局地因素對多年凍土分布的影響及其對青藏鐵路設計的啟示

結(jié)合青藏鐵路施工實踐,介紹多年凍土區(qū)高含冰量凍土路塹的設計特點、工程爆破設計、施工準備及施工方法。工作的重點是力求避免引發(fā)熱融滑坍

根據(jù)青藏鐵路多年凍土區(qū)測溫工作的實踐,通過對地溫測試資料的統(tǒng)計分析,闡述了青藏鐵路多年凍土區(qū)地溫的分布規(guī)律,并總結(jié)了影響地溫分布的各種因素。

基于青藏鐵路北麓河試驗段兩個監(jiān)測斷面的地溫監(jiān)測資料,分析了修筑高路基后下伏土層的熱狀況變化特征。結(jié)果表明,修筑高路基后,多年凍土上限有所抬升,而下伏土層地溫明顯升高。多年凍土上限的抬升主要是由于高路基的熱阻效應導致上限附近土層溫度變幅急劇減小而形成的。高路基的修筑會引起路基陰陽面熱交換狀態(tài)的明顯差異,路基陽面邊坡是最強烈的吸熱面,而路基陰面邊坡表現(xiàn)為放熱效應,由此會形成下伏多年凍土融化狀態(tài)的不同

多年凍土對青藏鐵路房建工程的影響及對策 程　　偉 (中鐵二局集團建筑有限公司,四川成都610032) 　　【中圖分類號】tu445　　【文獻標識碼】b　　【文章編號】1007-8983(2003)02-0064-01 　　凍土對工程施工將產(chǎn)生重大影響,尤其對房屋建筑這種 保暖結(jié)構(gòu),多年凍土對其危害更大。因此,隨著青藏鐵路的 開工,認識研究凍土,提出相應對策有著實際的工程意義。 1　凍土的分類及組成 　　(1)凍土的定義:凡是含水的松散巖土和土體,當其溫度 處于零度或負溫時,其中水分轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀態(tài)(即使一部分) 且膠結(jié)了松散的固體顆粒,則稱為凍土(巖)。 (2)凍土的組成:凍土是復雜的四相體系,其基本成分是 固體礦物顆粒、粘塑性的冰包裹體、液相水(未凍水和強結(jié)合 水)和氣態(tài)包裹體(水氣和空氣)。 (3)凍土的分類:根據(jù)在地層中天然

青藏鐵路建設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踐的指導下,有針對性地開展了5個不同類型凍土工程試驗研究,取得重要科研成果,指導設計和施工.全面總結(jié)4a來青藏鐵路多年凍土工程的研究與實踐,提出了“主動降溫,冷卻地基,保護凍土”的設計思想,制定了路基、橋涵、隧道成套工程技術(shù)措施和先進施工工藝,對確保多年凍土工程質(zhì)量發(fā)揮了重要作用.

多年凍土是青藏鐵路建設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,對于路基修建的安全造成嚴重影響。描述了青藏鐵路多年凍土區(qū)dk1487+717～dk1487+880段的路基設計情況,總結(jié)了關于多年凍土斜坡濕地地段的路基設計體會。

通過對青藏高原氣候變化預測情況的認識,采用數(shù)值模擬計算,對兩種不同升溫條件下多年凍土區(qū)的熱狀況及對年凍土退化范圍進行了預測,并據(jù)此提出了氣候變化背景下多年凍土區(qū)路基工程的總體設計原則。對升溫條件下多年凍土區(qū)路基工程的穩(wěn)定性進行了分析,總結(jié)了氣候變化對青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的影響。

研究目的:青藏鐵路格爾木—拉薩段全長1142km,是世界上海拔最高、跨越高原多年凍土地段里程最長的鐵路,沿線自然環(huán)境惡劣,地質(zhì)條件復雜,工程技術(shù)難度大,環(huán)境保護要求高,建設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)特點及主要工程問題,科技攻關工作與采取的措施,所取得的主要階段性成就等幾個方面,對如何更好解決在高海拔多年凍土區(qū)修建鐵路這一難題,把青藏鐵路建設成為“世界一流高原鐵路”,進行了深入的闡述,同時提出了需要進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工作保證。對路基工程提出了“主動降溫、冷卻地基、保護凍土”的設計思想、治理原則和具體工程結(jié)構(gòu)類型。

西藏擁有豐富的旅游資源，但交通是制約西藏旅游發(fā)展的瓶頸，青藏鐵路的貫通，為西藏旅游帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。

青藏高原自然環(huán)境惡劣,鐵路穿越多年凍土區(qū)長達550km,為確保鐵路建成后的運營安全,橋涵設計和施工必須采取特殊的處理措施。青藏鐵路的橋涵應從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面,研究施工簡便、耐久性好、維護量少的結(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),墩臺結(jié)構(gòu)形式,基礎類型,合理的施工工藝等方面進行研究。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圓柱面(yzm)支座。橋梁基礎采用鉆孔灌注樁,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、基礎不能滿足多年凍土區(qū)凍融循環(huán)的要求,研究采用“低溫、早強耐久混凝土”,其抗凍融循環(huán)次數(shù)達300次。

