青藏铁路建设中冻土工程结构稳定性研究

一、研究科学意义和国家需求　　青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原，地理位置独特，自然环境恶劣，地质条件复杂，素有“世界屋脊”、“地球第三极”之称。青藏铁路格拉段将穿越约547km多年冻土地段，全线线路海拔高程大于4000m地段约960km，在唐古拉山越岭地段，线路最高海拔为5072m，为世界铁路海拔之最。“高原”和“冻土”问题是本线的两大难题，其特殊性和复杂性在世界上独一无二。
　　在青藏高原多年冻土地区建设铁路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、科学技术的飞速发展、科研成果和工程实践经验的积累，我们对自然和冻土的认识也在不断的加深。七十年代以前我们认为高原冻土是发育的，而目前现状是随着全球气温升高，高原冻土呈退缩趋势；七十年代以前研究重点侧重于冻土腹部地带的高含冰量冻土，但青藏公路整治的情况表明，冻土区边缘地带及高温冻土地带各类工程病害多于低温冻土地带；过去确定一个路基临界高度来涵盖全线，现在看来必须按不同地温分区、土质及气候条件来考虑路基合理高度；现代科学技术水平的发展及新材料、新工艺的不断出现，为防治各类工程冻害提供了新的手段，有必要对其进行应用研究。所以青藏线格拉段的修建仍带有很强的探索性、科研性，为了尽快取得高原多年冻土区铁路设计、施工经验，先行试验段的建设具有不可替代的重要意义。“高原多年冻土区试验工程”也充分体现了我们在高原多年冻土区的设计思想，是设计原则的检验，其各阶段的观测结果将分别是指导、调整设计和施工的依据，实现青藏线格拉段铁路的动态设计和施工。
　　二、立项科学依据
　　青藏铁路修筑的两大关键问题：高原和冻土。青藏铁路成功的关键在于路基工程，而路基工程的关键在冻土，冻土作为一个极为重要的关键因素，必须进行深入的研究，以此来保证青藏铁路工程的顺利实施和正常高速运营。
　　青藏铁路路基稳定性要求。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，水分产生迁移并具有相变变化特征，因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征，并具有融化下沉性和冻胀性。这些特性造成了冻土区修筑工程构筑物时，面临的两大工程问题：冻胀和融沉。路基、桥涵、隧道等都会受到这两大工程问题的困扰。从路基角度来讲，影响路基稳定性的核心问题是多年冻土年平均地温分区。多年青藏公路实践经验表明，在多年冻土年平均地温高于-1.5℃， 多年冻土路基仅采用加高路基的方法是不能保证路基稳定的，必须采取综合治理的方法来解决该问题，而低于-1.5℃采用加高路基方法就可保证路基稳定。另一个极为重要的核心问题是青藏铁路地下冰空间分布问题。青藏公路的长期研究和实践经验表明，地下冰是影响冻土路基稳定的最为重要的影响之一，是产生冻融灾害或者不良冻土现象的根本问题。地下冰最为集中分布在多年冻土上限附近，修筑路堤后引起多年冻土上限变化，其结果就会造成地下冰融化，导致路基产生融化下沉破坏。对于桥涵、路堑、高边坡等工程 建筑物，高含冰量冻土的影响的极为关键的问题。
　　多年冻土区工程一般采取保护冻土、控制融化速率和允许融化三种设计原则，青藏铁路试验工程基本考虑了上述三种设计原则，这些设计原则合理性必须通过工程实践来验证。在低温多年冻土区，采用保护冻土原则，必须通过路基稳定性变化验证路基合理高度的设计标准和依据。控制融化速率的工程结构措施更是须经工程实践的检验，才能推广使用。因此根据不同的地层、地温条件和冻土类型确定具有典型性的试验工程地段，针对设计、施工中急需解决的关键技术问题组织试验研究，对可能采用的新结构、新材料和新工艺进行验证性试验研究，检验其在青藏高原多年冻土区的适应性和可靠性。
　　三、国内外研究概况及发展趋势
　　由于青藏高原特殊的自然地理环境和高原多年冻土冻融灾害问题， 使寒区工程修建具有复杂性和困难性。特别是青藏铁路修建正在面临着冻土环境与工程间的相互作用问题。尽管如此，世界上在多年冻土地区仍修筑了很多铁路干线。俄罗斯曾在西伯利亚多年冻土地区修筑铁路工程。本世纪20-30年代，俄罗斯在多年冻土地区修筑铁路，60-70年代达到高潮，1800公里以上的铁路干线有七条。其中最著名的是第一条横贯西伯利亚大铁路。它是世界上最长的连贯铁路，全长9446公里。从莫斯科到符拉迪沃斯托克，此线跨越多年冻土区2200公里以上。70年代末期建成的新西伯利亚铁路则通过多年冻土带3400公里以上。目前正在修建向北延伸的二条铁路，几乎全部是在多年冻土地区。北美国家在Manitoba 和Quebec多年冻土地区建立了干线， 开发Lynn湖及Schefferville的矿业，并且保持Churchill港与南方铁路联系。加拿大有三条铁路干线由南向北穿越冻土带，运行历史有20年。
　　我国在大小兴安岭地区：主要干线是牙林线和嫩林线穿越的多年冻土共有800公里左右。西北地区有两条铁路干线正在运营，其一是青海海西热水煤矿专线，其二是穿越天山的南疆铁路工程。应该说在多年冻土地区修筑铁路工程由许多可以借鉴的设计和施工经验，但在高原多年冻土区修筑铁路是首次。青藏高原多年冻土地处中、低纬度、高海拔地区，与中、高纬度、低海拔多年冻土相比，具有多年冻土厚度薄、地温高和太阳辐射强等特点，这些特点导致了高原多年冻土变化的特殊性，因此，存在很多冻土问题需要我们去研究。
　　为了早日推进青藏铁路项目的立项，于1998年中科院兰州冰川冻土研究所积极主动地配合铁道部门进行了青藏铁路预可研工作，在此阶段的主要核心问题是回答在不稳定的高原冻土环境下是否能成功的修建铁路？通过分析总结我们40多年来，特别是近20年来的关于青藏高原多年冻土工程问题的研究成果，明确回答了修建青藏铁路的可行性问题，指出了铁路修建的关键核心问题是高温多年冻土地区（100多公里）路基稳定性问题，并给出了解决此问题的途径，为青藏铁路的正式立项奠定了良好的基础。提供了高原多年冻土区青藏铁路冻土工程及其环境变化预测；提供了工程设计中冻土设计参数的综合评价；提供了青藏铁路建设中的雪害防治技术；提供了国内外多年冻土区铁路工程修筑的情况与现状报告。
　　为了建设“高水平的环保青藏铁路”，中科院寒区旱区环境与工程研究所在整理分析现有冻土工程科研成果的基础上，以创新工程为依托，紧密围绕青藏铁路修建中尚待解决的重大技术问题进行积极的准备，并于2000年初起开展了新技术、新材料、工程对策、工程模拟等研究，以满足工程设计和施工的急需。目前已开展的主要科研项目有：进藏公路铁路典型路段工程灾害成因及其减灾理论与技术研究、工程技术影响下高原多年冻土环境变化预报模式、多年冻土区抛石路堤实验研究、可变导热性能结构材料研究、冻土路基冻胀融沉预报与复合地基优化设计、高原多年冻土不稳定地段路基边坡稳定性研究和寒区隧道工程衬砌结构理论与路基稳定性试验研究等。这些科研项目的实施，将会对青藏铁路的建设起到重要的作用。同时也为此项目的进行奠定了良好的基础。