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冻土区公路施工方法的研究 I 摘要 随着国家高速路网规划的逐步实施，冻土地区高等级公路的大面积建设逐步提上日程。然而，由于冻土地区土体的特殊性质，使得在冻土地区公路的建设跟非冻土地区公路的建设有所区别，并且在某些技术不成熟的关键地方称为了世界难题。本文首先分析了冻土的土体特性、特征及分布，然后结合青藏、新藏和东北地区几条冻土区的公路，分析了冻土地区公路施工的主要难题以及在后期运营中遇到的各种病害。结合冻土区公路的主要病害形式和国内外对冻土公路的研究成果提出了针对对各种病害的防止措施，主要包括：反射表面和刷漆罩面、遮阳板、抛碎石护坡、热棒及斜热虹吸管、块石通风路基、通风管路堤等。然后本着保持生态平衡以及防止公路病害发生对冻土地区公路的设计及施工原则进行说明。最后针对路基、路面的施工方法进行进一步的说明。然后强调了冻土地区公路的养护的特殊方法。关键词：冻土 冻土公路冻土区公路病害 病害防治措施 公路施工 II Abstract With the gradual implementation of the national highway network planning.Large-scale construction of highway in permafrost regions is gradually put on the schedule.However because of the special nature of the soil in permafrost regions,the highway Construction technology in permafrost regions and non-permafrost regions is different.It become word problems in some key areas.This papers first analyzes the characteristics and distribution of permafrost soil.Then,combine Qinghai-Tibet Highway,Xinjiang-Tibet Highway and Several highway in northeast region,analyze the key problem of highway construction and Various diseases that found in highway operations.Combined the main forms of diseases and the research results at home and abroad.Proposed control measures for various diseases.Including Road surface reflection,The sun visor,The gravel slope,The hot rod,The rock ventilated embankment,The ventilation tube embankment and so on.Then in line with maintain the ecological balance and to prevent the occurrence of road disease,to instruct the design principles of highway in permafrost regions.AT last,instruct further for the construction method of subgrade and pavement,At the same time Stressed the special methods of highway maintenance in permafrost regions.Key word：Permafrost Permafrost area Permafrost area disease Road disease control measures Highway Construction III 目录 第 1 章 绪 论 .1 1.1 冻土以及冻土分布.1 1.2 冻土的特征.2 1.2.1 