局地因素对多年冻土分布的影响及其对青藏铁路设计的启示

结合青藏铁路施工实践,介绍多年冻土区高含冰量冻土路堑的设计特点、工程爆破设计、施工准备及施工方法。工作的重点是力求避免引发热融滑坍

根据青藏铁路多年冻土区测温工作的实践,通过对地温测试资料的统计分析,阐述了青藏铁路多年冻土区地温的分布规律,并总结了影响地温分布的各种因素。

基于青藏铁路北麓河试验段两个监测断面的地温监测资料,分析了修筑高路基后下伏土层的热状况变化特征。结果表明,修筑高路基后,多年冻土上限有所抬升,而下伏土层地温明显升高。多年冻土上限的抬升主要是由于高路基的热阻效应导致上限附近土层温度变幅急剧减小而形成的。高路基的修筑会引起路基阴阳面热交换状态的明显差异,路基阳面边坡是最强烈的吸热面,而路基阴面边坡表现为放热效应,由此会形成下伏多年冻土融化状态的不同

多年冻土对青藏铁路房建工程的影响及对策 程　　伟 (中铁二局集团建筑有限公司,四川成都610032) 　　【中图分类号】tu445　　【文献标识码】b　　【文章编号】1007-8983(2003)02-0064-01 　　冻土对工程施工将产生重大影响,尤其对房屋建筑这种 保暖结构,多年冻土对其危害更大。因此,随着青藏铁路的 开工,认识研究冻土,提出相应对策有着实际的工程意义。 1　冻土的分类及组成 　　(1)冻土的定义:凡是含水的松散岩土和土体,当其温度 处于零度或负温时,其中水分转变为结晶状态(即使一部分) 且胶结了松散的固体颗粒,则称为冻土(岩)。 (2)冻土的组成:冻土是复杂的四相体系,其基本成分是 固体矿物颗粒、粘塑性的冰包裹体、液相水(未冻水和强结合 水)和气态包裹体(水气和空气)。 (3)冻土的分类:根据在地层中天然

青藏铁路建设需穿越高原多年冻土区,在探明沿线多年冻土分布特征的基础上,合理确定了青藏铁路线路的走向方案.在多年的冻土研究和工程实践的指导下,有针对性地开展了5个不同类型冻土工程试验研究,取得重要科研成果,指导设计和施工.全面总结4a来青藏铁路多年冻土工程的研究与实践,提出了“主动降温,冷却地基,保护冻土”的设计思想,制定了路基、桥涵、隧道成套工程技术措施和先进施工工艺,对确保多年冻土工程质量发挥了重要作用.

多年冻土是青藏铁路建设面临的主要难题之一。在多年冻土地区的斜坡地带往往发育有湿地等不良地质现象,对于路基修建的安全造成严重影响。描述了青藏铁路多年冻土区dk1487+717～dk1487+880段的路基设计情况,总结了关于多年冻土斜坡湿地地段的路基设计体会。

通过对青藏高原气候变化预测情况的认识,采用数值模拟计算,对两种不同升温条件下多年冻土区的热状况及对年冻土退化范围进行了预测,并据此提出了气候变化背景下多年冻土区路基工程的总体设计原则。对升温条件下多年冻土区路基工程的稳定性进行了分析,总结了气候变化对青藏铁路多年冻土区路基工程的影响。

研究目的:青藏铁路格尔木—拉萨段全长1142km,是世界上海拔最高、跨越高原多年冻土地段里程最长的铁路,沿线自然环境恶劣,地质条件复杂,工程技术难度大,环境保护要求高,建设过程中面临着许多技术难题。文章从青藏高原多年冻土区特点及主要工程问题,科技攻关工作与采取的措施,所取得的主要阶段性成就等几个方面,对如何更好解决在高海拔多年冻土区修建铁路这一难题,把青藏铁路建设成为“世界一流高原铁路”,进行了深入的阐述,同时提出了需要进一步深化研究的问题。研究结论:文章经过系统分析和研究,查清了线路通过地区多年冻土的热稳定性、含冰量和不良冻土现象的分布和变化规律,为攻克冻土难题提供了可靠的基础工作保证。对路基工程提出了“主动降温、冷却地基、保护冻土”的设计思想、治理原则和具体工程结构类型。

