东北冻土区铁路路基病害防治若干问题的思考

周脉健

哈尔滨铁路局海拉尔工务段，内蒙古呼伦贝尔021000

1 东北冻土分布及退化现状

1.1 东北冻土基本特征

东北多年冻土主要广泛分布在呼伦贝尔高原、松嫩平原北部以及大小兴安岭森林地区[1]，东北地区是欧亚大陆多年冻土的最南部突出地带，属于中高纬山地冻土，也是我国唯一的高纬度多年冻土地区。在各种地质地理因素的影响下，东北多年冻土区域具有低温低、冻土厚度最大以及分布面积极为广泛的基本特征。东北冻土的形成受到多种因素的影响，水、热、质状态随着时间的迁移和地域的变化，具有显著的时空转变特征。不同纬度地带冻土区域特征明显不同，影响冻土区域的积雪、植被、水分、地形和大气逆温等的变化，经过多年质的积累，形成了与极地和高海拔多年冻土区域截然不同的东北地区独有的冻土特征。东北冻土区根据特征的不同基本可分为大片多年冻土、岛状融区多年冻土和岛状多年冻土地带[2]，分布情况见图1。

图1 东北多年冻土分布情况

1.2 冻土退化及原因

目前科学研究表明，东北多年冻土区域呈现区域性退化状态，在全球气温持续转暖和全球排放等因素的强烈影响下，东北冻土层退化速度明显加快。专业研究机构出具了一份东北冻土区域近50年来的报告，报告显示东北多年冻土南界有较大幅度北移，北移幅度大约在40～120km，专家预测未来50～100年气候若是持续变暖条件下，东北的多年冻土层将继续退化。因地表目前的绿色覆盖层的保护和来自西伯利亚—蒙古显著的高压作用下，东北冻土层退化速度将放缓。与此同时，地区的工业发展、人类活动极大地加剧了多年冻土层的退化，随着东北地区重工业基地的大规模振兴，以及为响应国家“一带一路”倡议的大力推进，多项重大的国家级重点工程如火如荼地开展，比如哈大高速铁路是世界上第一条在冻土地区兴建并运行的高速铁路，也是目前我国最北端、最严寒地区、标准最高的高速铁路之一[3]。除此之外，东北大小兴安岭的牙林线和嫩林线等主要铁路干线都是在冻土区域建成，铁路干线横穿多年冻土区域超过1500km。在东北多年冻土区域进行铁路施工建设，打破了原天然地表与大气之间的热量平衡条件，改变了原来多年冻土的水热稳定状态，导致东北冻土区域退化严重[4]。另外，最新统计数据表明，东北多年冻土面积缩减至2.4×105km2。

全球气温升高同样极大地导致了东北地区多年冻土区域性退化，根据近年来温度评估报告表明，东北地区温度升高明显，尤其黑龙江气候变暖最为明显。根据东北地区几十个气象台的资料分析，近几十年来东北气候变暖速度加快，尤其是近10年来，气候变暖极为显著，基本年年出现历史性高度的气温。气候变暖在东北局部地区呈现不一样的势态，根据冻土区域退化速度，可以总结出南部大于北部，城镇大于田野，农田快于林区，采伐过林区快于原始林区；根据冻土地表植被类型、绿色覆盖程度、岩性及水分等分析，冻土退化程序从农田(裸地)—草地—灌丛—树林—沼泽湿地，意味着多年的冻土层从有到无、温度从低到高、冻土退化速度从慢到快变化，而且变化效果依旧在加快。经专家研究判断，目前的沼泽湿地可以最有效地抑制和减缓冻土退化强度和速度，是保存仅剩的冻土区域较为有利的地理特征。除此之外，降水量的大小、降水时间和形式以及其变化对冻土区域都非常重要，东北地区属于大陆性季风气候，雨热同季，在夏季冻土退化速度较大，不利于冻土发育。以上因素均对冻土退化产生重要影响，导致冻土退化速度因种种因素的不同出现差异，地域、气候、环境以及人为因素在不同的冻土区域综合影响着东北冻土区域的地域。

2 冻土区铁路路基病害及原因分析

东北冻土区铁路线路有牙林线、嫩林线、伊加线、潮莫线和林碧线等，分布在大小兴安岭冻土区，合计长度超过1500km，均修建于20世纪五六十年代，主要病害是路基下沉和冻胀病害，病害路段超过营运里程的一半。病害发生的主要原因有两个：（1）铁路沿线多年冻土大多为高温极不稳定多年冻土，受扰动后易发生冻胀和融沉；（2）该冻土区域经历了50多年的高速运营和沿线城镇的大规模建设，现已出现了极为明显的变化，导致路基病害持续发生，这在大量工程实践得以证明[5]。

为了更深层次的分析铁路路基病害的原因，需要从冻土层的冻胀和融沉的影响因素来讨论。其中可归纳总结引起冻胀的主要原因有三大类：第一类土质对冻胀的影响。冻土区域水分的大量迁移导致冻土区域水分大量积聚，从而导致土的冻胀。土地中含粉粒较多的细粒土的渗透性较强且毛细水可以及时供给区域调节，更容易引起土地中水分的迁移，以致更容易造成水分的大量聚集，从而造就细粒土冻胀效果非常明显。第二类土中水分对冻胀的影响。水分是土地冻胀的首要条件，因为土地中水分冻成冰造成土地体积膨胀，而且土地中水分含量的多少是影响冻胀程度的关键因素。在封闭的系统中，土地的冻胀程度随着土地中水分含量的增加而加深，但是最终会趋向于一个定值，也就是土地中水分的冻结成冰的量。在开放的系统中，因降雨的因素，导致土地中有源源不断的水，这样就大大地增大了土地的冻胀性。其中水的来源主要有两个，其一是大气降水即雨水以及各种人为灌溉等引起的回归地面的水，影响最大是冻前降水。其二是地下水，而地下水位和地表距离制约着此因素，地下水位越高，土的冻胀就越大。第三类温度对冻胀的影响。低温是冻胀产生的必要条件之一，土中水分在低温下冻结，而且在不同的低温下显示出完全不同的冻胀特征，在一定程度上，当低温越低时，土的冻胀程度越深，但达到一定限度后就趋于稳定。

