青藏鐵路建設中凍土工程結(jié)構穩(wěn)定性研究

　　一、研究科學意義和國家需求

　　青藏高原是世界上面積最大、海拔最高的高原，地理位置獨特，自然環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復雜，素有“世界屋脊”、“地球第三極”之稱。青藏鐵路格拉段將穿越約547km多年凍土地段，全線線路海拔高程大于4000m地段約960km，在唐古拉山越嶺地段，線路最高海拔為5072m，為世界鐵路海拔之最?！案咴焙汀皟鐾痢眴栴}是本線的兩大難題，其特殊性和復雜性在世界上獨一無二。

　　在青藏高原多年凍土地區(qū)建設鐵路是從未實踐過的新的技術領域，隨著幾十年來自然條件和氣候的變化、科學技術的飛速發(fā)展、科研成果和工程實踐經(jīng)驗的積累，我們對自然和凍土的認識也在不斷的加深。七十年代以前我們認為高原凍土是發(fā)育的，而目前現(xiàn)狀是隨著全球氣溫升高，高原凍土呈退縮趨勢；七十年代以前研究重點側(cè)重于凍土腹部地帶的高含冰量凍土，但青藏公路整治的情況表明，凍土區(qū)邊緣地帶及高溫凍土地帶各類工程病害多于低溫凍土地帶；過去確定一個路基臨界高度來涵蓋全線，現(xiàn)在看來必須按不同地溫分區(qū)、土質(zhì)及氣候條件來考慮路基合理高度；現(xiàn)代科學技術水平的發(fā)展及新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，為防治各類工程凍害提供了新的手段，有必要對其進行應用研究。所以青藏線格拉段的修建仍帶有很強的探索性、科研性，為了盡快取得高原多年凍土區(qū)鐵路設計、施工經(jīng)驗，先行試驗段的建設具有不可替代的重要意義。“高原多年凍土區(qū)試驗工程”也充分體現(xiàn)了我們在高原多年凍土區(qū)的設計思想，是設計原則的檢驗，其各階段的觀測結(jié)果將分別是指導、調(diào)整設計和施工的依據(jù)，實現(xiàn)青藏線格拉段鐵路的動態(tài)設計和施工。

　　二、立項科學依據(jù)

　　青藏鐵路修筑的兩大關鍵問題：高原和凍土。青藏鐵路成功的關鍵在于路基工程，而路基工程的關鍵在凍土，凍土作為一個極為重要的關鍵因素，必須進行深入的研究，以此來保證青藏鐵路工程的順利實施和正常高速運營。

　　青藏鐵路路基穩(wěn)定性要求。凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有豐富的地下冰，水分產(chǎn)生遷移并具有相變變化特征，因此，凍土具有流變性，其長期強度遠低于瞬時強度特征，并具有融化下沉性和凍脹性。這些特性造成了凍土區(qū)修筑工程構筑物時，面臨的兩大工程問題：凍脹和融沉。路基、橋涵、隧道等都會受到這兩大工程問題的困擾。從路基角度來講，影響路基穩(wěn)定性的核心問題是多年凍土年平均地溫分區(qū)。多年青藏公路實踐經(jīng)驗表明，在多年凍土年平均地溫高于-1.5℃， 多年凍土路基僅采用加高路基的方法是不能保證路基穩(wěn)定的，必須采取綜合治理的方法來解決該問題，而低于-1.5℃采用加高路基方法就可保證路基穩(wěn)定。另一個極為重要的核心問題是青藏鐵路地下冰空間分布問題。青藏公路的長期研究和實踐經(jīng)驗表明，地下冰是影響凍土路基穩(wěn)定的最為重要的影響之一，是產(chǎn)生凍融災害或者不良凍土現(xiàn)象的根本問題。地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結(jié)果就會造成地下冰融化，導致路基產(chǎn)生融化下沉破壞。對于橋涵、路塹、高邊坡等工程建筑物，高含冰量凍土的影響的極為關鍵的問題。

　　多年凍土區(qū)工程一般采取保護凍土、控制融化速率和允許融化三種設計原則，青藏鐵路試驗工程基本考慮了上述三種設計原則，這些設計原則合理性必須通過工程實踐來驗證。在低溫多年凍土區(qū)，采用保護凍土原則，必須通過路基穩(wěn)定性變化驗證路基合理高度的設計標準和依據(jù)?？刂迫诨俾实墓こ探Y(jié)構措施更是須經(jīng)工程實踐的檢驗，才能推廣使用。因此根據(jù)不同的地層、地溫條件和凍土類型確定具有典型性的試驗工程地段，針對設計、施工中急需解決的關鍵技術問題組織試驗研究，對可能采用的新結(jié)構、新材料和新工藝進行驗證性試驗研究，檢驗其在青藏高原多年凍土區(qū)的適應性和可靠性。

