青藏铁路建设中的冻土工程问题.pdf

青藏铁路12/2002 CHINESE RAILWAYS中 国 铁 路31全长 1 1 4 2 k m 的青藏铁路（格尔 木—拉萨）的建设， 已在青藏高 原全面展开， 这是人类挑战大自然的雄伟壮举 青藏铁路所经地区的工程地质 条件错综复杂、 千变万化 其中给铁路 建设带来众多技术难题的是铁路通过 地段内的 5 5 0 余k m 的高原多年冻土青藏铁路建设中的冻土工程的核 心问题是路基的冻胀和融沉变形 桥梁桩基和涵洞基础施工中 的冻土热稳定性也是不可忽视的工程问 题 整个设计和施工过程中， 解决上述问题的思路是：考虑冻 土温度特性的同时，考虑建筑物的稳定 性；考虑冻土水分特性的同时， 考虑其变形的特殊性 贯彻始 终的技术路线是：冷却地基冻土， 减少传入冻土的热量， 保持冻土热稳定性， 最终保证铁路建筑物 的稳定性1 冻土工程特点 1 . 1 温度和水分是控制冻土工程性 质的主要因素 存在于地表下某一深度处的多年冻土是一种特殊的土类， 其特殊的原因包括以下 2 个方面 （1 ）冻土的物理性质、化学性质 和工程特性都与温度密切相关 常规土类的性质主要受其颗粒的矿物成 份、密度和含水量的控制，这些因素 一旦确定，土的基本性质就基本稳 定，土的性质多表现为静态特性。

而 冻土特性除了与上述因素有关外， 还与土中含冰量有关，而含冰量又直接与温度相关，温度升 高，含冰量减少 （2 ） 冻土中的水分随温度的变化在一定条件下发生剧烈相变，水分的固、 液相变化导致土体体积的剧烈变化， 导 致土体发生一定的冻胀和融沉变形， 修筑在冻土上的工程 结构物 （如铁路路基等）随之发生变形冻土的上 述 特青藏铁路建设中的冻土工程问题■ 王志坚王志坚：青藏铁路建设总指挥部， 常务副指挥长， 格尔木， 8 1 6 0 0 0摘 要：介绍青藏铁路冻土工程的主要特点，阐明解决冻土工程问题的核心是控制融沉和冻 胀变形 在总结4 2 年以来冻土工程的科学研究成果和试验工程的研究成果的基础上， 提出冻土 工程设计、 施工的指导思想及施工管理思路，并对未来施工和运营期间的工作进行展望 关键词：青藏铁路；建设；冻土工程；热稳定性；控制变形；施工管理查看冻土岩芯 王 玉/ 摄青藏铁路中 国 铁 路12/2002 CHINESE RAILWAYS32殊性使多年冻土和其上的工程建筑处在一种相互影响、 叠加作用的机制之下 多年冻土之上的季节融化层在人类工程活动的影响下， 其热物理参数将发生显著变化。

这些变化将直接影响下部多年冻土的生存环境和热稳定性， 从而影响路基建筑和其他建筑物的稳定性 上述特殊性又使多年冻土上部季节融化层在季节冻结和融化过程中发生冻胀和融沉， 多年冻土受到扰动（工程活动、自然条件变化）后天然上限发生变化， 变化的土层发生冻胀和融沉， 这两部分冻胀和融沉变形叠加， 反映在路基和其他铁路工程建筑物的变形上， 影响铁路的正常运 营 冻胀和融沉问题是构成青藏铁路 冻土区修建铁路的 3大技术难题之 一，也是冻土技术问题的核心内容 1 . 2 冻土既是一种环境也是一种介 质材料 在高原连续多年冻土区修建铁路 中， 冻土主要是作为一种材料和一种 低温环境来进行研究的当把冻土作为一种铁路建筑物地 基材料对待时， 主要研究在不同边界 条件（温度、荷载）下，冻土的物理 力学性质，与建筑物的相互热、力作用以及冻土性质的改良 当把冻土作为铁路建筑的一种环 境对待时， 主要研究冻土与周围环境 （大气和下垫面） 的热、 质交换及相互 作用在青藏高原多年冻土区修建铁路的工程活动实质，从某种意义上来说，是在改变着多年冻土的生存环 境研究冻土、改造冻土和利用冻土 的最终结果是要使这种生存环境的改变向着有利于冻土生存， 有利于建筑物稳定的方向发展。

