凍土地區(qū)風(fēng)作用分析以青藏鐵路沿線多年凍土為例

隨著近幾十年全球氣候變暖,青藏高原多年凍土區(qū)的氣候和其他環(huán)境條件都有較大改變,多年凍土的工程地質(zhì)條件也發(fā)生了很大變化.根據(jù)大量野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),討論了多年凍土的平面和垂向分布規(guī)律,著重分析了不同凍土區(qū)域的地溫變化特征,并對(duì)不同分區(qū)凍土在未來氣溫升高1℃和2.6℃時(shí)工程地質(zhì)特征的響應(yīng)變化分別進(jìn)行了模擬分析研究,這種響應(yīng)變化對(duì)建筑物的穩(wěn)定性將產(chǎn)生巨大影響.

隨著近幾十年全球氣候變暖，青藏高原多年凍土區(qū)的氣候和其他環(huán)境條件都有較大改變，多年凍土的工程地質(zhì)條件也發(fā)生了很大變化．根據(jù)大量野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，討論了多年凍土的平面和垂向分布規(guī)律，著重分析了不同凍土區(qū)域的地溫變化特征，并對(duì)不同分區(qū)凍土在未來氣溫升高1℃和2．6℃時(shí)工程地質(zhì)特征的響應(yīng)變化分別進(jìn)行了模擬分析研究，這種響應(yīng)變化對(duì)建筑物的穩(wěn)定性將產(chǎn)生巨大影響．

基于多年鉆探、地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)、地溫觀測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)資料,從海拔高度、緯度、地形和地表水體等方面闡述青藏公路沿線多年凍土分布特征;又分別從熱交換和地?zé)帷r性對(duì)多年凍土的影響闡述青藏公路沿線多年凍土的發(fā)育特征。

青藏鐵路穿越550km多年凍土區(qū),多年凍土地溫、凍土類型以及沿線生態(tài)環(huán)境等存在較大的差異,使多年凍土區(qū)工程較為復(fù)雜。因此本文提出了凍土工程復(fù)雜性概念,建立凍土工程復(fù)雜性評(píng)價(jià)模型,并利用gis平臺(tái)對(duì)青藏鐵路沿線唐古拉山越嶺地段工程復(fù)雜性進(jìn)行了分析和研究。研究結(jié)果表明,青藏鐵路穿越的唐古拉山越嶺地段工程復(fù)雜性相對(duì)較小,而青藏公路的工程復(fù)雜性相對(duì)較大。這表明了青藏公路沿線凍土工程比青藏鐵路沿線更為復(fù)雜,在各種因素的影響下,青藏公路路基穩(wěn)定性變化比青藏鐵路更加復(fù)雜。

通過對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基施工特點(diǎn)的分析,提出對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基施工的認(rèn)識(shí)。指出解決多年凍土,是青藏鐵路施工成敗的根本

結(jié)合青藏鐵路施工實(shí)踐,介紹多年凍土區(qū)高含冰量?jī)鐾谅穳q的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、工程爆破設(shè)計(jì)、施工準(zhǔn)備及施工方法。工作的重點(diǎn)是力求避免引發(fā)熱融滑坍

多年凍土是青藏鐵路建設(shè)面臨的主要難題之一。在多年凍土地區(qū)的斜坡地帶往往發(fā)育有濕地等不良地質(zhì)現(xiàn)象,對(duì)于路基修建的安全造成嚴(yán)重影響。描述了青藏鐵路多年凍土區(qū)dk1487+717～dk1487+880段的路基設(shè)計(jì)情況,總結(jié)了關(guān)于多年凍土斜坡濕地地段的路基設(shè)計(jì)體會(huì)。

青藏鐵路建設(shè)需穿越高原多年凍土區(qū),在探明沿線多年凍土分布特征的基礎(chǔ)上,合理確定了青藏鐵路線路的走向方案.在多年的凍土研究和工程實(shí)踐的指導(dǎo)下,有針對(duì)性地開展了5個(gè)不同類型凍土工程試驗(yàn)研究,取得重要科研成果,指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工.全面總結(jié)4a來青藏鐵路多年凍土工程的研究與實(shí)踐,提出了“主動(dòng)降溫,冷卻地基,保護(hù)凍土”的設(shè)計(jì)思想,制定了路基、橋涵、隧道成套工程技術(shù)措施和先進(jìn)施工工藝,對(duì)確保多年凍土工程質(zhì)量發(fā)揮了重要作用.

