是厚层地下冰。它是在多年冻土形成过程中由于气候寒冷、水分补给充分、冻结速度缓慢而造成大量水分向冻结锋面迁移并冻结的结果。厚层地下冰融化时产生大的下沉量会引起工程建筑物的严重变形和破坏。常见的地下冰有楔形冰和层状冰两种。（1）楔形冰由于地温的不均匀变化，导致多年冻土中发生上大下小的裂缝，裂缝中聚水后冻结形成楔形冰。（2）层状冰（纯冰层）厚几厘米至几米平行地面呈层状存在的冰层称为层状冰，多存在于泥炭、黏土、砂黏土层中。1.3冻胀丘冻胀丘是地下水活动与冻结作用的产物。承压的冻结层下水沿断裂带上升,在季节融化层下冻结成冰核，在地面拱起成鼓丘。冬季季节融化层从地表向下逐渐冻结，冻结层上水承压，因自然因素或人为环境因素使水流在某一地点汇集并冻结成冰核或冰层，地面鼓起成土丘。冻胀丘按照存在时间分为季节性冻胀丘和多年生冻胀丘；按其物质组成分为泥炭丘、土丘、泥炭一泥炭岩冻胀丘；按外来水补给分为开敞系统冻胀丘和封闭系统冻胀丘。特别需要指出的是一种爆炸性冻胀丘，由于其下部含有高压气体，当冻胀丘上部因融化等原因而导致强度降低时就发生爆炸，此时高压水气冲天而出，最后冻胀丘塌陷成坑。冻胀丘对铁路工程的危害应引起高度重视。冻胀丘形成时产生巨大的隆胀力会使道路变形，同时，由于冻胀丘的隆起可将路堤一同抬起，靠近桥墩的冻胀丘可使桥墩产生倾斜。1.4融冻泥流、热融滑坍和热融湖塘1.4.1融冻泥流在反复冻融过程中，饱水土体沿山坡向下缓慢蠕动，这种现象称为融冻泥流作用。通常在冻结过程中，土体含水量逐渐增大并发生冻胀与蠕动，在融化过程中，这种饱水土体在重力作用下进一步沿山坡向下蠕动。融冻泥流一般发生在活动层内，由于各部分运动速度的不同，形成各种形态的产物:泥流阶地、泥流舌等。1.4.2热融滑坍热融滑坍是山坡上含冰量大的冻土(含土冰层或厚层地下冰)。由于人为活动(施工取土等)或自然因素(河流侵蚀坡脚)的作用,破坏了其热平衡状态发生融化下陷,其上面的土体丧失平衡向下滑动,导致上侧地面覆盖破坏,冰层融化,融化下沉和滑塌互相作用循环发生,直至恢复热平衡和力平衡状态才能稳定。由于滑塌是一块一块的发生,所以滑塌体表面呈台阶状,又因为滑塌主要是自下而上发展,向两侧发展较少,所以滑塌体的轮廓呈簸箕状。热融滑坍不仅危害工程建设，同时破坏冻土局部地区的生态平衡。热融滑坍体在建筑物下方时可使建筑物基底失去稳定性。滑塌体在建筑物上侧时，则有可能掩埋路基。对于桥涵工程，当流域内有较大的滑塌体时，滑塌产生的泥流可能淤积桥涵孔径。1.4.3热融沉陷和热融湖塘由自然或人为因素引起季节融化深度加大，导致地下冰或多年冻土层发生局部融化，地表土层随之沉陷而形成热融沉陷，积水后形成湖塘称为热融湖塘。热融湖塘会引起路基的不均匀冻胀和沉陷及边坡陷裂等问题。同时湖塘积水容易引起路基湿软,加剧冻胀和沉陷。1.5冻土沼泽化湿地冻土沼泽化湿地是在多年冻土区适宜的水热环境下形成的,冻土沼泽的发育又促进了冻土层的形成和发育。按其水源供给及演变过程可分为低位、中位和高位沼泽。东北大兴安岭多年冻土区的沼泽主要为中位和高位类型沼泽；青藏高原冻土区主要为低水位草炭一泥炭沼泽。在泉水出露凹地、潮湿草洼地以及厚层泥炭潮湿地段，由于水分和植被的保温作用，多年冻土上限埋深较浅，通常情况下存在厚层地下冰。2.冻害的防治冻害对工程建筑物造成的危害，主要包括对线路路基、桥涵隧道、房屋建筑、给水排水、电力供应、通讯信号等各种设备及建筑物的危害。2.1预防工作（1）防止地下水渗入线路路基及各类建筑物的基础下部,以防诱发冻害的发生。（2）防止地下水侵入铁路各种建筑物的限界,以免造成冰害和冻害。（3）防止各种融化水侵入线路及各种建筑物,以免造成日融夜冻反复循坏冻害。2.2勘查工作根据不同的不良地质现象特点,其勘查工作分述如下（1）冰丘、冰椎:应着重查明其分布范围,地表植被,地形、地貌及其自然营力产生的现象(如醉林、裂缝等),地质及水文地质情况,积冰高度,冰层厚度,夹杂物,冻土融后地下水类型(上升泉或下降泉),水质,水温,地下水流向,流量,水位,补给来源。