高寒和多年冻土地区路桥施工技术
1秦国刚2李东3李有德
（1中铁十三局集团第四工程处黑龙江省哈尔滨市150008）
摘要：结合工程实例对高寒和多年冻土地区施工技术进行总结，主要针对高寒和多年冻土地区路基工 程和桥梁工程的施工特点，提出了各自的施工注意事项，从施工准备、施工技术措施、劳动力组织和 环境保护等方面进行了论述，较详细地探讨了高寒地区和多年冻土地区路桥工程的施工方案和不良地 质情况下的技术处理措施。
关键词：高寒多年冻土施工技术实例
1.概况
1.1 高寒地区和多年冻土的含义
高寒地区是指：一般多指东北地区和西部高原地区，年平均气温在0℃以下，持续-20℃在15天以上。 多年冻土，也称永冻土，是指凡具有负温或零温，其中含有冰的各种土，并且冻结状态持续三年以上的
土层。在我国主要分布在内蒙古和黑龙江大、小兴安岭北部和青藏高原及西部高山等地区。
多年冻土常见的不良冻土现象有：冻胀丘、冰椎、厚层地下冰、冻土沼泽等。
1.2 在高寒和多年冻土地区给建筑物带来的危害
在高寒和多年冻土地区，由于季节融冻层的反复冻融，冻土或多年冻土层的消长变化，会产生各种不良物理地质和工程地质现象，特别是在该地区进行建筑施工破坏了原有土层的天然状态，使土体原有的各种平衡遭到了破坏，尤其是热力学平衡在多年冻土地区带来的影响，这些情况都会给铁路（公路）路基与各种建筑物造成威胁和破坏。如涎流冰现象，是在寒冷的气候条件下，地下水或地面水满溢到路基面和道路上，从下而上逐层冻结而形成，会对路基基床造成冻胀影响行车安全，也给道路的行车道造成凹凸不平，形成冰坎、冰槽，从而危及行车安全，严重时中断交通。
2.高寒和多年冻土地区施工总体方案
2.1 施工准备
在高寒和多年冻土地区进行工程施工，除进行正常的准备外，一定要注意其自身的特点：
2.1.1设计文件审核和地质勘察
对设计文件，审核有关多年冻土的类型、分布、属性、构造、成因、地温、多年冻土的上下限以及冰椎、冻胀丘、热融湖（塘）、冻土沼泽等内容。施工阶段工程地质工作的重点是冻土现象发育地段、冻土条件复杂地段和重点工程。对于重点工程，需进一步做好冻土工程勘察。
2.1.2现场调查
详细了解当地的气候条件、自然环境和施工条件（如水、电、路等）,并与当地的气象、水文部门取得经常性联系。
2.1.3做好冬季施工准备
做好冬季施工的准备，除队伍、人员、机械设备保暖外，要根据设计文件详尽制定冬季施工的具体工程项目和施工措施；做好冬储冬运工作，尤其是在取暖和地产料方面，为春融后快速施工打好基础；做好保温材料的调查并应在冬季到来之前进行大量的有计划的采购。
2.1.3做好防排水系统
做好施工中的防排水系统和水源准备，特别是在夏季的防排水和冬季施工时的水源问题。
2.2 施工技术措施
2.2.1桥梁工程
在高寒、多年冻土地区，对于桥梁工程要根据地区性特点，查明多年冻土的特性，测取气温、地温及水文条件等资料，并调查已有的不良物理地质和工程地质现象，必要时进行工程地质钻探，以便于有针对性的 1
施工。
A、当采用保护多年冻土的原则设计时，桥涵的明挖基础施工在冬季采用“冻结法”进行，集中兵力打歼灭战；钻孔打入桩和钻孔插入桩基础施工则不受季节的限制，而钻孔灌注桩宜在冬季进行施工，采用低温早强或负温混凝土灌注而成。
B、当采用容许融化的原则设计时，在冬季采用冻结法施工依然适合大、中桥基础和埋深不大的小桥及涵洞基础；条件允许的情况下也可以在其他季节进行基础施工。
C、通过在高寒地区施工的技术总结，结构物圬工冬季施工需注意以下几方面内容：①必须进行必要的热工计算；②低温早强砼、负温砼和抗冻砂浆的配制；③钢筋冷拉可在室外温度-20℃以内进行，焊接工作则在室内完成；④原材料加热：水温宜控制在60℃以内；粗、细骨料宜控制在40℃以内；⑤混凝土拌和时先将加热的骨料和水拌和一定的时间，在温度为40℃时再加入水泥搅拌。水泥不加热，但存放需放入暖棚内；⑥拌和时间要求是常温施工时的1.5倍；⑦混凝土运输距离要短，并有保温措施；⑧当圬工养护采用蓄热法达不到要求时，采用蒸汽、暖棚或电热性均可，但必须经热工计算后控制好温度，防止升降温速度过快。我局在引松入长马家泵站取水戽头工程中，取水戽头水下部分冬季施工，在暖棚内进行，蒸汽法养生，施工效果良好，