东北多年冻土分布的特点.2 1.2.2 西部高山、青藏高原多年冻土区特点.2 1.3 多年冻土与公路.3 1.3.1 青藏公路与多年冻土.3 1.3.2 新藏公路与多年冻土.4 1.3.3 青康公路与多年冻土.4 1.3.4 东北岛状多年冻土区公路.5 第 2 章 冻土公路.6 2.1 冻土地区的工程区划.6 2.1.1 国外.8 2.1.2 国内.8 2.2 多年冻土地区公路工程的研究现状.9 2.2.1 国外相关工程的研究进展.9 2.2.2 国内相关工程的研究进展.9 第 3 章 冻土区公路主要病害及防治.12 3.1 在冻土区筑路的主要工程问题.12 3.1.1 融沉病害.12 3.1.2 冻胀病害.13 3.1.3 冰害.14 3.1.4 冰锥、冻胀丘.14 3.1.5 融冻泥流和滑塌.15 3.1.6 热融湖塘和沼泽化湿地.15 3.2 病害的防治措施.15 3.2.1 冻胀危害防治措施.15 3.2.2 冰丘和冰椎危害防治措施.16 3.2.3 热融危害防治措施.17 3.2.4 其它防治措施.17 3.2.5 几种特殊措施.17 第 4 章 冻害地区高等级公路的设计及施工.20 4.1 多年冻土路基主要工程措施.20 IV 4.1.1 调控辐射类.20 4.1.2 调控热传导类.22 4.1.3 调控对流类.22 4.2 冻土地区高等级公路的设计原则.24 4.2.1 保护冻土的设计原则.24 4.2.2 控制融化速率、综合治理的原则.25 4.2.3 允许融化的设计原则.25 4.2.4 冻土区的融区与冻土岛的设计原则.25 4.3 冻害地区高等级公路的施工原则及措施.26 4.3.1 冻土地段的路基施工原则.26 4.3.2 路基施工措施.26 4.4 多年冻土地区公路施工技术.28 4.4.1 多年冻土地区主要施工难题.28 4.4.2 多年冻土地区路基的施工技术.29 4.5 多年冻土地区沥青路面施工技术.35 4.5.1 水泥稳定砂砾基层（或底基层）施工技术.35 4.5.2 级配碎石层施工技术.37 4.5.3 沥青碎石基层施工技术.39 4.5.4 沥青面层施工技术.40 第 5 章 多年冻土地区公路养护技术.44 5.1 路基工程养护.44 5.2 路面工程养护.44 第 1 页 共 43 页 第1章 绪论 1.1 冻土以及冻土分布 一般土体温度在 0或以下，并且含有冰的各种土壤和岩土，称之为冻土。温度在 0或 0以下，但是不含冰的岩土和土壤，叫做寒土。在自然界中，情况特别复杂。作为冻土区或者冻土层的土壤来说，既包含了冻土本身，也包括寒土在内。所以岩土温度在 0或者 0以下的那部分土体，无论是否含有冰，都称为冻土。冻土区按岩土冻结状态时间的长短也可以分为短时冻土（数小时、数日以至半个月）、季节性冻土（半月或者数月）、多年冻土（数年至数万年）。地球上季节性冻土去的面积约占地球陆地总面积的 70%，多年冻土约占陆地总面积的 25%，面积约为 3500 万平方千米。冻土区分布在北半球，包括亚欧大陆的西伯利亚和北美大陆的阿拉斯加及加拿大地区的多年冻土，约占全球冻土总面积的 63%。我国多年冻土的分布面积位居世界第三位，约为 215 万平方千米，包括位于亚欧大陆高纬度多年冻土区南边的东北大、小兴安岭以及西部高山、青藏高原等地区。青藏高原多年冻土区是世界上海拔最高，面积最大的冻土区，冻土区的分布面积约为 15 万平方千米，约占全国多年冻土区总面积的 70%，而且冻土分布区海拔都很高，一般均在 4000 米以上。第 2 页 共 43 页 1.2 冻土的特征 1.2.1 东北多年冻土分布的特点 1、东北多年冻土主要受到纬度地带性制约，自北至南，随年平均气温升高、年平均气温较差减小，多年冻土所占面积的百分比由 80%减至 5%以下；随着年平均气温升高，多年冻土的厚度可由上百米减至几米。2 东北多年冻土分布因为海拔高度的影响的叠加使其更具特色。大兴安岭地区的多年冻土比小兴安岭地区更为发育，大片的多年冻土集中在大兴安岭，而在小兴安岭只分布有岛状和稀疏岛状冻土，冻土层的温度由西向东升高。3、东北岛状和稀疏岛状、零星分布冻土区南北宽达 200400km 的地区，其面积要比大片和大片岛状冻土两个区的面积大得多。这一广阔地带，实际上是多年冻土与季节冻土相互过度的地带，也是对地表热交换条件变化反应敏感的地带，而且也是生产实践中经常会遇到冻胀、融沉等不良冻土工程地质现象的地带。