高含冰量多年冻土区路堑施工工法

高含冰量多年冻土区路堑施工工法适用范围

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》适用高原多年冻土区铁路或公路高含冰量冻土地段路堑施工。

高含冰量多年冻土区路堑施工工法工艺原理

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》的工艺原理叙述如下：

高含冰量多年冻土区路堑基底和边坡采用换填，增加冻土保温层，防止多年冻土路基不均匀冻胀和热融下沉，消除不均匀冻胀，换填料选择质地均匀，冻胀性比较好小的粗颗料土，在施工过程中做好不同冻胀性能填料的过渡，防止出现不均匀下沉；为减小换填厚度，增加路基边坡、基底的热稳定性和安全储备。采用铺设厚0.06米的聚氨酯板保温板，基上下各设0.2厚中粗砂垫层，增大热阻，减小大气和人为热源的热量进入冻土层，防止地下冰融化和冻土上限下降；路基面下0.4米处采用铺设750克/平方米的复合土工膜（与侧沟沟底复合土工膜一同铺设），膜上膜下各设0.1米厚的中粗砂垫层，堑顶进行保温处理，采用包角形式高0.8米的挡土埝，路两侧设“U”形侧沟，能够阻止上部地表水渗入而使多年冻土融化；水沟两侧安装热棒将地层中的热量传送至大气中，从而降低多年冻土地温，防止多年冻土发生融化，保证地基的稳定性。总之，采用该工法施工使基底多年冻土不但不会融化，多年冻土的地温还将有所下降，有利于多年冻土稳定。

高含冰量多年冻土区路堑示意图见图1。

高含冰量多年冻土区路堑施工工法施工工艺

• 工艺流程

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》工艺流程图如图2。

• 操作要点

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》的操作要点如下：

一、施工准备

从保护冻土环境，维护生态平衡和路持自身稳定性需要出发，做如下准备：

1.选择合适的施工季节和施工时段，将施工期尽量安排在寒末暖初。

2.选择填料，做好土工试验，为路堑换填作准备。

3.准备充路的机械车辆、物质材料，同时准备雨雪天所作盖布和遮阳用布及临时支架等，便于对暴露地区进行及时覆盖。

4.编制高含冰量冻土路堑施工组织设计和作业指导书，进行技术交底。

5.施工前，先做好临时排水和永久排水系统，以减少水对冻土的热侵蚀，破坏路基。

二、排水系统施工

无论是地表水还是地下水，它的流动和侵入都会带来大量的热，使多年冻土融化，上限下降。因此，在多年冻土区尤其在高含冰量冻土区施工前首先做好临时和永久排水系统施工，即堑顶挡水埝和临时排水沟施工。

堑顶挡水埝底部设置SPRE隔水板，隔水板底部低于冻土上限，0.5米以上，顶部进挡水埝0.4米，使水在路基中不能流动，避免路基底多年冻土融化，上限下降，产生下沉。埝外设排水沟，挡水埝迎水面铺筑混凝土块板。混凝土块板背面铺750克/平方米二布一膜的复合土工膜，其下设0.1米中粗砂垫层。

挡水埝采用专业队伍施工，施工时不得破坏原地面和地表植被。挡水埝施工原则上安排在寒季末、暖季初进行，填料宜选黏性土，严禁采用冻土作填料，挡水埝按设计位置分段、分层开挖填筑；采用挠钩松土，挖掘机土，挖掘机倒行，一次开挖到位，施工时将冻土放至挡水埝范围内，SPRE卷材可沿侧壁安放，原土回填，夯填密实，一次施工段落不宜过长，一般不超过50米，采取快速施工方法。挡水埝土部填土按设计指定位置运输、取土，采用汽车运土，人工摊平，摊铺厚度不大于20厘米，小型压路机或振动夯碾压密实，其密实度可较路基本体密实度标准降低5%。迎水面铺设的C15混凝土块板和复合土工膜，可待路基施工完毕开始施工，以节约时间。挡水埝成型后，对迎水侧流水面进行疏通，高低不平、排水不畅地段进行填平挖除，确保排水顺畅。