氣候是多年凍土形成與變化的動力,局地因素則通過改變地表輻射、對流和傳導過程對多年凍土產(chǎn)生影響,導致多年凍土發(fā)生空間分異.應用青藏公路沿線大量的觀測資料分析了局地因素對多年凍土區(qū)地溫所產(chǎn)生的影響.結(jié)果表明:地形地貌、植被、積雪、土壤性質(zhì)及含水量等局地因素,對青藏公路沿線地區(qū)多年凍土的發(fā)育和多年凍土熱狀況有顯著影響.局地因素的差異可能會造成相同氣候條件下小范圍內(nèi)凍土類型的分化,土壤顆粒較細、地表水分含量充足、植被發(fā)育良好的地段最有利于多年凍土的發(fā)育和保存.在植被覆蓋和土壤性質(zhì)相似的情況下,青藏高原地區(qū)多年凍土地溫一般是西坡高于東坡,南坡高于北坡.暖季植被能夠阻止部分熱量進入土層,降低地表溫度;在冷季,植被能減少土層熱量散發(fā),有助于保持地表溫度.植被的存在有利于保持活動層以及其下多年凍土層的穩(wěn)定,植被的退化會導致進入土層的熱量發(fā)生變化引起季節(jié)凍結(jié)和融化的變化,并對多年凍土產(chǎn)生影響.冷季厚層積雪對多年凍土淺層土壤有顯著的保溫作用,而積雪融化會降低地表土壤溫度.

針對受全球氣候轉(zhuǎn)暖影響青藏鐵路沿線年平均氣溫逐年上升的環(huán)境變化,基于青藏鐵路沿線不同區(qū)域內(nèi)多年來的氣象及地溫監(jiān)測資料,進行青藏鐵路工程走廊氣候要素演化及多年凍土對全球氣候變化響應的研究。結(jié)果表明：青藏鐵路工程走廊內(nèi)氣溫基本以年均0.03℃的速度升高;年降水量大部分在250-450mm之間,且呈波動增大變化趨勢;凍結(jié)指數(shù)和融化指數(shù)逐年增大,暖冬現(xiàn)象明顯;地面溫度升溫速率達0.06℃·年^-1,是氣溫升溫速率的1.34倍;沿線多年凍土區(qū)2007年至2013年間天然上限抬升的僅占9%,而天然上限下降的占91%;地基多年凍土不同深度處地溫均在升高,距離上限較近的地溫升溫速率普遍最大,多年凍土退化主要為自上而下;唐古拉山以北多年凍土退化較唐古拉山以南明顯。

選取青藏鐵路多年凍土南界典型斷面,分析路基地溫在運營階段的變化特征,并對溫度場可能的變化趨勢進行推測:認為凍土區(qū)南界填筑路基影響了凍土天然地溫場,使人為上限降低,并造成陰陽坡的溫度場不均。因此,需要采用一定的補強措施來保障鐵路的安全運營。

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)工程較為復雜。因此本文提出了凍土工程復雜性概念,建立凍土工程復雜性評價模型,并利用gis平臺對青藏鐵路沿線唐古拉山越嶺地段工程復雜性進行了分析和研究。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雜性相對較小,而青藏公路的工程復雜性相對較大。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雜。

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計思路及\"防水板+隔熱保溫層+防水保護層\"的隔熱保溫結(jié)構(gòu)形式,并結(jié)合圍巖溫度變化進行現(xiàn)場測試,分析得出圍巖地溫在逐漸回凍,從而驗證了隔熱保溫設計的合理性,其設計方法及思路可為以后相關類似工程的設計提供參考。

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

青藏鐵路格爾木至拉薩段昆侖山隧道和風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,隧道施工中保護凍土以及隧道的支護是本工程的技術(shù)難點本文通過對高原多年凍土隧道施工方案及施工技術(shù)的實踐研究,以期為高原高寒地區(qū)隧道建設提供施工參考。

在青藏鐵路二期工程勘察期間經(jīng)歷的高原凍土的勘察過程中,從多年凍土的生成環(huán)境、野外鑒別特征、凍土上限的確定幾方面談了幾點體會。

半個多世紀來,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)筑物的設計計算方法等鐵路工程勘察、設計的有關問題開展工作。所取得的成果均已納入我國多年凍土區(qū)鐵路勘察、設計和施丁的有關規(guī)程規(guī)范中,成為我國多年凍土區(qū)已有鐵路維修、養(yǎng)護和新線設計、施工的依據(jù),為我國多年凍土區(qū)鐵路建設作出了貢獻。本篇是這項工作的總結(jié)。

通過對青藏鐵路清水河段站場路基的初步試驗,獲取了地溫變形數(shù)據(jù),探討站場路基的凍結(jié)和融化過程的規(guī)律.實驗表明:站場路基下凍土人為上限發(fā)生了上移,多年凍土得到了保護,為類似路段多年凍土工程提供借鑒.

介紹了在特殊的多年凍土施工環(huán)境中青藏鐵路路基工程施工中的一些特殊加強措施,以及施工中需要注意的一些問題。

青藏鐵路是世界上海拔最高、線路最長的高原鐵路。高寒缺氧、多年凍土、生態(tài)脆弱是建設青藏鐵路的三大難題。因此多年凍土區(qū)設計和施工是建設青藏鐵路的關鍵之關鍵。文章根據(jù)青藏鐵路多年凍土區(qū)建設的體會,重點介紹片石通風路基在青藏鐵路多年凍土區(qū)設計原理、施工工藝和如何保護多年凍土。