多年冻土区公路路基施工技术研究

多年冻土区公路路基施工技术研究

王正伟 文良 刘丽强

（新疆路桥南疆工程建设有限公司  新疆  844099）

摘要：公路施工建设面临很多不同的地质条件，其中部分地质施工条件特殊，施工难度大。对于多年冻土区公路路基施工面临的多年冻土的影响，如何做好多年冻土区路基施工，防止路基后期损坏，是路基施工需考虑的关键问题。基于此，本文首先针对多年冻土区路基施工的特点进行了分析，然后对几种不同的路基施工处理技术进行了对比分析，最后提出在多年冻土区路基施工选择其施工技术的要点，研究成果以供其他类似工程参考。

关键词：多年冻土区；公路；路基；施工技术

0 引言

冻土是指土体温度在0℃以下，内部存在冰的各类土[1]，按照冻结时间可分为季节冻土和多年冻土[2]。多年冻土区，也就是指冻土层，其最显著的特点就是气温低，从地质学角度来说处于0℃以下，同时含有冰的各类土壤及岩石[3-4]。中国多年冻土面积占国土面积的22.4%[5]，通常分为冻土区的面积超过80%的连续多年冻土区以及冻土区面积小于80%的岛状多年冻土区[6]，冻土层根据冰冻时间长短不一，可以分为短时冻土、季节冻土以及多年冻土。我国多年冻土层多处于高海拔边疆地区，如青藏高原、喀喇昆仑山、阿尔泰山、天山等，在这些地区每年要消耗大量人力物力整治因冻土特性变化而造成的路基沉陷和路面开裂等病害，为了延长道路使用寿命，提高投资效益，国内相关人员对多年冻土区道路建设进行了广泛的研究，张会建[7]等研究了共玉高速宽幅XPS保温板路基地温调控效果；范星文[8]等研究了路基工程建设行为对低温多年冻土的长期影响机制；张丙武[9]研究了冻土区拓宽路基的温度演变规律和差异融沉机理。上述研究成果多数从不同角度分析研究多年冻土区路基建设的影响因素及改进措施，极大地促进了多年冻土区公路建设水平，基于此，本文分析总结了多年冻土区路基施工特点，并对不同路基处置技术进行了详细对比，期望能为高寒高海拔地区路基建设提供一定的理论指导，同时也可作为今后其他类似研究和应用提供参考依据，对降低道路养护费用、保证路用性能及延长使用寿命有着一定的意义。

1冻土区路基施工的特点

施工难：冻土区属于一类非常特殊的地质，其形成的时间非常久远，土壤中富含凝固态的水分。公路路基施工会扰动天然土层，造成地质中的水分变动，从而导致路基的稳定性难以控制。而且春季温度逐渐回升，路基土中积聚的冰晶体可能会融化，如何保证路面不出现翻浆湿滑，是目前面临的一个技术难点。

影响多：路基施工是公路建设的基础环节，由于冻土区特殊地质的影响，在多个方面与常规路基施工不同，如施工材料、设备机械、施工工艺、冻土处治方式的选择等等，都对冻土层造成不同程度的干扰。

路面和桥涵构造物常处于不稳定状态：在一定的恒定荷载和可变荷载作用下，全年气候的变化和阴阳坡侧温度差异易导致冻土路基不同部位温度应力不同，从而造成路基失稳、路面破坏、桥涵损坏等问题。

冻胀和融沉问题：土体在负温条件下开始冻结，导致体积膨胀在土体表层表现为隆起的现象称之为土的冻胀，冻土具有冷冻则胀、融化则沉的工程特性，这是冻土区域公路建设面临的主要技术阻力。

勘察与设计困难：冻土区域地基受力来源复杂，地形地貌、地质构造奇特，冻土种类繁多、空间分布各有差异，施工过程中多年冻土之间容易相互热干扰，这些因素给工程勘察和设计带来极大的困扰。

