青藏铁路工程有关冻土问题的情况介绍.doc

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1、青藏铁路工程有关冻土问题及土工合成材料应用情况的介绍铁道第一勘察设计院李成摘要大量的工程实践表明,冻土区筑路遇到的主要问题是冻胀和融沉,在季节冻土区主要问题是冻胀,而在多年冻土区主要问题是融沉。以保护多年冻土为原则,是多年冻土区工程措施中应用最为广泛的一种方法,它不但克服了冻土的融化下沉,而且充分利用了冻土强度高于融土的特性。本文在阐明对青藏高原多年冻土环境认识的基础上,简要地介绍了保护多年冻土的几种工程方法,并对土工合成材料在青藏铁路的应用情况作了简要的介绍。关键词铁路工程多年冻土土工合成材料应用1.概况青藏高原是世界上面

2、积最大、海拔最高的高原,素有“世界屋脊”、“地球第三极”之称。青藏线格尔木至拉萨段铁路全长约1100km,其中要穿越550km的多年冻土地段,全线线路海拔高程大于4000m地段约965km,在唐古拉山越岭地段,铁路最高海拔为5072m,为世界铁路海拔之最高。“高原”和“冻土”问题是修建青藏铁路的两大难题。铁路通过地区大部分为高原腹地,具有独特的冰缘干寒气候特征,寒冷、干旱,急风暴雨、雷电等变化剧烈无常,四季不明,空气稀薄、气压低,冻结期9月至次年4、5月。昆仑山、可可西里、风火山、唐古拉等山区,年平均气温在-6℃以下,青藏高

3、原腹地高平原区,年平均气温为-4~-4.5℃。该地区具有年较差小,而日较差大的特点,年内日平均较差10~19℃,极端日较差35℃。铁路沿线大气透明度良好,云量少,太阳直射强,总辐射量大,日照时数较大,为全国辐射量最大的地区,由于高原风大,地表所获辐射量的98.8%通过湍流交换以感热或潜热的形式向大气逸散,用于土壤增温和冻土融化的热量仅占1.2%,使得高原上近地表气温并没有显著升高,而地下土层处于低温状态。自1956年铁道第一勘察设计院对青藏线进行踏勘考察开始,格尔木至拉萨段的勘测设计、科学研究断断续续,至今已40多年。其间对

4、“高原”和“冻土”问题也进行了大量的科学研究和试验工作,创造了比较好的前期工作基础。但是,在青藏高原多年冻土地区修建铁路毕竟是从未实践过的新的技术领域,随着几十年来自然条件和气候的变化,科学技术的发展,科研成果和工程实践经验的积累,人们对自然和冻土的认识也在不断加深。特别是现代科学技术水平的飞速发展及新材料、新工艺的不断出现,为防治各类工程冻害提供了新的手段。因此,青藏线格尔木至拉萨段铁路的修建具有很强的探索性和科研性。2.对青藏高原多年冻土环境的认识大量的工程实践表明,冻土区筑路遇到的主要问题是冻胀和融沉,在季节冻土区主要

5、问题是冻胀,而在多年冻土区主要问题是融沉。以保护多年冻土为原则,是多年冻土区工程措施中应用最为广泛的一种方法,它不但克服了冻土的融化下沉,而且充分利用了冻土强度高于融土的特性。青藏高原中、低纬度高海拔多年冻土不同于高纬度的多年冻土,它所具有的独特的背景特征,使得高原多年冻土区环境对热扰动比较敏感,因而具有相对的不稳定性。青藏高原的多年冻土大多属于高温冻土,极易受工程的影响产生融化下沉。IPCC在2001年的预测称“全球表面温度预计在1990~2100年间升高1.4~5.8℃”。国内学者曾在学术著作中指出:“考虑气候的自然变化

6、和人类活动造成的气候变化两个方面的综合影响,预测未来由于自然和人类的联合作用,将可能造成西北与西南气温有明显变暖趋势”,“到2050年,青藏高原可能明显变暖约2.2~2.6℃”。全球范围内阶段性的气温升高将改变青藏高原多年冻土环境,如果升温过程持续一个阶段,土层不同深度处的地温值也将发生缓慢的变化,从而引起多年冻土层垂直方向上地温梯度的改变,对某一地区而言,这改变有可能促使多年冻土层地温从散热型转变为过渡型甚至是吸热型,冻土层的冷储量将逐渐减少。对于跨越不同冰缘地貌单元的铁路建筑物而言,大范围的气温变化所引起的多年冻土地温值

7、的改变,还将影响多年冻土的平面分布,如融区扩大、大片多年冻土南北界的移动、稳定型多年冻土转化为不稳定型多年冻土等。因此,高温冻土的不稳定性加之全球表面温度变化,使得青藏高原铁路的修建面临着严重的挑战。长期的工程实践表明,在低温冻土区,增加路堤高度或铺设保温材料均可有效的保护多年冻土,使多年冻土上限上升。但是,在高温多年冻土区,修筑路基后改变了地表与大气的热交换条件,使多年冻土地温重新进行热平衡调整,增加路堤高度不但不能使冻土上限上升,反而形成融化盘,若过高的增加路堤高度,由于吸热面的增大和阴阳坡的作用,又会造成融化盘的不对称

8、,而导致路基的不均匀沉降。若在路基中铺设保温材料,由于它既可在夏季阻挡上部热量传入,但在冬季又能阻挡上部冷量传入和下部的热量传出,长期下去可能会在路基中形成热量累积,致使多年冻土上限下降。所以说,增加路堤高度或在路基中铺设保温材料保护地基冻土的方法均是被动消极的,不足以或不可能完全消除冻土