青藏铁路建设和冻土问题.docx

青藏铁路建设和冻土问题内容摘要：青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路，全长约1925公里，其中格拉段长约1118公里海拔4000米 的地段有965公里，最高点唐古拉山口为5072米穿越多年冻土…青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路，全长约1925公里，其中格拉段长约1118公里海拔4000米的地段有965 公里，最高点唐古拉山口为5072米穿越多年冻土区长度为632公里，其中大片连续多年冻土区长度约550公里，岛状不连 续多年冻土区长度约82公里在632公里的冻土带中，年平均地温高于1.0°C多年冻土区275公里，高含冰量多年冻土区221 公里，高温高含冰量重叠路段约为134公里高原、冻土和生态脆弱就成为青藏铁路修筑的三大难题，而冻土问题是青藏铁路 成败的最关键问题冻土和冻土危害冻土是指温度在0C以下，并含有冰的各种岩土和土壤一般可分为短时冻土、季节冻土以及多年冻土地球上冻土区的面 积约占陆地面积的50%，其中多年冻土面积占陆地面积的25%我国多年冻土面积占国土面积的22%冻土是一种对温度极为 敏感的土体介质，含有丰富的地下冰，所以冻土具有强的流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。

同时，由于冰存在相变特 征，未冻水分具有迁移特性，因此冻土也具有融化下沉性和冻胀性冻土工程不同于一般岩土工程的一个重要特点是：冻土工 程中温度是一个关键参数由此也决定了冻土工程的稳定性与气候变化的关系十分密切多年冻土区由于反复的冻融作用，产 生许多特殊的自然地质现象，如冻胀、融沉、冻拔、冻裂、冰锥、冻融分选、热融湖塘、融冻泥流等，对工程建筑有极大的影 响多年冻土区常见的道路工程病害是融沉和冻胀问题冻胀就是土在冻结过程中，土中水分转化为冰，引起土颗粒间的相对 位移，使土体积产生膨胀、土表面升高;当土中冰转变为水时，土便发生融化下沉，称为融沉以青藏公路为例，85%的路基病 害是融沉造成的，15%为冻胀和翻浆所致桥梁和涵洞的病害主要由冻胀引起在高温冻土区的高路堤上，由于阴、阳坡下的 融沉不同，因而会在向阳面的公路一侧产生纵向裂缝铁路作为线型工程要跨越各种不同的地质地貌单元，遇到多种多样的不良冻土现象，所以修建的难度很大尽管世界上在 多年冻土区修筑铁路已有百年以上的历史，但回顾这些铁路的运营情况，却并不令人乐观据1994年俄罗斯贝阿铁路的统计， 线路病害率为27.7%，1996年对后贝加尔铁路的调查表明，运营了一百多年后，线路的病害率仍达40.5%。

中国在青藏公路改 建工程完成后，于1999年进行了一次调查，报道的线路病害率也达31.7%东北冻土区铁路运营的情况更差一些，估计线路病 害率不会小于40%，运营早期还发生过路基突然大量下沉的事故例如，1962年，牙林线潮乌段8公里处曾发生5小时内路基 下沉1.4米造成机车掉道的事故;牙林线K197处，也发生过一次下沉1.5米而迫使旅客列车停车4小时的事故一般而言，多年冻土建筑物地基设计原则有三条第一是保护冻土设计原则，即使得多年冻土地基在建设过程和建筑物营 运的整个时期保持冻结状态;第二是允许融化设计原则，即允许多年冻土地基在营运过程中融化或在建设开始前将多年冻土融至 预定深度;第三是控制融化速率设计原则，即允许多年冻土地基在营运过程中按一定速率融化以保护多年冻土设计原则修建多 年冻土区建筑物便是寒区工程特殊措施中应用最为广泛的一个方法依照此原则，不但可以克服了冻土的融化下沉，而且利用 了冻土材料强度高于融土的特性冻土工程地质问题青藏公路的长期研究和实践经验表明，地下冰是影响冻土路基稳定的最为重要的影响之一，是产生冻融灾害或者不良冻土 现象的根本问题地下冰最为集中分布在多年冻土上限附近，修筑路堤后引起多年冻土上限变化，其结果就会造成地下冰融化， 导致路基产生融化下沉破坏。