综上所述，冻土区公路路基施工的特点主要集中在施工难度大、影响因素多、需要采取有效的养护和维修措施、面临冻胀和融沉问题以及需要进行精确勘察等方面。为了延长和保障冻土区公路的服役寿命，在进行冻土区公路建设时，需要充分考虑这些特点，采取合理的施工方法及有效的养护手段和恰当的防控措施。

2不同技术处置冻土区路基的对比

    在工程实践中，发现冻土受温度影响出现冻胀融沉，导致路基出现变形，因此，对于冻土区的路基施工，总结出多种改善冻土区沉降技术，主要利用主动降温、冷却地基、保护冻土等原理进行冻土路基处置。

2.1 片石气冷

在不考虑强迫对流的情况下, 具有一定厚度和空隙率的片石层, 当上表面温度高于下表面温度时, 片石层以传导的方式来实现与外界的热量交换;当上表面温度低于下表面温度时, 片石层中的空气以对流的方式来实现与外界的热量交换。前者主要发生于暖季, 后者主要发生于寒季。在边坡滑塌、不均匀沉陷等路基病害极易发生的多年冻土区，片块石路基是一种常见的路基结构。优点：能在温度较高的季节实现热屏蔽阻热，避免冻土融化；在冷季实现对热流交换，加快路基散热，减小土层间温差，起到储冷效果。缺点：土体冻融时期水汽和细粒土易迁移使得片石层由多孔不连续介质变为连续介质, 导致寒季的对流传热过程极大削弱，且片石气冷处理后路基存在地温场左右不对称问题，此外，还有片石用量大且易风化、施工成本高及工程量较大等问题。

2.2 片石护坡

路基边坡满铺砌石防护主要应用于易受水冲蚀的道路路基边坡和各种场地边坡, 具有坡面防护和冲刷防护的功能。对于高寒多年冻土区道路，片石护坡能起到降低路基基底多年冻土温度和调节多年冻土人为上限形态的作用，为多年冻土区道路的安全运营提供技术保障，其原理和片石气冷相同。优点：片块石护坡在冷季对流冷却路基，暖季通过热屏蔽作用阻断边坡吸热。缺点：扬沙会对边坡缝隙进行填充，导致对流降温受到影响，无法发挥出设计效果，此外还存在护坡与路基填筑土衔接不良、损坏速度较快、修复工程量较大, 修复作业较为困难等问题。

2.3 通风管

将通风管预埋在路基结构中，利用冷空气在自重和风的推挤作用排除管内热空气，使管内保持较低温度，管壁处保持冻土的冻结状态，从而带走周围土体的热量，逐步降低路基温度，对路基的冻结状态形成保护，避免路基融解失稳。而在外界环境温度升高的季节，由于内侧空气不受太阳辐射影响，可以将冷空气留存于管道内部，增大热阻，减少路基底部的热量传递。优点：通风管在冬令期可以对流冷却路基，阻止路面吸收的热量向冻土区域传递，维持冻土冻结。缺点：管内不同区域热量有明显的区域分布，通风管路基底部温度分布不均，通风管的封闭与打开会增加工程建设费和后期运营时人力费用，且管体周围较难压实；要求路基填方高度较高。

2.4 热棒

由于温度周期性的改变，冻土温度变化会滞后于环境气温导致两者出现温度差，路基土体则可能因此冻胀和溶蚀的交替作用从而其力学性质出现变异。热棒是一种汽、液两相对流循环的热导系统, 它实际上是一根密封的管，管的上端为冷凝器, 下端为蒸发器, 中间为绝热段，热棒是单向的传热元件，利用热棒的冷凝和蒸发，热棒两侧内部物质循环往复将冻土中热量散发至大气中，就能实现路基下部地层温度的稳定。优点：属于主动降温且降温效果优异，能明显改善温度差，有效冷却工作区域覆盖全路基。缺点：只在冷季工作，工作时效受限制，有效半径小，埋设密度大(1.5～2.5 倍有效半径)，施工复杂度高且施工成本高，易被雨水和土壤腐蚀。

