多年冻土地区高速公路隔热调控路基的施工方法

摘要

本发明涉及一种多年冻土地区高速公路隔热调控路基的施工方法。本发明在地面线处基底冲击碾压50cm厚冲击碾压砂砾层，或换填50cm厚的换填砂砾层，再填筑30cm厚砂砾层，换填砂砾层的边坡开挖成坡度为1：0.5～1；换填砂砾层下方铺设隔水土工布，换填砂砾层坡脚设置排水管；砂砾层上方填土采取分层摊铺碾压方式进行；路面结构层以下30cm处严格整平，铺设XPS板隔热层。本发明能有效规范和保证隔热调控路基的施工质量，减少路基体下伏层吸热，减少高路基诱发的公路病害，减小多年冻土路基融化及冻土路基发生的不均匀变形，减小气候变暖和人为工程活动对多年冻土路基特性的影响，提高路基结构的安全性和稳定性。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种高速公路路基的施工方法，具体涉及一种多年冻土地区高速公路隔热调控路基的施工方法。

背景技术

我国多年冻土区修筑公路始于20世纪50年代，由于早期缺乏对多年冻土及其工程防止措施的认识，遇到多年冻土路段时，按一般沼泽地段施工常用的挖淤换填的处置方法处理，结果造成多年冻土大面积暴露融化，导致了以后的工程冻害隐患。1972年至1985年为了改善青藏公路的行车条件，对多年冻土地段进行了路基加宽和路面黑色化改建建设。然而，由于黑色路面有较强的吸热作用，致使路面温度大幅度升高，黑色路面下伏土层正积温增加，多年冻土上限下移，高温冻土路段日渐增多，公路病害加剧，导致部分路基、路面、桥涵过早破坏；同时，由于沥青路面阻滞了下伏土层与外界的水、热交换，使路面水分蒸发耗热减少，从而引起路基下多年冻土温度升高、季节融化深度增大，原天然上限附近地下冰融化，最后导致路基产生沉降变形，路面发生破坏，严重影响交通的正常运行。20世纪90年代以来局部路段抬高路基保护多年冻土，原有道路病害得到一定程度治理，但高原环境条件下的多年冻土路段，高路基路堤阴阳坡面吸热的巨大差异又进而引发阳坡侧路基人为上限下降，并造成阳坡侧路基的纵向裂缝，路基的纵向不对称变形加剧。

发明内容

本发明的目的是提供一种从源头上减少路基本体吸热、调控高速公路宽幅沥青路面下路基温度场的多年冻土地区高速公路隔热调控路基的施工方法，以缓解以路基为中心的“聚热效应”。

本发明所采用的技术方案是：

多年冻土地区高速公路隔热调控路基的施工方法，其特征在于：

由以下步骤实现： 

步骤一：地面线处基底冲击碾压50cm厚冲击碾压砂砾层或换填50cm厚的换填砂砾层，再填筑30cm厚的砂砾层，冲击碾压砂砾层或换填砂砾层底面设置2%的单向横坡，冲击碾压砂砾层或换填砂砾层的边坡开挖成坡度为1：0.5～1；

步骤二：冲击碾压砂砾层或换填砂砾层下方铺设一层隔水土工布，冲击碾压砂砾层或换填砂砾层坡脚设置排水管，与排水系统顺接；

步骤三：砂砾层上方填土采取分层摊铺碾压方式进行，平地机摊铺，人工找平，压路机跟踪碾压；

步骤四：路面结构层以下30cm处严格整平，弯道处保证单坡顺直，铺设XPS板隔热层。

步骤一中，当路段通过水草沼泽时，砂砾层顶部布设一层塑钢土工格栅。

步骤一中，当路段通过陡坡路基时，陡坡地面线与上边坡交界以下80cm或路面结构层以下80cm至下边坡与地面线相交处高度区间挖台阶逐层压实，台阶从最底层开挖，开挖台阶的宽度为2.0m，开挖面向内侧倾斜2%～4%横坡，填挖交界处每1m进行一次重锤夯实，夯实宽度8m，挖台阶后全部填筑换填砂砾，在开挖台阶碾压层从上到下连续铺设四层塑钢土工格栅，挖台阶换填至填挖交界高度处，将换填层顶面设置成2%的单向横坡，铺设一层隔水土工布，其上换填和填筑50cm厚的砂砾层。

