青藏高原多年冻土区公路修筑技术之进展

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1、中国科学E辑:技术科学2009年第39卷第1期:8~15《中国科学》杂志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS青藏高原多年冻土区公路修筑技术之进展①*①②①①汪双杰,陈建兵,章金钊,李祝龙①中交第一公路勘察设计研究院,寒区道路工程交通行业重点实验室,西安710075;②中国科学院冻土工程国家重点实验室,兰州730000*E-mail:wangshj@ccroad.com.cn收稿日期:2007-12-18;接受日期:2008-09-26国家西部交通重大科技资助项目(批准号:200

2、2318000)摘要青藏公路由北向南纵贯青藏高原腹地,昆仑山唐古拉山间平均海拔4500m以上,在关键词公路沿线700多千米范围内广泛分布有全球独一无二的以高海拔高温为主要特征的多年冻道路工程土.高原气候变化无常,一日间可经历四季,遭遇雨、雪、冰雹;公路沿线环境恶劣,年平均多年冻土气温−2℃~−7℃,空气中含氧量不足海平面的50%,太阳辐射量平均高达3600kJ/m2.多年冻修筑技术土、高寒缺氧、生态脆弱是高原环境的基本特征.在当今全球气候升温大背景下,高原下伏多年冻土响应进程加快,近20年间冻土平均升温0.2~0.3℃,岛状多年冻土加速消失,高温

3、多年冻土加剧退化,低温多年冻土升温明显,并由此导致冻土区公路工程病害不断发生发展.青藏公路历经50年建设和34年连续科研,通车50年来,历经数次整治改建,并开展长达30多年的连续跟踪观测研究,其作为中国高原冻土区大规模工程建设的开山之作,无疑也成为中国冻土工程研究最大的试验工程.2002年交通部在西部交通建设科技项目中安排开展《多年冻土地区公路修筑成套技术研究》,积极迎对全球气候升温变暖对多年冻土区工程影响的挑战,从冻土工程理论、勘察设计方法、工程稳定措施、冻土工程病害预防养护与工程寿命保障,到高寒缺氧恶劣环境下的生态环境保护等方面开展系统研究,

4、创新、集成了针对中国实际的多年冻土地区公路修筑成套技术,推动了中国冻土工程领域的技术进步,进一步提升了中国公路冻土工程研究的世界领先水平.中国的多年冻土以青藏高原高海拔冻土为代表,生态环境脆弱,工程环境对冻土稳定性影响大,导致[1]在全球冻土界具有无可替代的地位.冻土环境不稳定并由此带来严重的工程病害.青藏高原多年冻土区是世界上中、低纬度(北纬青藏高原高海拔冻土与西伯利亚、北美冻土有很32°~36°)地带海拔最高、面积最大的冻土区,冻土分大区别.俄罗斯及北美地区多年冻土主要受纬度控52布面积约15×10km,约占全国多年冻土面积的70%,制,冻土

5、温度低,冻土环境人为干扰少,冻土比较稳[1]冻土分布区域海拔一般均超过4000m.高原冻土分定,公路修筑以砂石路面为主.中国高原冻土温度高,布具有多样性特点:高温、中温与低温冻土均有分布,太阳辐射强烈,昼夜温差大,在全球气候变暖背景下,其中高温冻土分布最为广泛;冻土分布具有高度地冻土退化响应明显加快,冻土环境不稳定,极易受工[2,3]带性,同时又有一般纬度与经度分布的规律性.区内程等人为因素破坏.不论高温冻土还是中低温冻土在近代均处于退化之国外冻土工程特别是长距离线性工程主要以贝中,冻土地温升高、厚度减薄、面积逐步缩小;区内加铁路、贝阿铁路和阿拉

6、斯加输油管线为代表.这些8中国科学E辑:技术科学2009年第39卷第1期工程无一例外均遭受冻土严重影响,诱发各种病害,型及其修筑、桥涵基础.第3期科研(1985~1999年)研病害发生率一般在30%左右(图1和2).研究表明,究包括多年冻土区公路工程地质研究、路基温度场研1994年贝阿铁路,1054km出现严重病害,病害率占究、路基变形研究及隔热材料在路基中的应用研究,全长的27.5%;1996年后贝加铁路病害率高达全长的以及改性沥青路面、钢纤维路面和钢波纹管涵洞、热[4]40.5%,而1990年青藏公路病害率占全长的31.7%,桩研究等等.以青

7、藏公路所处冻土环境,以及当时的建设投资能青藏公路3期研究取得的丰硕成果,为青藏高原力,相比于前者,青藏公路无疑是非常成功的.公路与青藏铁路建设提供了坚实的科学依据,同时也确立了我国在高原多年冻土研究方面的国际领先水平和地位.青藏公路不同时期所表现不同的工程病害,是人们认识多年冻土工程艰巨性的必然过程.全球气候升温背景下,多年冻土地区公路建设必须面对长时间恶劣条件下,沥青路面的吸热效应、大尺度公路路基吸热效应,以及公路冻土路基差异变形、不对称变形等独特的科学难题.2002年启动的《多年冻土地区公路修筑成套技术研究》是交通行业应对西部大开发和振兴老工

8、业基地[7]图1Transbaikalian铁路路基沉战略需求,迎对当今全球气候升温变暖对多年冻土区工程影响的挑战,投入大量专项资金组织