2.5 隔热层

保温隔热技术是多年冻土区工程建设中处治冻土地基冻胀、融沉及冻土退化问题的主要措施之一，主要通过在冻土路基一定深度铺设导热性能差的如EPS、 XPS等保温隔热材料来减少阻止热量传入路基地下，维持多年冻土的热稳定性。优点：能够显著增大路基的热阻，有效阻隔外部热量对路基冻土的热量传递，保持路基稳定，其施工时操作简单。缺点：隔热材料抗压强度有限，施工过程易造成材料损坏，有效服役寿命短，而且在冷季会阻止外部冷空气进入路基冻土层，削弱路基冻层回冻效应。

3冻土区公路路基施工的技术选择

冻土路基不稳定变形会逐渐发育成路面裂缝、波浪变形等病害，甚至可能会破坏路面结构进而严重影响公路的正常通行能力，片块石通风路基、通风管路基、热棒路基及保温板隔热路基等多年冻土路基处治措施在实际应用中有各自的优缺点，在多年冻土区进行公路建设，如何选择恰当的路基施工技术，值得所有工程人员关注。针对不同的路基处理施工技术，在实践中应因地制宜，综合考虑工程地质、水文地质、施工条件以及工程造价等，合理选择施工技术。

第一，满足施工要求。施工技术的选择，要以满足施工要求作为第一原则。多年冻土区施工条件较为苛刻，地形地貌多变，不同区域的冻土层地质条件存在差异，多年冻土地区公路路基施工过程中，应根据施工时冻土状态和气候实际变化情况，并结合具体的冻土区地质条件，选择能满足施工要求的处置技术，减少因施工质量问题导致的路基不稳定变形。

第二，注重施工安全。多年冻土区域海拔普遍在4000米以上，紫外辐射强烈，气温较低，温度变化大，氧气含量低，施工地质条件差，施工操作难度高，在如此复杂恶劣环境进行路基施工，需重视施工安全，确保施工过程安全可控，杜绝引起施工风险。公路投入运营后要保障道路安全，不出现路基坍塌等破坏。

第三，经济性原则。冻土区施工成本较高，整体造价偏高。路基施工技术的选择需考虑经济性，在满足施工要求的技术中，选择成本相对较低的冻土路基处理技术。

4结束语

多年冻土区地质、气温等条件非常复杂，在此类地区路基施工质量难以保证。应根据不同区域的气候条件、冻土土质特点、地温和交通荷载等因素设计多年冻土区路基处治措施及相应的施工方案，掌握不同处治技术的特点，结合工程建设的实际要求，选择合理的处治技术，切实保障多年冻土区公路路基施工质量达到相应的要求，延长公路的使用寿命。

参考文献：

[1]赵林, 盛煜著. 多年冻土调查手册[M].北京：科学出版社, 2015.

[2]汪双杰, 黄晓明著. 冻土地区道路设计理论与实践[M].北京：科学出版社, 2012.

[3]靳荣瀚. 冻土区高速公路路基病害及路基施工技术研究[J].中国高新科技, 2022, (04): 92-93.

[4]高政, 王丽群, 赵利东,等.高纬度岛状多年冻土区公路路基施工技术分析[J].市政技术, 2021, 39(01): 29-32+36.

[5]包卫星, 刘亚伦,毛雪松,等.高海拔多年冻土区砂石路面公路的路基温度场特征[J].交通运输工程学报,2023,23(04):60-74.

[6]祁青辉. 青海高寒地区公路路基施工技术研究[J].建材与装饰, 2020, (10): 259-260.

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[9]张丙武.多年冻土区拓宽路基热融稳定性离心模型试验研究[D].西安: 长安大学，2020.