青藏鐵路建設(shè)中凍土工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究
一、研究科學(xué)意義和國(guó)家需求
青藏高原是世界上面積最大、海拔最高的高原，地理位置獨(dú)特，自然環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，素有“世界屋脊”、“地球第三極”之稱。青藏鐵路格拉段將穿越約547km多年凍土地段，全線線路海拔高程大于4000m
在青藏高原多年凍土地區(qū)建設(shè)鐵路是從未實(shí)踐過的新的技術(shù)領(lǐng)域，隨著幾十年來自然條件和氣候的變化、科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展、科研成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，我們對(duì)自然和凍土的認(rèn)識(shí)也在不斷的加深。七十年代以前我們認(rèn)為高原凍土是發(fā)育的，而目前現(xiàn)狀是隨著全球氣溫升高，高原凍土呈退縮趨勢(shì)；七十年代以前研究重點(diǎn)側(cè)重于凍土腹部地帶的高含冰量?jī)鐾粒嗖毓氛蔚那闆r表明，凍土區(qū)邊緣地帶及高溫凍土地帶各類工程病害多于低溫凍土地帶；過去確定一個(gè)路基臨界高度來涵蓋全線，現(xiàn)在看來必須按不同地溫分區(qū)、土質(zhì)及氣候條件來考慮路基合理高度；現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展及新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，為防治各類工程凍害提供了新的手段，有必要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用研究。所以青藏線格拉段的修建仍帶有很強(qiáng)的探索性、科研性，為了盡快取得高原多年凍土區(qū)鐵路設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，先行試驗(yàn)段的建設(shè)具有不可替代的重要意義。“高原多年凍土區(qū)試驗(yàn)工程”也充分體現(xiàn)了我們?cè)诟咴嗄陜鐾羺^(qū)的設(shè)計(jì)思想，是設(shè)計(jì)原則的檢驗(yàn)，其各階段的觀測(cè)結(jié)果將分別是指導(dǎo)、調(diào)整設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)青藏線格拉段鐵路的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工。
二、立項(xiàng)科學(xué)依據(jù)
青藏鐵路修筑的兩大關(guān)鍵問題：高原和凍土。青藏鐵路成功的關(guān)鍵在于路基工程，而路基工程的關(guān)鍵在凍土，凍土作為一個(gè)極為重要的關(guān)鍵因素，必須進(jìn)行深入的研究，以此來保證青藏鐵路工程的順利實(shí)施和正常高速運(yùn)營(yíng)。
青藏鐵路路基穩(wěn)定性要求。凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有豐富的地下冰，水分產(chǎn)生遷移并具有相變變化特征，因此，凍土具有流變性，其長(zhǎng)期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時(shí)強(qiáng)度特征，并具有融化下沉性和凍脹性。這些特性造成了凍土區(qū)修筑工程構(gòu)筑物時(shí)，面臨的兩大工程問題：凍脹和融沉。路基、橋涵、隧道等都會(huì)受到這兩大工程問題的困擾。從路基角度來講，影響路基穩(wěn)定性的核心問題是多年凍土年平均地溫分區(qū)。多年青藏公路實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在多年凍土年平均地溫高于-1.5℃, 多年凍土路基僅采用加高路基的方法是不能保證路基穩(wěn)定的，必須采取綜合治理的方法來解決該問題，而低于-1.5℃采用加高路基方法就可保證路基穩(wěn)定。另一個(gè)極為重要的核心問題是青藏鐵路地下冰空間分布問題。青藏公路的長(zhǎng)期研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，地下冰是影響凍土路基穩(wěn)定的最為重要的影響之一，是產(chǎn)生凍融災(zāi)害或者不良凍土現(xiàn)象的根本問題。地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結(jié)果就會(huì)造成地下冰融化，導(dǎo)致路基產(chǎn)生融化下沉破壞。對(duì)于橋涵、路塹、高邊坡等工程建筑物，高含冰量?jī)鐾恋挠绊懙臉O為關(guān)鍵的問題。
多年凍土區(qū)工程一般采取保護(hù)凍土、控制融化速率和允許融化三種設(shè)計(jì)原則，青藏鐵路試驗(yàn)工程基本考慮了上述三種設(shè)計(jì)原則，這些設(shè)計(jì)原則合理性必須通過工程實(shí)踐來驗(yàn)證。在低溫多年凍土區(qū)，采用保護(hù)凍土原則，必須通過路基穩(wěn)定性變化驗(yàn)證路基合理高度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。控制融化速率的工程結(jié)構(gòu)措施更是須經(jīng)工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，才能推廣使用。因此根據(jù)不同的地層、地溫條件和凍土類型確定具有典型性的試驗(yàn)工程地段，針對(duì)設(shè)計(jì)、施工中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題組織試驗(yàn)研究，對(duì)可能采用的新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)其在青藏高原多年凍土區(qū)的適應(yīng)性和可靠性。
