青藏铁路建设和冻土技术问题

浅析青藏铁路建设和冻土技术问题浅析青藏铁路建设和冻土技术问题 摘要摘要 本文主要分析了青藏铁路建设的冻土问题 青藏铁路建设三大技术 难题的核心就是冻土问题 我国多年对冻土的研究为青藏铁路建设打下坚实的 技术基础 但是大规模的铁路建设实践给施工建设提出了大量深层次的冻土技 术问题 以青藏铁路建设为背景 结合冻土区科研 设计 施工和建设管理工 作的实践 对青藏铁路建设的冻土技术问题进行了分析 对高原多年冻土区的建 设具有一定的参考价值 关键词关键词 青藏铁路 多年冻土 技术措施 建设管理 1 1 引言引言 冻土是一种对温度极为敏感的土体介质 冬季 冻土在负温状态下就像冰 块 随温度的降低体积发生剧烈膨胀 顶推上层的路基 路面 而在夏季 冻 土随着温度升高而融化 体积缩小后使路基发生沉降 这种周期性变化往往很 容易导致路基和路面塌陷 下沉 变形 破裂 青藏铁路的多年冻土 分布在 铁路通过地区延长近 550 km 的范围内 冻土问题 实质上是冻土区筑路技术 问题 是青藏铁路建设的三大技术难题 高原 冻土 生态环境保护 的核心 问题 修建在多年冻土上面的铁路工程 受多年冻土季节融化层的热学状态和力学性 质周而复始变化的影响 导致铁路建筑物发生冻胀融沉变形 由于自然环境条 件和冻土环境条件变化以及修建铁路的工程活动影响 导致原来多年冻土季节 融化层发生一系列复杂变化 使这种冻胀融沉变形变得复杂化 因而使工程建筑 物 路基 桥梁涵洞基础 的冻胀和融沉变形问题成为冻土区修建铁路的面临 的主要技术难题 我们所说的青藏铁路冻土区修建铁路的主要技术问题就在于 此 2 2 青藏铁路冻土区工程建设的技术基础青藏铁路冻土区工程建设的技术基础 20 世纪 60 年代以来 以中国科学院兰州冰川冻土研究所 现中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 铁道部高原研究所 现中铁西北科学研究院 和铁第一勘察设计院为主力的青藏高原冻土研究工作 在野外地质调查工作基 础上 以风火山地区为试验基地 陆续开展了高原气象 多年冻土地温场 冻 土热学 冻土力学等冻土基本性质和参数的试验研究 以及冻土地区路基 桥 涵 房屋基础 给排水等工程项目研究 1974 1978 年青藏铁路科学研究大会 战和第二次勘测设计期间 全面开展了冻土土建工程的研究工作 在风火山地 区修筑了厚层地下冰试验路基 丰富了多年冻土区设计理论与计算方法 积累 了厚层地下冰地段铁路工程的设计 施工经验 20 世纪 90 年代中期 铁道部 科技司先后批准立项的有关青藏线高原冻土修建铁路的前瞻性研究课题 针对 冻土环境条件改变而出现的冻土工程问题开展了深层次的研究 中国科学院结 合青藏公路改建进行了比较系统和深入的科学研究和工程实践 青藏铁路开工建 设以前 40 多年的研究和工程实践 在区域冻土分布特征 冻土基本物理力学 性质 冻土热物理性质 铁路选线 工程设计和施工技术等方面的研究和工程 实践 为今天青藏铁路建设打下坚实的技术基础 作为这一阶段科学研究和工 程实践集中体现的 青藏高原多年冻土地区铁路勘测设计细则及其 7 个技术性 附件 在青藏铁路建设初期发挥了重大作用 3 3 青藏铁路建设采用的冻土技术青藏铁路建设采用的冻土技术 3 13 1 冷却地基土体为核心的技术路线冷却地基土体为核心的技术路线 国内外研究和工程实践以及先期施工的青藏铁路试验工程说明 多年冻土 地区修建铁路的工程活动和工程设计的最终目的 应该是避免多年冻土的温度 升高 防止多年冻土上限的下降 采用的工程结构和工程措施 从目的和效果 上可以分为被动的保温 主动的降温两大类 曾经有一段时间的研究认为青藏高 原气候是逐渐变冷的 是有利于冻土生存和发展的 因此人类工程活动对多年 冻土的影响是比较容易恢复的 相当一个阶段的试验研究和工程设计 包括试 验工程 都体现了被动防御的指导思想 主要表现在 路基工程主要依据路基最小临界 高度和保温层调节路基高度 或者依据保温层作为保护冻土的主要手段 全球性 的气温升高和青藏高原冻土区气候转暖趋势引起我们对原有设计思想的反思 尽管设计暂规从路基填土高度安全系数方面考虑了气温升高的因素在内 但是 这种被动抵御气温升高的设计思想是受冻土地温分区和区域气候条件局限的 逐年变化的气温条件 使冻土本身的热稳定性逐渐削弱 甚至于使高温不稳定冻 土的热稳定性遭到彻底破坏 同时发生的冻土区修建铁路的工程活动对冻土热 稳定性的削弱和破坏 这些都极大的影响了工程建筑物的稳定性 2001 年先进 行的青藏铁路冻土区试验工程的研究和分期提供的试验研究成果告诉我们 被 动防御思想指导下的被动保温工程措施不能保证气温升高背景条件下冻土的热 稳定性 主动增加地基土体冷量的工程结构形式和工程措施 提高了它抵御外 界环境变化影响的能力 从而达到保护冻土热稳定性进而保证工程稳定的目标 冷却地基土体 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 