從凍土隧道凍害產(chǎn)生的基本因素、凍融圈的變化規(guī)律分析,提出青藏鐵路多年凍土隧道隔熱保溫的設(shè)計(jì)思路及\"防水板+隔熱保溫層+防水保護(hù)層\"的隔熱保溫結(jié)構(gòu)形式,并結(jié)合圍巖溫度變化進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,分析得出圍巖地溫在逐漸回凍,從而驗(yàn)證了隔熱保溫設(shè)計(jì)的合理性,其設(shè)計(jì)方法及思路可為以后相關(guān)類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

本文根據(jù)筆者在青藏鐵路初、定測(cè)工作中的親身經(jīng)歷,對(duì)多年凍土區(qū)的工程地質(zhì)工作進(jìn)行了詳細(xì)的歸納、總結(jié),同時(shí)提出了主要施工工程地質(zhì)工作.

基于埋設(shè)在青藏鐵路清水河地區(qū)路基中兩個(gè)斷面內(nèi)的共8個(gè)地溫測(cè)試孔3年來的地溫觀測(cè)資料,研究了該地區(qū)鐵路路基下伏高原多年凍土融化特征,分析了多年凍土上限的變化規(guī)律以及填筑鐵路路基施工對(duì)下伏多年凍土賦存條件的影響。研究表明,由于受到填筑路基時(shí)賦存在路基填料內(nèi)的熱量的影響,鐵路路基下伏多年凍土近地表的地溫變化特征與天然地面下的多年凍土的地溫變化特征有明顯的不同,且向陽(yáng)面與被陰面差別較大。多年凍土的上限在施工初期會(huì)有一個(gè)明顯的下移沉降,隨著時(shí)間的推移,雖然殘存在路基中的熱量逐漸消散,多年凍土上限下降會(huì)逐漸穩(wěn)定。由于受到太陽(yáng)輻射和路基邊坡形狀及融化夾層的影響,多年凍土上限會(huì)逐漸穩(wěn)定,但不會(huì)在短時(shí)期內(nèi)上升到天然地面下多年凍土的上限水平。

為防止雨水沖刷路基,保護(hù)路基邊坡不受雨水浸蝕,工程部門采取了多種措施來保護(hù)邊坡的穩(wěn)定,鋪草皮是常用的技術(shù)措施之一。1960年在青藏公路多年凍土地區(qū)k1113+800附近修建了一段40m長(zhǎng)的路塹草皮護(hù)坡工程,草皮是作為保溫材料而應(yīng)用在邊坡工程上,草皮層保持了邊坡凍土人為上限深度的穩(wěn)定。1975年在風(fēng)火山地區(qū)修筑了路基試驗(yàn)工程,在dk0+235處修建了一座一孔2.0m×

研究目的:分析青藏鐵路施工區(qū)多年凍土上限的變化規(guī)律以及填筑鐵路路基施工對(duì)下伏多年凍土賦存條件的影響。研究方法:系統(tǒng)分析埋設(shè)在青藏鐵路清水河地區(qū)路基中2個(gè)斷面內(nèi)的共8個(gè)地溫測(cè)試孔3年來采集的地溫觀測(cè)資料,研究該地區(qū)鐵路路基下伏高原多年凍土融化特征。研究結(jié)論:由于受到填筑路基時(shí)賦存在路基填料內(nèi)的熱量的影響,鐵路路基下伏多年凍土近地表的地溫變化特征與天然地面下的多年凍土的地溫變化特征有明顯的不同,且向陽(yáng)面與被陰面差別較大。多年凍士的上限在施工初期會(huì)有一個(gè)明顯的下移沉降,隨著時(shí)間的推移,雖然殘存在路基中的熱量逐漸消散,多年凍土上限下降會(huì)逐漸穩(wěn)定,但由于受到太陽(yáng)輻射和路基邊坡形狀及融化夾層的影響,多年凍土上限會(huì)逐漸穩(wěn)定,但不會(huì)在短時(shí)期內(nèi)上升到天然地面下多年凍土的上限水平。