为后续工程施工创造了良好的条件。
2.2.2路基工程
路基工程施工以前，在熟悉设计意图的基础上，要对全线所处的工程地质环境进行调查，掌握取、弃土场的情况，研究土石方调配情况，了解多年冻土不良地质现象的分布情况，总结多年冻土地区路基的病害情况，如冻害；基底融化下沉；路堑边坡热融滑塌；路堤边坡滑坍；冰椎，冰丘；寒带风化等，便于选择和确定防止多年冻土路基特殊病害方案的原则以及合理选择施工季节，便于采取有效的环境保护措施，制定切实
可行的路基施工方案。
A、采用保护多年冻土的设计原则。线路一般以路堤方式通过，路堤基底处理是不破坏地表覆盖层和植被，然后采取综合保温措施并使路堤填高大于最小临界高度（经验值视不同的多年冻土地区而定，如兴安岭多年冻土地区公路白色路面，路基最小填土高度为1.0m），使填筑土方后的路堤基底人为上限控制在一定深度内，路基两侧设排水沟可以顺利排出积水，从而保护路基下多年冻土不融化。另从青藏铁路的设计了解到，保护多年冻土的路堤采用了通风路堤和土工格栅路堤的形式，并已经试验确定。
B、破坏多年冻土的方案。一般多在多年冻土不稳定地段采用；在零填、低填（填高小于最小临界高度）、浅挖路堑、个别深路堑等地段，当地表排水困难，积水无法排出的平坦低洼地段，考虑通车后，两侧地表植被易受破坏的地段等也采用。一般情况下为了保护地温换填细粒土，既利于保温又利于排水则换填渗水料（渗水料上需加盖保温材料）。
在破坏多年冻土的施工中，给施工带来最大困难的是冻土的融化。我局在修建嫩漠公路时曾遇到此情况，时值春季，根本无法进行施工。
C、重要的防、排水系统。无论是在路堤还是在路堑施工的同时，一项非常重要的工作是必须提前做好防、排水系统，并按要求设置保温护道和进行必要的边坡防护措施。例如在青藏公路改建工程中，路基两侧由于取土原因造成积水，从而引起路基下沉破坏，这样的实例在青藏公路多年冻土区路段是很多的。因此施工中做
【1】 好防、排水也利于运营过程中的维修保养。
防、排水系统必须根据地形、地貌情况设置，这是一项十分必要的工作。一般为排水沟、侧沟和渗沟，个别地段易形成积水现象可设置汇水坑，施工中用抽水设备排出。另外防、排水系统的设置要与季节相适应，充分利用气候条件，如在冬季加深边沟，使其深度大于永冻土上限，利用沟底的冻结使季节活动层与永冻土层在冬季形成一体，从而形成封闭的截水墙，使冻胀丘、冰椎在边沟上方发展，此方法在国道301线K203+000～K204+000段施工中采用，效果良好。
2.3 劳动力组织和机械配置
在高寒地区和多年冻土地区进行施工,必须考虑季节性因素和多年冻土地区施工的特殊性对劳动力和机械配置的影响。除按正常施工计算的数量外，还应充分考虑多年冻土地区施工的机械配置，夏、冬季节的物资运输工具，冬季施工时必要的清雪工具和打歼灭战时的人力高峰等。只有通过周密细致的分析，才能打有把握之仗。我局在塔韩铁路十韩段在开工以前，按设计文件进行了现场踏勘，详细拟定了施工方案，施工过程中总计投入施工的机械设备2600多台（套），投入施工的人力8700余人。路基施工采取集中力量打歼灭战的方式；呼玛河特大桥沉井基础则在冬季施工，给总工期赢得了时间，较好地完成了本段的施工任务。
2.4 环境保护问题
施工中的环境保护问题是一项十分重要的工作。施工中除按设计严格施工外，尚应遵从以下几个方面：A、多年冻土地区工程施工前，要对建后冻土工程地质环境变化做出预测和评价；B、冻土工程的的环境保护必须与施工阶段的地质勘察结合起来,这样可以减少许多重复性工作；C、施工中应注意环境保护，不破坏周围环境，防止施工用水渗入地下，破坏冻土的热状态。对重要建筑物施工时做好监测工作；D、在多年冻土地区，取土和弃土都应从保护冻土地质环境出发，合理布置，严格控制，防止取土和弃土不当带来的危害发生。