4、东北多年冻土在低洼处条件更为严酷，我国东北大片冻土区，在冻土温度最低的山间洼地和河谷阶地有苔藓生长和泥炭层的沼泽化地带，地下冰也最发育，冻土厚度也最大（100m 及其以上）。土的岩性和含水量与这一现象的发生具体有关。1.2.2 西部高山、青藏高原多年冻土区特点 青藏高原多年冻土是地质历史的产物，在高原地质构造及地貌形成演化中，岩性、地下水地表水、雪盖、植被等多种地质以及自然地理因素共同作用下，展现其发生、发展及演化过程。其具有以下特点：1、属中低纬度高海拔冻土 青藏高原多年冻土分布主要受海拔高度控制，所以称之为高海拔多年冻土，其厚度及分布温度具有明显的纬向变化规律和垂直分带性。纬向变化规律：即纬度每向南推移 10 度，多年冻土下界海拔高度会上升约100130m;在高原上同一地带海拔每上升 100m，平均地温下降 0.8 0.9，冻土厚度增大 20m 左右。垂直分带性：多年冻土仅出现在一定的海拔高度以上，岛状冻土出现的最低海拔高度的连线即为多年冻土分布下界，也就是自然地理下界。由下界往高处，冻土分布的连续性增大，由岛状分布至大片分布再至连续分布，冻土温度随之降低、厚度随之增大，具有明显的垂直分带性。第 3 页 共 43 页 2、地温高，冻土厚度薄 青藏高原地区是我国地热异常和新构造活动最强烈的地区，较高的地热温度，也决定了青藏高原多年冻土具有地温高、厚度薄等特点。青藏高原独特的地貌格局使后期多年冻土的发生、发展形成具有明显的地域差别。在同一气候波动下，山地因其海拔高于谷地、高平原、盆地，因而具有更低的温度气候环境。加之地势高耸有利于热量散失，以及基岩裸露具有较大导热率等原因，使得多年冻土温度较低，厚度较大。盆地、谷地、高平原由于地势较低，气温相对较高，加之形成时间较晚，以及地表水、地下水影响等，形成的多年冻土温度较高，厚度薄。3、太阳辐射强、坡向作用明显 青藏高原的太阳辐射强烈，早晚温差大，且阴阳面温差也很大（风火山地区的观测表明，阴阳坡在相同海拔高度下平均地温可以相差 20），所以致使山坡坡向对冻土的作用增强，路基坡向对多年冻土的影响成为了工程建设必须应对的重要问题。4、热稳定性差 在全球气候转暖的背景下，青藏高原升温值将高于全球平均值。青藏高原勘察工作也表明与 70 年代相比，青藏公路通过的多年冻土缩短了 18km，其中南界缩短 16km，北界缩短 2km，这使得多年冻土工程面临更加严峻的挑战。1.3 多年冻土与公路 1.3.1 青藏公路与多年冻土 青藏公路格尔木至拉萨段总长约 1150km，其中有 700 多公里在路段的施工环境极其恶劣，地质条件极其复杂多变的青藏高原多年冻土区。青藏公路穿越昆仑山山脉和局部海拔高达5000m以上的唐古拉山山脉。第 4 页 共 43 页 我国在青藏高原气候寒冷、强紫外线辐射地区、强冻融循环剧烈地区大面积修筑沥青路面获得成功，是人类高原多年冻土交通工程的奠基之作。一举突破了国际上多年冻土地区不能铺筑黑色路面的科学禁区。但是多年冻土影响的严重性、复杂性自青藏公路通车以来，越来越显著。青藏公路自通车到之后很长一段时间内，随着汽车交通量的增加，路基高度普遍较低。局部路段在荷载长期反复作用下引发多年冻土融化翻浆以及路基填料本身导热系数增加，长期吸热引起的冻土上线改变、活动层变形增大而导致的路基纵向波浪沉陷是多年冻土地区公路主要病害。20022004 年间青藏公路冻土病害整治改建工程，改建后的行车条件大为改善，格尔木至拉萨行程时间从 70 年代的 1015 天减少到 23 天；平均行车时速从 70 年代的 2030kmh 增加到现在的 6080kmh 1.3.2 新藏公路与多年冻土 国道 219 线新藏公路呈南北走向，起于新疆叶城县，止于西藏拉孜县，全长2143km，其中西藏境内线路长 1438km，新疆境内段路线长 705km，是新疆西南地区通往西藏西北、西南地区的主要通道，也是西北边陲最重要的国防干线公路。新藏公路新疆段北起叶城县，南至新藏两区交界处。由于沿线海拔高，气候寒冷，地下水埋藏浅，在高山区和山原盆地区发育了广泛的多年冻土。受公路建设和环境变化之影响，沿线冻土分布区段常发生涎流冰、路基融沉、路面翻浆、冻胀、边坡滑塌等灾害、年年阻断车道，使公路长期以来处于半运行、半瘫痪的运营窘境，严重影响沿线交通运输和社会各项事业的发展。为此，国家已列计划投资 89 亿元，从 2005 年开始，用十年左右的时间，实施改建整治工程，改善行车条件，提高公路等级。