步骤二中，排水管为Φ25带孔PVC管。

步骤三中，当路段设置在浅挖、路堑区段或陡坡路堤区段时，路面结构层两侧设置边沟或护栏。

步骤四中，XPS板隔热层由XPS板组合拼接而成，单块XPS板的长度为240cm、宽度为120cm、厚度为4cm，XPS板四个侧面设置凸台用于搭接；XPS板隔热层采用双层XPS板错缝布设方式进行铺设，单层XPS板各行也采用错缝布设方式铺设；在整体铺设区域末端外延伸段5m内放置零散的XPS板。

    本发明具有以下优点：

本发明铺设的XPS板隔热层，设置于路面结构层以下，能有效减少路基体下伏层吸热，减少高路基诱发的公路病害，减小多年冻土路基融化及冻土路基发生的不均匀变形，减小气候变暖和人为工程活动对多年冻土路基特性的影响，提高路基结构的安全性和稳定性，施工方法明确，可作为多年冻土地区高速公路路基建设的基本方法。

附图及说明

图1为富冰、饱冰冻土段路基处理方案。

图2为富冰、饱冰和含土冰层冻土段浅挖、路堑区段处理方案。

图3为富冰、饱冰和含土冰层冻土段陡坡路堤或填挖交界处理方案。

图4为XPS板平面图。

图5为XPS板立面图。

图6为XPS板搭接样图。

图中，101-路面结构层，102-XPS板隔热层，103-塑钢土工格栅，104-砂砾层，105-冲击碾压砂砾层或换填砂砾层，106-隔水土工布，107-排水管，108-地面线；

201-路面结构层，202- XPS板隔热层，203-砂砾层，204-隔水土工布，205-排水管，206- 边沟，207-地面线，208-挡水捻，209-排水沟；

301-路面结构层，302- XPS板隔热层，303-砂砾层，304-隔水土工布，305-排水管，306-塑钢土工格栅，307-换填砂砾，308-地面线，309-护栏，310-挡水捻，311-排水沟，312-边沟。

 

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

地表发生着包括辐射、对流、传导、湍流等一切复杂的热交换过程，尽管传热形式多样，过程复杂，但最终结果无非是地表吸热或散热。青藏公路不同时期所表现出来的工程病害和处置措施的作用效果表明：

（1）黑色路面吸热量增大，整个路基土体吸热、放热的不平衡是导致多年冻土上限下降，路基产生一系列变形破坏的主要原因。

（2）早期整治工程中采用提高路基填土高度增加热阻来保护冻土的方法，在当时的技术经济条件下是一种行之有效且较为经济的方法。通过提高路基高度，路基沉陷变形比未整治路段大幅降低，然而，随后进行的路基病害调查结果显示，虽经整治使原有病害类型得到了一定程度的控制，但高路基路段却出现了严重的路基纵向裂缝问题，而且采用加高路堤的方法来保护多年冻土的效果随冻土自身的热稳定状况不同而各异，稳定型冻土效果明显，不稳定型冻土效果较差，并且路基纵向裂缝随路堤高度的增加而趋严重，特别是当路堤高度大于3m以后，裂缝的数量和规模均大幅度增加。

