青藏铁路冻土施工Word文件下载.docx

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教育杂谈

多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱是青藏铁路建设中无法回避的三大难题，其中多年冻土尤为关键，是最难啃的一块骨头。

如今，青藏铁路即将全线通车试运营，这无疑表明，中国已解决了铁路穿越多年冻土地带的工程技术难题。

据了解，冻土在寒季就像冰一样冻结，随着温度的降低体积会发生膨胀，建在上面的路基和钢轨就会被“发胖”的冻土顶得凸起；

到了夏季，融化的冻土体积缩小，路基和钢轨又会随之凹下去。

冻土的冻结和融化反复交替地出现，路基就会翻浆、冒泥，钢轨会出现波浪形高低起伏，对铁路运营安全造成威胁。

据有关专家介绍，冻土虽然在加拿大、俄罗斯等国家也存在，但他们是属高纬度冻土，比较稳定。

而青藏铁路纬度低，海拔高，日照强烈，加上青藏高原构造运动频繁，且这里的多年冻土具有地温高、厚度薄等特点，其复杂性和独特性举世无双。

针对这种情况，青藏铁路有111公里线路铺设了一种特殊的路基，即在土路堤底部填筑一定厚度片石，上面再铺筑土层的路基。

这种多孔隙的片石层通风路基为国内首创。

它是效果较佳的保护冻土措施，好似散热排风扇，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用，能降低地基土温度0.5摄氏度以上。

全长11.7公里的青藏铁路清水河特大桥横架在可可西里冻土区，它是一种以桥代路的保护冻土措施，铁轨飞架而过可以不惊扰冻土。

青藏铁路中这种以桥代路桥梁达156.7公里，占多年冻土地段的四分之一。

据称，如此大规模采取以桥代路措施，在世界上也是首次。

此外，青藏铁路有的冻土路基两旁插有一排排直径约15厘米、高约2米的铁棒，这就是热棒。

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，反向不能传热，可以说是一种不需动力的天然制冷机，大规模使用热棒可以保持多年冻土处于良好冻结状态。

青藏铁路建设总指挥部指挥长黄弟福说，青藏铁路建设中创造性地采取了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。