在无大型自然灾害的情况下，实现新藏公路正常季节全线通畅 1.3.3 青康公路与多年冻土 作为连接青海和西藏的重要公路运输干线之一的青康公路，其公路自然区划为河源山草原甸区，海拔高度均在4000m 以上，年平均气温在零下 4.2 以下，年均冰冻期在 180 天以上，由于受高海拔和年平均气温低的影响，存在着较大面积的多年冻土。公路穿过多年冻土区约 300km。高海拔路段为连续多年冻土区，总里程 96km 左右，低谷段有大量融区总里程长 96km 以上。不连续多年冻土区界于上述两个区之间，总里程长 147km 左右。不同类型冻土的工程地质性质差异大，导致路基稳定问题突出。2002 年2004 年，交通部和青海省共同投资对青康公路进行了二级公路改建。第 5 页 共 43 页 1.3.4 东北岛状多年冻土区公路 东北多年冻土区位于欧亚大陆多年冻土区的南缘地带，面积约 39 万 km2，平均海拔 1 000m 左右。多年冻土的厚度从数十米到上百米都有，以数十米的冻土层居多，属中国最寒冷的寒温带和中温带的北部。太阳总辐射和辐射平衡的分布，大致与纬线平行，降水由沿海向内陆递减。1、加格达齐至漠河的黑龙江省 207 省道，穿越大片连续多年冻土区和岛状多年冻土区冻土工程与冻土环境非常复杂且严酷。由于对多年冻土区路段路基设计的重视程度不够，2004 年完成的公路改建工程，多年冻土区段的路基，局部桥梁或涵洞与路基过渡段产生了不同程度的不均匀变形和路基纵向裂缝，严重影响了改建工程的成果。2、黑北公路是黑河至大连公路的黑河市至北安市路段，也是 202 国道的北段，该项目 2000 年开工，2003 年建成通车，北起黑龙江省边境城市黑河市，南至北安市的二井子镇，全长 243km。属于低海拔、高纬度岛状或零星多年冻土分布区，公路总投资 19 亿元。从孙吴北至引龙河段得 149km 范围内，岛状多年冻土分布共有 17 段，累计长 30165m。冻土地质条件极其复杂。3、伊嘉公路汤旺河至嘉荫段沿线的多年冻土段，冻土类型主要为含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土及多年冻土。冻土上限在 0.4 1.5之间，下限较深。多年冻土分布地带地势平缓，地表水发育，冻结层上水丰富。由于季节最大融深较浅且随年平均气温而变化，多年冻土上限处绝大多数为冰层或含土冰层，冻土工程地质条件与冻土环境严酷。4、伊春至哈尔冰公路中的伊春至铁力段处黑龙江省东北部小兴安岭岛状冻土区，包括含土冰层，饱冰冻土，富冰冻土及多年冻土。该路段路面多处严重破坏，影响了行车安全，虽然多次修补，病害仍然不断发生。因多年冻土引起的路面破坏、路基失稳等公路病害经常发生，所以在多年冻土地区的公路建设和使用中，冻土不仅严重影响了公路的正常使用，增加了维修养护费用，还可能造成巨大的经济损失。近年来虽然对多年冻土进行了一些研究工作，取得了一些有价值的经验和成果，解决了生产建设中的一些问题，但是东北岛状多年冻土地区具有一定的特殊性，它对公路等基础设施建设的影响和引发的很多问题还需要进一步研究。第 6 页 共 43 页 第2章 冻土公路 2.1 冻土地区的工程区划 我国冻土的一级、二级区划划分如表所示。按决定多年冻土形成、存在的主导因素及其分布规律，可将我国多年冻土分为三种类型，即高纬度多年冻土、高山多年冻土和高原多年冻土。我国公路工程多年冻土的一级、二级区划表 一级区划 二级区划 高纬度多年冻土 大兴安岭北部大片连续多年冻土区 呼伦贝尔高草原大兴安岭丘陵岛状多年冻土亚区 大小兴安岭丘陵、松嫩平原北部岛状多年冻土亚区 小兴安岭山地岛状多年冻土区 高山多年冻土 阿尔泰山北塔山山地多年冻土亚区 天山山地多年冻土亚区 阿尔金山祁连山山地多年冻土亚区 喜马拉雅山山地多年冻土亚区 高原多年冻土 青南藏北高原大片多年冻土亚区 藏北高原南部岛状多年冻土亚区 青藏高原东南缘山地岛状多年冻土亚区 1、高纬度多年冻土区 高纬度多年冻土集中分布于我国东北大、小兴安岭地区，是欧亚大陆高纬度多年冻土的南缘。它的形成与存在的主导因素是一定纬度下出现的负年均气温所决定的，其形成及分布具有显著的纬度地带性规律；受其他区域因素（大气降水、岩石岩性、地表覆盖、地质构造等）影响亦表现出地域差异，但是后者是以前者为背景展现出来的。近 2030 年来，由于气候转暖及频繁的人类活动，冻土退化趋势明显，据北黑公路 2000 年勘测资料，沿线冻土岛面积仅为 20%推测，上述岛状融区冻土带现时冻土存在的状况可能更接近岛状冻土带。因此以年均气温-4.0 等温线将高纬度多年冻土分为南北两个亚区，即北部大片连续多年冻土亚区和南部岛状多年冻土亚区，后者东西横距 1200km，穿越大小兴安岭及松嫩平原北部。