高原冻土之青藏铁路

高原冻土之青藏铁路浅析

摘要：青藏铁路是目前世界上海拔最高的铁路，沿线常年平均气温在零摄氏度以下，空

气中的含氧量仅为平原地区的一半。铁路穿越海拔４０００米以上的地段为９６０公里，其中翻越唐古拉山最高点海拔达到５０７２米。在这样的地方修建铁路，面临的最大问题之一是“冻土”。 冻土就是土壤在低温下冻结。青藏高原高海拔地区的土壤和岩层常年都处于冻结状态，只是随着夏季的到来，地表表层会有一定程度的融化，但一到冬季，它又会重新开始冻结。

随着冻土路基、冻土区桥梁、涵洞、隧道、房建、管线等工程的顺利施工，世界上海拔最高、穿越高原多年冻土最长的青藏铁路，堪称“世界冻土工程博物馆”。专家称，青藏铁路穿越世界上最复杂的冻土区，不少冻土工程措施都是国内外首创，可谓集冻土工程之大全青藏铁路格尔木至拉萨段，是目前全球穿越永久性冻土地带最长的高原铁路，这条铁路处于多年冻土区的线路就长达５５０公里。而冻土对温度极为敏感，在多年冻土地段修筑铁路是一项世界性技术难题，冻土的特性对铁路的修建有非常大的影响，随着温度的变化，它会“发胖”或“变瘦”。 据了解，冻土在寒季就像冰一样冻结，随着温度的降低体积会发生膨胀，建在上面的路基和钢轨就会被“发胖”的冻土顶得凸起；到了夏季，融化的冻土体积缩小，路基和钢轨又会随之凹下去。冻土的冻结和融化反复交替地出现，路基就会翻浆、冒泥，钢轨会出现波浪形高低起伏，对铁路运营安全造成威胁和正常通车造成巨大影响。

关键词：青藏铁路 冻土 威胁

青藏铁路建设总指挥部专家组组长、冻土科学专家张鲁新说，冻土虽然在加拿大、俄罗斯等国家也存在，但他们是属高纬度冻土，比较稳定。青藏铁路纬度低，海拔高，日照强烈，而太阳辐射对冻土有着非同寻常的影响。加上青藏高原年轻，构造运动频繁，并且这里的多年冻土具有地温高、厚度薄、热融发育等特点，其复杂性和独特性举世无双。 冻土环境是高原生态环境的重要组成部分,青藏高原多年冻土区的冻土环境十分脆弱,多年冻土区铁路路基的修筑,干扰了工程区冻土生态环境的平衡,使工程区及相关区域的冻土环境和地表植被等发生了改变,使原本脆弱的冻土环境和高原生态环境遭到人为破坏,同时冻土环境的改变对工程本身也产生了不利的影响。在青藏高原比较特殊的冻土环境下,为确保铁路路基的稳定性和防止路基热扰动对冻土环境的影响,对铁路路基扰动下冻土环境的变化预测就显得尤为重要,对铁路路基建设在保护冻土环境的前提下,合理的改造和利用冻土环境具有一定的指导意义。

难题：冻土路基容易变形

冻土对温度极为敏感，对铁路的修建有非常大的影响。在冻结的状态下，冻土就像冰一样，随着温度的降低体积发生膨胀，建在上面的路基和钢轨会被它顶起来。到了夏季，冻土发生融化，体积缩小，钢轨也就随之降下去。冻土的反复冻结、融化交替出现，就会造成路基严重变形，整个钢轨出现高低不平，甚至扭绞成麻花状，影响正常通。

在干旱冻土分布区，白天由于太阳辐射强烈，地面迅速增温，表土融化，水分蒸发；夜

间表土冻结，下层的水汽向表面移动并凝结，增加了表土含水量，反复进行着融冻和湿干交替作用，促进了表土海绵状多孔结皮层的形成。此外，暖季，白天表土融化，夜间冻结，都是由于由地表开始逐渐向下增温或减温总是大致平行于地表水平层次变化着的，所以，在干旱的表土上，强烈的冻结作用往往形成表土的龟裂。

在极地冰沼土区，由于低温，蒸发量小，地势低平处排水不畅，土壤水分经常处于饱和状态，致使土壤有机质和矿物质处于嫌气条件下，虽然有机质形成数量不多，但在低温嫌气条件下分解缓慢，表层常有泥炭化或半泥炭化的有机质积累。矿物质也处于还原状态，铁、锰多被还原为低价状态，形成一个黑蓝灰色的潜育层，在高山冻漠土分布区，降水较少，土壤淋溶弱，剖面中往往有石膏、易溶盐和碳酸钙累积，致使土体呈碱性，表土结皮和龟裂等。

