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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积最大、海拔最高的高原,素有 “世界屋脊 ”、 “地球
2、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
3、,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 “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
4、,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
5、 ,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19902100年间升高 1.45.8”。国内学者曾在学术著作中指出: “考虑气候的自然变化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2.22.6”。全球范围内
6、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
7、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 ,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
8、完全消除冻土路基的融化下沉 ,尤其在全球气温升高的大趋势下更是如此。由于多年冻土的冻胀融沉特性 ,已有的公路冻土路基普遍存在严重的病害 ,冻结期路基不均匀冻胀 ,引起道路变形、裂缝 ,路面凹凸不平 ,融化期路面翻浆冒泥、路肩滑塌和路面沉陷等 ,给冻土区的公路运营造成极大的困难。调查资料表明 ,高原多年冻土区公路路基病害 ,80%以上是由于路基下部多年冻土的热融沉陷引起的。为了应对高温冻土和全球变暖的严重挑战 ,必须改变以往一直沿用的消极被动保护冻土的办法 ,采用积极主动保护冻土的工程措施 ,即冷却地基的方法 ,研究开发新的地温调控原理和技术 ,采用能冷却地基的新的路基结构形式 ,以确保路基工程
9、的长期稳定 ,是我们要在青藏铁路工程建设中解决的关键技术问题。3.保护多年冻土的几种工程方法从传热理论来讲 ,调控辐射、对流和传导均可有效的调控路基温度场 ,表现在工程措施上有遮阳、改变路基表面颜色、通风、热桩、填石路堤、变导热系数材料、保温材料等等。3.1 片石通风路基目前青藏铁路多年冻土区路堤结构形式大量采用的是片石通风路堤。片石通风路堤、片石或碎石护坡路堤和片石护道路堤 ,是保护多年冻土路基工程有效的方法。具有关资料介绍 ,块石层在寒冷季节的当量导热系数是温暖季节的510 倍甚至更多 ,因此 ,块石层可有效的提高路基下地基的蓄冷量,对多年冻土地基进行养护,效果明显优于导热系数不随温度变化
10、的各类保温材料。块石由于其孔隙大 ,空气可在其中自由流动或受迫流动 ,当温暖季节表面受热后 ,热空气上升 ,块石中仍能维持较低温度 ,块石中的对流换热向上 ,因此传入地基中的热量较少 ;寒冷季节时冷空气沿孔隙下渗 ,对流换热向下 ,较多的冷量可传入地基中 ;所以 ,综合效果是冷量输入大于热量输入。另一方面 ,块石体内以其较大的空隙和较强的自由对流 ,使得冬夏冷热空气由于密度等差异 ,而不断发生冷量交换和热量屏蔽 ,其结果是有利于保护多年冻土 ,维持冻土上限的热平衡 ,保持路基下冻土上限位置不变或使其上升。总之 ,片石通风路基结构形式 ,是一种利用自然冷能保护多年冻土的工程措施 ,无论是施工过程
11、还是工程效果 ,都对冻土起到了一种保护作用。填土路基在冻土区取土 ,无论离线路远近 ,都是对多年冻土天然保护层大片的破坏 ,而片石取材于基岩裸露或埋深较浅区段 ,对多年冻土环境破坏甚微 ,很好地起到了保护多年冻土环境的作用。3.2 通风管路基通风管路基是一种积极保护冻土的工程措施 ,其工作原理是 :在寒冷季节 ,冷空气有较大的密度 ,在自重和风的作用下 ,将埋置于路基土体通风管中的热空气挤出 ,并不断将周围土体中的热量带走 ,达到保护地基土冻结状态的目的。通风管路基的实际应用效果 ,目前正处于试验研究阶段 ,据室内模型试验研究结果 :设有通风管路基模型体的负温温度场的发展 ,要比不设通风管路基
12、模型体的负温温度场的发展快得多 ,路堤全断面土体能够迅速冻结 ,不会影响下部地基土体的热状况 ,甚至能引起进一步的冻结 ,可以说通风管路基是一种有效的保护冻土的工程措施。3.3 热桩保护多年冻土路基热桩是一种汽液两相对流循环的热导系统。它实际上是一根密封的管 ,里面充以工质 ,如:氨、氟里昂、丙烷、二氧化碳等。管的上端为冷凝器 ,由散热片组成 ,下端为蒸发器 ,中间为绝热段。当冷凝器温度低于蒸发器的温度时 ,蒸发器中的液体工质吸收热量蒸发成气体工质 ,在压差作用下蒸汽上升至冷凝器 ,放出汽化潜热 ,同时蒸汽工质遇冷冷凝成液体 ,在重力作用下液体沿管壁回流至蒸发器再蒸发。如此往复循环 ,将热量传
13、出而吸收冷量。当蒸发器的温度低于冷凝器温度时 ,对流循环停止。因此 ,热桩可以将冷量传递贮存于地下 ,又可阻止热量向下传递 ,是一种可控热量传递的高效热导装置。热桩在处理多年冻土地基的稳定性方面有很好的应用价值 ,它不但可降低土体的温度 ,提高冻土地基的承载力 ,而且可有效地防止地基融化下沉。青藏高原年平均气温较低 ,产冷量大 ,热桩的使用更具有优势。3.4 保温材料在冻土路基中的应用用保温材料保护冻土 ,就是在修筑路基时加铺一层保温材料 ,利用保温材料的低热导性阻止上部热量进入下部土层 ,从而起到保护冻土的作用。在多年冻土区筑路 ,地表热交换条件的改变所引起的路基内的热积累会导致多年冻土上限
14、的下降 ,当铺设保温材料后 ,则可保持多年冻土上限一定的稳定性。但这种热阻效应在阻止上部热量向下传输的同时 ,也阻止了寒冷季节多年冻土向外部的散热,它可以改变进入多年冻土的热周转量 ,但不能改善进出多年冻土热平衡的趋势。筑路后路基内通常呈热积累发展趋势 ,因此保温材料层的效果也只是减弱热积累的发展,而不能彻底扭转这种热积累的发展趋势。对于低温冻土,保温材料层或许可以维持多年冻土上限在使用期内的稳定性 ,而对于高温多年冻土 ,热积累几乎完全用于多年冻土的融化,即使是少量的热积累也可能使多年冻土发生逐年的融化,因此 ,高温多年冻土区保温材料层只能起减缓多年冻土融化速率的作用。为了更好的保护高温多年
15、冻土路基的稳定性 ,我们是否可设想研制一种变导热性能结构的材料 ,即:在吸热过程中 ,它具有绝热材料的性能 ,从而阻止热量向下部多年冻土传输 ,而在回冻季节它具有导热材料的特点 ,使其下部热量充分向上部释放。这种体现单向导热性能的材料 ,暂且称之为热半导体保温材料。从实际应用的角度出发 ,该结构材料应具备造价低、便于施工安装、易维护、使用寿命长等特点,如果将这种结构材料成功地用于高温多年冻土区的筑路工程 ,融化下沉等病害将有望得到很好的解决。3.5 用遮阳结构保护多年冻土路基工程目前 ,在青藏铁路工程建设中还未使用遮阳结构。青藏高原地处中、低纬度、高海拔地区 ,太阳辐射十分强烈 ,遮阳结构可以大量的减少太阳对路基工程的有效辐射 ,降低其温度 ,如在遮阳结构外表面涂上具有高反射性能的涂料 ,效