西藏拥有丰富的旅游资源，但交通是制约西藏旅游发展的瓶颈，青藏铁路的贯通，为西藏旅游带来了前所未有的机遇和挑战。

青藏高原自然环境恶劣,铁路穿越多年冻土区长达550km,为确保铁路建成后的运营安全,桥涵设计和施工必须采取特殊的处理措施。青藏铁路的桥涵应从结构、材料、工艺等方面,研究施工简便、耐久性好、维护量少的结构形式。提高结构耐久性的构想和途径主要从混凝土材料、桥涵结构,墩台结构形式,基础类型,合理的施工工艺等方面进行研究。根据青藏铁路多年冻土区特殊的地理位置及气候条件,研究采用青藏线耐久梁及免维护圆柱面(yzm)支座。桥梁基础采用钻孔灌注桩,旋挖钻(干法)成孔工艺;涵洞采用拼装式矩形涵,基坑采取爆破开挖,快速施工。常规的混凝土墩台、基础不能满足多年冻土区冻融循环的要求,研究采用“低温、早强耐久混凝土”,其抗冻融循环次数达300次。

气候是多年冻土形成与变化的动力,局地因素则通过改变地表辐射、对流和传导过程对多年冻土产生影响,导致多年冻土发生空间分异.应用青藏公路沿线大量的观测资料分析了局地因素对多年冻土区地温所产生的影响.结果表明:地形地貌、植被、积雪、土壤性质及含水量等局地因素,对青藏公路沿线地区多年冻土的发育和多年冻土热状况有显著影响.局地因素的差异可能会造成相同气候条件下小范围内冻土类型的分化,土壤颗粒较细、地表水分含量充足、植被发育良好的地段最有利于多年冻土的发育和保存.在植被覆盖和土壤性质相似的情况下,青藏高原地区多年冻土地温一般是西坡高于东坡,南坡高于北坡.暖季植被能够阻止部分热量进入土层,降低地表温度;在冷季,植被能减少土层热量散发,有助于保持地表温度.植被的存在有利于保持活动层以及其下多年冻土层的稳定,植被的退化会导致进入土层的热量发生变化引起季节冻结和融化的变化,并对多年冻土产生影响.冷季厚层积雪对多年冻土浅层土壤有显著的保温作用,而积雪融化会降低地表土壤温度.

针对受全球气候转暖影响青藏铁路沿线年平均气温逐年上升的环境变化,基于青藏铁路沿线不同区域内多年来的气象及地温监测资料,进行青藏铁路工程走廊气候要素演化及多年冻土对全球气候变化响应的研究。结果表明：青藏铁路工程走廊内气温基本以年均0.03℃的速度升高;年降水量大部分在250-450mm之间,且呈波动增大变化趋势;冻结指数和融化指数逐年增大,暖冬现象明显;地面温度升温速率达0.06℃·年^-1,是气温升温速率的1.34倍;沿线多年冻土区2007年至2013年间天然上限抬升的仅占9%,而天然上限下降的占91%;地基多年冻土不同深度处地温均在升高,距离上限较近的地温升温速率普遍最大,多年冻土退化主要为自上而下;唐古拉山以北多年冻土退化较唐古拉山以南明显。

选取青藏铁路多年冻土南界典型断面,分析路基地温在运营阶段的变化特征,并对温度场可能的变化趋势进行推测:认为冻土区南界填筑路基影响了冻土天然地温场,使人为上限降低,并造成阴阳坡的温度场不均。因此,需要采用一定的补强措施来保障铁路的安全运营。

