出品：科普中國

制作：鐵流

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

青藏鐵路，作為聞名遐邇的世界級工程奇跡，自通車以來，為西藏人民帶去了祖國的溫暖和問候，為西藏的經(jīng)濟發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，為西藏與內(nèi)地人員和物資的交流起到了關(guān)鍵性作用。

在黨的生日到來之際，青藏鐵路通車也將滿10周年。在此，鐵流回溯科研人員為解決高原凍土技術(shù)難題的研究歷程，闡述中國工程師攻克青藏鐵路凍土工程問題的艱辛與不易。

凍脹和融沉是路基病害的主要原因

普通土壤的性質(zhì)主要由其顆粒的礦物成分、密度和含水量決定，這些因素一旦確定，土的基本性質(zhì)就基本穩(wěn)定，土的性質(zhì)多表現(xiàn)為靜態(tài)特性。而凍土的物理性質(zhì)和工程性質(zhì)則和普通土質(zhì)有所不同——除了之前提到的因素外，還與土壤中含冰量和凍土的溫度狀態(tài)密切相關(guān)。

眾所周知，水的密度比冰要大，自然而然的，水在凝結(jié)成冰的過程中，體積會增大，加上水分會從未凍區(qū)向凍結(jié)鋒面遷移，并在凍結(jié)鋒面凍結(jié)成冰，使土的體積膨脹，而這種現(xiàn)象被稱為凍脹——這種凍脹所產(chǎn)生的張力非常大。據(jù)實驗，當(dāng)溫度為-22℃時，其凍脹力值可達(dá)211.5MPa。更為糟糕的是，在自然條件下，由于土質(zhì)條件、水分條件、凍結(jié)條件等的不同，土體的凍脹也是不均勻的，很容易使修筑在凍土上的鐵路路基隨之發(fā)生形變。

凍脹

由于融土在凍結(jié)過程中的水分遷移、析冰、凍脹使土壤的體積增大，那么反過來，在凍土融化過程中，土壤的體積就會變小，需要土壤顆粒去填充土壤融合后多出來的空間，這就會引起局部地面的向下運動，這種情況被稱為熱融沉陷。

雖然青藏高原的凍土層很多處于長年凍結(jié)狀態(tài)，但凍土層的狀態(tài)并非是一成不變的，由于受到太陽輻射熱年際變化和季節(jié)氣候變化的作用，形成了寒季凍結(jié)、暖季融化的活動層。而多年凍土活動層的寒、暖交替，以及凍土層的溫度變化會影響工程的正常開展。而路基修筑后，必然改變地表面的水熱交換條件，并引起基底土層壓縮等一系列變化，加上修建路基時有可能改變地表水和地下水的逕流條件，當(dāng)排水措施不當(dāng)時會產(chǎn)生路堤過水和堤側(cè)積水現(xiàn)象，其后果往往是由于水體的熱作用，使地下冰融化，路基下沉甚至發(fā)生突陷。

因此，多年凍土地區(qū)大多數(shù)路基病害都是由于凍土的凍脹、融沉等不良凍土現(xiàn)象引起的。以青藏公路為例，85%的路基病害是融沉造成的;15%為凍脹和翻漿所致;橋梁和涵洞的病害主要由凍脹引起;在高溫凍土區(qū)的路堤上，由于陰、陽坡下的融沉不同，因而在向陽面的公路左側(cè)產(chǎn)生縱向裂縫……

誠然，除了普遍存在的融沉和凍脹問題之外，多年凍土區(qū)還廣泛分布有各種不良凍土現(xiàn)象——冰椎和凍脹丘、融凍泥流和熱融滑塌、熱融湖塘和凍土濕地等也會對鐵路工程施工與運營維護(hù)造成巨大負(fù)面影響。

42年潛心研究攻克凍土難題

雖然在多年凍土區(qū)修筑鐵路和公路已有百年以上的歷史，但回顧這些道路的運營情況，卻并不令人樂觀：

據(jù)1994年俄羅斯貝阿鐵路(第二條西伯利亞大鐵路，全長3500KM，通過多年凍土2500KM)的統(tǒng)計，該段鐵路病害率為27.7%;