来自东南方向暖湿气流受大小兴安岭阻挡，岛状冻土区内自东南至西北温湿状况存在较大差异，由此形成冻土分布特征的地域差别。因此依据大兴安岭第 7 页 共 43 页 南段岭脊线及小兴安岭西南坡麓线，岛状冻土亚区分成三个二级区。高纬度多年冻土具体分区体系如下 大兴安岭北部大片连续多年冻土区 呼伦贝尔高草原，大兴安岭南段西坡丘陵岛状多年冻土亚区。大小兴安岭东、西坡丘陵，松嫩平原北部岛状多年冻土亚区。小兴安岭山地岛状多年冻土区 2、高山多年冻土区 高山多年冻土主要分布于喜马拉雅山、阿尔泰山、阿尔金山、天山和祁连山。受到海拔高度的影响较大是高山多年冻土分布的突出特点，冻土仅出现在一定海拔以上。岛状冻土出现的最低海拔高度的连线即为多年冻土分布下界，由下界往上随着海拔升高，冻土分布的连续程度增大，由岛状分布逐渐呈现大片连续分布，冻土温度随之降低，厚度增大，具有明显的垂直带性变化规律。但是冻土下界不是依某一等高线固定不变的一条线，而是以一定海拔为轴线，依不同自然地理地质条件上下浮动的变动带。由野外考察及定点研究，高山山地的多年冻土下界可分为 阿尔泰山北塔山山地多年冻土亚区 天山山地多年冻土亚区 阿尔金山祁连山山地多年冻土亚区 喜马拉雅山山地多年冻土亚区 3、高原多年冻土区 青藏高原是耸立与中低纬度的巨大隆起，其海拔平均为 40004500m 以上，气候严寒决定着高原多年冻土的存在和广泛分布，其面积约为 200 万平方千米，是世界上中低纬度面积最大的多年冻土区。青藏高原总的地势是西北高、东南低；气候特点是西北部寒冷干旱，东南部温暖湿润；自然地带分异是以高原北部及昆仑山为中心，向周边地区过渡。受其影响，高原多年冻土分布正是以此为中心，向周边展开。高原北部及西北部是高原冻土最发育的地区，冻土基本上呈现连续或大片分布，温度低、厚度。由此向南、东南方向，随纬度及海拔高度降低，气温升高，冻土由大片分布过渡到岛状分布区，南部岛状冻土的出现，除了纬度及海拔高度降低因素外，还有地质构造的影响。综合纬度、海拔、年均气温、地质构造等条件的影响因素将青藏高原多年冻第 8 页 共 43 页 土区分成如下三个亚区：青南藏北高原大片多年冻土亚区 藏北高原南部岛状多年冻土亚区 青藏高原东南缘山地岛状多年冻土亚区 第二节：国内外多年冻土工程的研究现状 2.1.1 国外 国外关于多年冻土区公路工程研究方面详尽的资料不多，且欧亚大陆、北美大陆工程涉及的冻土受纬度控制，基本上属于低温冻土，冻土环境变化受人为干扰较小，冻土比较稳定。总体上，国外已有研究成果可以概括如下：1、多年冻土区公路修筑技术研究，国际上开展的较早和较多的地区是没过阿拉斯加，其借鉴其他工程经验，在公路路基稳定措施上开展了隔热板、碎石、热榜路基方面的研究，取得了一定的成果。2、俄罗斯及北美地区多年冻土主要受到纬度控制，冻土温度低，冻土环境人为干扰少，冻土比较稳定。公路修筑以碎石路面为主，以合理路基高度通过冻土区，对保护冻土有利。3、冻土研究以俄罗斯为代表，以西伯利亚冻土研究为基础开展的冻土学研究对冻土工程研究具有极大的推动作用。4、冻土工程研究，国际上以西伯利亚和北美地区（没过阿拉斯加和加拿大北部）较为深入，其研究背景为地区开发和二战军事目的，研究工程对象主要为铁路，石油开采与管道，以及军事用途的机场建设，房屋、水坝建筑也涉及到冻土工程研究。2.1.2 国内 我国在春秋战国时期（公元前 770 年公元前 221 年）就出现了有关冻土的记载。但是我国冻土工程研究起步较晚，20 世纪 50 年代青康公路、青藏公路、大小兴安岭林区公路及铁路的修建，开创了我国多年冻土地区冻土工程研究的新纪元。1965 年青藏公路沿线冻土考察论文集系统总结了高原冻土的分布、温度状况、地下冰等特征，标志着我国冻土研究进入了新的阶段。1973 年交通部成立青藏公路科研组，交通部第一公路勘察设计院、长安大学等单位在此后针对青藏高原多年冻土地区公路修筑技术进行了长达 30 年的不断研究，在工程界首次实现多年冻土区大面积铺筑沥青路面并获得成功。形成的高原多年冻土区路基修筑技术，也为 21 世纪初青藏铁路的开工建设提供了宝贵的经验。第 9 页 共 43 页 国外冻土工程特别是长距离线性工程主要是以贝加尔铁路、贝阿铁路和阿拉斯加输油管线为代表。这些工程无一例外均遭受冻土严重影响，诱发各种病害，病害发生率一般在 30%左右。研究表明，1994 年的贝阿铁路，1054km 的路线出现严重病害，病害率占全长的 27.5%；1996 年后贝加尔铁路病害发生率高达全长的 40.5%。