青藏铁路冻土施工

青藏铁路冻土施工一.青藏铁路概况青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路，东起青海西宁，西至拉萨，全长1956公里。其中，西宁至格尔木段814公里已于1979年铺通，1984年投入运营。青藏铁路格尔木至拉萨段长约1142公里，途经青海省的望昆，翻越唐古拉山进入西藏自治区，经安多、那曲、当雄，到达自治区首府拉萨市。沿线海拔4000米以上的路段有960公里，最高点唐古拉山口海拔为5072米。其中多年冻土区长度为632公里，大片连续多年冻土区长度约550公里，岛状不连续多年冻土区长度约82公里。一.青藏铁路概况二.冻土知识冻土是指温度在0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。一般可分为短时冻土(数小时、数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(数年至数万年以上)。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正是由于这些特性，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。其中起重要作用的是水的存在形态，当水变成冰时体积增大，使土体膨胀，地表因此而拱起升高，这就是冻胀；当土中的冰转变为水时，体积收缩了，地表便发生融化下沉，简称融沉。在这两种现象的反复作用下，道路或房屋的基底就会出现破裂或者塌陷。二.冻土知识多年冻土可以说是世界上最为复杂的地基类型之一，其工程稳定性直接或间接地受到地层含冰量、地温、岩性、水文条件以及大气温度、微地形地貌、周边植被环境等诸多因素的影响。一般而言，多年冻土建筑物地基的设计原则可以归纳为三个：其一，保护冻土设计原则，使多年冻土地基在建设过程和建筑物营运的整个时期保持冻结状态；其二，允许融化设计原则，即设计时充分考虑多年冻土地基在营运过程中可能发生的融化程度，或者在建设开始前就采用人工手段，将多年冻土融至预定深度；第三，融化速率设计原则，即经过精确的计算，允许多年冻土地基在营运过程中按一定速率融化。目前，我们应用得最为广泛的一个方法是“保护冻土”。依照这一原则，不但可以克服冻土融化下沉的问题，而且充分利用了冻土材料强度高于融土的特性。三.青藏铁路的冻土问题1.确定高、低温多年冻土的界限。青藏公路的多年实践经验表明，如果某地区年平均地温高于-1.5℃,那么仅采用加高路基的方法是不能保证其稳定的，必须采取综合治理的方法来解决问题。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。而且铁路建筑是百年大计，必须充分考虑全球气候转暖的影响。IPCC发布的预测报告称，“全球表面温度预计在1990—2100年间升高1.4—5.8℃”。青藏高原更是全球气候变化的“启动器”和“放大器”，其升温将高于全球平均值。如果以青藏高原未来50年气温升高2℃来预测，对于多年冻土年平均地温为0—-0.5℃，-0.5—-1.0℃的极不稳定和不稳定地温带，特别是这些地温带中的高含冰量地段，多年冻土将会退化乃至消失，从而引起路基塌陷、桥基失稳。因此，高温冻土加温室效应，使青藏铁路的修筑面临着双重挑战。三.青藏铁路的冻土问题2.青藏铁路沿线地下冰的空间分布问题地下冰是产生冻融灾害或者不良冻土现象的根本因素，因而也是影响铁路路基稳定性的最大因素之一。地下冰集中地分布在多年冻土上限附近，修筑路基后极有可能引起多年冻土上限下降，其结果就会造成地下冰融化，导致路基下沉塌陷。地下冰不同的含冰状态还决定着冻土路基的工程性质：如少冰冻土、多冰冻土，无论在何种地温条件下均不会对冻土路基的稳定性产生较大的影响，但富冰、饱冰冻土和含土冰层，在高温多年冻土区就会对工程产生巨大的破坏。三.青藏铁路的冻土问题3.在路基稳定性方面冻融灾害问题即是不良冻土现象，包括以冻结过程为主的冻胀丘、冰锥、冰丘、延流冰等，以热融过程为主的热融湖塘、热融洼地、融冻泥流、融冻滑塌等。这些不良地质现象，当它们威胁到铁路安全运营和工程稳定性时，就会演变为一种工程灾害。