多年冻土地区公路修筑成套技术研究-中交第一公路勘察设计研究院

一、项目研究背景与目标 1．1项目研究背景

全球多年冻土分布面积3500万平方公里，占陆地面积的25%，季节冻土区约占陆地面积的70%。中国的多年冻土以青藏高原高海拔冻土为代表，在全球冻土界具有无可替代的地位；分布面积约21.5×105平方公里，占国土面积的22.3%，位居世界第三；季节性冻土约占国土面积的53.5%。

目前，全球气候环境正在经历一段变暖周期，在升温和人为活动作用增强的背景下，多年冻土响应逐渐显现，国内外多年冻土地区公路研究现状查新以及多年冻土地区已建成通车的公路使用现状调查和分析均表明，冻土路基热融沉陷、路基下冻土温度场各向异性导致人为上限非对称变化引发的路基纵向开裂、沥青路面下路基尺寸效应等问题，均尚待进一步探索和研究。特别是国家“十一·五”规划已将青藏高速公路建设提上日程，由于高原特殊的地理环境，高速公路修筑将面临比青藏公路复杂得多的冻土地质病害问题及生态环境保护问题，高速公路建设期及运营期本身的安全、高速、舒适的行车要求也将给公路建设提出更高更新的目标。因此，多年冻土地区公路修筑技术尚需进一步深入研究，主要问题如下：

⑴ 冻土地质勘察沿用非冻土地区常用方法和手段，冻土分类与定性准确性不高； ⑵ 冻土路基研究注重抬高路基、增设保温护道对下伏冻土的被动保护，对因填料导热性能改变而产生的路基尺度效应（路宽、高度、边坡坡度及护道尺寸）未作深入研究，设计理念有待突破和提升；

⑶ 对路基病害发生的机理缺乏系统深入的理论分析，冻土路基稳定措施针对性不强，处治效果不理想；

⑷ 对重交通荷载下冻土区路面结构适应路基变形的能力研究不系统，多年冻土区沥青路面耐久性能研究尚处空白；

⑸ 没有开展对多年冻土区特别是青藏高原生态环境极其脆弱地区的环境保护研究，有针对性的环境影响评价方法及生态恢复技术亟待建立；

⑹ 多年冻土区公路养护理念落后，缺少先进适用的工艺和技术，养护材料研究技术储备不足，养护机制不健全，影响了路面功能与寿命；

⑺ 季节冰冻地区公路路基路面稳定技术有待创新，路基结构、形式，路面材料与结构组合对排水抗冻性能的要求等需要进一步研究。

为系统研究总结我国三十多年公路冻土工程科研设计经验及高原多年冻土区环境保护与筑（养）路职工生命健康保障方面的经验，交通部在2002年西部交通科技项目中确立了

《多年冻土地区公路修筑成套技术研究》项目，组织中交第一公路勘察设计研究院、长安大学、交通部科学研究院以及青海、黑龙江、吉林三省科研、设计、建设与管理及高等院校等28家单位250多位科技人员，开展10个分项目、1个专题、65个子课题的系统全面的研究攻关，历时近5年，研究范围涵盖多年冻土地区、季节冰冻地区公路建设工程、环境保护、健康保障的理论探索与技术实践。

1.2项目研究目标与意义

研究基本解决了多年冻土公路工程建设难题，达到多年冻土基本控制或减少病害的目的。通过研究对加快西部与东北多年冻土地区公路建设，推动区域资源开发、经济发展，确保边疆稳定、国家安全，促进民族团结，构建和谐社会具有重要意义；对我国乃至世界多年冻土地区公路交通的决策、总体规划、勘察、设计、施工、养护管理等方面起到强有力的指导；对提高高原筑路职工及居民生活和医疗水平，保持健康体质，延长寿命，降低建设与营运成本，起到重大保障作用；对提高多年冻土地区公路建设与服务水平，确保交通畅通，保护高原路域生态环境和景观等诸多方面起到积极作用；对季节冻土地区公路建设起到指导作用；对寒冷地区道路工程建设与运营起到指导作用。总之，项目对我国北方公路建设将产生深远影响，对构建和谐交通与和谐社会具有重大现实意义。

二、研究内容与技术路线 2.1 研究内容

多年冻土地区公路修筑成套技术研究10个分项目，各分项目的主要研究内容分别为： ㈠ 多年冻土地区公路工程地质研究

⑴ 多年冻土的综合勘察方法的研究及应用； ⑵ 多年冻土的公路工程地质区划和工程分类研究； ⑶ 多年冻土现象对公路稳定性影响研究； ⑷ 多年冻土对公路稳定性影响分析的模型研究。 ㈡ 多年冻土地区公路病害和机理研究 ⑴ 路基路面病害类型与特征； ⑵ 路基路面病害评价技术； ⑶ 路基路面病害机理及影响因素； ⑷ 路基路面病害处治对策。

