氣候變暖對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基影響分析

青藏鐵路是世界上海拔最高的鐵路。通過(guò)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(lái)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(wèn)題并提出從鐵路的勘察設(shè)計(jì)、施工組織、施工過(guò)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。

基于青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的地溫監(jiān)測(cè)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(huì)引起路基陰陽(yáng)面熱交換狀態(tài)的明顯差異,路基陽(yáng)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(huì)形成下伏多年凍土融化狀態(tài)的不同

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(yíng)階段的變化特征,并對(duì)溫度場(chǎng)可能的變化趨勢(shì)進(jìn)行推測(cè):認(rèn)為凍土區(qū)南界填筑路基影響了凍土天然地溫場(chǎng),使人為上限降低,并造成陰陽(yáng)坡的溫度場(chǎng)不均。因此,需要采用一定的補(bǔ)強(qiáng)措施來(lái)保障鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

在青藏高原的寒季和暖季條件下,對(duì)青藏鐵路北麓河段的塊石路基和素土路基進(jìn)行了強(qiáng)震動(dòng)測(cè)試,運(yùn)用二維等價(jià)線性時(shí)程響應(yīng)動(dòng)分析法對(duì)2種典型結(jié)構(gòu)路基進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算.結(jié)果表明,從路肩到坡腳的機(jī)車荷載傳遞具有明顯的衰減效應(yīng),并且暖季衰減大于寒季.在路基中心的原地表處,塊石路基的振動(dòng)衰減效應(yīng)大于素土路基.

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。

研究目的:我國(guó)青藏鐵路的修建充分考慮了對(duì)多年凍土的保護(hù),在路基熱防護(hù)措施中采用了熱棒路基,碎(片)石護(hù)坡、塊石護(hù)坡、片石氣冷等關(guān)鍵技術(shù)。文章對(duì)青藏鐵路各種路基新結(jié)構(gòu)的地溫進(jìn)行研究,通過(guò)地溫值計(jì)算得出最大融化深度,從各年最大融化深度的對(duì)比分析,研究這些措施對(duì)保護(hù)多年凍土,保證線路安全的作用。研究結(jié)論:通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得出熱防護(hù)措施能使路肩下最大融化深度減小。路基新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對(duì)保護(hù)多年凍土、降低地溫、穩(wěn)定路基是有效的。

針對(duì)青藏鐵路運(yùn)營(yíng)以來(lái)多年凍土區(qū)出現(xiàn)的路基病害的類型劃分、形成原因及主控因素進(jìn)行分析研究,提出青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基存在的病害問(wèn)題、主要影響因素及橋頭路基病害治理工程措施,并對(duì)多年凍土區(qū)路基工程熱穩(wěn)定性變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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

針對(duì)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(lái)的氣象及地溫監(jiān)測(cè)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(duì)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(dòng)增大變化趨勢(shì);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。

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結(jié)合熱棒在青藏鐵路多年凍土區(qū)路基中的應(yīng)用，介紹了熱棒的工作原理、作用，分析了熱棒在施工中的技術(shù)要求，實(shí)踐證明，應(yīng)用熱棒解決了基礎(chǔ)凍脹、融沉等熱力過(guò)程中的許多問(wèn)題，保障了多年凍土地區(qū)地基的穩(wěn)定。

基于青藏鐵路楚瑪爾河試驗(yàn)段10年(2003~2013)的地溫監(jiān)測(cè)資料,對(duì)青藏鐵路4種典型路基結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期熱狀況進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明,不同路基結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期熱狀況表現(xiàn)出較大的差異.普通路基與塊石基底路基地溫場(chǎng)存在明顯的不對(duì)稱分布,表明以上兩種路基結(jié)構(gòu)不利于路基的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定.但塊石護(hù)坡路基與u型塊石路基的地溫場(chǎng)分布則表現(xiàn)出了較好的對(duì)稱性.盡管塊石護(hù)坡路基下淺層凍土地溫存在一定的降溫過(guò)程,但深層多年凍土卻呈現(xiàn)出緩慢升溫趨勢(shì),顯示u型塊石路基的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于塊石護(hù)坡路基.被監(jiān)測(cè)的4種路基結(jié)構(gòu)中,u型塊石路基在降低多年凍土溫度與提高路基地溫場(chǎng)對(duì)稱性方面表現(xiàn)出了最佳的長(zhǎng)期效應(yīng).基于青藏鐵路10年的監(jiān)測(cè)結(jié)果,充分肯定了主動(dòng)冷卻路基設(shè)計(jì)思路在保護(hù)凍土路基長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性方面的有效性,同時(shí)采用冷卻路基技術(shù)的青藏鐵路也達(dá)到了時(shí)速100kmh?1的設(shè)計(jì)要求.盡管如此,由于坡向效應(yīng)所導(dǎo)致的路基左右路肩下的熱差異存在于所有監(jiān)測(cè)的路基結(jié)構(gòu)中,但不同結(jié)構(gòu)的熱差異幅度不同,并將可能導(dǎo)致路基發(fā)生潛在的非均勻性沉降變形,因此需要在后續(xù)的維護(hù)工程中進(jìn)行調(diào)整.