特别是在高含冰量、高温多年冻土的斜坡地带，十分微弱的工程热扰动也可能引起冻土区斜坡稳定性的变化，从而导致铁路运营出现问题。四.青藏铁路冻土工程措施为了保护冻土铁路路基的稳定性，青藏铁路选用了“保护冻土”的原则进行设计。目前，保护多年冻土路基最常用的方法有：抬高路堤高度，或在路堤中铺设保温材料等。但是为了应对高温冻土和全球变暖的严峻挑战，必须改变以往一直沿用的消极被动保护冻土的措施，采用积极主动的保护冻土措施，即“冷却地基”的办法：减少传入地基土体的热量，以保护冻土的热稳定性为核心，达到保护路基工程和其他铁路工程结构物稳定的目的。目前，青藏铁路采用的主要措施为：抛石路堤、抛石护坡、热棒、保温材料等，或以上几种措施综合使用。四.青藏铁路冻土工程措施1.碎石（片石）护坡（或护道）措施。在路基一侧或两侧堆填碎石或片石，形成护坡或护道。碎石（片石）护坡空隙内的空气在一定温度梯度的作用下产生对流，寒季碎石（片石）内空气对流换热作用强烈，有利于地层散热，暖季碎石（片石）内空气对流作用减弱，对热量的传入产生屏蔽作用，从而增强了地层寒季的散热，减少了暖季的传热，达到了降低地温、保护冻土的效果。实测表明，厚度1.0—1.5米的碎石（片石）护坡都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，阳坡面厚度1.6米，阴坡面厚度0.8米，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。四.青藏铁路冻土工程措施2.通风管措施在路基内横向埋设水平通风管，冬季冷空气在管内对流，加强了路基填土的散热，降低基底地温，提高冻土的稳定性。青藏铁路使用钢筋混凝土管和PVC管。现场试验研究表明，通风管宜设置在路基下部，距地表不小于0.7米，其净距一般不超过1.0米，管径为0.3—0.4米。通风管的降温效果受管径、风向及管内积雪、积沙的影响，特别是夏季热空气在管内的对流对冻土有负面影响。为解决这一问题，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，以利冷空气进入管内；当外界气温高时风门关闭，以防热空气进入管内。四.青藏铁路冻土工程措施3.片石气冷措施片石气冷路基是在路基垫层之上设置一定厚度和空隙度的片石层，因片石层上下界面间存在温度梯度，引起片石层内空气的对流，热交换作用以对流为主导，利用高原冻土区负积温量值大于正积温量值的气候特点，加快了路基基底地层的散热，取得降低地温、保护冻土的效果。通过室内摸拟试验和试验段工程测试分析，探索出片石气冷路基的合理结构形式、设计参数和施工工艺。确定路基垫层厚度不小于0.3米，片石层设计厚度不小于1米，一般可在1.5米，粒径0.2—0.4米，强度不小于30兆帕，片石层上铺厚度不小于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加以应用。经三个冻融循环的观测分析，起到了降低路基基底地温和增加地层冷储量的作用，路基沉降变形明显减小并基本趋于稳定。这是主动降温、保护冻土的一种有效工程措施。四.青藏铁路冻土工程措施4.热棒措施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。当大气温度低于冻土地温时，热棒自动开始工作，当大气温度高于冻土地温，热棒自动停止工作，不会将大气中的热量带入地基。(热棒是一排排直径15cm、高约2m的铁棒，它是一种高效热导装置，具有独特的单向传热性能，热量只能从地面下端向地面上端传输，反向不能传输，可以说是一部不需动力的天然制冷机。专家称是冻土治理的“青霉素”•我们针对青藏铁路多年冻土特性，在工程实践中对采用热棒措施进行试验，研究了符合实际的热棒工作参数。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。四.青藏铁路冻土工程措施青藏铁路建设中采取了较多创造性地解决冻土施工难题的相应对策：对于不良冻土现象发育地段，线路尽量绕避；对于高温极不稳定冻土区的高含冰量地质，采取以桥代路的办法；在施工中采用热棒、片石通风路基、铺设保温板、遮阳篷结构等多项设施，提高冻土路基的稳定性，堪称集世界冻土工程措施于一身。谢谢！