局地因素對多年凍土分布的影響及其對青藏鐵路設(shè)計(jì)的啟示

結(jié)合青藏鐵路施工實(shí)踐,介紹多年凍土區(qū)高含冰量凍土路塹的設(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

根據(jù)青藏鐵路多年凍土區(qū)測溫工作的實(shí)踐,通過對地溫測試資料的統(tǒng)計(jì)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(yàn)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(yīng)導(dǎo)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(qiáng)烈的吸熱面,而路基陰面邊坡表現(xiàn)為放熱效應(yīng),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(tuán)建筑有限公司,四川成都610032) 　　【中圖分類號】tu445　　【文獻(xiàn)標(biāo)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(rèn)識研究凍土,提出相應(yīng)對策有著實(shí)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(dāng)其溫度 處于零度或負(fù)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(fù)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(qiáng)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(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,有針對性地開展了5個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(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。

通過對青藏高原氣候變化預(yù)測情況的認(rèn)識,采用數(shù)值模擬計(jì)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(jìn)行了預(yù)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(shè)計(jì)原則。對升溫條件下多年凍土區(qū)路基工程的穩(wěn)定性進(jìn)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(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(shè)成為“世界一流高原鐵路”,進(jìn)行了深入的闡述,同時提出了需要進(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。對路基工程提出了“主動降溫、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。

西藏?fù)碛胸S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(jī)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(dá)550km,為確保鐵路建成后的運(yùn)營安全,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、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。

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(dǎo)過程對多年凍土產(chǎn)生影響,導(dǎo)致多年凍土發(fā)生空間分異.應(yīng)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(xì)、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(jìn)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(dǎo)致進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(dá)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(yùn)營階段的變化特征,并對溫度場可能的變化趨勢進(jìn)行推測:認(rèn)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(bǔ)強(qiáng)措施來保障鐵路的安全運(yùn)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(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(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)雜性相對較小,而青藏公路的工程復(fù)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(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。

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)場測試,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(jìn)行了詳細(xì)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(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。

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(diǎn)體會。

半個多世紀(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)。

通過對青藏鐵路清水河段站場路基的初步試驗(yàn),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(shí)驗(yàn)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(hù),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(qiáng)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(shè)青藏鐵路的三大難題。因此多年凍土區(qū)設(shè)計(jì)和施工是建設(shè)青藏鐵路的關(guān)鍵之關(guān)鍵。文章根據(jù)青藏鐵路多年凍土區(qū)建設(shè)的體會,重點(diǎn)介紹片石通風(fēng)路基在青藏鐵路多年凍土區(qū)設(shè)計(jì)原理、施工工藝和如何保護(hù)多年凍土。