由于地下冰受多因素控制，在空间上的形成是不均匀的，会导致不同的含冰状态这种不同的含 冰状态影响着冻土路基的工程性质例如，少冰、多冰冻土，无论在何种地温条件下均不会对冻土路基稳定性产生较大的影响， 而富冰、饱冰冻土和含土冰层及高温多年冻土就会对工程产生巨大的破坏解决高含冰冻土的唯一手段就是工程地质勘察，综 合利用工程物探、钻探、挖探和槽探等综合勘探技术，同时结合遥感、平面调查等手段，综合研究高含冰量冻土的空间分布规 律和形成过程在路基稳定性方面，也同时必须面临冻融灾害问题，即不良冻土现象不良冻土现象和热融过程对工程建筑物来说，会演 化为危害铁路路基稳定性的冻融灾害它包括以冻结过程为主的冻胀丘、冰锥、冰丘、延流冰等，以热融过程为主的热融湖塘、 热融洼地、融冻泥流、融冻滑塌等这些与冻融过程有关的不良地质现象，当它们威胁到铁路安全运营和工程稳定性时，就演 变为一种工程灾害这种工程灾害主要与地下冰、冻融过程和冻土温度有关特别是在高含冰量、高温多年冻土的斜坡地带， 微弱的工程热扰动可能就会引起冻土区斜坡稳定性变化，对于这样一些地表敏感性极强的多年冻土地带，工程勘测、设计和施 工都应引起极大的重视多年青藏公路实践经验表明，在多年冻土年平均地温高于1.5°C,多年冻土路基仅采用加高路基的方法 是不能保证路基稳定的，必须采取综合治理的方法来解决该问题，而低于-1.5C采用加高路基方法就可保证路基稳定。

因为铁路 路基表面透气、存在蒸发过程、且表面粗糙度较大，和公路工程不透气、不存在蒸发过程、表面粗糙度小等有着巨大差异，因 此面临的关键就是铁路路基选择什么样的关键年平均地温值来定义高、低温多年冻土的界限青藏高原多年冻土具有强烈的三 向地带性，不同的地温界限值可能导致其分布范围有较大的差异，定义该界限就是直接影响设计原则和方案选定以及经济投资 比较的最为重大的问题青藏铁路最终规定以-1.0C作为高低温冻土的界限，并将冻土分为高温极不稳定冻土区、高温稳定冻土 区、低温基本稳定冻土区和低温稳定冻土区4个区主动冷却路基思路建设青藏铁路为了保护冻土铁路路基的稳定性，青藏铁路选用了“保护冻土”的原则进行设计以前保护多年冻土路基最常用的方法为单纯 的抬高路堤高度或在路堤中铺设保温材料等长期的实践表明，这些均是比较被动消极的方法，不足以或不可能完全消除冻土 路基的融化下沉为了应对高温冻土和全球变暖的严峻挑战，必须改变以往一直沿用的消极被动保护冻土的措施，采用积极主 动的保护冻土措施，即冷却地基的办法：减少传入地基土体的热量，以保护冻土的热稳定性为核心，达到保护路基工程和其他 铁路工程结构物稳定的目的从传热理论来讲，调控辐射、调控对流和调控传导均可有效地调控路基温度场，表现在工程措施 上可有通风管、块石护坡与块石路基、热棒、遮阳枫蓬）、改变路堤表面颜色、保温材料、人工冻结等。

通风管路基主要由路基土体、道渣和通风管构成其工作原理是：冷空气有较大的密度，在自重和风的作用下将管中的热 空气挤出，并不断将周围土体中的热量带走，达到保护地基土冻结状态的目的块石护坡和块石路堤是利用其孔隙性大，空气可在其中自由流动或受迫流动当暖季表面受热后，热空气上升，块石中仍 能维持较低温度，块石中的对流换热向上因此，传入地中的热量较少寒季时，冷空气沿孔隙下渗，对流换热向下，以保持 地基低温块石体内以其较大的空隙和较强的自由对流使得冬夏冷热空气由于空气密度等差异而不断发生交换，其结果有利于 保护多年冻土热棒（桩）是一种气液两相对流循环的热导系统，它实际上是一根密封的管，里面充以氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等，管的 上端为冷凝器，下端为蒸发器，中间为绝热段当冷凝器温度低于蒸发器的温度时，蒸发器中的液体工质吸收热量，蒸发成气 体工质，在压差作用下上升至冷凝端，放出汽化潜热，再通过冷凝器的散热片散出同时气体工质遇冷冷凝成液体，在重力作 用下，液体沿管壁回流至蒸发段，再蒸发气液两相对流循环过程是连续的，只有当蒸发器的温度低于冷凝器的温度时，这种 对流循环过程才停止，热桩也就停止工作因此，热桩可以有效保持地下低温，又可有效地阻止热量向下传递，是一种可控热 量传递的高效热导装置。