而 1990 年青藏公路病害率占全长的 31.7%，以青藏公路所处的冻土环境，以及当时的建设投资能力，相比较于前者，青藏铁路是非常成功的。2.2 多年冻土地区公路工程的研究现状 2.2.1 国外相关工程的研究进展 冻土是温度敏感性岩土介质，影响其稳定性的因素还包括岩性、含水率、地热以及工程作用。这些因素中，只有工程的影响是认为因素，也是维持和调控地温的主动因素。目前已有的工程措施，从对地温影响的方式这个角度出发，可以划分为被动措施和主动措施两类：前者主要指维持地温的原始状况或减缓冻土的退化，后者是积极主动的改进冻土的热状况，使其向有利工程稳定性的方向发展。1、被动工程措施 被动工程措施的出发点在于克服或延缓由于冻土退化造成的路基破坏，除填筑一定的路基高度以保护其下冻土不致退化外，主要包括以下内容改变路基土体与大气及原冻土热传导状况和改变土体表面的热辐射条件两种措施。2、主动地温调控措施 主动地温调控措施主要包括调控传导和调控对流的方法主要包括热棒路基、通风基础和碎石路基三种措施。2.2.2 国内相关工程的研究进展 青藏公路的建设是我国冻土公路建设发展的代表。青藏公路运营期间路基病害不断发生、发展，主要病害以路基融沉变形开裂为主（占病害的 85%）。提高路基填土高度来保护冻土的方法在低温冻土区是可行的，而在高温冻土区因加大公路路基边坡受热面，导致路基下冻土融化盘偏移，产生路基边坡纵向开裂；同时冻土随着气温的上升而退化，一方面冻土温度上升，另一方面冻土热稳定性降低，包括设置隔热层在内的被动保护冻土措施不能适应客观情况，应主动寻求冷却冻土地基的工程措施的研究。为了系统的研究总结我国三十多年来公路冻土工程科研经验及高原多年冻土区环境保护，交通部在2002 年西部交通科技项目中确立了多年冻土地区公第 10 页 共 43 页 路修筑成套技术研究项目项目经过有关科研单位，250 多位科技人员，历时近5 年，研究范围涵盖多年冻土地区、季节性冻土地区公路建设环境、环境保护、健康保障的理论探索与技术实践。项目通过在青藏高原西部的新藏公路、腹地的青藏公路、东缘的青康公路及东北大小兴安岭地区黑北公路设置 4 个观测场、5个、100 多个观测断面。并在青藏公路昆仑山口多年冻土区设置桥梁桩基，取得及研究分析个时期观测数据200 多万组。突破创新成果归纳如下：1、填补空白（1）独树一帜。高海拔多年冻土地区突破世界冻土工程理论禁区铺筑黑色路面成功，连续33 年跟踪研究形成独立设计体系，填补国内外空白。（2）挑战极限。20 年来不断的创新超越，逐步攻克 生命禁区 高寒缺氧环境下筑养路职工健康与恢复技术难关，填补国内外空白。（3）系统集成。50 年掌握冻土病害与变形规律，首次提出多年冻土地区公路修筑成套技术、冻土工程建养与脆弱生态保护多项重大关键技术，填补国内外空白。2、重大创新（1）工程理论，奠定基础 首次提出了以冻土类型、冻土温度为主要指标的多年冻土地区公路工程地质区划，以冻土融沉变形为主要因素的多年冻土公路工程分类。首次提出东北季节性冻土区公路三级自然区划与指标。采用室内冷域模拟野外真实环境，通过足尺模型室内试验与实体工程的对比研究，首次建立了公路冻土路基水、热、力三场耦合的理论模型并实现其数值解法。系统研究得到了公路各种不同条件下冻土变化和路基变形规律，为青藏高速公路的建设提供了理论依据。（2）勘察设计，提升理念 首次提出多年冻土工程地质综合勘察技术，改进了钻探工艺。总结完善了公路冻土路基设计方法和原则，首次将公路冻土路基稳定性研究与全球升温背景下多年冻土响应过程相联系，提出了 制冷阻热，减少辐射，增强对流，主动保护，积极预防，综合治理 的原则。首次提出路基合理高度的设计理念，通过 30 多年观测数据分析，得到了第 11 页 共 43 页 多年冻土地区随时间变化的公路路基合理高度方式。（3）路基稳定，破题难解 基于青藏公路 50 多年冻土工程病害发生发展的独特的历史资料，首次系统研究阐明了多年冻土地区公路病害机理。创新提出治理冻土路基病害的工程措施和一般结构冻土路基、特殊结构冻土路基建造技术，基本解决了多年冻土地区路基修筑难题。研究总结了季节性冻土地区路基冻胀翻浆机理与对策。（4）路面技术，突破常规 首次从理论与工程效果两方面研究多年冻土地区公路路面结构适应性，首次系统研究并提出了多年冻土地区以低温耐久性能为主的路面合理结构、技术指标与配合比设计方法，以及适应变形和耐久性要求的路面结构设计方法。