3.工程实例
3.1 塔韩铁路
塔韩铁路位于黑龙江省塔河县和呼玛县境内，为大兴安岭东北坡的低山丘陵地带。沿线森林密布，人烟稀少，气候寒冷，年平均气温-2.8℃，极端最低气温-45.8℃，属我国边疆。全线地势比较平坦，低洼地带生产塔头草和大片沼泽，多年冻土呈岛状分布在中小沟洼地，其上限在0.6～2.2米之间，其它地质不良现象仅有局部冰丘。
3.1.1路基工程
本线地处严寒地带，多年冻土发育，设计宁填勿挖，所在多年冻土地段全部以填方通过，最小高度不小于1.0米。我局修建塔韩线在施工工艺和技术方面主要采取了以下几种措施：
A、对低填且地表干燥地段，填土为0.5～1.0米的路堤，在清除地表杂物（约厚1.0m）的基础上两侧取土并做好排水沟，采取横向分层填筑，这样做有利于排水。
B、对多年冻土且地表潮湿积水上限在1.5M以上的地段，首先做好排水工作，基底填筑不小于1.0米的渗水土，路基两侧边坡坡脚向外20米以内植被不破坏，有利于保护多年冻土。
C、对山间河谷且多年冻土地下冰地段基底采取用他处塔头草反扣塔头草空隙；设立顶宽3.0米，高约2.0米，坡比1：1.75保温护道，下部填1.0米以上渗水土；坡脚以外30米范围内不破坏植被，保持基底的相对稳定，如DXK81+300～DXK81+9
16、十七站河谷、DXK83+620～DXK83+970等地段均是如上处理方式。
D、对河漫滩浸水路堤，采取先换填水塘，取土在河滩下游100米以外，为渗水性好的卵石土，施工中增加予留宽度每侧各为50cm和予留沉落量为30cm。
E、对多年冻土高填方地段，其施工方法是先排水，基底填不少于1.0米的渗水料，增设护道，在坡脚以外约100米处增设截水沟，施工中增加予留宽度每侧各为80cm和予留沉落量为40cm。如DXK86+980～DXK87+220，DXK80+800～DXK88+910等地段均是如上处理方式。
3.1.2桥梁工程
因本线所在地区为大兴安岭多年冻土不稳定的地区，则桥梁设计时采用容许地基融化原则设计。桥梁工程施工中主要采取了以下几种措施：
A、重点工程呼玛河大桥河中墩经变更设计采用沉井基础，因为呼玛河水位是季节性变化较大，河水与地下水相连，冬季涌水量也较大，若采用明挖基础施工十分困难，采用沉井基础不但解决了冬季施工难的问题，而且赢得了时间，因为室外气温在-30℃～-40℃之间，沉井基础易于冬季施工。
B、冬季施工的防护上除严格执行冬季施工的有关规定外，安装了1吨卧式蒸汽锅炉，自制了砂石加热器，另建300平方米的砂石料预温棚。
C、其他桥梁基础工程开挖“冻结法”施工，做到了随挖、随施工、随回填，切实保证地基不遭受冻害。
D、圬工施工后，在模板周围先钉一层草袋，再挂两层棉帐蓬，夹层加锯木屑以利于保温。
E、砼运送过程中加盖帆布袋和草袋。
3.2 国道301线公路工程
我局在301国道博克图至牙克石段公路工程A标段施工中，针对多年冻土地区路基施工，有侧重地进行了科研立项，从多年冻土的物理力学性质到不良地质的危害防治进行了专项开发，目前已收到了一定成效。该段位于大兴安岭北段，海拔高度729～1037米，我局承担的20.609公里地处零星岛状永冻土带，分布在山间谷地，河漫滩、阶地及阴坡植被履盖地带，主要位于本段K198+000～K204+000及K210+000～K213+000里程段内。
3.2.1施工中采取的原则
A、保护多年冻土施工原则
本段施工对路堤填高大于等于1.5米的路堤均采用此施工方法（注：兴安岭地区沥青路面的最小临界高度经验值为1.4米）。施工中采取快速分修的方式。基底保护措施主要有：①路基基底从路基中心算起50～