三、路堑开挖

遵循“宁超勿欠”的原则，对路堑换填边界精确测量放样；路堑开挖前，首先按设计要求做好排水，移植铲除草皮，以备边坡恢复用。

路堑采用全宽、分段、分层开挖方法，先挖阴坡，后挖阳坡，弃土采用机械运输。

路堑冻土层优先采用松土机法开挖，下部冻土或岩层松土机法施工困难时，采用爆破法开挖。集中机械设备，快速施工，以开挖时暴露时间最短为原则，开挖一段、处理一段，尽快成型一段。一般200米以下路堑从两端挖进，在端口下方设横向排淤销口；200米以上路堑也可从中部分段开挖，增设中部排淤锁口。

松土机法开挖：采用松土机松土，挖掘机开挖，自卸汽车运输。

爆破开挖：路堑必要时采用机械钻孔，梯段爆破开挖，即分层分段爆破开挖，梯段高拟在4~6米间，视开挖厚度而定；梯段长20~30米，施工段落长50~80米。路堑边坡使用预裂爆破。

无论开挖深浅，均应在基面一侧或两侧拉出排水（泥）沟槽，以便于泥流、水流的排泄。

自天温度较高时，采取对暴露的高含冰量冻十作临时遮阳隔热防护，利用高原昼夜温差大的特点，昼盖夜开，以利降温。遮阳隔热可采用钢材加工的遮阳棚上部覆盖浅色卷帘式简易保温材料（编织的厚草帘、粗废毛加工的薄毡毯、油棉毡或用板材等）的方法，减少热融影响，保证施工进度和质量。

将原地面表层黏性土开挖后堆放在堑顶用以做堑顶包角之用。

四、路堑基底、边坡换填

换填作业在清方成形后应尽快一次完成，因此要保证换填料的及时供应。路堑开挖至换填底部，标高、宽度尺寸达到设计要求后，整平表面，而后按下列程序施工：

1.采用全断面分层回填，分层碾压。换填料（中粗砂）直接用自卸车运到填筑区段，根据计算好的每车料的摊铺面积，等距离成行堆放。摊铺厚度要均匀，表面要平整，对不均匀及低洼处用人工进行整平。

2.采用重型振动压路机进行碾压，碾压遵循“先轻后重，先慢后快，先两侧后中间”的原则，衔接处沿线路纵向搭接长度不小于2.0米，横向重叠0.4米。每层碾压完成后，检测压实质量。

3.填料送至基底后要及时整平夯（压）实，将基底回填压实至标高清出侧沟平台，再刷坡调整坡率。路堑基床填筑完成后，进行边坡换填，边坡换填先阳坡，后阴坡，将运至两侧顶的填料从边坡顺坡铺散再逐层送至基底，以利于边坡保温。注意堑顶料堆与开挖线的距离和堆高，防止压垮堑顶。采用堑顶送土，分层进行回填、碾压，分层厚度和压实标准满足设计要求。边坡换填至堑顶后作包角和挡水埝，包角、挡水埝填料和压实标准符合设计文件要求。

4.路堑全部换填完后，再进行边坡修整，路基面平整及坡面处理，最后修建“U”形侧沟。

五、聚氨酯板保温层施工

聚氨酯板其作用原理是在路基工程的顶部通过设置聚胺酯板隔热层，增大热阻，以减少大气和人为热源进入到冻土层内，使路基避免受热侵蚀作用，保护冻土上限不至下降增加路基稳定性。聚胺酯板的施工，原则上安排于每天9点前21点后时段施工，以减少对路堤的蓄热。

施工程序：施工准备→铺设下垫层→下垫层检查→铺设聚胺酯板标高→聚胺酯板检查→铺筑上垫层→上垫层检查→路堤填筑层。

1.施工前对基顶面进行中线、高程、宽度、平整度、压实度验收，测量放出下垫层中、边线，铺设高度控制线。检查保温板质量、数量，符合质量要求的保温板方可使用，同时应检查其数量是否满足应铺地段的使用数量要求，必须备足材料方可开工铺设。在正式展开保温层铺设前，先进行试验段施工，通过试验确定上垫层的上料、摊铺、平整和碾压工艺以及合理的机械配套，确保压实满足设计要求而保温板不被破坏。