铁路建设的涉及范围，一般在地表以下 2 0 ～3 0 m 深 度范围以内挖方作业、路堤基底换填和压实、填方作业等，都在改变着多年冻土上部季节融化层的热学性质，从而改变了多年冻土的生存环境，使其热稳定性受到扰动，影响上 部工程建筑物的稳定性 工程建筑物的失稳（例如过多的变形）还会影响冻土的温度和水分条件，继续影响冻土的热稳定性冻土作为建筑物地基的材料，在不同温度和水分条件下，表现了迥异的力学性质（冻胀力、 冻结力、 承载力等） ，直接影响了工程建筑物的稳定性1 . 3 工程建筑物和路基变形应满足运 营技术要求 建筑物稳定性 的最终表现，实际 上是建筑物的变形 问题控制冻土的温度和水分特征， 使其不受工程活动 的影响，最终控制 路基和其他建筑物的变形，是控制变 形的核心要素 解决冻土工程问题最终目的是保 证工程建筑物， 尤其是路基变形应满 足运营技术要求 对于青藏铁路建设中的冻土工程问题， 采用的是冷却地基冻土的技术路线和指导原则， 其最 终目的是把路基和其他建筑物施工和 运营期间的变形控制在容许范围内控制变形，首先是控制差异变形，其次是控制变形总量控制冻土地区修筑路基和其他建筑物的差异变 形，主要是对具有不同温度、水分特 征的冻土地段， 采用不同的工程结构和补强措施， 而对不同坡向的同类冻土， 也应该根据坡向不同采取一定的加强措施， 目的都是为了工程效果的 一致性，即最大限度地消除变形差异。

控制变形总量，主要表现在设计 原则的选取和工程措施的有效性上，其总体效果验证就是变形的总量必须控制在容许范围内 对未来青藏铁路建成后的总体质量评价， 主要由变形 指标控制2 青藏铁路冻土工程问题的科学 研究过程 青藏铁路建设过程中所依据的一系列设计、施工规范的制定，来源于我国一些专业研究、 设计机构的大量研究成果铁道第一勘察设计院、中 铁西北科学研究院、 中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所等单位在青藏铁路高原多年冻土区域以风火山地区为中心， 自1 9 6 0 年开始， 进行了长达4 2 年多的全面、系统、 多方位的科学 研究工作和工程实践， 为解决青藏铁路建设的冻土工程问题提供了可靠的技术保证1 9 6 0 年， 开始对冻土水热变化规律和年变化层温度、 热流以及冻土力 学性质 （冻胀、 融沉、 切向冻胀力、 法青藏铁路沿线最大的冻胀丘 王 玉/ 摄青藏铁路建设中的冻土工程问题 王志坚青藏铁路12/2002 CHINESE RAILWAYS中 国 铁 路33向冻胀力、 冻胀水平推力、 冻胀反力、流变、冻结力、强度、承载力等）进行研究， 为工程实践提出了冻土工程分类及设计参数。

对冻土区筑路技术的研究主要表现在2 0 世纪7 0 年代编写的勘测设计规范性文件 《青藏高原多年冻土地区铁路勘测设计细则》 及7 个技术附件，对青藏铁路设计工作起到指导作用 现场实体工程研究的成果，对青藏铁路设计、施工的示范和指导作用无可替代 其中对钻孔灌注桩、钻孔打入桩、钻孔插入桩3 种沉桩方式的沉桩工艺、 机具、 设备、 力学指标、桩身强度、垂直承载力、水平推力等设计计算方法开展的系统研 究， 为冻土区桥梁基础设计计算提供 依据 在青藏高原冻土地区清水河修 筑的试验桥 （包括挖孔灌注、 打入、 插 入3 种成桩基础） ， 为桥梁基础施工提供可贵借鉴 1 9 7 4 年，开始对青藏高原冻土基 本特征、 分布特点， 青藏铁路沿线多年 冻土融区类型，冷生现象分布规律与形成条件，各种冻土构造与含水量关 系及其与冻土工程分类的联系进行研究完成了青藏公路沿线1：6 0 0 0 0 0的多年冻土分布图这些研究成果为青藏铁路建设的勘察工作提供了可靠的技术资料1 9 7 6 年， 设计并施工了长约4 8 3 m的风火山厚层地下冰地段试验路基（包括路堑、 半路堑、 零断面、 低路堤、高路堤、 涵洞） ， 划分为2 3 个试验段。

