多年冻土地区铁路工程施工技术浅析

 

(呼和浩特铁路工程商贸有限责任公司，内蒙古   呼和浩特   010000)

摘要：文章分析了多年冻土的特性以及对铁路建筑的影响、多年冻土地区路基工程和桥涵基础工程施工指导原则和措施，指出了施工工艺的正确选择是解决路基施工的关键，对桥涵基础中的明挖基础施工技术进行了研究和总结，着重对多年冻土地区混凝土的施工工艺作了论述。

关键词：冻土；铁路工程；施工技术

中图分类号：U215.7      文献标识码：C      文章编号：1007—6921(2009)23—0099—02

 

多年来，国内外在多年冻土地区修筑铁路不断积累经验和教训，在不同程度上推动了人们对冻土问题的研究，加深了人们对冻土性质的认识。在我国有很多地区都是冻土地区，大多在边远地区。解决冻土地区的施工技术问题，保证工程质量，是关系到铁路在冻土地区的运输安全生产，对加强边疆与内地各兄弟民族间的交往、实施国家西部大开发具有极其重要的意义。
1 多年冻土的特性及其对铁路施工的影响

冻土是一种有其特殊性的土体，冻土的特殊性在于冻土的物理特性与稳定密切相关，对温度变化极为敏感且性质不稳定。冻土还与土中含冰量有关，而含冰量又直接与温度有关，它随着温度的升高而减少，造成冻土的力学特性发生巨大变化。冻土在正负温度交替变化过程中水分产生剧烈的变化，伴随产生土体体积的变化，表现在工程建设中就是冻胀和融沉变形。多年冻土具有的流变性、融沉性和冻胀性对铁路建设影响严重。

由多年冻土引起的特殊工程地质问题，主要有融沉、冻胀和冰椎、冻胀丘、融冻泥流、热融滑坍、热融湖塘、沼泽湿地、厚层地下冰等不良地质现象。融沉是指多年冻土融化，使建在多年冻土区的建筑物地基变形和破坏，主要表现为路基下沉、路基向阳侧边坡和路肩开裂及下滑、路堑边坡溜塌等。冻胀是土体冻结时产生的最重要的物理一力学过程，是因为水由液体变成了固体，体积膨胀增大而产生的，表现为地表的不均匀升高变形。伴随土的冻胀，在建筑基础表面将作用冻胀力，从而产生冻胀变形，严重时将引起建筑物的破坏。在诸多不良冻土地质现象中，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，其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。
2 多年冻土地区路基施工技术

冻土地区路基主要存在的问题是路基开裂和坡面积水，导致路基的下沉及坡面的溜塌现象。为此，应从以下几个方面予以考虑。在路基设计时应该遵从的原则。
2.1 保护冻土

施工的路基在规定的使用年限内，能保持其热稳定性。即人为上限始终控制在指定的深度范围内，保持其下卧多年冻土的冻结状态。
2.2 控制融化

指在设计使用年限内允许所设计的路基基底(或边坡)多年冻土逐渐完全融化或产生局部融化，而且经融化下沉变形量计算，可以将融化速率和深度控制在路基稳定性所允许的变形范围之内。
2.3 破坏冻土

指在设计文件中规定在施工过程中将基底(或边坡)多年冻土融化或清除(全部或达到设计深度)，并将融化后的水份疏干。

路基施工中为解决开裂和坡面积水也有许多有效的处理办法：①适当提高路基填土高度，用天然土保温，这种方法价廉，可普遍采用;②在路基中埋设工业保温层(PU、EPS等)，埋设5~10cm保温板，在工程实践中均取得极佳工程效果;③埋设通风管，就是在路堤中埋设直径30cm左右的金属或混凝土横向通风管，可以有效降低路基温度;④采用抛石路基，即用碎块石填筑路基，利用填石路基的通风透气性，隔阻热空气下移，同时吸入冷量，起到保护冻土的作用;⑤在少数极不稳定冻土地段修建低架旱桥，工程效果有保证，但造价高。一般情况地面温度比气温高3℃~4℃，没有太阳的直接照射，设置保温层地基或者通风地基可降低原地面温度2℃~3℃。而修筑这样的保温地基和通风地基会增加很大的工程造价。
3 多年冻土地区的桥涵混凝土基础施工技术

多年冻土地区铁路桥涵工程,受多年冻土季节融化层的热学状态和力学性质周而复始变化的影响,导致铁路桥涵发生冻胀融沉变形,桥梁涵洞基础的冻胀和融沉变形问题成为冻土区修建铁路桥涵的关键。多年冻土地区桥涵地基的设计施工主要要注意保持冻结，允许融化两大原则。