　　三、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢

　　由于青藏高原特殊的自然地理環(huán)境和高原多年凍土凍融災害問題， 使寒區(qū)工程修建具有復雜性和困難性。特別是青藏鐵路修建正在面臨著凍土環(huán)境與工程間的相互作用問題。盡管如此，世界上在多年凍土地區(qū)仍修筑了很多鐵路干線。俄羅斯曾在西伯利亞多年凍土地區(qū)修筑鐵路工程。本世紀20-30年代，俄羅斯在多年凍土地區(qū)修筑鐵路，60-70年代達到高潮，1800公里以上的鐵路干線有七條。其中最著名的是第一條橫貫西伯利亞大鐵路。它是世界上最長的連貫鐵路，全長9446公里。從莫斯科到符拉迪沃斯托克，此線跨越多年凍土區(qū)2200公里以上。70年代末期建成的新西伯利亞鐵路則通過多年凍土帶3400公里以上。目前正在修建向北延伸的二條鐵路，幾乎全部是在多年凍土地區(qū)。北美國家在Manitoba 和Quebec多年凍土地區(qū)建立了干線， 開發(fā)Lynn湖及Schefferville的礦業(yè)，并且保持Churchill港與南方鐵路聯(lián)系。加拿大有三條鐵路干線由南向北穿越凍土帶，運行歷史有20年。

　　我國在大小興安嶺地區(qū)：主要干線是牙林線和嫩林線穿越的多年凍土共有800公里左右。西北地區(qū)有兩條鐵路干線正在運營，其一是青海海西熱水煤礦專線，其二是穿越天山的南疆鐵路工程。應該說在多年凍土地區(qū)修筑鐵路工程由許多可以借鑒的設計和施工經(jīng)驗，但在高原多年凍土區(qū)修筑鐵路是首次。青藏高原多年凍土地處中、低緯度、高海拔地區(qū)，與中、高緯度、低海拔多年凍土相比，具有多年凍土厚度薄、地溫高和太陽輻射強等特點，這些特點導致了高原多年凍土變化的特殊性，因此，存在很多凍土問題需要我們?nèi)パ芯俊?/p>

　　為了早日推進青藏鐵路項目的立項，于1998年中科院蘭州冰川凍土研究所積極主動地配合鐵道部門進行了青藏鐵路預可研工作，在此階段的主要核心問題是回答在不穩(wěn)定的高原凍土環(huán)境下是否能成功的修建鐵路？通過分析總結(jié)我們40多年來，特別是近20年來的關于青藏高原多年凍土工程問題的研究成果，明確回答了修建青藏鐵路的可行性問題，指出了鐵路修建的關鍵核心問題是高溫多年凍土地區(qū)（100多公里）路基穩(wěn)定性問題，并給出了解決此問題的途徑，為青藏鐵路的正式立項奠定了良好的基礎。提供了高原多年凍土區(qū)青藏鐵路凍土工程及其環(huán)境變化預測；提供了工程設計中凍土設計參數(shù)的綜合評價；提供了青藏鐵路建設中的雪害防治技術；提供了國內(nèi)外多年凍土區(qū)鐵路工程修筑的情況與現(xiàn)狀報告。

　　為了建設“高水平的環(huán)保青藏鐵路”，中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所在整理分析現(xiàn)有凍土工程科研成果的基礎上，以創(chuàng)新工程為依托，緊密圍繞青藏鐵路修建中尚待解決的重大技術問題進行積極的準備，并于2000年初起開展了新技術、新材料、工程對策、工程模擬等研究，以滿足工程設計和施工的急需。目前已開展的主要科研項目有：進藏公路鐵路典型路段工程災害成因及其減災理論與技術研究、工程技術影響下高原多年凍土環(huán)境變化預報模式、多年凍土區(qū)拋石路堤實驗研究、可變導熱性能結(jié)構材料研究、凍土路基凍脹融沉預報與復合地基優(yōu)化設計、高原多年凍土不穩(wěn)定地段路基邊坡穩(wěn)定性研究和寒區(qū)隧道工程襯砌結(jié)構理論與路基穩(wěn)定性試驗研究等。這些科研項目的實施，將會對青藏鐵路的建設起到重要的作用。同時也為此項目的進行奠定了良好的基礎。

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