俄羅斯在1996年對后貝加爾鐵路(第一條西伯利亞大鐵路，全長9446KM，穿越多年凍土2200KM)的調(diào)查表明，在運營了一百多年后，線路的病害率高達(dá)40.5%;

中國在青藏公路改建工程完成后，在1999年進(jìn)行了一次調(diào)查，線路病害率達(dá)31.7%;

中國東北凍土區(qū)鐵路線路病害率也比較高，運營早期還發(fā)生過路基突然下沉的事故——1962年，牙林線潮烏段8KM處曾發(fā)生4小時內(nèi)路基下沉1.4米，造成機車掉道的事故。

正因為凍土工程問題是一項世界性難題，為解決青藏鐵路建設(shè)的凍土工程問題，自1960年開始，鐵道第一勘察設(shè)計院、中鐵西北科學(xué)研究院、中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所等單位就著手在以風(fēng)火山地區(qū)為中心的高原多年凍土區(qū)，開展長期、不間斷地對凍土區(qū)氣象、地溫、太陽輻射等項目的觀測研究，并進(jìn)行了凍土熱學(xué)、力學(xué)性質(zhì)試驗，積累了長達(dá)40余年的不可替代的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，為青藏鐵路建設(shè)實踐提供經(jīng)驗。

1960年，科研人員開始對凍土水熱變化規(guī)律和年變化層溫度、熱流以及凍土力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，為工程實踐提出了凍土工程分類及設(shè)計參數(shù)。至70年代，成功編撰《青藏高原多年凍土地區(qū)鐵路勘測設(shè)計細(xì)則》及7個技術(shù)附件，對將來青藏鐵路設(shè)計工作起到指導(dǎo)作用。

1975-1976風(fēng)火山凍土觀測、科研基地

1974年，開始對青藏高原凍土基本特征、分布特點，青藏鐵路沿線多年凍土融區(qū)類型，冷生現(xiàn)象分布規(guī)律與形成條件，各種凍土構(gòu)造與含水量關(guān)系及其與凍土工程分類的聯(lián)系進(jìn)行研究。完成了青藏公路沿線1：600000的多年凍土分布圖。這些研究成果為青藏鐵路建設(shè)的勘察工作提供了可靠的技術(shù)資料。

1976年，設(shè)計并施工了長約483米的風(fēng)火山厚層地下冰地段試驗路基，該試驗路基包括路塹、半路塹、零斷面、低路堤、高路堤、涵洞等設(shè)施，共劃分為23個試驗段。1997年，在原有試驗路基基礎(chǔ)上，結(jié)合氣候變化特點和氣溫發(fā)展趨勢，進(jìn)行了遮擋式結(jié)構(gòu)、片石通風(fēng)結(jié)構(gòu)的實驗，這些實驗對今后青藏鐵路的設(shè)計提供了寶貴的參考價值。

風(fēng)火山試驗路基

2001年，鐵道第一勘察設(shè)計院、中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所和中鐵西北科學(xué)研究院配合施工單位，開展了試驗工程科學(xué)研究工作。試驗工程分為清水河高溫凍土路基試驗段、北麓河路基工程試驗段、沱沱河路基工程試驗段、安多路基試驗段以及昆侖山隧道、風(fēng)火山隧道試驗段，其中共包含3大項、9大類、39個科研課題的試驗研究。這些課題的研究成果，為青藏鐵路的建設(shè)和運營提供可靠的技術(shù)保證。

2011年風(fēng)火山多年凍土定位觀測站

七項措施守護(hù)“天路”

為了避免因融沉和凍脹等現(xiàn)象對路基造成損害，就必須依靠材料或結(jié)構(gòu)增大熱阻，減少傳入地基多年凍土的熱量，冷卻地基凍土層，保持凍土地基的穩(wěn)定，從而保證工程建筑物的穩(wěn)定。目前，在凍土區(qū)全線設(shè)計和施工中已經(jīng)采用的主要措施有以下7種：

一是確定路基修筑合理高度。這等于是給路基基底的凍土層覆蓋一層保溫層，防止太陽輻射和季節(jié)氣候變化對多年凍土層帶來的影響。至于路基的高度要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓闆r來確定。