拋填片(塊)石通風(fēng)路堤具有保護(hù)多年凍土的作用,根據(jù)高原多年凍土區(qū)路基常見(jiàn)病害及青藏鐵路試驗(yàn)路基設(shè)計(jì)原則,初步探討并預(yù)測(cè)該路基結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性,并在清水河試驗(yàn)路基段進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用,給出了保護(hù)效果的定量描述。

青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程具有海拔高、氣壓低、空氣稀薄、氣候嚴(yán)寒、地質(zhì)條件和水質(zhì)條件復(fù)雜,以及生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn),其施工方法不同于一般低海拔非凍土地區(qū)路基施工方法。此文根據(jù)青藏鐵路設(shè)計(jì)施工科研攻關(guān)成果和現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)多年凍土區(qū)路基路堤、路塹及過(guò)渡段路基等工程施工方法進(jìn)行分析論證,對(duì)今后多年凍土區(qū)工程建設(shè)有一定的參考作用。

闡述青藏鐵路高原多年凍土區(qū)施工中采用的幾種保護(hù)凍土措施,根據(jù)現(xiàn)階段青藏鐵路路基裂縫發(fā)展情況,證實(shí)了這幾種保護(hù)凍土措施的有效性,并對(duì)設(shè)計(jì)提出了建議。

闡述了凍土區(qū)保溫板路基施工技術(shù)的工藝原理,介紹了該技術(shù)的施工工藝、技術(shù)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。

結(jié)合青藏鐵路多年凍土區(qū)應(yīng)用片石通風(fēng)路基的工程實(shí)例,詳細(xì)介紹了片石通風(fēng)路基的原理、設(shè)計(jì)與施工,分析了高含冰量?jī)鐾敛捎闷L(fēng)路基這一主動(dòng)保護(hù)多年凍土措施的效果。

通過(guò)對(duì)青藏鐵路清水河段站場(chǎng)路基的初步試驗(yàn),獲取了地溫變形數(shù)據(jù),探討站場(chǎng)路基的凍結(jié)和融化過(guò)程的規(guī)律.實(shí)驗(yàn)表明:站場(chǎng)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.

橋頭路基的變形問(wèn)題是普遍存在的影響凍土區(qū)道路工程穩(wěn)定的技術(shù)難題,結(jié)合青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基的變形問(wèn)題,采用資料調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析和總結(jié)等研究手段,對(duì)運(yùn)營(yíng)后多年凍土區(qū)橋頭路基變形的特征及沉降原因進(jìn)行分析研究,提出了通過(guò)改善地基多年凍土環(huán)境和優(yōu)化橋頭路基防排水系統(tǒng)等措施對(duì)橋頭路基病害進(jìn)行治理的方法。

針對(duì)青藏鐵路特有的"高原"和"凍土"問(wèn)題,闡述了多年凍土區(qū)路基設(shè)計(jì)原則和對(duì)路堤、路塹、支擋工程、取土、棄土、環(huán)境保護(hù)等方面的施工工藝和注意問(wèn)題。

介紹青藏鐵路多年凍土區(qū)擋水埝設(shè)計(jì)原理及施工方法,工藝操作簡(jiǎn)單,對(duì)質(zhì)量、進(jìn)度及環(huán)保的控制效果好。

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(wèn)題。