2.下垫层选用颗粒级配良好、质地坚硬的中粗砂。砂中不得含有杂草、垃圾及颗粒大于10毫米的石块等杂质，其含泥量不得大于5%。下垫层施工，在路堑换填到至路基顶面1.0米时，将表面压实、平整、清理干净，经检测合格后填铺下垫层。路基基床换填下垫层的铺设厚度和垫层材料的含水量通过试验确定，下垫层的压实采用压路机或平板振动器。

3.铺设保温板。在铺设保温层前，检查所用保温板的规格及性能是否符合设计要求，测量放样标出铺设范围，采用挂线施工。施工时下垫层应平整，表面无杂物，保温板用人工密贴排放，接缝交错布置，然后用胶粘接，使保温板形成一体，避免保温板有空隙。保温板铺设完毕，检查合格后及时铺筑上垫层，避免保温板长时间暴露。

4.填铺上垫层。上垫层材料及摊铺方法与下垫层相同。严禁机械、车辆等直接驶入保温板表面。上垫层碾压采用轻型压路机，严禁使用羊足碾碾压，也不能使用重型振动压路机碾压。压实采用静压，压实顺序先两侧，后中间，先慢后快，碾压轮纵向碾压重叠宽20~25厘米，碾压不到之处，可用平板夯实机械配合夯实。

六、复合土工膜施工

高含冰量路堑顶面下0.4米处铺设一层两布一膜的复合土工膜，土工膜上下各平铺一层0.1米厚中粗砂垫层。复合土工膜厚不小于0.35毫米，渗透系数不大于1×10^-11厘米/秒，顶破强度不小于12千牛/米，零下45℃低温下冻融循环200次抗拉强度及顶破强度不小于设计标准，具有长期的抗老化性能。

1.复合土工膜每批进场应抽检，检验土工膜的单位面积质量、厚度、条带拉伸是否符告设计要求。

2.路基施工至复合土工膜设计铺设高程时，清除基面含有的尖锐杂物和碎石，将基面整平，并作成向路基外侧不小于4%的排水坡。碾压密实后进行质量检测，质量要求同路基相同部位。质量合格后，铺设0.1米厚砂垫层并夯拍密实，然后，进行测量放线，标出符合土工膜铺设位置。

3.复合土工膜铺设前按照设计尺寸剪裁，直接铺在砂垫层上，坡面上铺设应自上而下进行，采用搭接连接，连接处高端压在低端上，搭接长度不小于30厘米，连接处的各项指标不低于设计要求，缝接的接缝强度不低于原材料的设计强度。铺设复合土工膜时作业人员不得穿硬底鞋，复合土工膜应平整无褶皱，松紧适度，并与路基面密贴。

4.复合土工膜铺设完后，施工质量进行检测。复合土工膜铺检测完后，应及时按设计要求铺设砂垫层覆盖，并夯拍密实。严禁施工机械在复合土工膜上进行作业。施工中如发现复合土工膜被破坏，应及时修补，修补面积不小于破坏面积的4倍。

七、热棒施工

热棒又称为热虹吸管，是一种液汽两相转换循环的热传输系统。它的作用原理是它由一根密封的金属管与里面充装的工质组成，管上部散热叶片（冷凝段）置于大气中，下部（蒸发段）埋入地基多年冻土中，当蒸发段与冷凝段之间存在温差（冷凝段温度低于蒸发段温度）时，蒸发段的液体工质吸热蒸发成为蒸汽，在压差作用下蒸汽沿管内空隙上升至冷凝段，与较冷的管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成为液体，在重力作用下，冷凝液体工质沿管壁回流蒸发段再吸热蒸发，如此往复循环，将地层中的热量传送至大气中，从而降低了多年冻土的地温，防止多年冻土发生融化，保证了地基的稳定性。

