冻土带上飞铁龙

发布时间：2006-06-21 09:13:54　来源：中国藏学作者：文/江世杰浏览:7　评论:0

　　2001年2月8日,"国务院批准建设青藏铁路"的消息传开,青海、西藏两省区人民无不欢欣鼓舞,但如何穿越从昆仑山北坡西大滩到唐古拉山南麓安多的550公里多年冻土地段,建成这条目前全球穿越连续性永久冻土地带最长的铁路,是摆在建设者面前的一大难关.

　�<<惩潦且恢执τ诟何禄蛄闵闶隙炔⒑斜耐晾嗪脱沂�,特别是它的季节性融化层,每年都会在寒季由于气温下降而冻结,体积增大,表面隆起；暖季由于气温上升而融化,体积减小,发生沉陷.同时,还会随着气温变化发生诸如冰锥、冰幔、冻胀丘、热融滑坍、热融湖塘等各种不良地质现象.严重的冻胀、融沉、会导致工程结构变形,甚至毁坏.这对于铁路运输而言,其危害程度不亚于定时炸弹.全世界在多年冻土区修筑铁路已有百年以上历史,但已建成的多年冻土区铁路病害率很高,行车速度只有60—70公里/小时.20世纪70年代建成的俄罗斯贝阿铁路,1994年调查的线路病害率为27.5％；运营近百年的西伯利亚铁路,1996年的病害率为45％；1990年我国东北森林铁路多年冻土地段线路病害率为40％.

　　一般情况下,海拔每升高100米,平均地温下降0.8℃～0.9℃,冻土厚度增大20米左右.在同一海拔高程下,纬度每向南减小1度,年平均地温升高0.9～1.0℃,冻土厚度就相应削减.青藏铁路穿过冻土区550公里,真正冻土地段400公里,其中,属于较不稳定、不稳定多年冻土地区190公里,而极不稳定高温冻土地段近100公里.

高原铁路正穿过400多公里的冻土区向前伸延.　卢广／摄

科研攻关半世纪

　　青藏铁路的成败决定于路基,而路基最大的问题就是多年冻土.青藏铁路冻土研究涉及的内容之深、投入的人力物力之多、经历的时间之长在世界上都是罕见的.

　　1974年8月,根据中央指示和当时加快勘测设计工作的要求,曾成立了由中国科学院、铁道部、一机部、铁道兵、青海省、西藏自治区等有关领导同志组成的青藏铁路科研工作领导小组,下设盐湖冻土、高原机电设备、通信信号、施工等4个协作组；组织全国9个部门与19个省、市、自治区的68家工厂、部队、研究所、设计院和大、专院校,共1700多名科技人员开展了青藏铁路科研工作,进行了大量的研究与实践,并取得了卓有成效的成果,部分成果于1980年底通过审查鉴定.

　　20世纪60年代起,铁道部第一勘察设计院与中科院原冰川冻土研究所、铁道部科学研究院西北研究所以风火山地区为代表,对青藏高原冻土坚持开展了近40年的研究,摸清了青藏铁路沿线冻土的基本分布特征.

青铁格拉段南山口站的铁轨铺架基地建成,即将铺轨架梁,以完成格尔木至望昆短的铺架工作.这是中铁十二局的铁路职工在海拔4600的施工工地作业.

　　2000年底,铁一院成立了由经验丰富的地质工程师和中科院寒区、旱区环境工程研究所(原冻土研究所)专家、学者共同组成的冻土科研队,应用卫星遥感、地面调查核对等多种手段,对青藏铁路冻土地区的特殊地质进行明确分区、分类,填绘出详细的冻土地区不良地质现象,依据不同的地貌单元布置测温钻孔,为冻土地带的准确地温分区提供可靠依据,并用以指导青藏铁路的具体设计和施工工作,这就是2000年12月1日上报的<<新建青藏铁路格尔木至拉萨段项目建议书>>上的专门章节："多年冻土地区主要工程措施".

　　2001年,中科院在550公里多年冻土地段,以平均200米布一个钻孔,采取钻探手段为主,探地雷达、地震反射波法、电磁法等多种物探方法为辅对青藏铁路沿线地质进行勘测,其中兰州分院勘测队调集的39台钻机,就在从南山口至纳赤台的63公里路段上,打出总数3600米的280个钻孔.这次勘测共完成地质钻探17万米,土工化验6万组、地温观测孔800多个、综合物探剖面400公里,彻底查清了沿线多年的冻土分布情况；同时,先后组织了14批次寒季、暖季现场地质勘察,查明了550公里冻土区热融湖塘、热融滑坍、冻胀丘、冰椎、冰幔等不良地质现象的分布规律和发育特点,重点研究了与线路有关的192处不良冻土现象的发展趋势和对线路的危害,为工程设计提供了大量技术参数和可靠依据,以及为消除危害而采取的必要措施.

　　在多年冻土区修建铁路工程,关键在于保护基础下冻土不发生融化和退化,使工程结构置于稳固的地基上.以往,主要采取增加路堤高度和铺设保温材料等措施,隔断或减少外界进入路基下部的热量,从而阻止或延缓多年冻土退化.大量工程实践表明,这种方法不能从根本上改善路基的热物理状态.因为保温措施虽然阻挡了暖季的热量,但也阻挡了寒季的冷量进入路基.通过这一系列的地质钻探、勘测,青藏铁路建设指挥部确立了"主动降温、冷却地基、保护冻土"的设计思想.

中铁十一局铺架队在冰天雪地里昼夜铺架.卢广／摄

保护冻土新举措

　　"主动降温、冷却地基、保护冻土"设计思想的确立,像是打开了攻克冻土难题的"智慧闸门",一系列主动降温、保护冻土的有效工程措施,被陆续创造出来.