青藏铁路穿越550km多年冻土区,多年冻土地温、冻土类型以及沿线生态环境等存在较大的差异,使多年冻土区工程较为复杂。因此本文提出了冻土工程复杂性概念,建立冻土工程复杂性评价模型,并利用gis平台对青藏铁路沿线唐古拉山越岭地段工程复杂性进行了分析和研究。研究结果表明,青藏铁路穿越的唐古拉山越岭地段工程复杂性相对较小,而青藏公路的工程复杂性相对较大。这表明了青藏公路沿线冻土工程比青藏铁路沿线更为复杂,在各种因素的影响下,青藏公路路基稳定性变化比青藏铁路更加复杂。

从冻土隧道冻害产生的基本因素、冻融圈的变化规律分析,提出青藏铁路多年冻土隧道隔热保温的设计思路及\"防水板+隔热保温层+防水保护层\"的隔热保温结构形式,并结合围岩温度变化进行现场测试,分析得出围岩地温在逐渐回冻,从而验证了隔热保温设计的合理性,其设计方法及思路可为以后相关类似工程的设计提供参考。

本文根据笔者在青藏铁路初、定测工作中的亲身经历,对多年冻土区的工程地质工作进行了详细的归纳、总结,同时提出了主要施工工程地质工作.

青藏铁路格尔木至拉萨段昆仑山隧道和风火山隧道位于青藏高原海拔4500m以上的多年冻土区,是目前世界上在高原多年冻土区这一特殊气候及围岩条件下修建的最高海拔的隧道工程。在高寒缺氧的高原环境下,隧道施工中保护冻土以及隧道的支护是本工程的技术难点本文通过对高原多年冻土隧道施工方案及施工技术的实践研究,以期为高原高寒地区隧道建设提供施工参考。

在青藏铁路二期工程勘察期间经历的高原冻土的勘察过程中,从多年冻土的生成环境、野外鉴别特征、冻土上限的确定几方面谈了几点体会。

结合青藏线dk1125＋100处秀北立交特大桥的工程特点，浅谈关于多年冻土对铁路桥梁基础方案选择的问题。

研究目的:热棒作为一种主动保护多年冻土的措施,已在青藏铁路多年冻土区路基工程中得到广泛应用。但是,由于缺乏现场测试资料,多年冻土区热棒路基的设计计算始终是一个难题。研究方法:根据青藏铁路多年冻土区清水河试验段热棒路基的现场观测资料,计算了2002—2003年寒季热棒的有效传热影响范围、最大传热影响范围和热棒的产冷量以及传热影响范围内热棒蒸发段土体温度的降低值,并根据计算结果提出了热棒设计所应采用的纵向间距。研究结果:(1)清水河试验段天然地面热棒的有效传热影响范围为1.50m,最大传热影响范围为2.16m;(2)寒季热棒工作期间的总产冷量为1149mj;(3)寒季最大传热影响范围内热棒蒸发段对应土体温度的平均降低值为0.95℃。研究结论:为保证热棒传热影响范围内土体温度有较大的降低值,工程设计时热棒的纵向间距以3.0m为宜。

在青藏高原的寒季和暖季条件下,对青藏铁路北麓河段的块石路基和素土路基进行了强震动测试,运用二维等价线性时程响应动分析法对2种典型结构路基进行了动力响应的数值计算.结果表明,从路肩到坡脚的机车荷载传递具有明显的衰减效应,并且暖季衰减大于寒季.在路基中心的原地表处,块石路基的振动衰减效应大于素土路基.

青藏铁路多年冻土区局部地段以普通路基形式通过,其稳定性与铁路的正常运营密切相关。2002～2003年在北麓河布置了普通路基试验段,用于监测路基的温度状态。基于监测资料,分析路基边坡温度变化过程、路基及下部土体温度场分布以及进入多年冻土的热流量。结果表明,阳坡面年平均温度比阴坡面高2.9℃,阴坡面温度年较差比阳坡面大2.2℃。受地表温度边界条件控制,路基阳坡下土体融化深度明显大于阴坡,且路基下部土体处于升温状态。路基下部土体不同部位主要表现为吸热强度逐年略有减小的吸热状态。模拟计算50年气温升高1℃条件下路基温度场,结果表明50年后路基冻土上限下降明显,并且冻土温度主要介于0～-0.5℃之间。