热棒的优良特性为：无需外加动力；无噪声；传热能力大，传热效率高；单向传热；启动温差小；适用温度范围广，-60℃~ 60℃；价格便宜；工作安全可靠，寿命30年以上；结构坚固，无需日常维修养护；无有害物质，环保等。它用于防止多年冻土融沉、冻胀变形原理已成熟可靠，广泛应用于多年青藏铁路、公路热棒路基冻土工程中。

热棒安装在路堑水沟两侧，安装热棒采用钻孔插入法。采用的施工钻孔机械为ZL150螺旋钻机、沙漠地质钻机、潜孔钻机等，热棒的间距为3米，沿路堑两侧对称布置。热棒施工前应进行技术交底，做好热棒施工准备工作：选择的热棒堆放场地应紧靠施工现场，尽量减少热棒的搬运距离；选择合适的热棒起吊设备，制做合适的起吊辅助工具，搬运、起吊安装不得损坏散热器及防腐涂层；备好钻孔回填材料：测量放线。热棒施工工艺流程图见图3。

热棒施工用钻机钻垂直孔，钻孔直径一般为15厘米，深度应比设计深度大10~20厘米，必要时视地质情况适当加深；钻孔完成后，进行孔径和孔深检查，并将钻孔中泥浆清除干净；钻孔符合要求后，将热棒吊起插入钻孔中定位，垂直度检查合格后固定，及时按设计要求回填钻孔间隙，回填密实，回填料充分冻结或达到设计规定的强度前，将热棒支撑固定。支撑物应在热棒周围的填沙冻结后方可拆除，填砂回冻时间与多年冻土特性有关，一般5~7天。

八、高含冰量多年冻土区路堤与路堑过渡段施工

路堤与路堑结合部应按设计提前做好防排水工程，并与路基的防排水系统连接。

高含冰量冻土地段的填挖过渡段地基换填时，换填基底与挖方地段换填基底顺接，顺接长度符合设计要求。过渡段保温层和复合土工膜防渗层应按设计要求及时铺设。

路基与路堑过渡段换填压实质量标准视回填土层位置而定。当回填土层位于基床以下时，按路基本体控制，回填土层位于基床范围内时，按基床填土控制，其质量标准及检测频次同路基本体或基床。

九、挡、排水系统完善

路基成型后及时完善挡、排水系统，主要包括用堆放在堑顶的表层黏性土进行堑顶包角；挡水埝刷坡修整、埝外排水沟的修筑、铺设复合土工膜和C15混凝土块板；U形侧沟的拼装，砌缝、沉降缝等。

十、路基沉降观测

路基成型后，沿线路每100米做一个沉降观测断面，特殊部位适当加密，每个断面6个点，分别设于路堑的左、右侧路肩、堑顶、堑顶外侧约5米地面处，在开挖成的30厘米×30厘米×40厘米（深度）坑内灌注混凝土，混凝土中预埋ф16圆钢作为沉降观测点，保证观测点牢固可靠。沉降观测自路基成型开始，数据积累至少3个冻融循环期，并将数据进行对比分析，发现异常及时分析原因及采取措施。

十一、施工注意事项

1.重视高原多年冻土区施工季节的安排，充分考虑人、机、工程对象三者和气候条件的协调。既避开气温与氧分压最低、人员和机械都难以适应的严寒月份（12~次年2月）施工，也尽可能地不在热融作用最活跃的月份（7~8月）安排高冰冻土的开挖换填作业。最适宜的作业时间是寒末暖初的3~5月和暖末寒初的9~11月，此期间热融活动弱，地表承载性能较好，但要重视防护，人员和机械也易适应。

2.采取对暴露的高含冰量冻土作临时遮阳隔热防护，利用高原昼夜温差大的特点，昼盖夜开，以利降温。

3.无论开挖深浅，均应在基面一侧或两侧拉出排水（泥）沟槽，以便于泥流、水流的排泄。

4.换填作业在清方成形后应尽快一次完成，因此要保证换填料的及时供应。堑顶料堆与开挖线的距离和堆高，防止压垮堑顶。

• 劳动力组织

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》的劳动力组织见表1。

一、主要工程材料

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》采用的主要材料聚氨酯板、复合土工膜、热棒等，其规格技术指标要求如下。

