刘 娟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

青藏铁路格尔木至拉萨段全长1 142 km，穿越连续多年冻土地区长度约550 km，是青藏铁路建设面临的主要地质问题[1]。冻土路基设计采用“冷却路基”设计理念[2]，设置管道通风路基、片石气冷路基、碎石护坡路基、片石气冷及碎石护坡复合路基[3-4](以下简称“复合路基”)等保护多年冻土措施。基于楚玛尔河地区复合路基(DK1043+500)，并对比一般路基(DK1052+000)分析复合路基结构保温效果。

1 监测区基本条件

1.1 场地工程地质条件

监测区位于楚玛尔河高平原，海拔4 500～4 700 m，地形平坦，地表植被较发育，热融湖塘分布较多，分布有多冰冻土、饱冰冻土及厚层地下冰，冻土厚15～40 m，天然上限2.0～5.0 m，年平均地温-1.0～-2.0 ℃，属低温基本稳定区(Ⅲ区)。

1.2 监测设备布设

地温测试：于左右路肩、左右坡脚各设置1个测温孔，测试深度约16 m；于路基坡脚20 m外设置1个地温测试孔做为天然对比孔。

沉降测试：于左右路肩、坡脚各布置1个沉降观测点；于路基坡脚50 m以外设置变形基准点。

每年2～12月份每月观测2次，1月份观测1次，本文分析的数据为2003年～2011年。

2 地温分析

2.1 DK1052+000人为上限状况及热流分析

2.1.1 天然上限位置温度状况

图1为DK1052+000天然上限深度(2.1 m)处的地温随时间变化情况，表1为天然上限深度处年平均温度，由图1、表1可知：

路基左侧天然上限温度在监测期间逐年升高，其中左坡脚于2003年夏季天然上限处温度高于0 ℃，表明原多年冻土上部已经发生了融化，至2010年最高温度达1.63 ℃，年平均温度由2005年的-0.83 ℃升高至2010年的-0.18 ℃，说明天然上限深度处地温显著升高；

左路肩孔中天然上限温度于2005年和2006年出现了正温，即其下冻土出现了融化，至2007年有所下降，之后维持了相对稳定；2005年天然上限处平均地温为-0.24 ℃，2006年为-0.17 ℃，之后又降至2010年的-0.26 ℃；

路基右肩孔和右坡脚孔内天然上限深度处温度都在负温范围内波动变化，右路肩下孔内平均地温基本保持在-1 ℃。右坡脚孔内天然上限地温变幅大于右路肩孔；

对比该断面路基左右两侧上限温度变化，显示由于阴阳坡效应造成的差异在天然上限深度处也表现的十分显著。

图1 DK1052+000天然上限处温度随时间变化曲线

℃

2.1.2 不同位置人为上限深度变化

1.以合同管理为主线，健全对外经济交往管理制度体系。在对外经济交往中，合同管理工作是主线，既是双方经济合作的前导，又是双方履约和解决纠纷的依据。因此，应当对合同实行全过程管理。

图2显示了该断面不同部位人为上限变化情况，其中左坡脚处人为上限深度变化缓慢、阶段性增加；左路肩处早期人为上限深度大幅逐年增加(2007年前)，之后大幅减小；右路肩整体人为上限深度较浅(处于路堤填土中)，且呈进一步减小趋势；右坡脚人为上限一直维持在1.8 m深度处。

图2 DK1052+000人为上限深度变化情况

2.1.3进入多年冻土的热流状况[5-9]

路基下多年冻土的温度变化和分布主要受地表热交换及冻土地温梯度或地热流的影响，在研究地温场变化和多年冻土的变化时需要计算进入冻土的热流量，选取上限(2.1 m)及其下0.5 m深度作为热流通量的计算区域。

根据热传导原理，垂直一维方向上进入上限至其下0.5 m深度范围的热流通量可以近似描述为

式中，qz为热流通量，W·m-2；λu/f为填土融化和冻结时的导热系数，W·m-1·K-1，根据实验测定，λu=1.278(W·m-1·K-1)，λf=1.84 (W·m-1·K-1)；t为温度，下标表示深度和上限；Δz=0.5 m。