100米范围内保持青苔植被不破坏；②路基第一层填方作业时，采用从端部推进的纵向法施工，严禁轮式机械在路基基底上行走；③在农田段设置2.0米宽的护道；在草地或荒地地段设置3.0米宽的护道；在沼泽湿地路段保证路基填高大于2.5米，在路堤下部1.5米高度范围内填筑碎石土（含土量小于15%），并设置防水保温护道，自然地面以上1.5米高度范围路基两侧各加宽1.0米；④采取集中指定地点取土方式，取土完毕后将取土时挖出的草皮回填。
B、破坏多年冻土施工原则
本段公路路基与岛状多年冻土外边缘交界处即为多年冻土不稳定地带，年平均地温较高，多年冻土处于不稳定状态。因此设计时采用破坏永冻土的施工处理方法。①利用“冻结法”彻底清除地表的草皮和泥炭层，停置一段时间，使基底以下冻土层自然融化至一定深度或全部融化；②根据基底季节融化层和多年冻土的性质情况，换填足够厚度的渗水土或当地非膨胀土，如K201+000～K201+150段换填1.0米，K210+700～K213+000段换填0.8米；③对半填半挖路段的填土高度小于0.5米的路堤视为路堑，分别按含水量多少进行基底换填，一般换填0.5m，并设长度约为2.0m的过渡带。
对于深挖路堑遇到多年冻土不良地质时，一般采取基底换填粗颗粒料土，上铺至少0.5米厚的粘性土隔水层，隔水层下设0.2米左右的垫层；若回填细粒土时，底部铺设一定厚度的碎石土。
3.2.2多年冻土地区不良地质现象的处理
本段公路常见的不良地质现象有：冻胀丘、冰椎、厚层地下冰、冻土沼泽等。我们在借鉴了当地以往的施工经验的基础上，结合施工中的具体实践，总结了有针对性的不良地质的处理技术：
A、防治冻胀丘、冰椎的首要方法是设计选择线路时绕开，若避让不开，则从他们下方通过。施工中防治冻胀丘、冰椎的措施主要有：①在路基上方取土，用取土坑破坏地下水渗流通路，致使地下水从取土坑边流出，本标段K212+000～K212+300采用了此方法；②加深边沟，使其深度大于永冻土上限，利用沟底的冻结使季节活动层与永冻土层在冬季形成一体，从而形成封闭的截水墙，使冻胀丘、冰椎在边沟上方发展，K203+000～K204+000段采用此方式施工。另外还有设置汇水坑和地下渗沟的方式，原理均为引水并将水排出线路以外，可以较彻底消除冻胀丘、冰椎对路基的危害。
B、厚层地下冰是形成热融滑坍、热融沉陷、热融湖（塘）的基本原因。本标段K201+300～K202+300，K210+950～K211+050段内有厚层地下冰，施工中根据具体情况进行了具体分析，分别采取了保护地下冰和破坏地下冰使基底全部换填的方式。而在K212+450～K212+500段有一热融湖，其线路右侧50m处的滨州铁路曾在该处发生很大沉降，为防止同样的病害发生，施工时在最高水位以下全部填筑渗水性材料，路基两侧加宽作防水保温护道。
C、冻土沼泽是在多年冻土地区排水不畅的地带，因冻土层形成的大面积隔水层，使地表长期过湿，沼泽植物发育并泥炭化而形成。本标段K198+000～K199+000段内存在冻大沼泽，施工中采取了加强排水，疏干地表土层，利用草皮做基底隔温层以保持冻土上限不下降，路基底部1.5米范围内全部用渗水料填筑。
3.2.3 沉降观测
通过对本段多年冻土地区路基施工中的沉降观测可以发现，沉降变形绝大部分发生在路基施工前期，而工后沉降因周期长，目前还没有整理出来，但从当地滨州铁路的沉降观测来看，永冻土路基当年下沉量最大，一般在总下沉量的60%以上，在经历两个或两个以上的冻融交替后，路基沉降将趋于稳定。
4、结束语
为了更好地开发严寒和多年冻土地区施工领域和其他工程施工领域，我单位始终坚持“争创行业一流、实现顾客期望、奉献满意工程”的宗旨，坚持“团结进取，勇于开拓，务实求精，顽强拼搏”的企业精神，在未来岁月里，欢迎各界专家、学者及新老朋友与我们进行真诚友好的合作。
参考文献
【1】游进发主编《铁路工务技术手册》北京中国铁道出版社出版1979年
【2】手册编委会主编《铁路工程地质手册》北京人民交通出版社出版1975年
【3】周振远主编《铁路工程施工监理》北京中国铁道出版社出版1993年
【4】黄元海主编《铁道部第十三工程局志》北京中国铁道出版社出版2000年