（3）高路基在青藏高原多年冻土区会引发“阴阳坡效应”，直接导致冻土路基下融化盘偏移量大，并且诱发路基出现边坡滑移、不均匀沉陷及纵向裂缝等病害。

（4）高速公路等高等级公路由于路面几何尺寸较宽，路基体吸热、聚热效应将会更明显，减少路基体吸热和保持路基热稳定将变得更为重要。

（5）为了调节路基体吸热、放热的不平衡，根据传热理论，以前采用提高路基高度的办法，减少了传入多年冻土上限处的热通量，增大了两侧冷季蒸发散热的边界面，但路基高度并不是越高越有利于保护冻土，特别是高温冻土区，当夏季施工的路堤高度超过一定值时，就会在堤身内形成融土核而诱发新的病害，且路基过高，存在高路基压实和自身稳定性问题，存在高边坡问题，存在安全问题等；有些路段，由于路线纵坡控制，增加路高的空间很小甚至没有，这就限制了通过增加路基高度来增大热阻的工程措施的实施。

（6）不同的介质，有不同的导热系数；同一介质，不同厚度，在其他条件相同的条件下，热通量也不同。在冻土路基中加铺XPS板隔热层，既可以有效较少路基本体吸热又可以降低理论路基高度，很好地解决了增大热阻和降低路基高度这一矛盾。

隔热层路基就是从传导角度出发，在不过多加高路堤的情况下，在路基内加铺一层隔热材料，利用隔热材料的低导热性阻止上部热量进入下部土体，减少大气（太阳）热量传入路基下的一种路基结构形式，其可在一定时间内（如设计年限内）起到保护冻土或延缓冻土退化的作用。对于道路工程，加铺黑色沥青路面后，表面热交换条件改变，黑色路面吸热较多，引起路基内的热积累急剧增加，导致多年冻土上限下降，当铺设隔热层后，则有可能补偿这部分上限下降，保持多年冻土上限稳定、甚至抬升。隔热材料的导热系数越小，其效果就越佳。在土层上部以一年为周期的近似正弦波动的温度边界条件控制下，下部土层的温度也呈现出随深度振幅逐渐减小、相位逐渐滞后的周期性波动变化，因此多年冻土的地温剖面表现为界于各土层深度最高和最低温度形成的包络线之间的动态变化曲线，最高温度包络线等于冻结温度（通常为0℃）处深度即为多年冻土上限位置。在没有铺设保温层时，最高、最低温度包络线通常呈较为光滑的连续曲线，当铺设保温层后，如果外界太阳辐射、温度场、水分场、以及应力场保持不变，根据热传导原理，由于隔热材料导热系数与路基土体导热系数的巨大差异（约40倍）将会导致保温层上下部形成很大的温度差，由此决定了保温层下部土体温度的年振幅的降低，即最高温度、最低温度包络线之间的范围缩减，在这种情况下，最高温度包络线与深度轴相交于相对较高的深度，即多年冻土的上限被抬高，这就是保温处理措施保护多年冻土的基本原理。

本发明所述的多年冻土地区高速公路隔热调控路基的施工方法，由以下步骤实现：

步骤一：地面线处基底冲击碾压50cm厚冲击碾压砂砾层，或换填50cm厚换填砂砾层，再填筑30cm厚砂砾层，换填结构层底面设置2%的单向横坡，换填砂砾层的边坡开挖成坡度为1：0.5～1；

步骤二：换填砂砾层下方铺设一层隔水土工布，换填砂砾层坡脚设置排水管，与排水系统顺接；

步骤三：砂砾层上方填土采取分层摊铺碾压方式进行，平地机摊铺，人工找平，压路机跟踪碾压；

步骤四：路面结构层以下30cm处严格整平，弯道处保证单坡顺直，铺设XPS板隔热层， XPS板隔热层由XPS板组合拼接而成，单块XPS板的长度为240cm、宽度为120cm、厚度为4cm，XPS板四个侧面设置凸台用于拼接。XPS板隔热层采用双层XPS板错缝布设方式进行铺设，单层XPS板各行也采用错缝布设方式铺设。在整体铺设区域末端外延伸段5m内放置零散的XPS板。