首次提出了青藏高原多年冻土地区沥青路面的合理使用年限与综合养护技术，开发研制成功寒冷地区路面冷补材料与方法 集成了多年冻土和季节性冻土地区路面修筑技术，首次提出沥青碎石贯入油结施工工艺。（5）桩基回冻，揭示规律 首次研究解决了世界多年冻土地区公路路面结构适应性，首次系统研究并提出了多年冻土地区以低温耐久性能为主的路面合理结构、技术指标与配合比设计方法，以及适应变形和耐久性要求的路面结构设计方法。提出了多年冻土地区桥梁基础和涵洞工程建造技术。（6）健康环保，首创体系 首次研究并提出了青藏高原多年冻土地区公路生态环境关键影响因子，评价指标体系；成功的在高原公路路域实现了人工建植植被，揭示了高原公路边坡水土流失规律，并形成环境保护综合技术。通过大量的采用和调查，首次系统研究揭示了高原职工劳动能力及患病规律，得到了中西药物对系列生物生理生化指标的影响规律，提出并建立了高原职工健康保障和疾病防治体系。第 12 页 共 43 页 第3章 冻土区公路主要病害及防治 3.1 在冻土区筑路的主要工程问题 3.1.1 融沉病害 在多年冻土区修筑路堤后改变了地表的水热交换条件，可能英气冻土层得融化，路基在其自重下发生排水固结下沉融沉，是路基发生过大变形而破坏，融沉是多年冻土地区路基主要病害之一，多发生在寒冰量大的粘性土堤段。当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰层时，在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，冻土层局部融化，上覆涂层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成路基的严重变形。这种变形表现为路基下沉，路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑，路堑边坡溜塌等。有的地段在融化季节下沉量可达到1.5m 以上。热融下城一般有以下特点：突然的大量下沉 是以较慢的速度连续下沉一段时间后，有时突发大量的沉陷，并使路基两侧部分地基土隆起。这是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后处于过饱和状态，其承载力几乎为零，加上路堤两侧融化深度不一，使得基底形成一倾斜的冻结滑动面。这样的突然沉陷会严重危机行车安全。周期性的持续下沉 第 13 页 共 43 页 一般发生在地下冰发育地段，或因施工时破坏了地表草皮泥潭覆盖层，或路堤建成后上方坡脚积水，形成地表水沿基底的横向渗透，造成地下水的逐年不断融化，致使路基在每年融化季节出现年周期性的持续下沉。一般下沉最为严重时是在 89 月份。下沉大多数发生在路堤地段（路堑地段很少）。严重下沉地段多发生在多年冻土的沼泽地带。冻土沼泽常年积水，排水不良，表层泥炭一般较厚且冻土层含冰量大，融化季节易发生路堤下沉。3.1.2 冻胀病害 对于细颗粒（黏土粉土）这种自然含水量较高的土体在气温降低时，土中水分发生相变结成冰，体积增大 9%，如果含水量足够大且温度持续保持负温，则土体必然产生冻胀隆起，致使路面产生裂缝而破坏图冻胀病害是喊去特有的主要病害之一，在季节冻结深度较大的地区及多年冻土地区均有发生，尤以多年冻土地区严重，多年冻土地区因冰锥丘而引起的冻胀病害其规模和程度都远比季节性冻土区大。（1）冻胀病害特点 路基冻胀分布广，严重地段比较集中。突发性地出现隆起和回落。形成的冻害时间较迟，形成时间为 10 月下旬，到 11 月末便趋于稳定。春融初期，由于昼夜温差较大，反复融冻，维修工作十分困难。（2）冻胀病害的分类 第 14 页 共 43 页 按路基冻害的变形情况可分为冻凸、冻凹、交错冻起、冻胀裂缝等类型。按水分补给来源可分为表层冻害（地表水引起）与深层冻害（地下水引起）两种类型。按路基冻害产生部位可分为道床冻害，路基表层冻胀，及路基深层冻胀。（3）冻胀病害的原因 路基的冻胀病害与气温、土质及水源条件密切相关，主要发生在气候严寒、季节冻结深度较大的地区和多年冻土地区。其土质以细颗粒的黏土为主，往往富含水分。形成路堤冻胀病害的基本原因有以下几种：路基机床面不平整，积水冻结膨胀形成冻胀病害。碎石或混沙道床垫层不洁，污染严重，混入泥土量较多，遇积水产生冻胀。地表水或地下水对路基土的不均匀浸湿，主要是路基两侧或上方一侧积水，测侧沟积水及地下水的不均匀浸湿不均匀隆起而产生冻胀病害。路堤填土不均匀及路堑基底土质差异，因土的性质及结构不同形成不同的冻胀病害。