影响融沉的主要因素是多年冻土温度变化量及多年冻土含冰量等[6]。多年冻土温度变化，使冻土及冻土工程稳定性存在以下几个方面的变化：（1）多年冻土上限变化导致发生冻融变化的土体厚度改变。（2）地下冰融化，导致附加融化下沉并引发一些次生冻融灾害。（3）多年冻土地温升高，改变了多年冻土热稳定性。

3 冻土地区铁路路基病害防治技术

为了防治冻土地区的铁路路基病害，国外早在20个世纪60年代已经开始采取行动，美国申请了应用于多年冻土中的热管技术专利，并成立了专门的研究机构。与美国相邻的加拿大早已将热管技术广泛应用于北美寒冷地区的工程建筑物。与此同时，在欧洲地区，德国为铁路路基制造了专门的防冻胀设计规范，其中以冻胀指数为基本依据，将全国土地划分为3个冰冻作用区域，并在此基础上进行整体规划，从经济和使用角度考虑，根据不同线路的重要性、载荷情况等级以及允许的运行速度等，确定防冻层需要的厚度，对铁路路基冻结层进行全部抗冻和部分抗冻进行有针对性的设计，实现全国范围内的防治冻土地区的铁路路基病害工作。与中国东北地区最为邻近的日本，一般采用冻结指数来推算土地冻结深度，然后在冻结深度内填筑不会冻胀的材料进行土地抗冻。上述国外的铁路防冻胀设计均是沿用首先对环境进行研究，然后在根据具体的环境条件和铁路干线等级进行铁路路基防冻胀设计工作这一思路。

在国内，随着青藏铁路、哈大高速铁路等严寒地区铁路的建设，许多专家教授在冻土路基方面同样也开展了系列的试验研究，尽管起步相较发达国家较晚，但依旧取得了大量的成果，如初步制定了寒区冻土的冻胀性分类体系，设计出相应的冻土路基控制措施及防冻胀结构，拥有了冻土路基施工技术，成立基于工点或断面的路基冻胀监测部门等。与此同时，相关部门也制定了适合国内冻土特征的技术规范，目前依旧达到总体全球同步发展，局部技术全球领先。

在现有的经济条件和技术条件允许下，我国冻土地区铁路路基病害防治措施大体有以下几类。

3.1 通风式路基

在铁路路基上埋填土通风管，用于保持地基冻结状态在热源较弱的地区。在冬季，有大量的冷空气，且冷空气有较大的密度，在地球自重和季风的作用下，将通风管中的热空气挤出，从而不断地将通风管周围土体中的热量带走，达到保护地基土冻结状态的目的。根据目前的实际应用情况来看，在大片连续多年冻土地区使用架空通风基础，年初可全部回冻，目前使用效果良好。

3.2 块石护坡与块石路基

块石护坡和块石路基是目前铁路上常见的两种路基，较之普通路基有两个改进的地方，首先块石护坡和块石路基不依赖于改变材料的特性来增加路基稳定性，极大地避免了几何形状的复杂、热融沉、非渗透薄膜以及吸收水分的能力。其次由于块石护坡和块石路基依靠自然通风，而不是可变的热传导来提高冬季路基外的热传输能力，并且封闭状态下块石层内部主要以热传导过程为主，块石层内的空隙起到了一定的隔热保温作用。

3.3 热棒路基

热棒是一种高效传热装置，其工作原理是通过棒体内工质的相变（气态—液态转化）实现热传输即在增发段工质吸热，由液态转化为气态；在冷凝段工质放热，由气态转化为液态，如此循环往复，不断将热量从增发段带到冷凝段。当热棒安插在多年冻土段，源源不断将多年冻土的热量散发到空气中，降低冻土温度，保护冻土。

3.4 遮阳棚 （板）路基

在铁路路基上增设遮阳棚（板），主要目的是减少太阳对路堤的直接有效辐射，在一定程度上降低路面及路堤的温度，从而提高路基稳定性，但效果有限，成本较高，目前国内较少使用。

3.5 热半导体保温材料

目前采用新式热半导体保温材料作为铁路路基病害防治措施，热半导体保温材料与其他保温方法相比，热半导体保温的优势在于其能有效地阻止路基上部热量向下传输，同时也有效地阻止了冷季多年冻土向外部的散热。目前这类材料在诸多领域被广泛使用，且该材料造价低、便于施工安置、易维护、使用寿命长，应用广泛技术成熟，可以非常有效地解决冻土区路基融沉问题。

4 结语

东北多年冻土在气候变暖和人为活动影响下退化显著，铁路路基病害严重，冻胀病害考虑采用保暖或者主动加热方式进行防御；融沉病害采用热棒基础主动降温，保护多年冻土，防止融沉对路基的危害。