多年冻土区桥隧过渡段路基防冻措施方案研究

多年冻土区桥隧过渡段路基防冻措施方案研究

阳元光1

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆  400047)

摘要：对于多年冻土区桥隧过渡段路基防冻问题，它不但会降低行车安全性和舒适度，还影响着日后的安全运营。本文先介绍青藏铁路所采用的片石路基原理，再介绍了常用路基保温板的方案，最后再创新了一种利用钢管混凝土提高路基整体刚度的防冻方案，为冻土区桥隧过渡段路基防冻提供更多选择。

关键词：桥隧过渡段、路基、冻土

0引言

近些年来，随着我国社会经济的高速发展，各地的文化交流密切频繁，高速公路逐步进入山区，受到山区地形影响，会出现较多的桥隧相连，桥隧过渡段是铁路、公路工程中普遍存在的问题。尤其是在多年冻土地区桥隧过渡段的灾害问题更为明显，多年冻土对温度十分敏感，不同温度下的物理性质差异极大，这会给修筑在冻土上的铁路、公路造成各种病害，要考虑纵向沉降外，还需要考虑融沉问题，国内众多专家和学者在冻土区路基方面开展了一系列的研究，更多的侧重于冻土区桥隧过渡段路基力学研究。目前冻土区桥隧过渡段路基防冻工程措施方案较少，所以本文对多年冻土区桥隧连接路基段防冻措施方案进行探讨，以供参考。

1桥隧过渡段路基防冻处理方案

1.1片石路基

在多年冻土区修建的铁路，公路容易出现大量病害，例如青藏铁路在路桥过渡段出现了严重的冻胀冻融的问题，青藏路基的病害是受含水率以及温度影响，为了减少这种原因引起的路基病害，就应该要有效控制路基的含水率和温度，使路基体以及周边地基处于冻结状态。片石路基是一种冷却型路基，具有成本低，取材易，降温好等优点，因为冷空气下沉，热空气上升，形成热交换来达到控制路基温度的目的。片石路基在青藏铁路中应用较广且取得了良好效应，片石路基降温原理主要是以下三种。第一，温度传递机理，片块石层与冷空气接触，片块石有温度传递的功能，降低下方路基的温度，从而达到降温的效果；第二，自然对流换热机理，由于自然冷空气与路基缝隙间的热空气存在密度差，在重力作用下，自然冷空气与缝隙间的热空气，形成自然对流换热，完成热交换；第三，强制对流换热机理，利用自然风力以及列车过往所产生的风力，使自然冷空气进入到片石层的缝隙中，进行热交换，达到路基降温的目的。这三种机理所产生的降温效果会受环境影响，对于温度传递机理，由于石层内部孔隙较大，石材传热效率低，这样会使得降温效果不佳，另外气候变化时，外界环境温度可能高于路基自身温度，会使得热能传递到路基，反而使得路基升温，影响路基稳定性；自然对流换热机理则需要较为明显的温差才能形成，但是与温度传递机理不同，如果自然空气温度高于片石层内的温度，因为冷空气的密度大于外界空气密度，所以重力作用下不至于会使得路基温度升高，对于强制对流换热机理，存在气压差就会发生，但是当自然空气温度高于片石层温度而在这个时候又因为外力的原因，产生气压差时，就会在自然对流换热机理与强制对流换热机理双重作用下使得路基温度升高，降低路基稳定性。所以需要考虑到环境作用才能更好发挥片石路基对于冻土区路基的降温作用，在合适的环境下基于这三种降温机理，片石路基对多年冻土地区的冻土层才能有良好的保护作用，充分利用了冻土本身具有的较好强度和工作性质。

1.2保温板

保温层路基工程防冻措施是从热传导角度出发，在路基铺设保温层，通过选用导热性低的材料作为保温层，减少外界热量传入到路基下，从而达到减少对多年冻土扰动的目的，保温层材料需要具有导热性低，导热系数小的特点，常用的有EPS，PU等。

EPS是由聚苯乙烯珠粒，经加热预发后加热成型的白色物体，具有导热系数小，抗压强度较高等优点，EPS广泛应用于道路和机场跑道工程中。国内的青藏公路改建工程中，在昆仑山地区进行了隔热试验，试验路段未发现因融化下沉。

XPS是以聚苯乙烯树脂为主要成份，通过加热制成的硬质泡沫材料，具有密度小、抗压强性好、抗腐蚀等特点，在墙体保温、高速公路的防潮保温应用广泛。XPS结构的闭孔率达到了99%以上，在吸水性、抗压强度、导热性及蒸汽渗透性等方面均优于其他类型的保温材料。因此XPS板在多年冻土区桥隧过渡段路基防冻工程等方面也会有很好的表现。

图1铺设XPS板隔热层作用机理

1.3钢管混凝土路基

本方案选择采用提高路基刚度，使得路基具有较好的稳定性，尽量避免由于冻土病害而引起的问题。钢管混凝土结构在最初研发出来作为房屋的承重柱，利用钢管约束核心混凝土，使得管内混凝土三向受压，从而提高核心混凝土的抗压能力，虽型钢弹塑性好，在受到轴向压力时容易失稳。钢管混凝土的出现优化了两者性能，由于套箍作用提高了混凝土力学性能，钢管中的混凝土提升了钢管的抗压能力，使其稳定性增加，两者互相作用，从而整体性能得到提高，被广泛应用于多种工程中，例如在高层建筑中，钢管混凝土可以改善高层建筑混凝土柱的脆性破坏；利用钢管混凝土代替传统钢柱，以降低钢材用量，在大跨度桥梁工程中，其钢管可以作为安装架设阶段的劲性骨架、灌注混凝土阶段的模板和钢筋等。

基于钢管混凝土优越的性能，考虑将钢管混凝土作为多年冻土区桥隧过渡段的路基组成部分，用来增强整个过渡段路基的刚度，具体情况如下图所示

图2钢管混凝土路基

2讨论

片石路基本身具有一定的局限性，在实际使用过程中出了许多问题，比如块碎石路基在使用一段时间后，碎石的风化问题，以及积雪和风沙等可能会堵塞片石层的缝隙，影响冷空气进入片石层的热交换过程，从而影响降温效果。另外，影响片石路基对流换热的因素还有，片石的物理性质，多年冻土区的水文地质条件，地震和振动荷载，地貌等因素。

XPS板本身因为强度较高，从而造成板材较脆，板上存在应力时应力集中，容易使板材损坏、开裂，伸缩性差，应用并不广泛。

钢管混凝土路基提供了一种全新的桥隧过渡段路基方案，通过钢管加强冻土段路基的整体刚度来减少冻土地区不良地质可能引发的工程灾害，充分利用了钢管混凝土强度高、重量轻、造价低等优点，施工工艺也较简单，只是国内采用钢管混凝土作为桥隧连接段模型的力学模型计算较少，缺少一定的理论基础。

3结语

本文对既有冻土区桥隧过渡段的路基方案进行了研究，提出了一种新型的冻土地区桥隧过渡段结构形式，简单分析了三种方案在冻土地区保护冻土地基的原理，指出各个方案的局限性，希望可以对日后多年冻土区桥隧过渡段路基提供一种全新的选择方案。

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