㈢ 水、热、力耦合效应与路基路面温度场变化规律的研究

⑴ 水、热、力耦合理论与计算方法研究； ⑵ 典型路段路基水、热、力耦合效应研究； ⑶ 不同路基结构型式路基路面温度场变化规律研究；

⑷ 不同保护冻土工程措施对路基三场和冻土上限的影响及应用条件； ⑸ 大型模型试验研究。

㈣ 多年冻土地区路基稳定性技术研究 ⑴ 气候、地质地貌与路基稳定性的关系； ⑵ 多年冻土路基合理高度及合理的断面结构形式； ⑶ 冷却多年冻土路基的工程措施； ⑷ 过渡段路基设计；

⑸ 路基施工季节、修筑技术和质量控制。 ㈤ 多年冻土地区路面设计与施工技术研究

⑴ 多年冻土地区半刚性基层强度规律、低温疲劳与抗冻性能及配合比设计方法研究； ⑵ 沥青及沥青混合料低温特性试验研究及配合比设计方法研究； ⑶ 多年冻土地区水泥混凝土路面使用现状调查研究； ⑷ 冻土地区路面典型结构与设计参数研究； ⑸ 铺装技术和路面施工技术研究。 ㈥ 多年冻土地区桥涵工程技术研究

⑴ 多年冻土区涵洞基础、桥梁桩基稳定性研究； ⑵ 多年冻土区桥梁结构及材料设计方法和施工工艺研究； ⑶ 多年冻土区涵洞结构及材料设计方法和施工工艺研究； ⑷ 多年冻土区基础混凝土抗冻性能研究。 ㈦ 多年冻土地区生态环境保护与评价技术研究 ⑴ 多年冻土地区公路建设项目对生态环境影响研究； ⑵ 多年冻土地区公路建设项目生态环境评价技术研究； ⑶ 公路施工与运营期间多年冻土的保护对策研究； ⑷ 多年冻土地区公路建设生态环境保护与恢复技术研究。 ㈧ 多年冻土地区公路养护与维修技术研究 ⑴ 多年冻土地区路面合理使用年限的研究；

⑵ 多年冻土地区路基路面和桥涵等结构物养护与维修技术研究； ⑶ 多年冻土地区公路养护与维修管理信息系统开发研究。 ㈨ 季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究 ⑴ 季节性冰冻地区Ⅱ区三级自然区划研究； ⑵ 季冻地区道路冻胀与翻浆成因与机理研究； ⑶ 季冻区路基湿度划分方法与冻胀翻浆防治措施研究； ⑷ 半刚性基层材料抗冻性能及温缩性能研究； ⑸ 沥青混凝土低温性能评价方法及设计指针研究。 ㈩ 高原（山）地区筑养路职工安全与健康保障研究 ⑴ 预测和筛选对高原环境低氧易感者方法研究； ⑵ 提高筑养路职工高原适应能力和劳动能力研究； ⑶ 提高职工自我防护的研究； ⑷ 高原损害防治研究；

⑸ 高原作业劳动卫生有关问题的方法研究； ⑹ 高原功能损害的康复研究；

⑺ 高原筑养路职工安全生产与健康保障机制研究。

2.2 技术路线

本研究工程应用性较强，必须有针对性地进行试验、分析研究。总体技术路线为：搜集国内外相关资料→野外病害观测调查→室内试验→实体工程的试验研究→数值模拟→综合分析。

实施过程为：收集与分析现有国内外相关技术资料；在此基础上制定详尽的项目实施方案和室内试验计划以及野外调查计划并实施；在室内试验和理论分析的基础上优选出试验工程方案并实施；进行试验工程施工阶段的数据观测；同时进行理论分析和计算机模拟研究；进行试验工程与模拟研究的对比分析，最后完成研究报告。

研究采取产、学、研相结合的方式，多学科多行业参与，坚持科研与生产结合、科研为生产服务的宗旨，走自主创新与集成创新之路，发挥国内冻土工程与研究领域内知名专家、专业院所、设计施工单位、高等院校、建设管理部门等各方面的智慧与优势，牵头单位统一组织协调，专家顾问组技术指导，使研究工作科学有序，实现了研究目标。