三、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)
由于青藏高原特殊的自然地理環(huán)境和高原多年凍土凍融災(zāi)害問題, 使寒區(qū)工程修建具有復(fù)雜性和困難性。特別是青藏鐵路修建正在面臨著凍土環(huán)境與工程間的相互作用問題。盡管如此，世界上在多年凍土地區(qū)仍修筑了很多鐵路干線。俄羅斯曾在西伯利亞多年凍土地區(qū)修筑鐵路工程。本世紀(jì)20-30年代，俄羅斯在多年凍土地區(qū)修筑鐵路，60-70年代達(dá)到高潮，1800公里以上的鐵路干線有七條。其中最著名的是第一條橫貫西伯利亞大鐵路。它是世界上最長(zhǎng)的連貫鐵路，全長(zhǎng)9446公里。從莫斯科到符拉迪沃斯托克，此線跨越多年凍土區(qū)2200公里以上。70年代末期建成的新西伯利亞鐵路則通過多年凍土帶3400公里以上。目前正在修建向北延伸的二條鐵路，幾乎全部是在多年凍土地區(qū)。北美國(guó)家在Manitoba 和Quebec多年凍土地區(qū)建立了干線, 開發(fā)Lynn湖及Schefferville的礦業(yè)，并且保持Churchill港與南方鐵路聯(lián)系。加拿大有三條鐵路干線由南向北穿越凍土帶，運(yùn)行歷史有20年。
我國(guó)在大小興安嶺地區(qū)：主要干線是牙林線和嫩林線穿越的多年凍土共有800公里左右。西北地區(qū)有兩條鐵路干線正在運(yùn)營(yíng)，其一是青海海西熱水煤礦專線，其二是穿越天山的南疆鐵路工程。應(yīng)該說在多年凍土地區(qū)修筑鐵路工程由許多可以借鑒的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，但在高原多年凍土區(qū)修筑鐵路是首次。青藏高原多年凍土地處中、低緯度、高海拔地區(qū)，與中、高緯度、低海拔多年凍土相比，具有多年凍土厚度薄、地溫高和太陽輻射強(qiáng)等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)導(dǎo)致了高原多年凍土變化的特殊性，因此，存在很多凍土問題需要我們?nèi)パ芯俊?
為了早日推進(jìn)青藏鐵路項(xiàng)目的立項(xiàng)，于1998年中科院蘭州冰川凍土研究所積極主動(dòng)地配合鐵道部門進(jìn)行了青藏鐵路預(yù)可研工作，在此階段的主要核心問題是回答在不穩(wěn)定的高原凍土環(huán)境下是否能成功的修建鐵路？通過分析總結(jié)我們40多年來，特別是近20年來的關(guān)于青藏高原多年凍土工程問題的研究成果，明確回答了修建青藏鐵路的可行性問題，指出了鐵路修建的關(guān)鍵核心問題是高溫多年凍土地區(qū)（100多公里）路基穩(wěn)定性問題，并給出了解決此問題的途徑，為青藏鐵路的正式立項(xiàng)奠定了良好的基礎(chǔ)。提供了高原多年凍土區(qū)青藏鐵路凍土工程及其環(huán)境變化預(yù)測(cè)；提供了工程設(shè)計(jì)中凍土設(shè)計(jì)參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)；提供了青藏鐵路建設(shè)中的雪害防治技術(shù)；提供了國(guó)內(nèi)外多年凍土區(qū)鐵路工程修筑的情況與現(xiàn)狀報(bào)告。
為了建設(shè)“高水平的環(huán)保青藏鐵路”，中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所在整理分析現(xiàn)有凍土工程科研成果的基礎(chǔ)上，以創(chuàng)新工程為依托，緊密圍繞青藏鐵路修建中尚待解決的重大技術(shù)問題進(jìn)行積極的準(zhǔn)備，并于2000年初起開展了新技術(shù)、新材料、工程對(duì)策、工程模擬等研究，以滿足工程設(shè)計(jì)和施工的急需。目前已開展的主要科研項(xiàng)目有：進(jìn)藏公路鐵路典型路段工程災(zāi)害成因及其減災(zāi)理論與技術(shù)研究、工程技術(shù)影響下高原多年凍土環(huán)境變化預(yù)報(bào)模式、多年凍土區(qū)拋石路堤實(shí)驗(yàn)研究、可變導(dǎo)熱性能結(jié)構(gòu)材料研究、凍土路基凍脹融沉預(yù)報(bào)與復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)、高原多年凍土不穩(wěn)定地段路基邊坡穩(wěn)定性研究和寒區(qū)隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)理論與路基穩(wěn)定性試驗(yàn)研究等。這些科研項(xiàng)目的實(shí)施，將會(huì)對(duì)青藏鐵路的建設(shè)起到重要的作用。同時(shí)也為此項(xiàng)目的進(jìn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。