二是片石通風(fēng)路堤結(jié)構(gòu)。就是向路堤覆蓋碎石塊，千萬別小看了這些碎石，它們能起到熱調(diào)節(jié)作用——在暖季，由于熱空氣密度較小，因此熱量很難進(jìn)入路基基地，而碎石頭之間的空氣流動和地表水蒸發(fā)后又能帶走熱量，可以起到熱屏蔽作用;在寒季，由于冷空氣密度較大，在自重和風(fēng)的作用下將片石層中的熱空氣擠走，冷空氣更容易進(jìn)入路基基底，因而能對凍土層起到保護(hù)作用。

清水河大橋段的片石通風(fēng)路基

三是熱樁路基結(jié)構(gòu)。熱樁是一種汽液對流循環(huán)的導(dǎo)熱系統(tǒng)，熱樁是一根密封的管子，里面填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物質(zhì)，管子的上段是冷凝器，下端為蒸發(fā)器，中間為絕熱段。當(dāng)熱樁下端吸收熱量后，氨、氟利昂、丙烷等物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后上升至冷凝器，熱量通過冷凝器發(fā)散，氨、氟利昂、丙烷等物質(zhì)再由氣態(tài)液化為液態(tài)，在重力的作用下流回?zé)針断露?，如此循環(huán)往復(fù)降低周圍凍土溫度，增加凍土本身的冷儲量，提高凍土熱穩(wěn)定性，從而保證路基的穩(wěn)定性。

清水河試驗段的熱樁

四是鋪設(shè)隔熱層的路基結(jié)構(gòu)。鋪設(shè)隔熱層的路基結(jié)構(gòu)是指在路基的底部或路基表面以下某一深度鋪設(shè)具有單向?qū)崮芰Φ母魺釋?，在不影響回凍季?jié)冷氣進(jìn)入凍土層的情況下，增大熱阻，減小自然熱源和人為熱源的熱量進(jìn)入到凍土層內(nèi)，防止多年凍土地基升溫和地下冰融化。

五是鋪設(shè)通風(fēng)管路堤。通風(fēng)管路堤是在堤身或路堤底部以上某高度橫向鋪設(shè)通風(fēng)管，與路堤填筑材料組成復(fù)合式通風(fēng)路堤。由于空氣的導(dǎo)熱能力比土壤低，通風(fēng)管路堤可以起到隔熱作用，減少熱量傳入地基凍土層。另外，通風(fēng)管可以憑借空氣流動使堤身散熱，特別是冬季冷空氣在通風(fēng)管內(nèi)流動，能有效地降低基底的地溫，增加基底的冷儲量，保護(hù)基底多年凍土，保證路基穩(wěn)定。

通風(fēng)管

六是以橋代路。在大溫差和高含冰量凍土區(qū)，采用傳統(tǒng)方式無法保證凍土熱穩(wěn)定性和路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，則可采用混凝土灌注的方式打樁，穩(wěn)定地基，并以橋代路。青藏鐵路多年凍土區(qū)共有這種橋梁62座合計50KM。誠然，在獲得高可靠性的同時，以橋代路方案的造價是傳統(tǒng)路基的數(shù)倍。

七是采用人工凍結(jié)技術(shù)。人工凍結(jié)技術(shù)是將凍結(jié)管插入土中，利用液氮等冷液在冷凍管中循環(huán)，使土壤凍結(jié)。人工冷凍技術(shù)能有效防止凍土退化，特別是一旦凍土路基發(fā)生融沉，人工冷凍技術(shù)不失為搶險救援的有效措施。

結(jié)語

青藏鐵路的建成通車，是華夏兒女?dāng)?shù)十年如一日拼搏工作之功勛，不僅對西藏經(jīng)濟發(fā)展起到了重要貢獻(xiàn)，還對國防軍事有著重大意義。而中國鐵路人也憑借著設(shè)計、建造、運營和維護(hù)青藏鐵路獲得的大量經(jīng)驗積累和技術(shù)積累，使中國在高原凍土區(qū)的鐵路修建領(lǐng)域居于世界領(lǐng)先水平。

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