据此预测冰丘、冰椎发展趋势,及其对建筑物造成危害的可能性,应采取的工程措施。冰丘应探至含水层底板或淤泥层下部土层至少1.0m。为查明淤泥层底部,横坡至少布置两个以上的勘探点,并应分层取样试验。冰椎勘探深度应以查明地质情况为度,一般至多年冻土上限1.Om或冰层下1.Om为宜。（2）冻胀:应着重查明能发生冻胀的含水量在15%以上的细颗粒地层的分布范围,冻胀的土、砂类地层的详细颗粒分析资料及其含水量、含冰量、孔隙比、塑性指数等,冻胀地层的不同岩性厚度,地表植被覆盖情况。勘探深度一般至多年冻土上限下1.0—1.5m。（3）厚层地下冰:应着重查明地下冰分布范围、深度、厚度、形态(层状、楔状或混合状),夹杂物,地下水补给来源,地表形态、保温层(泥炭、塔头草)等。勘探深度一般应达到冰面以下1一2m。饱冰冻土和富冰土应根据其融化系数计算总沉落量,若超过0.5m时,土层厚度应按厚层地下冰处理。（4）融化沉降:应着重查明拟作各种建筑物地基土层的岩性厚度、含水量、含冰量、孔隙率。季节融化深度、多年冻土上限以及地表覆盖的塔头草、草皮、泥炭厚度。根据融沉系数和实验资料,计算沉降量。一般勘探探度至多年冻土上限以下0.5一1.0m左右。（5）热融沉陷:应着重查明铁路各种建筑物修建后,由于人为的因素改变了地表面的温度场状况。发生热融沉陷时,应根据试验分析资料,计算出极限最大融化深度,预测可能发生沉陷的地层、范围、深度和危害。一般勘探深度至多年冻土上限下1.0—1.5m左右。（6）融冻滑坍和泥流:应着重查明可能发生滑坍和泥流的岩性、厚度、范围、坡度、含冰量、含水量,以及预测可能发生滑坍和泥流的体积、形状及塌落和蠕动对建筑物危害的程度,地表覆盖植被、地表水情况,下覆地层的岩性,季节融化深度,多年冻土上限等。一般勘探深度至多年冻土上限下1.0—1.5m左右。2.3铁路工程中常用防治措施（1）绕避法:铁路线路及其所属的各类建筑物,应尽可能地绕避不良地质现象在其发育最少,规模最小的地段通过,或尽可能从不良地质现象地段的上方通过,(见图1)。（2）疏导排水法:把流向或接近线路及其所属建筑物的地下水进行疏导排除,如路堑顶部明挖排水天沟;堑内路基采用地下暗式保温排水沟;房屋建筑物周围深挖排水沟;隧道底部开挖泄水洞排水等,(见图2)。（3）保温法:即采用保温的方法,将季节冻结线提高到地下水位以上,或降低地下水位到季节冻结层以下。如采用草皮、泥炭、塔头草等就地保温材料,作为建筑物的保温层,使季节冻结线提高到地下水位以上,从而使地下水不具有承压水头,就形成不了冰椎、冰丘等有害现象。又如通过开挖地下保温渗沟,把地下水汇集起来,排出线路或建筑物以外,人为地降低了地下水位,以消除病害对线路及建筑物造成的危害,(见图3)。（4）拦截法;即采用暴露的方法,开挖冻结沟降低季节冻结线的深度,加速冻结进程。如在冻结季节开始前,在与地下水流向成垂直方向开挖沟渠,称为冻结沟。铲除地表覆盖的草皮、泥炭、塔头草等保温较好的土层,使季节冻结层与多年冻土层在冬季形成一道整体的、封闭的地下截水墙。从而防止冰椎、冰丘侵袭线路及建筑物,(见图4)。（5）积冰沟法:这是疏导拦截的一种综合的治理方式。用开挖大断面的天沟、明渠、侧沟,拦截储存一定数量的冰体,从而防止冰椎、冰丘侵袭线路及建筑物,(见图5)。（6）为了防止各类建筑物遭受冻胀、地下冰等不良地质现象造成的冻害,可在建筑物基础埋设深度和位置,基础类型和结构形式等方面采取措施。如房屋基础、架空管道基础、桥涵基础、通讯电力杆柱基础埋设在多年冻土层内应采用桩基基础。3.结语多年冻土地区由于多种病害,严重地破坏了铁路工程各种建筑物的稳定性,威胁行车安全。通过实践我们认识到,在建筑物修建前做好冻土工程地质勘测工作,合理选择线路方向和建筑物场地,正确选定设计原则,是防治病害的根本措施。各种不同冻土构造所产生的冻胀和热融沉陷是建筑物遭受破坏最严重、最普遍、数量最多、影响最大的现象,其次是反复冻融作用所引起的冻害,也是不能忽视的。应在了解病害成因和类型的基础上,根据各自的特点和影响因素,制定出防范和整治措施。参考文献[1]郑启浦大兴安岭多年冻