三、项目研究成果及创新

项目在冻土工程基础理论、公路工程设计与施工技术等方面取得55项成果，既集成了30多年青藏公路科研的结晶，又直接在工程中得到大规模应用，实现了高原公路交通的高

速奇迹，创造了世界多年冻土地区公路建设的新记录。其中，在3 方面填补空白，6 方面重大创新。 （1）填补空白

独树一帜，高海拔多年冻土地区突破世界冻土工程理论禁区大规模铺筑黑色路面成功，连续33年跟踪研究形成独立设计体系，填补国内外空白。

挑战极限，“七五”以来20年不断创新超越，逐步攻克“生命禁区”高寒缺氧环境下筑养路职工健康保障与恢复技术难关，填补国内外空白。

系统集成，50年掌握冻土病害与变形规律，首次提出多年冻土地区公路修筑成套技术，冻土工程建养与脆弱生态保护多项重大关键技术填补国内外空白。 （2）重大创新 ①工程理论，奠定基础

首次提出了以冻土类型、冻土温度为主要指标的多年冻土地区公路工程地质区划，以冻土融沉变形为主要因素的多年冻土公路工程分类；

首次提出东北季节冻土区II区公路三级自然区划与指标；

采用室内冷域模拟野外真实环境，通过足尺模型室内实验与实体工程的对比研究，首次建立了公路冻土路基水、热、力三场耦合的理论模型并实现其数值解法；

系统研究得到了公路各种不同条件下冻土变化和路基变形规律，为青藏高速公路的建设提供了理论依据。 ②勘察设计，提升理念

首次提出多年冻土工程地质综合勘察技术，改进了钻探工艺；

总结完善了公路冻土路基设计方法和原则,首次将公路冻土路基稳定性研究与全球升温背景下多年冻土响应过程相联系，提出了“制冷阻热、减少辐射、增强对流、主动保护、积极预防、综合治理”的原理；

首次提出路基合理高度的设计理念，通过30多年观测数据分析，得到了多年冻土地区随时间变化的公路路基合理高度公式。 ③路基稳定，破解难题

基于青藏公路50多年冻土工程病害发生发展的独特的历史资料，首次系统研究阐明了多年冻土地区公路病害机理；

创新提出治理冻土路基病害的工程措施和一般结构冻土路基、特殊结构冻土路基建造技术，基本解决了多年冻土地区路基修筑难题；

研究总结了季节冻土地区路基冻胀翻浆机理与处治对策。 ④路面技术，突破常规

首次从理论与工程效果两方面研究多年冻土地区公路路面结构适应性，首次系统研究并提出了多年冻土地区以低温耐久性能为主的路面合理结构、技术指标与配合比设计方法，以及适应变形和耐久性要求的路面结构设计方法；

首次提出青藏高原多年冻土地区沥青路面的合理使用年限与综合养护技术，开发研制成功寒冷地区路面冷补材料与方法；

集成了多年冻土和季节冻土地区路面修筑技术，首次提出沥青碎石贯入油结施工工艺. ⑤桩基回冻，揭示规律

首次研究解决了世界多年冻土地区桥梁桩基回冻难题，揭示了桩基回冻与承载力的规律，发现在桩基稳定的负温环境中负温混凝土能提前形成强度，且可不考虑早期抗冻、抗冻耐久性，大大节约了冬季施工时间及工程造价； 提出了多年冻土地区桥梁基础和涵洞工程建造技术。 ⑥健康环保，首创体系

首次研究并提出了青藏高原多年冻土地区公路生态环境关键影响因子、评价指标体系；成功地在高原公路路域实现人工建植植被，揭示了高原公路边坡水土流失规律，并形成环境保护综合技术；

通过大量采样与调查，首次系统研究揭示了高原职工劳动能力及患病规律，得到了中西药对系列生理生化指标的影响规律，提出并建立了高原职工健康保障和疾病防治体系。

四、项目应用及效益

成套项目的5个分项目达到国际领先水平，5个分项目和1个专题达到国际先进水平，研究成果不仅应用于公路与铁路相关工程技术规范，在18个公路工程项目中推广应用1600多公里，其中青藏公路整治改建工程分别获交通部优秀勘察一等奖和优秀设计一等奖。科研成果在实践中取得了显著的经济社会效益，实现了：保障高寒缺氧环境下职工生命健康，实现作业无死亡；指导多年冻土区公路工程建设养护，促进西部大开发；巩固边疆社会与经济和谐发展局面，构筑国防交通网；环境效益方面可以有助于：保 “三江源”一方净土，促进区域环境保护工作；还珍稀动物一个“天堂”，改善路域生态和景观环境；留多年冻土一个生存空间， 保障工程与冻土相互依存。成果推广应用前景广阔，不仅可以应用于青藏高速公路建设，东北、西部省际通道，中尼、新藏等国防、口岸公路，区域公路建养，而且可以应用于青藏铁路及其他行业。

对公路交通行业起到了：巩固我国公路冻土工程研究的国际领先地位，为青藏高速公路的建设奠定坚实的技术基础，为我国西部交通事业的发展造就高素质人才。

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