各个试验段设置 L 型柔性反压挡墙，采取不同的换填方式， 边坡上设置各类防护措施， 路堑边坡采用各种典型坡率，堑顶设置挡水埝、天沟这一综合性试验工程，体现了 2 0 世纪 7 0年代的研究成果和筑路技术成果， 也为今天的设计和施工提供宝贵的经 验 特别指出的是，自1 9 9 7 年开始， 在原有试验路基基础上， 结合当今气 候变化特点和今后气温发展趋势， 所进行的路基新结构（遮挡式结构、片 石通风结构）实体试验，对今天的设 计提供了宝贵的参考价值 自1 9 6 0 年开始，由铁道部投资、中铁西北科学研究院实施的青藏高原 风火山冻土定位观测站的试验观测研 究工作， 历时4 2 年之久 长 期、不间断地在风火山进 行冻土气象、 地温、 太阳辐射等项目的观测研究，积 累了长达4 0 余年的不可替代的基础数据资料以定 位观测站为基础，在风火 山附近建立的冻土热学、力学性质试验场及其试验研究工作，为青藏铁路建设实践提供了大量宝贵资 料3 青藏铁路试验段工程 研究2 0 0 1 年6 月2 9 日青藏 铁路建设正式开工以来，在铁道部有关领导和部门的组织和策划下，由铁道 第一勘察设计院主持，以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和中铁西北科学研究院为研究骨干的研究人员， 在各施工单位的积极配合下开展了试验工程科学研究工作。

试验工程分为清水河高温冻土路基试验段、 北麓河路基工程试验段、沱沱河路基工程试验段、安多路基试验段以及昆仑山隧道、 风火山隧道试验段， 其中共包含3 9 个科研课题的试验研究， 归纳为以下3 大项9 大类试验研究1 ） 路基工程包括以下5 类课题：一是路基合理高度和沉降变形预测；二是路基新结构；三是边坡防护和支挡新结构；四是新工艺、新材料；五是环境保护新技术 （2 ） 桥涵工程包括以下2 类课题： 一是不同桩基结构形式和施工工艺 （包括试桩试验方法） ； 二是涵洞新结 构（拼装式）试验3 ） 隧道工程包括以下2 类课题： 一是隧道冻融圈研究（形成机理、对 结构影响、 铺砌保温材料对冻融圈的 影响） ；二是高原冻土区隧道施工关键技术研究（衬砌隔热、低温早强混 凝土技术、支护技术、通风技术、施 工机械） 试验工程集中体现了研究人员和 设计人员在总结过去研究成果的基础上， 结合当今科学技术的发展和全球 性温度变化带来的冻土生存环境的变 化，对冻土区工程建筑的设计思想上述课题的研究及其正在分阶段提供的研究成果， 为指导设计和施工提供了有效的动态的技术支持， 继续的研 究和长期的观测将为今后青藏铁路运 营提供可靠的技术保证。

4 冻土工程设计和施工指导思想冻土工程设计和施工的指导思想 是：冷却地基土，减少传入地基多年冻土的热量，保持多年冻土的稳定， 从而保证工程建筑物的稳定 遵循这样一种技术路线， 我们力求根据冻土工程性质的 2 大影响因素（温度、水分）对冻土进行分区和分类，对不同 冻土温度分区采取不同的设计原则，冰裂隙 王 玉/ 摄青藏铁路建设中的冻土工程问题 王志坚青藏铁路中 国 铁 路12/2002 CHINESE RAILWAYS34对不同冻土类型采取不同的工程措施4 . 1 冻土地温分区和冻土工程分类通过大量的野外勘探化验资料，我们将全线通过的多年冻土区按照冻土的年平均地温分为 4个地温带类型1 ） 当0 ℃＞tc p≥－0 . 5 ℃时， 为高温极不稳定多年冻土亚区（Ⅰ） 2 ） 当－0 . 5 ℃＞tc p≥－1 . 0 ℃时，为高温不稳定多年冻土亚区（Ⅱ） 3 ） 当－1 . 0 ℃＞tc p≥－2 . 0 ℃时，为低温基本稳定多年冻土亚区（Ⅲ） 4 ）当 tc p＜－2 . 0 ℃时， 为低温稳定多年冻土亚区（I V ） 不同的地温特征决定冻土的热稳定程度不同， 同时也决定其上工程建 筑物的稳定性。

在设计中，根据冻土 的地温特征分别采取以下3 种不同的 设计原则：一是保持冻土处于冻结状 态；二是控制多年冻土融化速率；三是预先融化或清除多年冻土 在低温 基本稳定和低温稳定多年冻土地段， 采用保护多年冻土的。