多年冻土区现浇涵洞基础施工与内地普通现浇涵洞的施工方法基本类似，在施工时采用在搅拌站集中拌合，利用运输罐车运至现场，主要不同点表现在以下几个方面：①多年冻土区明挖基础采用低温早强耐久混凝土；②在水泥方面则选用了水化热较小的水泥；③对混凝土拌合物的入模温度控制较严。为了有效控制其入模温度，要求现场有试验人员进行旁站，并对混凝土拌合物的温度进行严格测量。对拌合物温度达不到要求的，则要求调节水温重新拌合。为了保证砂石料拌合前的温度要求，在寒季施工时，混凝土拌合站搭设有暖棚，并在暖棚内生有火炉，对暖棚内的温度做到严格控制，并及时做好记录；④对混凝土的养护要求较严格。当混凝土浇注完毕后，便及时采取防风防冻措施，采用蓄热法养护，待混凝土达到一定的抗冻强度后(7d左右)才能拆除模板。

另外，在涵洞基础沉降缝施工完成并检查合格后进行基坑回填，填料采用粗颗粒土，回填前对基础四周侧壁混凝土面按设计要求涂上防冻胀油，并分层夯实。
4 对冻土地区混凝土施工的经验

多年冻土地区铁路施工多是在一些高原地带，这些地方的一些地段的河流中存在有害离子的侵蚀，部分路段还面临着强烈的风沙磨蚀。在这样特殊的环境下，对混凝土的低温硬化能力和耐久性能提出了更高的要求。低温早强耐久混凝土就是在这种特殊的环境下应运而生的一种高性能混凝土。它具有低温早强、耐腐蚀、高抗冻、高抗渗等高耐久性能，另一特点是早期强度高，后期强度不损失。负温达到极限时，混凝土也基本冻结，强度停止增长，但气温回升时，水泥颗粒继续水化，混凝土强度继续增长。混凝土灌注后，采取适当的加热和保温覆盖措施，较适用于低温环境下的施工。如何保证低温早强混凝土的强度，应从以下几个方面入手。
4.1 原料的选用

拌制低温早强耐久混凝土所用的原材料应符合寒季施工的要求。水泥优先采用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥。硫铝酸盐水泥不得与硅酸盐水泥或石灰等碱性材料混和使用。硫(铁)铝酸盐水泥适用于钢筋混凝土现浇细薄截面结构、装配式结构的接头和孔道灌浆。不得使用矾土水泥(高铝水泥)。拌制混凝土用骨料应清洁，不得含有冰、雪、冻块及其他易冻裂物质。最小胶凝材料用量、使用环境温度、最大水胶比、拌合物和易性要求等具体情况选定。

混凝土应集中拌和、集中供应，禁止分散拌和。试验室在每次开盘前应提供当次的施工配合比，搅拌站工作人员应严格执行。拌制设备宜设在温度不低于10℃的暖棚内，拌制混凝土前及停止拌制后应用热水冲洗拌和机。

用于低温早强耐久混凝土的外加剂大都是引气剂，掺量过多会大幅降低混凝土的强度引起工程事故，掺量过少则不能发挥外加剂应有的性能。因此，在外加剂的计量上我们设专人负责，在混凝土拌制前事先称量配制并分袋装好。如果使用液体外加剂应随时测定溶液温度，并根据温度变化测定溶液浓度，这样既能保证称量准确又提高了混凝土拌制的工作效率。
4.2 混凝土浇注

在浇注混凝土前，地基基础表面应予清理，并应采取防、排水措施，将模板内的杂物和钢筋上的油污等清除干净，模板应设置稳固，能够满足混凝土侧压力的要求，当模板有缝隙和孔洞时，应予堵塞，不得漏浆。

浇注混凝土应分层进行。其分层厚度(指捣实后厚度)应根据混凝土拌制能力、运输条件、浇注速度、振捣能力和结构要求等条件决定。浇注对冻土层有直接影响的混凝土结构时，混凝土的入模温度宜控制在2~5℃，浇注在低温或负温下养护且不与冻土层直接接触的混凝土结构时，混凝土的入模温度宜控制在5~10℃。

混凝土浇注应连续进行，当因故间隔时，其间隔时间应根据环境温度、水泥性能、水灰比和外加剂类型等条件通过试验确定。当允许时间己超过时，应按浇注中断处理，同时应留置施工缝，并作记录。

多年冻土地区修建铁路工程技术难度大，意义深远。多年冻土地区施工有效工期短，多年冻土非常娇贵，稍有破坏后果很难设想，因此要制定一套行之有效的办法最为关键。在今后的管理与生产中，要不断积累经验，开拓思路，应运新技术、新工艺，在冻土地区的建筑史上形成一个具有科技含量高、普遍应运性强、成效显著等特点的、并逐步完善成具有规范性的理论体系，更好的为铁路建设服务。
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