青藏鐵路格爾木至拉薩段昆侖山隧道和風(fēng)火山隧道位于青藏高原海拔4500m以上的多年凍土區(qū),是目前世界上在高原多年凍土區(qū)這一特殊氣候及圍巖條件下修建的最高海拔的隧道工程。在高寒缺氧的高原環(huán)境下,隧道施工中保護(hù)凍土以及隧道的支護(hù)是本工程的技術(shù)難點(diǎn)本文通過對(duì)高原多年凍土隧道施工方案及施工技術(shù)的實(shí)踐研究,以期為高原高寒地區(qū)隧道建設(shè)提供施工參考。

研究目的:青藏鐵路格爾木—拉薩段全長(zhǎng)1142km,是世界上海拔最高、跨越高原多年凍土地段里程最長(zhǎng)的鐵路,沿線自然環(huán)境惡劣,地質(zhì)條件復(fù)雜,工程技術(shù)難度大,環(huán)境保護(hù)要求高,建設(shè)過程中面臨著許多技術(shù)難題。文章從青藏高原多年凍土區(qū)特點(diǎn)及主要工程問題,科技攻關(guān)工作與采取的措施,所取得的主要階段性成就等幾個(gè)方面,對(duì)如何更好解決在高海拔多年凍土區(qū)修建鐵路這一難題,把青藏鐵路建設(shè)成為“世界一流高原鐵路”,進(jìn)行了深入的闡述,同時(shí)提出了需要進(jìn)一步深化研究的問題。研究結(jié)論:文章經(jīng)過系統(tǒng)分析和研究,查清了線路通過地區(qū)多年凍土的熱穩(wěn)定性、含冰量和不良凍土現(xiàn)象的分布和變化規(guī)律,為攻克凍土難題提供了可靠的基礎(chǔ)工作保證。對(duì)路基工程提出了“主動(dòng)降溫、冷卻地基、保護(hù)凍土”的設(shè)計(jì)思想、治理原則和具體工程結(jié)構(gòu)類型。

青藏高原自然環(huán)境惡劣,鐵路穿越多年凍土區(qū)長(zhǎng)達(dá)550km,為確保鐵路建成后的運(yùn)營(yíng)安全,橋涵設(shè)計(jì)和施工必須采取特殊的處理措施。青藏鐵路的橋涵應(yīng)從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面,研究施工簡(jiǎn)便、耐久性好、維護(hù)量少的結(jié)構(gòu)形式。提高結(jié)構(gòu)耐久性的構(gòu)想和途徑主要從混凝土材料、橋涵結(jié)構(gòu),墩臺(tái)結(jié)構(gòu)形式,基礎(chǔ)類型,合理的施工工藝等方面進(jìn)行研究。根據(jù)青藏鐵路多年凍土區(qū)特殊的地理位置及氣候條件,研究采用青藏線耐久梁及免維護(hù)圓柱面(yzm)支座。橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁,旋挖鉆(干法)成孔工藝;涵洞采用拼裝式矩形涵,基坑采取爆破開挖,快速施工。常規(guī)的混凝土墩臺(tái)、基礎(chǔ)不能滿足多年凍土區(qū)凍融循環(huán)的要求,研究采用“低溫、早強(qiáng)耐久混凝土”,其抗凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)300次。

分析了多年凍土地區(qū)路堤變形機(jī)理。從測(cè)試原理、測(cè)試項(xiàng)目布設(shè)、儀器選擇、測(cè)試元件的安裝和埋設(shè)以及數(shù)據(jù)的采集等多方面重點(diǎn)討論了如何在多年凍土地區(qū)建立一套完善、合理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)分析了測(cè)試數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的一些異?，F(xiàn)象的具體原因

由于青藏鐵路在設(shè)計(jì)中大量使用了以橋代路的方案,因此樁基礎(chǔ)是青藏鐵路凍土區(qū)橋梁應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)型式。本文圍繞青藏鐵路多年凍土地區(qū)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)工程,對(duì)樁基礎(chǔ)的基于保護(hù)凍土的設(shè)計(jì)與工程措施給予比較全面的闡述。本文主要研究?jī)鐾羺^(qū)樁基礎(chǔ)的合理型式、凍土活動(dòng)區(qū)凍脹力對(duì)樁基礎(chǔ)的影響及相應(yīng)的工程措施、成孔工藝對(duì)樁周局部融化和回凍的影響分析、凍土退化對(duì)樁基承載力的影響及相應(yīng)工程措施、凍土區(qū)樁基礎(chǔ)耐久性設(shè)計(jì)及相應(yīng)工程措施等問題。