本文首先从通过对冻土环境概念的阐述、人类工程活动对冻土环境的影响因素分析,对路基对冻土环境影响机理进行了浅析。鉴于冻土热状况是冻土生成条件和冻土环境等问题的研究基础,以有限元数值模拟为主分析了路基下冻土热状况变化,并根据热状况变化对冻土环境的影响进行了分析评价,研究结果表明: (1) 路基下冻土热状况会出现冻土融化深度加深、地温升高和冻土下限上升等不利于冻土环境保护的情况发生。 (2) 路基热扰动影响下冻土环境变化主要为:冻土上限位置、冻土厚度和加速冻土退化等。 (3) 路基热扰动造成路基下冻土上限变化。从不利于冻土环境方面着手,分析了不同年平均气温、不同路基高度可能引起冻土上限下降的情况,并且给出了年平均气温-5.2℃、-4.5℃和-3.5℃路基下临界高度:2.9m、3.9m、4.5m;由于铁路路基呈梯形剖面,绘制了路基不同位置下面冻土上限随。 (4) 根据青藏公路的破坏特征,分析了冻土环境变化对铁路路基的影响可能表现为融化下沉、冻胀和翻浆破坏,其中以融化下沉为主。

多年冻土区土建工程设计的主要原则

青藏铁路的成败决定于路基，而路基最大的问题就是多年冻土。根据不同的工程地质条件，土建工程应根据不同情况善于应变，采取相应的不同设计原则：

（1） 在年平均地温较低的稳定型多年冻土区应采取保持地基冻结状态的设计原则； （2） 在年平均地温较高、含冰量较少、基沉降量可以得到有效控制的地段，采用施工

及运营期允许融化的原则；

（3） 在极不稳定的冻土地段，可采用铺设保温层、通风路基、清除富冰冻土、热桩、

以桥代路等综合技术措施；

（4） 在不融沉或弱融沉的少冰冻土、多冰冻土地区可采取不考虑建筑物热力影响的常

规设计方法；

（5） 在各类冻土地区都必须加强对冻土的环境保护，对取弃土场、路基填筑方式等制

定严格的技术要求。 多年冻土的解决办法与技术 目前有多种解决的办法与技术

（1）对于不良冻土现象发育地段，线路尽量绕避。

（2）适当提高路基填土高度，用天然土保温，这种方法价廉，可普遍采用。 （3）在路基埋设工业保温层（PU、EPS等），埋设5~10厘米保温板，在工程实践中均取得极佳工程效果。

（4）埋设通风管，就是在路堤中埋设直径30厘米左右的金属或混凝土横向通风管，可以有效降低路基温度。青藏高原温度对冻土的影响非常大，一般情况地面温度比气温高3℃~4℃，没有太阳的直接照射，设置保温层地基或者通风地基可降低原地面温度2℃~3℃。提高冻土路基的稳定性，而修筑这样的保温地基和通风地基，每公里增加造价为60~200多万元。

（5）采用抛石路基，即用碎块石填筑路基，利用填石路基的通风透气性，隔阻热空气下移，同时吸入冷量，起到保护冻土的作用。据了解，青藏铁路有１１１公里线路铺这种特殊的路基，即在土路堤底部填筑一定厚度片石，上面再铺筑土层的路基。这种多孔隙的“片石层通风路基”为国内首创。它是效果较佳的保护冻土措施，好似散热排风扇，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用，能降低地基土温度０．５摄氏度以上。

（6）对于高温极不稳定冻土区的高含冰量地质，采取“以桥代路”的办法。 全长１１．７公里的青藏铁路清水河特大桥横架在可可西里冻土区，它是一种“以桥代路”的保护冻土措施，铁轨飞架而过可以不惊扰冻土。青藏铁路“以桥代路”桥梁达１５６．７公里，占多年冻土地段的四分之一。张鲁新说，如此大规模采取“以桥代路”措施，在世界上也是首次。这个桥可不是一般跨江过河的桥，冻土科研攻关人员将之命名为“旱桥”

（7）在施工中采用热棒。青藏铁路有的冻土路基两旁插有一排排直径约１５厘米、高约２米的铁棒，这就是热棒。它是一种高效热导装置，具有独特的单向传热性能：热量只能从地面下端向地面上端传输，反向不能传热，可以说是一种不需动力的天然制冷机，专家称之为冻土病害的“青霉素”。大规模使用热棒可以保持多年冻土处于良好冻结状。

未来要面临的挑战

青藏铁路是目前全球穿越永久性冻土地区最长的高原铁路，它要经过连续多年冻土地段５５０公里。它的未来检测维护工作，也和它的建设阶段一样，都可以称得上是高原铁路的一项世界性难题。因为冻土体对温度的敏感，容易发生冻胀和融沉作用，这对路基、桥涵以及隧道工程的破坏是相当严重的。未来青藏铁路要面临的不光是昼夜的温度变化和季节的温度变化，它要面临的是温室效应的加强带来的冻土结构的破损问题和自然因素的灾害等。所以，这将会是高原冻土作业以后要长期面临的挑战，于是这就对铁路建设者们的考验大大提升，未来在冻土领域内的研究和努力更得加大。

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