青藏高原地处中、低纬度的高海拔地区，太阳辐射十分强烈是该地区的一个重要特征，因此，采用遮阳板棚）遮挡路堤，可 以明显地减少太阳对路堤的有效辐射，可以降低路面及路堤的温度，从而能够加强路基，提高道路的安全性热半导体保温材料保护冻土类似于保温材料保护冻土，也是一种保温方法一般来说，就是在路基内加铺一层保温材料， 利用保温材料的低热导性（热阻）阻止上部热量进入下部土层，从而起到保护多年冻土作用的一种方法但是这种方法在阻止上部 热量的向下传输的同时也阻止了冷季多年冻土向外部的散热因此保温层的效果也只是减弱热积累的发展，延缓多年冻土的升 温，而不能扭转这种热积累的趋势为了更好地保护多年冻土路基的稳定性，可以研制一种变导热性能结构材料，即设计一种 热交换调控结构材料层，在吸热过程中，它具有绝热材料的性能，从而阻止热量向下部多年冻土传输而在冷季节它具有导热材 料的特点，使其下部热量充分向上部释放从物理意义上讲，这种结构材料应体现单向导热的性能，称之为热半导体保温材料 当然，热半导体保温结构材料并非一定要局限于寻求一种具有单向导热的材料，而是利用路基与大气的热交换规律以及路基内 部的热输运规律设计一种热交换调控结构，使之成为一种广义上的具有单向导热性能的结构层。

人工冻结法是将冻结管插入土 中，利用人工冷液在冻结管中循环，使土层冻结冷液可以选用盐水，也可用液氮保护多年冻土地基的目的是为了防止冻土 退化，进而导致路基下沉而且一旦冻土路基发生了融沉或融陷大的融沉），用其他方法不能治理时，人工冻结技术不失为一个 好的抢险措施多年冻土地区动态设计思路与方法虽然科学技术的发展、研究成果和工程实践经验的积累，使得对自然条件变化和冻土的认识在逐渐深入，但是冻土的多变 性以及受环境影响的敏感性，至今还不能有完整的认识科学技术的发展以及新材料新技术新工艺的涌现，为防止各类工程病 害提供了新的手段，但是其应用条件和适用性问题仍是一个难题因此，要想建设成高原一流的冻土铁路，必须进行有别于其 他非寒区工程建设的举措一一动态设计冻土区的变形是一个较为长期和缓慢的过程，而且土体温度变化使这种过程更加复杂在施工和运营过程中，温度和变形 的监测是相当重要的，关系到整个设计的命脉因此，考虑青藏铁路沿线地貌单元分布与多年冻土的年平均地温分区、不同的 工程措施布设原则，选取若干代表性断面进行温度和变形监测同时在典型地段还应建立气象观测（如气温、风速、风向、辐射、 降水、蒸发等）各种信息采集后，应及时进行数据处理，以便随时分析与掌握铁路路基的工作状态及下覆冻土受影响的程度。

针对不同的 工程措施，可以选绘最能反映本工程体系工作状态的综合曲线信息经过处理后，要经过综合对比分析以确定路基变形是否超 过工后沉降量，冻土上限是否上升，冷却冻土路基措施是否有效等各种分析结果应及时反馈给设计、施工等单位，并定期发 布监测简报若发现异常现象、预示潜在危险时应及时发布警报，组织各有关单位进行会诊，对可能出现的各种情况做出估计 和决策，并采取有效措施，然后不断完善与优化下一步的设计与施工青藏铁路多年冻土区长度为632公里，选用何种路基结构、以保护冻土不致融化是工程设计的主导原则因此，第一阶段 设计以保护冻土为主导思想，采用的方法包括保温材料路堤［主导措施）、抛石路堤、通风管路堤、热棒路堤、抛碎石护坡等以 4个试验工程段来验证这些方法的适用性试验段工程由三个路基工程试验段和两座隧道工程组成：清水河高温细颗粒试验段工 程、北麓河厚层地下冰试验段工程、沱沱河融区和多年冻土过渡段试验工程、昆仑山和风火山冻土隧道试验工程进行冻土地 温场变化、路基沉降变形、各种结构物应力和变形以及有关的气温气象观测，并进行了相应的室内试验研究基于室内和现场的试验，发现保。