步骤五：XPS板隔热层上填料铺筑与压实时，将填料运至铺设的XPS板隔热层一端，保证其上结构层压实的最小厚度，用装载机将富余填料向前推铺，平地机整平，压路机碾压，避免施工机械直接碾压XPS板隔热层。达到设计标高后，铺设路面结构层。

XPS板隔热层所使用的XPS板技术要求为：导热系数不大于0.03w/m??k，容重不小于40kg/m³，抗压强度不小于650 KPa。

实施例1：富冰、饱冰冻土段，当路基高度小于2.5m未通过水草沼泽时，见图1：

步骤一：地面线108下基底换填50cm的换填砂砾层105，边坡开挖坡度为1：1。

步骤二：换填砂砾层105底面设置2%单向横坡，铺设隔水土工布106，坡脚设置排水管107，采用Φ25带孔PVC管，排水管107与排水系统顺接。

步骤三：在换填砂砾层105上再填筑30cm厚砂砾层104，砂砾层104顶面铺设一层塑钢土工格栅103，塑钢土工格栅103以上结构层采取分层摊铺碾压方式进行，平地机摊铺，人工找平，压路机跟踪碾压。

步骤四：路面结构层101以下30cm处严格整平，弯道处保证单坡顺直，铺设XPS板隔热层102， XPS板隔热层102由XPS板组合拼接而成，单块XPS板的长度为240cm、宽度为120cm、厚度为4cm，XPS板四个侧面设置凸台用于拼接。XPS板隔热层采用双层XPS板错缝布设方式进行铺设，单层XPS板各行也采用错缝布设方式铺设。在整体铺设区域末端外延伸段5m内放置零散的XPS板。

步骤五：XPS板隔热层102上填料铺筑与压实时，将填料运至铺设的XPS板隔热层102的一端，保证其上结构层压实的最小厚度，用装载机将富余填料向前推铺，平地机整平，压路机碾压，避免施工机械直接碾压XPS板隔热层102。达到设计标高后，铺设路面结构层101。

实施例2：富冰、饱冰冻土段，当路基高度小于2.5m通过水草沼泽时，见图1：

步骤一：填筑50cm厚冲击碾压砂砾层105冲击碾压入地面线108下，冲击碾压砂砾层105冲击碾压整平后，其上再填筑30cm的砂砾层104。

步骤二：在砂砾层104顶面铺设一层塑钢土工格栅103，塑钢土工格栅103以上结构层采取分层摊铺碾压方式进行，平地机摊铺，人工找平，压路机跟踪碾压。

步骤三：路面结构层101以下30cm处严格整平，弯道处保证单坡顺直，铺设XPS板隔热层102， XPS板隔热层102由XPS板组合拼接而成，单块XPS板的长度为240cm、宽度为120cm、厚度为4cm，XPS板四个侧面设置凸台用于拼接。XPS板隔热层采用双层XPS板错缝布设方式进行铺设，单层XPS板各行也采用错缝布设方式铺设。在整体铺设区域末端外延伸段5m内放置零散的XPS板。

步骤四：XPS板隔热层102上填料铺筑与压实时，将填料运至铺设的XPS板隔热层102的一端，保证其上结构层压实的最小厚度，用装载机将富余填料向前推铺，平地机整平，压路机碾压，避免施工机械直接碾压XPS板隔热层102。达到设计标高后，铺设路面结构层101。

实施例3：当路段通过浅挖、路堑区段时，见图2：

步骤一：地面线207下基底开挖至路面结构层201下80cm，边坡开挖坡度为1：0.5，回填50cm厚砂砾层203。

步骤二：开挖层底面设置2%单向横坡，铺设隔水土工布204，坡脚设置排水管205，采用Φ25带孔PVC管，排水管205与排水系统顺接。

步骤三：路面结构层201以下30cm处严格整平，弯道处保证单坡顺直，铺设XPS板隔热层202， XPS板隔热层202由XPS板组合拼接而成，单块XPS板的长度为240cm、宽度为120cm、厚度为4cm，XPS板四个侧面设置凸台用于拼接。XPS板隔热层采用双层XPS板错缝布设方式进行铺设，单层XPS板各行也采用错缝布设方式铺设。在整体铺设区域末端外延伸段5m内放置零散的XPS板。

