華僑網 科技教育 中国怎样破解青藏铁路高原冻土这一世界性难题

中国怎样破解青藏铁路高原冻土这一世界性难题

出品:科普中国

制作:铁流

监制:中国科学院计算机网络信息中心

青藏铁路,作为闻名遐迩的世界级工程奇迹,自通车以来,为西藏人民带去了祖国的温暖和问候,为西藏的经济发展作出了巨大贡献,为西藏与内地人员和物资的交流起到了关键性作用。

在党的生日到来之际,青藏铁路通车也将满10周年。在此,铁流回溯科研人员为解决高原冻土技术难题的研究历程,阐述中国工程师攻克青藏铁路冻土工程问题的艰辛与不易。

冻胀和融沉是路基病害的主要原因

普通土壤的性质主要由其颗粒的矿物成分、密度和含水量决定,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。而冻土的物理性质和工程性质则和普通土质有所不同——除了之前提到的因素外,还与土壤中含冰量和冻土的温度状态密切相关。

众所周知,水的密度比冰要大,自然而然的,水在凝结成冰的过程中,体积会增大,加上水分会从未冻区向冻结锋面迁移,并在冻结锋面冻结成冰,使土的体积膨胀,而这种现象被称为冻胀——这种冻胀所产生的张力非常大。据实验,当温度为-22℃时,其冻胀力值可达211.5MPa。更为糟糕的是,在自然条件下,由于土质条件、水分条件、冻结条件等的不同,土体的冻胀也是不均匀的,很容易使修筑在冻土上的铁路路基随之发生形变。

冻胀

由于融土在冻结过程中的水分迁移、析冰、冻胀使土壤的体积增大,那么反过来,在冻土融化过程中,土壤的体积就会变小,需要土壤颗粒去填充土壤融合后多出来的空间,这就会引起局部地面的向下运动,这种情况被称为热融沉陷。

虽然青藏高原的冻土层很多处于长年冻结状态,但冻土层的状态并非是一成不变的,由于受到太阳辐射热年际变化和季节气候变化的作用,形成了寒季冻结、暖季融化的活动层。而多年冻土活动层的寒、暖交替,以及冻土层的温度变化会影响工程的正常开展。而路基修筑后,必然改变地表面的水热交换条件,并引起基底土层压缩等一系列变化,加上修建路基时有可能改变地表水和地下水的迳流条件,当排水措施不当时会产生路堤过水和堤侧积水现象,其后果往往是由于水体的热作用,使地下冰融化,路基下沉甚至发生突陷。

因此,多年冻土地区大多数路基病害都是由于冻土的冻胀、融沉等不良冻土现象引起的。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;在高温冻土区的路堤上,由于阴、阳坡下的融沉不同,因而在向阳面的公路左侧产生纵向裂缝……

诚然,除了普遍存在的融沉和冻胀问题之外,多年冻土区还广泛分布有各种不良冻土现象——冰椎和冻胀丘、融冻泥流和热融滑塌、热融湖塘和冻土湿地等也会对铁路工程施工与运营维护造成巨大负面影响。

42年潜心研究攻克冻土难题

虽然在多年冻土区修筑铁路和公路已有百年以上的历史,但回顾这些道路的运营情况,却并不令人乐观:

据1994年俄罗斯贝阿铁路(第二条西伯利亚大铁路,全长3500KM,通过多年冻土2500KM)的统计,该段铁路病害率为27.7%;

俄罗斯在1996年对后贝加尔铁路(第一条西伯利亚大铁路,全长9446KM,穿越多年冻土2200KM)的调查表明,在运营了一百多年后,线路的病害率高达40.5%;

中国在青藏公路改建工程完成后,在1999年进行了一次调查,线路病害率达31.7%;

中国东北冻土区铁路线路病害率也比较高,运营早期还发生过路基突然下沉的事故——1962年,牙林线潮乌段8KM处曾发生4小时内路基下沉1.4米,造成机车掉道的事故。

正因为冻土工程问题是一项世界性难题,为解决青藏铁路建设的冻土工程问题,自1960年开始,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就着手在以风火山地区为中心的高原多年冻土区,开展长期、不间断地对冻土区气象、地温、太阳辐射等项目的观测研究,并进行了冻土热学、力学性质试验,积累了长达40余年的不可替代的基础数据资料,为青藏铁路建设实践提供经验。