这是青藏铁路冻土区工程 建设过程逐渐形成和遵循的 以主动降低地基土体温度为核心的一条技术路线 3 23 2 路基主动降温措施路基主动降温措施 3 3 2 2 1 1 片石气冷措施片石气冷措施 片石气冷路基是在路基垫层之上设置一定厚度和空隙度的片石层 因片石 层上下界面间存在温度梯度 引起片石层内空气的对流 热交换作用以对流为 主导 利用高原冻土区负积温量值大于正积温量值的气候特点 加快了路基基 底地层的散热 取得降低地温 保护冻土的效果 通过室内摸拟试验和试验段 工程测试分析 对青藏铁路应用片石气冷路基的有效性进行了深入研究 探索 出合理的结构形式 设计参数和施工工艺 确定路基垫层厚度不小于 0 3 m 片石层厚度一般为 1 2 1 5 m 块径 0 2 0 4 m 强度不小于 30 M Pa 片石层上再铺厚度不小于 0 3 m 的碎石层 并加设一层土工布这一措施已在 沿线 117 km 的高温不稳定冻土区加以应用 经 2 3 个冻融循环的观测分析 表明 路基 基底地温降低 地层冷储量增加 冻土上限一般上升 0 5 1 0 m 路基沉降 变形明显减小并基本趋于稳定 具有主动降温 保护冻土的效果 3 3 2 2 2 2 碎石碎石 片石片石 护坡措施护坡措施 在路基一侧或两侧堆填碎石或片石 形成护坡或护道 碎石 片石 护 坡空隙内的空气在一定温度梯度的作用下产生对流 寒季碎石 片石 内空气 对流换热作用强烈 有利于地层散热 暖季碎石 片石 内空气对流作用减弱 对热量的传入产生屏蔽作用 从而增强了地层寒季的散热 减少了暖季的传热 达到了降低地温 保护冻土的效果 深入研究碎石 片石 护坡和护道的作用 机理 确定了能够保持或抬高多年冻土上限的最佳厚度和粒径 实测表明 厚 度 1 0 1 5 m 的碎石 片石 护坡都具有很好的降温效果 通过改变路基 阴阳坡面上的护坡厚度 可调节路基基底地温场的不均衡性 对解决多年冻土区 路基阴阳坡差异造成的不均匀变形具有重要作用 碎石护坡的厚度 通常在阳 坡面 采用 1 6 m 阴坡面采用 0 8 m 3 3 2 2 3 3 通风管措施通风管措施 在路基内横向埋设水平通风管 冬季冷空气在管内对流 增强了路基填土 的散热强度 降低基底地温 提高冻土的稳定性 现场试验研究表明 通风管 宜设置在路基下部 距地表不小于 0 7m 其净距一般不超过 1 0 m 管径为 0 3 0 4 m 通风管的降温效果受管径 风向及管内积雪 积沙的影响 特别 是夏季热空气在管内的对流对冻土有负面影响 在使用上受到一定限制 青藏 铁路在部分路段修建了通风管路基 3 3 2 2 4 4 热棒措施热棒措施 热棒是利用管内介质的气液两相转换 依靠冷凝器与蒸发器之间的温差 通过对流循环来实现热量传导的系统 当大气温度低于冻土的地温 热棒自动开 始工作 当大气温度高于冻土地温 热棒自动停止工作 不会将大气中的热量 带入地基 针对青藏铁路多年冻土特性 选用了长 12 m 直径 83 mm 的热棒 测定其有效制冷影响范围为 1 3 1 5 m 确定了合理布设方式 青藏铁路有 32 km 路基采用了热棒措施 降低了基底地温 冻土上限上升 4 4 结论结论 2001 年青藏铁路开工建设以来 青藏铁路建设工作在我国冻土科学研究和工程 技术人员过去 40 年研究理论和实践经验的基础上 对冻土技术问题的解决已 经取得全面的实质性进展 主要表现在以下 4 个方面 1 通过目前最先进的技术手段 以先进的科学理论全面 准确的认识冻土 以上基础上用科学先进的技术路线 设计思想 提出解决冻土问题的技术手段 也就是有效的工程措施和工程结构 2 以科学的手段验证工程措施和工程结构施工质量和长期工程效果 用科学 的理论预测所采用工程措施和工程结构的长期可靠性 3 对今后长期运营可能发生的病害 能够科学的预测 并有应对技术措施和 技术储备 4 对这种结论的侧证表现在 青藏铁路冻土区工程施工质量良好 工程变形 稳定 工程设计逐步完善 工程措施成效明显 正在由科研人员参加建设的 冻土区工程长期监测系统 将为青藏铁路竣工验收时工程措施效果评估 为 建设世界一流高原铁路目标的实现提供基础性数据支持 同时为青藏铁路冻土 区工程运营状态确定 病害预测和整治提供数据支持 所有这些都为冻土技术 问题的深入解决提供科学依据 参考文献参考文献 俞祁浩 程国栋 牛富俊 自动温控通风路基在青藏铁路中的应用研究 J 中国科学 D 辑 2003 33 增刊 160 167 牛富俊 程国栋 俞祁浩 多年冻土地区管道通风路基地温调控研究 J 中国科学 D 辑 2003 33 增刊 145 152 马巍 程国栋 吴青柏 多年冻土地区主动冷却路基方法的研究 J 冰川冻土 2002 24 5 579 587 程国栋 用冷却路基的方法修建青藏铁路 J 中国铁道科学 2003 24 3 1 4 吴青柏 程国栋 马巍 多年冻土变化对青藏铁路工程的影响 J 中国科学 D 辑 2003 33 增刊 115 122 中华人民共和国铁道部标准 青