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青藏铁路通车10周年:中国如何攻克冻土铁路工程难题

2019年07月12日 10:05来源:未知手机版

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青藏铁路,作为闻名遐迩的世界级工程奇迹,自通车以来,为西藏人民带去了祖国的温暖和问候,为西藏的经济发展作出了巨大贡献,为西藏与内地人员和物资的交流起到了关键性作用。 在党的生日到来之际,青藏铁路通车也将满10周年。在此,铁流回溯科研人员为解决高原冻土技术难题的研究历程,阐述中国工程师攻克青藏铁路冻土工程问题的艰辛与不易。 冻胀和融沉是路基病害的主要原因 普通土壤的性质主要由其颗粒的矿物成分、密度和含水量决定,这些因素一旦确定,土的基本性质就基本稳定,土的性质多表现为静态特性。而冻土的物理性质和工程性质则和普通土质有所不同——除了之前提到的因素外,还与土壤中含冰量和冻土的温度状态密切相关。 众所周知,水的密度比冰要大,自然而然的,水在凝结成冰的过程中,体积会增大,加上水分会从未冻区向冻结锋面迁移,并在冻结锋面冻结成冰,使土的体积膨胀,而这种现象被称为冻胀——这种冻胀所产生的张力非常大。据实验,当温度为-22℃时,其冻胀力值可达211.5MPa。更为糟糕的是,在自然条件下,由于土质条件、水分条件、冻结条件等的不同,土体的冻胀也是不均匀的,很容易使修筑在冻土上的铁路路基随之发生形变。 由于融土在冻结过程中的水分迁移、析冰、冻胀使土壤的体积增大,那么反过来,在冻土融化过程中,土壤的体积就会变小,需要土壤颗粒去填充土壤融合后多出来的空间,这就会引起局部地面的向下运动,这种情况被称为热融沉陷。 虽然青藏高原的冻土层很多处于长年冻结状态,但冻土层的状态并非是一成不变的,由于受到太阳辐射热年际变化和季节气候变化的作用,形成了寒季冻结、暖季融化的活动层。而多年冻土活动层的寒、暖交替,以及冻土层的温度变化会影响工程的正常开展。而路基修筑后,必然改变地表面的水热交换条件,并引起基底土层压缩等一系列变化,加上修建路基时有可能改变地表水和地下水的迳流条件,当排水措施不当时会产生路堤过水和堤侧积水现象,其后果往往是由于水体的热作用,使地下冰融化,路基下沉甚至发生突陷。 因此,多年冻土地区大多数路基病害都是由于冻土的冻胀、融沉等不良冻土现象引起的。以青藏公路为例,85%的路基病害是融沉造成的;15%为冻胀和翻浆所致;桥梁和涵洞的病害主要由冻胀引起;在高温冻土区的路堤上,由于阴、阳坡下的融沉不同,因而在向阳面的公路左侧产生纵向裂缝…… 诚然,除了普遍存在的融沉和冻胀问题之外,多年冻土区还广泛分布有各种不良冻土现象——冰椎和冻胀丘、融冻泥流和热融滑塌、热融湖塘和冻土湿地等也会对铁路工程施工与运营维护造成巨大负面影响。 42年潜心研究攻克冻土难题 虽然在多年冻土区修筑铁路和公路已有百年以上的历史,但回顾这些道路的运营情况,却并不令人乐观: 据1994年俄罗斯贝阿铁路(第二条西伯利亚大铁路,全长3500KM,通过多年冻土2500KM)的统计,该段铁路病害率为27.7%; 俄罗斯在1996年对后贝加尔铁路(第一条西伯利亚大铁路,全长9446KM,穿越多年冻土2200KM)的调查表明,在运营了一百多年后,线路的病害率高达40.5%; 中国在青藏公路改建工程完成后,在1999年进行了一次调查,线路病害率达31.7%; 中国东北冻土区铁路线路病害率也比较高,运营早期还发生过路基突然下沉的事故——1962年,牙林线潮乌段8KM处曾发生4小时内路基下沉1.4米,造成机车掉道的事故。 正因为冻土工程问题是一项世界性难题,为解决青藏铁路建设的冻土工程问题,自1960年开始,铁道第一勘察设计院、中铁西北科学研究院、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所等单位就着手在以风火山地区为中心的高原多年冻土区,开展长期、不间断地对冻土区气象、地温、太阳辐射等项目的观测研究,并进行了冻土热学、力学性质试验,积累了长达40余年的不可替代的基础数据资料,为青藏铁路建设实践提供经验。 1960年,科研人员开始对冻土水热变化规律和年变化层温度、热流以及冻土力学性质进行研究,为工程实践提出了冻土工程分类及设计参数。至70年代,成功编撰《青藏高原多年冻土地区铁路勘测设计细则》及7个技术附件,对将来青藏铁路设计工作起到指导作用。

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