利用(1)式将监测周期内的温度数据进行计算得到表2。

表2 DK1052+000 2.5～3.0 m深度的热量 kJ·m-2

表2表明，由于路基填土的热影响， 一般填土路基， 路基左肩原地面下2.1～2.6 m深度一直经历着吸热过程，且吸热幅度在2006年前呈逐年增加的趋势，之后保持了相对的稳定；路基右肩下相同层位出现相对稳定的吸热-放热过程；左右坡脚下，深度2.1～2.6 m内同样呈现吸热-放热过程，但左侧热交换幅度更大，且吸热高于放热。

监测段多年冻土的热流量在路基左右侧差异显著：左坡脚和左路肩下多年冻土的热收支都表现为吸热，且左路肩下在监测期内都没有发生过放热过程；右路肩和右坡脚基本表现了吸热和放热量的平衡。这种热量变化过程导致了上述多年冻土在路基左侧的升温现象。

2.2 DK1043+500复合路基人为上限状况及热流分析

2.2.1 天然上限位置温度状况

图3为DK1043+500断面各孔中天然上限深度处(2.0 m)地温随时间变化曲线，表3为各孔天然上限深度处年平均温度，可以看出：

天然状态下天然上限温度呈现波动升高趋势，最高温度由2004年的-0.47 ℃升高至2009年的0.81 ℃，最低温度变化不大；在路基左坡脚处，地温显著高于其他部位，2006～2007年间处于-3.58～3.59 ℃；左右路肩下天然上限深度处地温都呈下降趋势，其中左路肩下地温呈缓慢近似线性变化，2003年最低温度为-0.33 ℃，2010年降低为-0.89 ℃；右路肩下最高温度由2003年的-0.6 ℃降低为2010年的-1.21 ℃，最低温度由2004年的-1.63 ℃降低为2010年的-1.96 ℃。

图3及表3反应了复合路基下原多年冻土上限深度处地温呈下降趋势，体现了复合路基片石层对冷却下伏多年冻土的作用[10-11]。

图3 DK1043+500天然上限处温度随时间变化曲线

2.2.2 不同位置人为上限深度变化

图4表明：2003～2010年冻土人为上限深度由1.72 m降至2.33 m；路肩处人为上限位置在2003～2004年间呈显著抬升趋势，之后抬升幅度减小，其中左路肩2003～2010年抬升了2.54 m，至原地面上1.71 m；右路肩处2003～2010年间抬升了1.72 m，至原地面上2.71 m；左坡脚处上限深度大于天然孔上限，且呈缓慢加深趋势，2006～2010年间上限位置增加了0.98 m。

表3 DK1043+500 天然上限深度处年平均温度 ℃

图4 DK1043+500人为上限深度变化情况

2.2.3 热流状况

2.0～2.5 m深度冻土中的热流量列于表4中。数据显示，天然孔和路基左坡脚孔中各年进入2.0～2.5 m深度范围的热量为正。右路肩孔年热收支为负值的部位，即表现为放热，且放热量保持了相对稳定。原多年冻土这种热交换变化过程及年热收支状况决定了其温度的状况，表现在温度上为天然状态下多年冻土的缓慢升温，在路基下多年冻土缓慢降温，体现了复合路基的工程效果[12]。

3 结论

(1)一般路基冻土天然上限深度处地温除路基右肩处维持了相对稳定，年平均地温基本保持在-1 ℃，其他部位地温都有所升高，左坡脚处年平均地温从2004至2010年升高了0.38 ℃，左路肩处年平均地温从2004年至2006升高了0.35 ℃。路基左坡脚人为上限位置虽呈下降趋势，但地温增加的趋势明显，整体上地温场朝着不利于稳定性的趋势发展，该类路基难以起到全面保护多年冻土的作用。

(2)复合路基左右路肩下冻土天然上限深度处地温都呈明显降低趋势，左路肩下年平均地温由2004年的-0.44 ℃降至2010年的-0.88 ℃，右路肩下年平均地温由2004年的-1.24 ℃降至2010年的-1.60 ℃。多年冻土人为上限位置都得到显著抬升，目前处于近地表处或路堤填土范围中。复合路基在降低地温和维

护地温场对称性方面都具有显著效果，能主动冷却冻土路基，很好地保护多年冻土。

表4 DK1043+500 2.0～2.5 m深度的热量 kJ·m-2

[1] 铁道第一勘察设计院.青藏铁路建设总结·勘察设计卷[R].西安：铁道第一勘察设计院，2007．

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