半個(gè)多世紀(jì)來,以中鐵西北院為代表鐵路系統(tǒng)科研人員,緊緊圍繞多年凍土區(qū)土凍結(jié)和融化過程特性研究、多年凍土工程地質(zhì)勘察和凍土地基與路基、重要構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)計(jì)算方法等鐵路工程勘察、設(shè)計(jì)的有關(guān)問題開展工作。所取得的成果均已納入我國(guó)多年凍土區(qū)鐵路勘察、設(shè)計(jì)和施丁的有關(guān)規(guī)程規(guī)范中,成為我國(guó)多年凍土區(qū)已有鐵路維修、養(yǎng)護(hù)和新線設(shè)計(jì)、施工的依據(jù),為我國(guó)多年凍土區(qū)鐵路建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。本篇是這項(xiàng)工作的總結(jié)。

青藏鐵路是世界上海拔最高的鐵路。通過沿線青海及西藏的地震情況和西大灘斷裂帶、昆侖山埡口斷裂以及不凍泉斷裂帶的多年觀測(cè)數(shù)據(jù)和青藏鐵路線路的實(shí)際穿越段的地質(zhì)特點(diǎn),可以看出,青藏鐵路格爾木—拉薩段沿線地震活動(dòng)頻繁、斷裂大量發(fā)育,不同性質(zhì)、不同類型、不同特點(diǎn)的活動(dòng)斷裂給青藏鐵路的工程安全帶來不同程度的影響,并產(chǎn)生和誘發(fā)不同類型的地質(zhì)災(zāi)害。一旦在鐵路下方沿活動(dòng)斷層形成移動(dòng)冰丘,將導(dǎo)致鐵路路基隆起和鐵軌變形。斷裂運(yùn)動(dòng)不僅孕育了地震,還誘發(fā)了不均勻凍脹、構(gòu)造裂縫、移動(dòng)冰丘等地質(zhì)災(zāi)害,影響線路工程的安全,增加維護(hù)費(fèi)用。筆者著重4方面分析地震斷裂活動(dòng)對(duì)青藏鐵路的危害性:斷裂活動(dòng)導(dǎo)致路面變形和工程破壞;斷裂活動(dòng)與非均勻凍脹造成路基強(qiáng)烈變形;構(gòu)造裂縫帶及其工程危害;凍土地區(qū)的地震和斷裂與保護(hù)凍土的工程措施產(chǎn)生矛盾,給出了設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)該考慮的問題并提出從鐵路的勘察設(shè)計(jì)、施工組織、施工過程中采用各種措施將地震以及斷裂活動(dòng)對(duì)鐵路的損害程度降低到最小。

青藏公路沿線工程和氣候變化影響下多年凍土變化監(jiān)測(cè)表明,多年凍土對(duì)工程活動(dòng)和氣候變化的響應(yīng)過程存在著較大差異,不同年平均地溫的多年凍土使這種差異變得更為明顯.分析結(jié)果表明:氣候變化下低溫多年凍土變化要大于高溫多年凍土,工程狀態(tài)下低溫多年凍土變化要小于高溫多年凍土;氣候變化引起的低溫多年凍土變化要大于工程對(duì)其的影響,而高溫多年凍土正好相反.造成這一結(jié)果原因主要是由于在工程建設(shè)完成初期,相對(duì)于氣候影響,工程作用對(duì)多年凍土的影響具有放大作用,這使得工程狀態(tài)下多年凍土對(duì)氣候變化基本沒有響應(yīng).按照氣候影響下多年凍土溫度年變化速率來推測(cè),低溫多年凍土表面溫度升溫到工程狀態(tài)需要50a左右時(shí)間,高溫多年凍土需要20a左右.6m深的低溫多年凍土溫度升溫到工程狀態(tài)需要20a,高溫多年凍土僅需要5~8a.

植被是維持青藏高原多年凍土地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵因素。根據(jù)多年來觀測(cè)調(diào)查資料,分析了青藏公路沿線植被的種類、類型及其特征,提出青藏公路沿線最普遍的三類植被是高寒草原、高寒草甸和高原沼澤群落,沿線植被生存環(huán)境極為脆弱,一旦破壞,很難恢復(fù)。通過樣方數(shù)據(jù)揭示:除取土坑外,公路建設(shè)對(duì)植被的影響范圍一般不超過公路界外50m;受公路建設(shè)的干擾,公路兩側(cè)草原植被受到了一定程度的破壞,有明顯的退化現(xiàn)象。