步骤四：XPS板隔热层202上填料铺筑与压实时，将填料运至铺设的XPS板隔热层202的一端，保证其上结构层压实的最小厚度，用装载机将富余填料向前推铺，平地机整平，压路机碾压，避免施工机械直接碾压XPS板隔热层202。达到设计标高后，铺设路面结构层201。

步骤五：路面结构层201两侧设置边沟206，边坡顶部设置挡水捻208和排水沟209。

实施例4：当路段通过陡坡路堤时，见图3：

步骤一：陡坡地面线与上边坡交界以下80cm或路面结构层301以下80cm至下边坡与地面线相交处高度区间挖台阶逐层压实，台阶从最底层开挖，开挖台阶的宽度为2.0m，开挖面向内侧倾斜2%～4%横坡，填挖交界处每1m进行一次重锤夯实，夯实宽度8m，挖台阶后全部换填砂砾层307，在开挖台阶碾压层从上到下连续铺设四层塑钢土工格栅306。

步骤二：挖台阶换填至填挖交界高度处，将换填砂砾307顶面设置成2%的单向横坡，铺设一层隔水土工布304，坡脚设置排水管305，采用Φ25带孔PVC管，排水管305与排水系统顺接。

步骤三：边坡开挖坡度为1：0.5，在隔水土工布304上回填50cm厚的砂砾层303。

步骤四：路面结构层301以下30cm处严格整平，弯道处保证单坡顺直，铺设XPS板隔热层302， XPS板隔热层302由XPS板组合拼接而成，单块XPS板的长度为240cm、宽度为120cm、厚度为4cm，XPS板四个侧面设置凸台用于拼接。XPS板隔热层采用双层XPS板错缝布设方式进行铺设，单层XPS板各行也采用错缝布设方式铺设。在整体铺设区域末端外延伸段5m内放置零散的XPS板。

步骤五：XPS板隔热层302上填料铺筑与压实时，将填料运至铺设的XPS板隔热层302的一端，保证其上结构层压实的最小厚度，用装载机将富余填料向前推铺，平地机整平，压路机碾压，避免施工机械直接碾压XPS板隔热层302。达到设计标高后，铺设路面结构层301。

步骤六：路面结构层301内侧设置边沟，路面结构层301靠近陡坡的一侧设置护栏302。边坡顶部设置挡水捻310和排水沟311。 

为了使隔热层路基施工能达到设计预期，应从以下环节进行过程质量控制。

（1）隔热材料准备与检测：

XPS板依据设计要求控制指标和结构设计进行加工，出厂前进行自检，自检合格后对每匹次的材料均进行抽检，对抽检到XPS板先进行人工初检、初压，从中随机选取5块板子，在板材不同位置取样，进行送检，由业主委托有XPS板检测能力的检测机构，完成第三方检测，检测合格后，方可对到货进行标记，运抵工地使用。该环节要保证XPS板性状和品质符合设计要求。

（2）隔热材料运输与储存

XPS板属于轻质易燃化工材料，要求全程注意防火，运至工地还要对板材进行围捆，确保合格材料安全。

（3）施工前专门的技术交底

鉴于隔热层路基尚没有可行的施工技术规范，施工人员不熟悉施工过程及质量控制注意事项，在所用材料、机械设备、人员准备充分，明确设计和施工意图，针对技术人员专门的技术交底后方可进行施工。