　　片石气冷.片石气冷路基垫层厚度不小于0.3米,片石层设计厚度不小于1米,粒径0.2—0.4米,强度不小于30兆帕,片石层上再铺厚度不小于0.3米的碎石层,并加设一层土工布.这一措施已在沿线117公里的高温不稳定冻土区成功应用,起到了降低路基基底地温和增加地层冷储量的作用.

　　碎石(片石)护坡或护道.在路基一侧或两侧堆填厚度1.0—1.5米碎石或片石,形成护坡或护道,具有很好的降温效果.通过改变路基阴阳坡面上的护坡厚度,可调节路基基底地温场的不均衡性.这项措施对解决多年冻土区路基不均匀变形具有重要作用.

正在建设中的高原冻土通风路基.

　　通风管.在路基下部内横向埋设净距一般不超过1.0米、管径为0.3米的水平通风管,冬季冷空气在管内对流,加强了路基填土的散热,降低了基底地温,提高了冻土的稳定性.为解决夏季热空气在管内对流对冻土的负面影响,现场做了在管口设置自动控制风门的试验：当外界气温低时风门开启,外界气温高时风门关闭.

　　热棒技术.热棒是利用管内介质的气液两相转换,依靠冷凝器与蒸发器之间的温差,通过对流循环来实现热量传导的系统.青藏铁路有32公里路基采用了热棒措施,收到了基底地温降低、冻土上限上升的良好效果.

穿越冻土地带,建设者在施工中采用热棒、片石层通风路基、L型挡墙板、通风管路基等多项措施,提高冻土路基的稳定性.还采用"以桥代路"的措施,预留风沙通道,让风沙能都自由通行.图中所示是烽火山段L型挡墙和热棒.

　　遮阳棚.在路基上部或边坡设置遮阳棚,可有效减少太阳辐射对路基的影响,减少传入冻土地基的热量.唐古拉山越岭地段一处钢结构遮阳棚效果明显,降低了路基基底的地温,提高了多年冻土的稳定性.

　　桥梁桩基础.为减少桥梁工程施工对多年冻土的扰动,对冻土区桥梁钻孔灌注桩、钻孔打入桩和钻孔插入桩三种桩基形式开展了现�<<员仁匝�.钻孔打入桩在冻土层中打入困难,钻孔插入桩桩周围回填质量难以控制.钻孔灌注桩具有承载力大、抗冻拔能力强的明显优点.在使用旋挖机成孔后施工速度快、质量好、对冻土扰动小,因此全线绝大多数非坚硬岩石地基的桥梁都采用了旋挖钻机成孔的灌注桩基础.

　　涵洞寒季明挖基坑.对涵洞工程进行研究比较后,选用了矩形拼装式钢筋混凝土结构.这种涵洞采用明挖基坑拼装或混凝土基础,在寒季施工对冻土的热扰动小,基底冻土回冻时间短,易于控制施工质量.

　　隧道结构.在多年冻土区昆仑山、风火山隧道施工中,充分考虑冻融作用对隧道结构的影响,控制隧道开挖施工的环境温度,减少围岩冻融圈范围.采用合理的衬砌断面形式和钢筋混凝土衬砌结构,设置隔热保温层,减少围岩的热交换,减轻冻胀作用对衬砌的影响.按寒区隧道特点设置防排水系统,有效防止地下水的危害.现在,已建成两年多的昆仑山、风火山隧道结构安全可靠.风火山隧道是多年冻土隧道,施工单位研制了隧道大型空调系统,把洞内开挖温度控制在—5℃至5℃之间,衬砌混凝土入模温度控制在5℃,提高了冻土回冻速度,减少了扰动冻土,确保了混凝土质量.在高含冰量冻土路堑地段,分段分层采用机械或爆破开挖,减少地基暴露时间,基坑开挖后白天用遮阳材料覆盖,晚上揭开以利于回冻,施工前做好充分准备,连续快速作业,减少热扰动.

以桥代路

　　2003年6月12日清晨,海拔4600多米的青藏铁路清水河特大桥铺轨任务圆满完成,高大雄伟的铺轨机鸣响汽笛向可可西里无人区南边缘挺进.

南山口铺架基地的大型铺轨机正整装待铺.

　　由中铁十二局承建的清水河特大桥位于可可西里无人区,全长11.7公里,是青藏铁路最长的以桥代路工程和重点控制工程之一."以桥代路"主要是为解决高原冻土地带路基稳定问题,各桥墩间的1300多个桥孔可供藏羚羊等野生动物自由迁徙.中铁十二局依靠科技,精心组织,仅用205天就完成了该桥2878根桥桩、69744延长米及1367个桥墩台的钻孔浇注任务.

　　在桥梁桩基施工中,全线大批使用的旋挖钻机,能够自行移动位置,定位准确,具有钻速快、成孔质量高、造孔垂直度好的优点,不需要泥浆护壁,融化圈小,减少了对周围冻土环境的扰动,既有利于环保,又能提高桩基质量.

　　桥梁跨越特殊复杂冻土地段.青藏铁路多年冻土区设计行车速度高达每小时100公里,对线路路基工程稳定性要求很高.经反复研究论证,决定在厚层地下冰地段、不良冻土现象发育地段和地质条件复杂的高含冰量冻土地段,以桥梁形式代替路基通过,并从不同设计方案比选中,确定了合理的孔跨和桥式,采用钻孔灌注桩基础和双柱式桥墩.在550公里多年冻土地段修建桥梁120公里,经过三个冻融循环的考验,证明效果良好,受到国内外冻土专家的很高评价.

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