1960年,科研人员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进行研究,为工程实践提出了冻土工程分类及设计参数。至70年代,成功编撰《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,对将来青藏铁路设计工作起到指导作用。

1975-1976风火山冻土观测、科研基地

1974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1:600000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。

1976年,设计并施工了长约483米的风火山厚层地下冰地段试验路基,该试验路基包括路堑、半路堑、零断面、低路堤、高路堤、涵洞等设施,共划分为23个试验段。1997年,在原有试验路基基础上,结合气候变化特点和气温发展趋势,进行了遮挡式结构、片石通风结构的实验,这些实验对今后青藏铁路的设计提供了宝贵的参考价值。

风火山试验路基

2001年,铁道第一勘察设计院、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配合施工单位,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大项、9大类、39个科研课题的试验研究。这些课题的研究成果,为青藏铁路的建设和运营提供可靠的技术保证。

2011年风火山多年冻土定位观测站

七项措施守护“天路”

为了避免因融沉和冻胀等现象对路基造成损害,就必须依靠材料或结构增大热阻,减少传入地基多年冻土的热量,冷却地基冻土层,保持冻土地基的稳定,从而保证工程建筑物的稳定。目前,在冻土区全线设计和施工中已经采用的主要措施有以下7种:

一是确定路基修筑合理高度。这等于是给路基基底的冻土层覆盖一层保温层,防止太阳辐射和季节气候变化对多年冻土层带来的影响。至于路基的高度要根据当地的温度变化情况来确定。

二是片石通风路堤结构。就是向路堤覆盖碎石块,千万别小看了这些碎石,它们能起到热调节作用——在暖季,由于热空气密度较小,因此热量很难进入路基基地,而碎石头之间的空气流动和地表水蒸发后又能带走热量,可以起到热屏蔽作用;在寒季,由于冷空气密度较大,在自重和风的作用下将片石层中的热空气挤走,冷空气更容易进入路基基底,因而能对冻土层起到保护作用。

清水河大桥段的片石通风路基

三是热桩路基结构。热桩是一种汽液对流循环的导热系统,热桩是一根密封的管子,里面填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物质,管子的上段是冷凝器,下端为蒸发器,中间为绝热段。当热桩下端吸收热量后,氨、氟利昂、丙烷等物质由液态转化为气态,然后上升至冷凝器,热量通过冷凝器发散,氨、氟利昂、丙烷等物质再由气态液化为液态,在重力的作用下流回热桩下端,如此循环往复降低周围冻土温度,增加冻土本身的冷储量,提高冻土热稳定性,从而保证路基的稳定性。

清水河试验段的热桩

四是铺设隔热层的路基结构。铺设隔热层的路基结构是指在路基的底部或路基表面以下某一深度铺设具有单向导热能力的隔热层,在不影响回冻季节冷气进入冻土层的情况下,增大热阻,减小自然热源和人为热源的热量进入到冻土层内,防止多年冻土地基升温和地下冰融化。

五是铺设通风管路堤。通风管路堤是在堤身或路堤底部以上某高度横向铺设通风管,与路堤填筑材料组成复合式通风路堤。由于空气的导热能力比土壤低,通风管路堤可以起到隔热作用,减少热量传入地基冻土层。另外,通风管可以凭借空气流动使堤身散热,特别是冬季冷空气在通风管内流动,能有效地降低基底的地温,增加基底的冷储量,保护基底多年冻土,保证路基稳定。

通风管

六是以桥代路。在大温差和高含冰量冻土区,采用传统方式无法保证冻土热稳定性和路基结构稳定性,则可采用混凝土灌注的方式打桩,稳定地基,并以桥代路。青藏铁路多年冻土区共有这种桥梁62座合计50KM。诚然,在获得高可靠性的同时,以桥代路方案的造价是传统路基的数倍。

七是采用人工冻结技术。人工冻结技术是将冻结管插入土中,利用液氮等冷液在冷冻管中循环,使土壤冻结。人工冷冻技术能有效防止冻土退化,特别是一旦冻土路基发生融沉,人工冷冻技术不失为抢险救援的有效措施。

结语

青藏铁路的建成通车,是华夏儿女数十年如一日拼搏工作之功勋,不仅对西藏经济发展起到了重要贡献,还对国防军事有着重大意义。而中国铁路人也凭借着设计、建造、运营和维护青藏铁路获得的大量经验积累和技术积累,使中国在高原冻土区的铁路修建领域居于世界领先水平。

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