路基不同朝向形成的不均匀冻胀，如路线走向为东西走向时，路基有明显的向阳坡和背阳坡，是路基填土的冬季含水量和冻结深度发生差异，出现单侧冻起。3.1.3 冰害 冰害主要是指在路堤上方出露地表的泉水，或开挖路堑后地下水自边坡流出，在冬季随流随冻形成积水冰掩埋路基面或边坡挂冰，堑内积冰等病害，是发生在寒冷及严寒地区特有的路基病害，在严寒的多年冻土地区则尤为严重。对于路基工程来讲，路堑地段较路基地段病害要多，尤其发生在浅层地下冰发育的底填浅挖及零断面地段的病害，危害程度更大，对有一定填土高度的路堤，危害程度相对较小。3.1.4 冰锥、冻胀丘 冰锥和冻胀丘是多年冻土区道路工程中最经常遇到的不良冻土现象。由于筑路而产生的水文地质条件的变化往往在线路附近诱发新的冰堆和冻胀丘。冻胀丘形成时产生巨大的隆起力，使道路变形；冰堆在冬季可能覆盖路面，中断交通，而在夏季造成路面翻浆和路基沉陷，需要认真对待。因此，在选线、选址时均应注意水文地质调查，尽量绕避已有的冰堆、冻胀丘，以及线路修筑后可能产生新第 15 页 共 43 页 的冰堆和冻胀丘的地段；在不可能绕避时则必须做好排水措施，防止线路附近冰堆和冻胀丘的发生。3.1.5 融冻泥流和滑塌 融冻泥流和滑塌多发生在有厚层地下冰分布的斜坡上。它可以由人为活动引起（如工程施工，挖方取土），也可以由自然因素引起（如河流侵蚀坡脚，气温升高等）。由融冻泥流和滑塌形成的稀泥物质向下流动，可能掩埋道路、拥塞桥涵、加速路基的软化湿陷。3.1.6 热融湖塘和沼泽化湿地 热融湖塘在青藏公路沿线分布较广。一般热融湖塘下仍有多年冻土存在。公路通过热融湖塘时要注意路基冻胀和沉陷的不均匀及边坡陷裂等问题，同时湖塘积水也容易引起路基湿软，加剧冻胀和沉陷。沼泽化湿地地段一般厚层地下冰发育。路线通过时应注意上部草炭和泥炭层得压缩问题。在这类地段筑路时要特别注意保护植被，做好排水和保证足够的路堤高度，必要时可加设保温护道。3.2 病害的防治措施 3.2.1 冻胀危害防治措施(1)合理路基高度。在含土冰层、饱冰冻土以及富冰冻土路段按保护冻土原则设计时，则必须要使冻土上限不下降，较好的处理办法就是加大路基填土高度。(2)基土换填。在强冻胀性土上修建桥涵、路基，常去掉强冻胀性土，填入非冻胀性土。换填方法包括基底换填和基侧换填，换填料应为含粉、粘粒不第 16 页 共 43 页 超过 12%的粗颗粒土，换填深度和换填率根据当地的冻结深度和建筑物的特点决定，对于路堤，换填深度与路堤高度和不小于保温层计算厚度的 1.5 2.0倍。基土换填法简单适用，基本能永久消除冻胀危害。(3)防渗隔水与排水。主要措施有:在路基下垫层设置砂垫层以隔断毛细水上升;切方坡以上设置截水沟;填方路堤两侧设置断面形式宽而浅的排水沟;地下水采用设置盲沟方法导流排至路基以外;坡脚积水路段可在路基 10 m 以外设置积水坑来降低地下水位。防渗隔水与排水系统应尽量远离路基坡脚，排水应通常，并保证路堤坡脚 5 m 范围以内无积水洼地。(4)保温。当埋藏较浅的地下冰可能融化或频繁人为活动会破坏坡脚冻土时，可采用保温层措施，如设置保温护道、护脚等等，常用的保温材料有泥炭、草皮、树皮、炉渣、陶块、泡沫混凝土、聚苯乙烯泡沫或粘性土等。但多数保温材料随吸湿其保温效果会下降，且抗压强度较低，如用塑膜软包装防止保温材料潮湿，效果会更好。(5)基土强夯。主要是将夯击能作用在土表层上，以波的形式将能量传给土体，在瞬间可将土体压缩数厘米至几十厘米。用此方法处理粘土、亚粘土、淤泥质粘土、新近填土以及强冻胀、严重翻浆的软弱土，可使其密实度大为提高、含水量大为降低渗透能力极大减小、地下水埋藏深度大大增加、地基承载力大大提高，最终使冻胀基本消除。3.2.2 冰丘和冰椎危害防治措施 (1)冻结沟。当含水层较薄、隔水底板埋藏不深、涌水量及动水压力不大时，可在冰椎场或冻胀丘场的上游开挖与地下水流向垂直的天沟。在冻结季节前作为排水沟，在冻结季节，沟下土层首先冻结，便形成一道冻结“墙”起到拦截地下水的作用。(2)截冰墙。在涌水量不大路段设置横向截冰墙，阻挡水分或冰上路。截冰墙多修建在路肩外或边沟外，一般用浆砌片石筑成 ，可与冻结沟联合配置使用。(3)聚冰坑。多用于水量较小、边坡不高的堑坡冰椎，用以聚积冬季冰椎，使之不上路，可与截冰墙联合使用。(4)地下排水措施。主要由集水渗池(或渗井)和排水暗管(或盲沟)两部分组成，其目的是将地下水排到路基以外的河沟或洼地中。集水渗井适用于山坡地下水露头较集中处，渗池适用于山坡地下水较分散处，由集水渗井和渗池汇集的水再用盲沟或暗管排出路基外。第 17 页 共 4