气候变暖对青藏铁路多年冻土区路基影响分析

青藏铁路是世界上海拔最高的铁路。通过沿线青海及西藏的地震情况和西大滩断裂带、昆仑山垭口断裂以及不冻泉断裂带的多年观测数据和青藏铁路线路的实际穿越段的地质特点,可以看出,青藏铁路格尔木—拉萨段沿线地震活动频繁、断裂大量发育,不同性质、不同类型、不同特点的活动断裂给青藏铁路的工程安全带来不同程度的影响,并产生和诱发不同类型的地质灾害。一旦在铁路下方沿活动断层形成移动冰丘,将导致铁路路基隆起和铁轨变形。断裂运动不仅孕育了地震,还诱发了不均匀冻胀、构造裂缝、移动冰丘等地质灾害,影响线路工程的安全,增加维护费用。笔者着重4方面分析地震断裂活动对青藏铁路的危害性:断裂活动导致路面变形和工程破坏;断裂活动与非均匀冻胀造成路基强烈变形;构造裂缝带及其工程危害;冻土地区的地震和断裂与保护冻土的工程措施产生矛盾,给出了设计和施工中应该考虑的问题并提出从铁路的勘察设计、施工组织、施工过程中采用各种措施将地震以及断裂活动对铁路的损害程度降低到最小。

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

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。

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。

研究目的:我国青藏铁路的修建充分考虑了对多年冻土的保护,在路基热防护措施中采用了热棒路基,碎(片)石护坡、块石护坡、片石气冷等关键技术。文章对青藏铁路各种路基新结构的地温进行研究,通过地温值计算得出最大融化深度,从各年最大融化深度的对比分析,研究这些措施对保护多年冻土,保证线路安全的作用。研究结论:通过对实测数据的分析得出热防护措施能使路肩下最大融化深度减小。路基新结构的应用对保护多年冻土、降低地温、稳定路基是有效的。

针对青藏铁路运营以来多年冻土区出现的路基病害的类型划分、形成原因及主控因素进行分析研究,提出青藏铁路多年冻土区桥头路基存在的病害问题、主要影响因素及桥头路基病害治理工程措施,并对多年冻土区路基工程热稳定性变化趋势进行预测。

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

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。

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结合热棒在青藏铁路多年冻土区路基中的应用，介绍了热棒的工作原理、作用，分析了热棒在施工中的技术要求，实践证明，应用热棒解决了基础冻胀、融沉等热力过程中的许多问题，保障了多年冻土地区地基的稳定。

基于青藏铁路楚玛尔河试验段10年(2003~2013)的地温监测资料,对青藏铁路4种典型路基结构的长期热状况进行了对比分析.结果表明,不同路基结构的长期热状况表现出较大的差异.普通路基与块石基底路基地温场存在明显的不对称分布,表明以上两种路基结构不利于路基的长期热稳定.但块石护坡路基与u型块石路基的地温场分布则表现出了较好的对称性.尽管块石护坡路基下浅层冻土地温存在一定的降温过程,但深层多年冻土却呈现出缓慢升温趋势,显示u型块石路基的热稳定性要优于块石护坡路基.被监测的4种路基结构中,u型块石路基在降低多年冻土温度与提高路基地温场对称性方面表现出了最佳的长期效应.基于青藏铁路10年的监测结果,充分肯定了主动冷却路基设计思路在保护冻土路基长期热稳定性方面的有效性,同时采用冷却路基技术的青藏铁路也达到了时速100kmh?1的设计要求.尽管如此,由于坡向效应所导致的路基左右路肩下的热差异存在于所有监测的路基结构中,但不同结构的热差异幅度不同,并将可能导致路基发生潜在的非均匀性沉降变形,因此需要在后续的维护工程中进行调整.

抛填片(块)石通风路堤具有保护多年冻土的作用,根据高原多年冻土区路基常见病害及青藏铁路试验路基设计原则,初步探讨并预测该路基结构的适应性,并在清水河试验路基段进行了实践应用,给出了保护效果的定量描述。

青藏铁路多年冻土区路基工程具有海拔高、气压低、空气稀薄、气候严寒、地质条件和水质条件复杂,以及生态环境脆弱等特点,其施工方法不同于一般低海拔非冻土地区路基施工方法。此文根据青藏铁路设计施工科研攻关成果和现场施工经验,对多年冻土区路基路堤、路堑及过渡段路基等工程施工方法进行分析论证,对今后多年冻土区工程建设有一定的参考作用。

阐述青藏铁路高原多年冻土区施工中采用的几种保护冻土措施,根据现阶段青藏铁路路基裂缝发展情况,证实了这几种保护冻土措施的有效性,并对设计提出了建议。

阐述了冻土区保温板路基施工技术的工艺原理,介绍了该技术的施工工艺、技术要点和注意事项。

结合青藏铁路多年冻土区应用片石通风路基的工程实例,详细介绍了片石通风路基的原理、设计与施工,分析了高含冰量冻土采用片石通风路基这一主动保护多年冻土措施的效果。

通过对青藏铁路清水河段站场路基的初步试验,获取了地温变形数据,探讨站场路基的冻结和融化过程的规律.实验表明:站场路基下冻土人为上限发生了上移,多年冻土得到了保护,为类似路段多年冻土工程提供借鉴.

桥头路基的变形问题是普遍存在的影响冻土区道路工程稳定的技术难题,结合青藏铁路多年冻土区桥头路基的变形问题,采用资料调研、现场调查、理论分析和总结等研究手段,对运营后多年冻土区桥头路基变形的特征及沉降原因进行分析研究,提出了通过改善地基多年冻土环境和优化桥头路基防排水系统等措施对桥头路基病害进行治理的方法。

针对青藏铁路特有的"高原"和"冻土"问题,阐述了多年冻土区路基设计原则和对路堤、路堑、支挡工程、取土、弃土、环境保护等方面的施工工艺和注意问题。

介绍青藏铁路多年冻土区挡水埝设计原理及施工方法,工艺操作简单,对质量、进度及环保的控制效果好。

介绍了在特殊的多年冻土施工环境中青藏铁路路基工程施工中的一些特殊加强措施,以及施工中需要注意的一些问题。