聚氨脂板：密度不小于55千克/立方米，导热系数不大于0.021瓦/米℃，吸水率不大于4%，在压缩变形量不大于5%时，抗压强度不小于0.3兆帕。

复合土工膜：厚度不小于0.35毫米，渗透系数不大于1×10^-11厘米/秒，顶破强度不小于12千牛/米，-45℃低温下冻融循环200次抗拉强度及顶破强度不小于设计标准，具有长期的抗老化性能。

热棒：直径ф89毫米，冷凝段散热器面积不小于5.8平方米；翅片厚度不小于1.9毫米；冷凝器采用螺旋翅片，翅片表面平整，无开口；外表面应严格处理，具有良好的反射、辐射及防腐性能；采用的热棒型号应经过现场不少于一个冻融循环试验检验，有效传热半径不小于1.5米。力学强度：屈服强度σ_s>290牛/平方毫米；抗拉强度σ>480牛/平方毫米；伸长度σ_s>23%；抗弯截面模量>30441平方毫米。

二、机具设备

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》所用的机具设备明细见表2。

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》与内地普通跑堑施工方法相比有下列特点：

1.注重施工时段，适合寒末暖初施工，尽量避开每天的日照强烈时间。

2.采邓换填、保温板、复合土工膜、热棒、挡水埝等综合施工措施。

3.快速施工，以减少热侵蚀，防止路基热融滑塌。

4.注重挡水、排水工程施工，减少对多年冻土环境热侵蚀。

5.施工措施较多，效果好。

青藏铁路是世界上线路最长的在高海拔多年冻土区修建的铁路，穿越550千米的多年冻土地段，全线海拔大于4000米以上地段约965千米，线路最高海拔为5072米。中铁十六局十六标段完成的高含冰量多年冻土区路堑基底稳定，经过3年恶劣气修考验，未出现开裂和不均匀下沉，路基稳定，质量优良，通过对高含冰量多年冻土区路堑的施工技术进行总结后形成《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》。

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》的质量控制要求如下：

一、严格控制质量标准

1.换填的压实度按所处位置进行量标准控制，压实度质量标准控制见表3。

2.下垫层质量标准见表4。

3.聚胺酯板

4.复合土工膜

二、质量控制措施

1.采取快速施工方法，以减少对多年冻土的扰动。

2.施工前做好临时排水，施工完毕完善排水系统，以防止对多年冻土的热侵蚀，造成多年冻土的破坏。

3.严格施工工艺，保护多年冻土。

4.路基换填和边坡回填保证压实度。

5.注意各工序之间的统筹考虑和衔接，充分考虑高原高寒多年冻土区路堑施工特点。

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》机械化程度较高，加快施工进度，降低工程成本，节约资金40万元。

在青藏铁路施工中运用《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》，地解决了高原冻土路堑施工的难题，保证了工程质量，取得比较好的社会效益。

注：施工费用以2005-2006年施工材料价格计算

采用《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

1.热棒施工运输吊装注意安全。

2.爆破施工时，严格按爆破施工规程操作。

3.通信光缆、输油管道进行标识和安全保护，严禁施工过程中破坏。

4.高原施工，人员劳动时间一般不超过6小时。

5.保温板胶粘剂有毒，注意防护。

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》在青藏铁路16标段工程范围中DK1350 20~DK1350 870路地段的应用情况如下：

1.工程概况

该段路堑位于布曲河左岸山前缓坡上，植被盖率60%左右，年平均地温大于-0.5℃，属于高温极不稳定区高含冰量冻土地段，冻土上限2.5米，上限以上有季节性融水。该段属布曲河谷阶地及温泉断陷盆地，海拔高程4700~4850米左右。冰雪型气候，气候干燥，变化无常。气温气压低，春秋季节短暂，冻结期长，急风、暴雪、雷电等变化剧烈无常。年平均气温-4℃，极端最高气温24.7℃，极端最低气温-45.2℃。

