青藏铁路主要冻土路基工程热稳定性及主要冻融灾害

青藏铁路主要冻土路基工程热稳定性及主要冻融灾害

牛富俊,马 巍,吴青柏

【摘 要】摘要:在介绍青藏高原多年冻土退化背景及其工程影响的基础上,通过主要冻土路基现场监测和沿线调查,对青藏铁路冻土路基2002年以来的地温发展过程、热学稳定性及次生冻融灾害进行了分析。结果表明:青藏铁路自2006年通车后冻土路基整体稳定,列车运行速度达100 km/h,达到设计要求,但不同结构路基的热学稳定性不同,采取“主动冷却”方法的路基稳定性显著优于传统普通填土路基。管道通风路基、遮阳棚路基及U型块石路基冷却下伏多年冻土的效果显著,块石基底路基左右侧对称性较差,而处于强烈退化冻土区和高温冻土区的普通路基热稳定性差,需结合路基所在区域局地气候因素予以调整或补强。以热融性、冻胀性及冻融性灾害为主的次生冻融灾害对路基稳定性存在潜在危害,主要表现为路基沉陷、掩埋、侧向热侵蚀等,其中目前最为严重的病害是以路桥过渡段沉降为代表的热融性灾害。 【期刊名称】地球科学与环境学报 【年(卷),期】2011(033)002 【总页数】11

【关键词】关键词:青藏铁路;冻土;路基结构;主动冷却;热稳定性;冻融灾害 【文献来源】

https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_journal-earth-sciences-

environment_thesis/0201254319670.html

0 引言

青藏铁路自2001年开工建设至今已10年,自2006年通车至今也已5年。作为西部大开发的标志性工程之一,青藏铁路因多年冻土、高原缺氧和生态保护三

大问题而备受国内外关注[1-2]。建设之初,设计者和建造者普遍认为,多年冻土是青藏铁路建设中的重中之重,而其成功的关键在于路基,路基成败的关键在于冻土问题的成功解决与否[1]。因此,冻土路基是青藏铁路建设中的关键因素[3]。 青藏高原因高海拔而得以成为地球的第三极,高原气候严寒,导致该区域70%的面积为多年冻土所覆盖[4]。其多年冻土以地温高、含冰量高及环境敏感为突出特点。青藏铁路格尔木至拉萨段全长1 142 km,其中穿越多年冻土区长度为632 km,大片连续多年冻土区长度约550 km,岛状不连续多年冻土区长度82 km(图1)。所穿越的高温多年冻土区长度约为275 km,其中与高含冰量冻土重叠的路段约为124 km。影响多年冻土区路基稳定性的最大问题是融沉及由于冻土融化引发的其他病害,如青藏铁路发育于秀水河一带的热融滑塌病害,在历经数十年后仍然没有稳定[5]。高温冻土对于温度扰动的变化十分敏感,而高含冰量冻土所产生的融沉量将会极大地超出工程允许变形量。因此,无论是工程活动还是高原气候转暖造成的冻土升温,都将给路基工程稳定性带来极大负面影响,是青藏铁路建设和运营维护中必须面对的突出问题。

青藏铁路建设之前,世界上在多年冻土区建设的铁路及所出现的路基病害表明,多年冻土区铁路建设仍然是一个世界性的难题[1]。在气候变暖、多年冻土整体呈现退化趋势的背景下,路基稳定性的问题尤其显得突出。针对这种状况,青藏铁路冻土路基采取了“主动冷却”路基的设计思想,并结合勘察与监测资料、工程实践及试验工程效果评价,应用“动态设计”方法对部分区段进行了变更或强化,以求最大程度地保持冻土路基的稳定性[6-8]。

目前,青藏铁路已正常运营5年,多年冻土区路基整体稳定,列车时速达100 km/h,达到了设计时速的要求。但是,铁路是一种线形工程,穿越的范围广,沿线气

候、工程地质和冻土条件复杂,冻土路基不可避免地受到冻融过程的影响。笔者基于长期观测和沿线次生冻融灾害调查资料,对不同冻土路基热状况的发展及主要冻融灾害进行分析,以期为评价青藏铁路目前冻土路基的稳定性及病害防治提供参考。

1 沿线多年冻土地质条件及变化趋势

受气候、地貌、岩性、海拔、地表条件、水文及地热流等条件的影响,青藏铁路沿线的多年冻土可根据地形地貌与工程地质条件划分为15个单元(表1)。 表1表明,在山区多年冻土以低温、含冰量相对较低为主,而在盆地及河流阶地,以地温较高、含冰量高为主要特征,但在河流以及地热流较高区域,存在贯穿融区。多年冻土中的冰,在粗颗粒土地区主要以整体状存在(图2a);在细颗粒土层中以层状、微层状及斑状产出(图2b),在部分区段,地下冰以厚层状分布(图2c),部分冰层厚达3 m以上;在基岩地区,多以裂隙状分布(图2d)。由于土体冻结过程中水分迁移的影响,在靠近多年冻土上限附近冰含量显著较高,而高原冻土上限以上的活动层厚度在自然条件下通常接近于2 m。因此,在这种情况下,路基施工过程中地表扰动极易导致冻土地温的变化,进而引起地下冰融化而带来的沉降变形破坏。 此外,气象监测资料表明,青藏高原的气温近几十年来呈现明显上升的趋势[9]。据青藏高原101个气象台站1961—2000年气温资料统计[10],40年来青藏高原气温平均升高大约0.70℃,升温速率约为0.017℃/a,远远大于中国气温的平均升温速率0.005℃/a。在这种气候变化背景下,青藏高原多年冻土也发生了相应变化,如沿青藏公路布设的天然测温孔8年的数据表明,1996—2001年多年冻土顶板温度自然变化最大为0.08℃/a,最小为0.01℃/a;多年冻土上限自然变化幅度最大为6.6 cm/a,最小为2.6 cm/a;一定深度上多年冻土也处在一个整体升温