（4）施工季节选择

隔热层路基一般要求6月底以前安排施工。铺设XPS板的施工季节对路堤下冻土上限有较大影响，特别是在路堤铺设后最初的1～2年内，随后路中人为上限的变化趋势逐渐稳定，数值模拟结果显示，直至第6年施工季节对路中人为上限的影响才逐渐消失。因此XPS板路基的施工季节最好能选择在冬季，如果冬季无法施工，应避开最大融深季节，综合考虑XPS板铺设的时间应选择在6月底以前。

（5）施工机具准备

准备施工机械，保证能满足材料的运输、装卸、整平、压实各个工序紧密衔接，形成连续作业线。

（6）施工前保通道路修筑

目前多年冻土地区公路网还不是很完善，在大多数重点公路项目建设中存在保通问题，这就要求项目管理团队要及时做好项目交通管制的宣传和疏导工作，配备专门的人员、设备全力做好保通工作，保证社会车辆和军车在一定条件下顺利通行，维护社会稳定和人民正常的生活物质需求。隔热层路基施工，要求在整个施工过程中进行封闭施工，社会车辆通行会导致隔热层路基损坏。在修筑隔热层路基时，保通工作一定要提前做好。

（7）埋置深度确定

按设计埋设深度设置。控制隔热层下路堤（基）填筑标高、横坡等，按施工要求进行压实，整平。施工中严格控制工作层厚度，当填土层厚度较大时，采取分层摊铺碾压，并按设计要求测试记录粒度成份及含水量情况，采用平地机摊铺、人工找平，压路机跟踪碾压。现场测试每个压实层面的压实度，检验其是否达到设计要求，在下层压实度没有达到标准以前不得进行下一道工序施工。

（8）隔热层结构层下整平压实

隔热层路基中使用的XPS板对下部结构层平整度和压实度要求较严，不平整的下垫层会使施工压实时存在“反弹”现象，无法达到隔热层路基施工质量要求。在平面曲线上，要尽可能整平修筑该结构层，当完全水平有困难时，也要保证一块（排）隔热板在同一个单坡结构面上。该结构层修筑处理的好坏，直接影响隔热层路基的施工质量。

（9）铺设XPS板隔热层

在下垫层标高、压实度、平整度达到控制指标后，将满足要求的定制XPS隔热材料，依据设计搭接方式进行铺设，本环节注意搭接和弯道处理问题。

在定购隔热材料时应该考虑拟定搭接方式，由厂家预先制作搭接槽或在施工时采用粘合剂进行胶接连接，从而提高工程质量，减少劳动强度。当铺设两层板材时，对每一层均进行错缝铺设。

直线段线形要素简单，拼接布设板材相对较容易，曲线段拼接相对困难，建议采用直向积累、集中拼缝处理的方法进行铺设，拼缝处理时，拼缝用不规则板材用同质板材现场切割组拼，相邻板材原有搭接方式同时被打断，该处连接在施工时采用粘合剂进行胶接连接。铺设满足整个区段滑顺自然，板材嵌挤紧密，不留空隙。满足全区段幅宽要求，在弯道处局部适量加宽，达到全区段最小有效宽度满足设计要求。

（10）层上填料及压实

考虑到板材自身强度问题，施工机械不能直接碾压XPS隔热板。在XPS板铺设完成检查无误后，用自卸汽车将上层填料运抵铺设段的一端卸料，由铲车将填料按照预留压实厚度向前将过剩的填料推运，依次类推，完成板材上填料的铺筑工作，随后用平地机整平，压路机压实。层上填料要有足够厚度才能进行压实，压实层不宜太薄，要满足设计给出的最小压实层厚度。层上压实度满足设计要求。

（11）衔接过渡处理

由设置保温隔热材料区段到非保温隔热区段应提供过渡区域，使这种突变得到控制。建议在整体铺设区域末端外延伸段5m内不固定的放置XPS板材，对于一些较敏感的保温隔热地区，应采用更长的过渡区域来达到更微细的过渡转变效果。