2.施工情况

该段高含冰量多年冻土区路开挖最大深度19.1米，平均开挖断面达190多平方米，路堑结构形式见图1，于2002年9月开工，2003年11月完成主体工程，路基防护和热棒于2004年5月完成。施工时因采用换填、保温板、复合土工膜、热棒、挡水埝等新的综合施工措施，应用了新材料新工艺，故邀请了铁一院西北研究院、兰州大学等科研院所专家进行冻土施工知识培训、现场指导和冻土路基变形监测，施工过程中严格按照设计意图和原则按照该工法精细施工，解决了施工现场存在问题，路基变形控制在允许范围内，保证了施工质量。

3.工程监测和结果评价

经过施工过程中和完工后的恶劣气候考验，通过三个冻融循环的路基沉降观测，路基面和边坡未出现大的变形沉降，通过该段7组数据的监测发现，路肩最大变形（ 9，-34）毫米，堑顶（ 12，-31）毫米，堑顶外侧约5米地面处（ 33，-46）毫米，路基施工过程中和施工刚完成时路肩和堑顶变形较大，6个月后逐步趋于稳定，堑顶外侧地面受冻土冻涨融沉影响变形较大，也较有规律。路基没有出现开裂、位移和不均匀下沉，符合规范要求。

施工全过程安全、快速、优质完成，属可控状态，工后经受恶劣气候考验后无病害，得到了各相关方的好评。说明此施工工法可靠，路基基底和边坡换填料能减少多年冻土冻胀和融化，保温层能保温隔热，热棒将地层中的热量传送至大气中，从而降低了多年冻土的地温，防止了多年冻土发生融化，保证了地基的稳定性，复合土工膜隔断了上部水的侵入，起到保护下部多年冻土的作用，保证了施工质量。

《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》的环保措施如下：

1.进行草皮移植，保护环境。

2.按设计土石调配施工，严禁随意取弃土。

3.规划施工便道、车辆及机械的行走路线。机械车辆沿便道行走，不得破坏沿线植被。

4.施工垃圾及时运走，保护冻土环境。

2008年1月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《高含冰量多年冻土区路堑施工工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B

路堑(cutting)又称挖方。开挖天然地层做成的低于天然地面的路基。按路堑通过的不同地层材料可分为土质路堑和石质路堑。堑坡高度视地形、地质和水文条件而定，坡度应满足稳定要求。断面形式有全挖式、半挖(半提一半堑、台口)式和半山洞式。公路通过陡峻山坡上的半路堑宜用台口式，对整体性好的坚硬岩层可用半山洞式路基 。

对深路堑，还可分成几个台阶，同时在几个不同高度上掘进，以增加工作线；也可采用纵向通道掘进法，即先沿路堑纵向挖出通道，再向两侧拓宽。对挖方量大、施工期短的深路堑，亦可采用双层式纵横通道的混合掘进方式，同时沿纵横的正反方向掘进，以扩大施工面。不论采用哪种方法，都应保证施工现场排水通畅。选择开挖方式时应根据路堑的深度与长度，以及采用的施工方法与机具类型加以综合考虑 。

多年冻土及土壤季节冻融循环对地～气间热量交换、生态～水文过程、水资源都起着至关重要的作用。黑河流域上游位于祁连山高寒带山地多年冻土区，是黑河流域的主要产流区。针对黑河流域“冻土变化过程及其流域水文效应的辨识”的科学问题，本课题将应用野外钻孔勘探，定期、定点观测，遥感及数值模拟方法，对黑河上游土壤季节冻融过程、多年冻土分布及其流域水文效应进行全面系统研究；揭示黑河上游多年冻土空间分布特征、土壤季节冻融过程及其影响因素；编制大比例尺（1:100000）黑河上游活动层及多年冻土图，为冻土水文模型及流域水文集成研究提供基础资料；综合研究黑河上游活动层、多年冻土及其变化对水文过程的影响，特别是其与地表径流和地下水的相互作用。系统分析在气候变化条件下土壤冻融过程、多年冻土演化过程及其对流域水文过程，水资源形成过程及生态环境的效应；明晰冻土的水资源效益，最终为提高流域出口河流径流预报提供可靠的科学依据。