因此，运行在青藏铁路上的列车时速将达120公里。

即将于7月1日试通车的青藏铁路格尔木至拉萨段，是目前全球穿越永久性冻土地带最长的高原铁路，这条铁路处于多年冻土区的线路长达550公里。

成套冻土工程措施

通过大量试验研究和理论分析，对冻土在外界条件下的变化过程及对路基变形的影响规律有了新的认识。

针对不同冻土条件，创新出一整套多年冻土工程措施：

（1）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。

（2）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。

深入研究碎石（片石）护坡和护道的作用机理，确定了能够保持或抬高多年冻土上限的最佳厚度和粒径。

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。

　　（3）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。

　　（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。

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。

　　（5）遮阳棚措施。

　　在路基上部或边坡设置遮阳棚，可有效减少太阳辐射对路基的影响，减少传入冻土地基的热量。

我们在风火山试验基础上，又在唐古拉山越岭地段设置了一处钢结构遮阳棚。

现场测试表明，遮阳棚效果明显，降低了路基基底的地温，提高了多年冻土的稳定性。

这种措施可在一定条件下使用。

　　（6）隔热保温措施。

　　当路基高度达不到最小设计高度时，为减少地表热量向地基传递，采用挤塑聚苯乙烯等隔热材料，可起到当量路基填土高度同样的保温效果。

实践表明，路基工程宜在地表以上0.5米处铺设隔热材料，铺设时间选择在寒季末为好。

隔热保温层在暖季减少了向地基传递的热量，但在冬季也减少了向地基传递的冷量，属于被动型保温措施。

所以，青藏铁路仅在低路堤和部分路堑采用。

　　（7）基底换填措施。

　　为避免和减轻多年冻土对路基稳定的影响，在挖方地段或填土厚度达不到最小设计高度的低路堤，基底采用了换填粗粒土措施，防止冻胀融沉，确保路基稳定。

当基底为高含冰量冻土层时，换填厚度为1.3—1.4倍天然上限深度。

为防止地表水下渗，换填时设置了复合土工膜防渗层。

　　（8）路基排水措施。

　　研究和实践都证明，水是冻土病害的最大根源。

排水不良将造成多年冻土路基严重病害。

青藏铁路设计统筹考虑了多年冻土区的防排水措施。

合理布设桥涵，设置挡水埝、排水沟、截水沟等工程，以保证排水畅通。

防止路基两侧积水造成冻融变形或引发不良冻土现象。

　　（9）合理路基高度措施。

　　在低温多年冻土区，路基设计高度应在合理范围内。

路基达到一定填筑高度后，在一定的气温、地温条件下多年冻土上限可以保持基本稳定。

但随着路基高度增加，边坡受热面增大，由边坡传入地基的热量增加，太高的路基不利于稳定。

根据不同的地温分区，多年冻土路基合理设计高度为2.5—5.0米。

若不能满足这个条件时，需采取其它工程措施。

　　（10）路桥过渡段措施。

　　为减少多年冻土区路桥过渡段的不均匀沉降，台后不小于20米范围内，按倒梯形分层填筑卵砾石土或碎砾石土，分层碾压夯实。

桥台基坑采用碎石分层填筑压实，其上填筑片石、碎石、碎石土。

经工程列车运营检测，没有发现明显的变形，路桥过渡段处于稳定状态。

　　（11）桥涵基础措施。

　　为减少桥梁工程施工对多年冻土的扰动，我们对冻土区桥梁钻孔灌注桩、钻孔打入桩和钻孔插入桩等三种桩基形式开展了现场对比试验。

钻孔打入桩在冻土层中打入困难，钻孔插入桩桩周围回填质量难以控制。

钻孔灌注桩具有承载力大、抗冻拔能力强的明确优点。

在使用旋挖钻机施工速度快、质量好、对冻土扰动小，因此在全线绝大多数非坚硬岩石地基的桥梁都采用了旋挖钻机成孔的灌注桩基础。

对涵洞工程进行研究比较后，选用了矩形拼装式钢筋混凝土结构。

这种涵洞采用明挖基坑拼装或混凝土基础，在寒季施工对冻土的热扰动小，基底冻土回冻时间短，易于控制施工质量。

　　在不宜修筑路基的厚层地下冰地段、不良冻土现象发育地段及地质复杂的高含冰量冻土地段，采取了修筑双柱式桥墩，以小跨度钢筋混凝土桥梁通过。

在550公里的多年冻土地段共修建桥梁120公里。

其作用有三：

减少对冻土的扰动，具有遮阳作用，可兼作动物通道。

沿线冻土区车站站房采用桩基架空方式，电力塔架采用了钻孔插入桩基础。

　　对不同设计方案研究比选，确定了合理的孔跨和桥式方案，采用钻孔灌注桩基础和双柱式桥墩，经过2—3个冻融循环的考验，证明效果良好，受到国内外冻土专家的很高评价。

　　（12）隧道结构措施。

　　在多年冻土区昆仑山、风火山隧道施工中，充分考虑冻融作用对隧道结构的影响，控制隧道开挖施工的环境温度，减少围岩冻融圈范围。

采用合理的衬砌断面形式和钢筋混凝土衬砌结构，设置隔热保温层，减少围岩的热交换，减轻冻胀作用对衬砌的影响。

按寒区隧道特点设置防排水系统，有效防止地下水的危害。

昆仑山、风火山隧道结构安全可靠。

　　针对不同特点的冻土地段综合采用以上工程措施，取得了良好效果。

经过3个冻融循环的沉降观测，多年冻土区地基冻土上限抬升0.5—1.0米以上，冻土路基下界面负积温增加，地温降低；

路基工后沉降量一般小于2厘米。

已建成的路基、桥涵和隧道工程结构稳定，没有出现明显的冻胀和融沉现象,铁路修建没有引发冻胀丘、热融滑塌等次生不良冻土地质灾害。

冻土地段线路平顺，安全可靠，货运列车在多年冻土区运行平稳，运行速度达到100公里/小时的设计速度。

冻土的相关知识

41:

18）

　　俗话说;

“冰冻三尺，非一日之寒。

”我国北方地区，冬季温度常在0℃以下，潮湿的土壤呈冻结状态，这种现象在气象学上称为冻土。

温度愈低且持续时间愈久，冻土层便愈厚。

根据埋入地面气象观测场中的冻土器内水柱冻结的部位和长度，可探测冻结层次的上限和下限深度。

我国冻土带主要分布在北纬30度以北的广大地区，此线以南几乎不见冻土。

西部川陕地区由于山脉地形屏障，北纬33度以南未出现过冻土现象。

冻土最深的地方是在大兴安岭北部、新疆和青藏高原，例如，内蒙古的二连浩特和新疆的乌恰都在300厘米以上，位于新疆天山腹地的和静县巴音布鲁克气象站，曾记录到439厘米的深度，是我国冻土记录中的冠军。

在高山或高原上的冻土，有些年份常延至盛夏才能融化，还有至9月份未化完的，新的一年的冻土过程又开始了。

大约在年平均气温低于—5C，便会有永冻土存在，青藏公路昆仑山北坡、西藏北部安多地区永久冻土层厚达80—100米;

山西省海拔2896米的五台山气象站1976年修建上山公路，在顶段一米深也有经夏不化的永冻土存在。

我国永冻土面积约有214.8万平方公里，主要集中在青藏高原和大小兴安岭地区。

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。

冬季冻土在冻结状态下像冰层，随着温度的降低会发生剧烈膨胀，而在夏季，冻土随着温度的升高又会融化，容易使道路路基发生沉降，因此，冻土容易对公路造成严重破坏。

采用热棒技术可以有效地阻止热量下传，从而保证多年冻土的热稳定性。

目前我国冻土研究已步入世界领先水平，青藏公路也成为世界上热棒用于公路冻土处治的第一条道路。

《长安大学》2004年

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多年冻土地区路基水热力场耦合效应研究

毛雪松 

【摘要】：

多年冻土地区路基的冻结过程是温度场、水分场及应力场相互作用的极其复杂的传热学、物理化学和力学的综合问题。

路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。

正确认识多年冻土的性质，预报路基热稳定状况，改善冻土中水、热分布，避免不均匀变形、纵向开裂等病害发生，是多年冻土道路建设和发展的需要。

本文从分析国内外温度场、水分场、应力场及其耦合效应的研究现状出发，针对传统温度场、水分场及应力场等单一场研究难以深入揭示路基冻胀病害规律，定量解释各种病害发生原因的局限性，进行了系统深入的研究并取得系列的研究成果。

1．针对多年冻土地区路基与一般路基的不同，在非稳态温度场控制方程的基础上建立了多年冻土地区伴有相变的路基非稳态温度场控制方程，采用Galerkin法求解伴有相变的路基非稳态温度场偏微分方程，在空间域内采用混合单元有限元网格划分，在时间域内用有限差分格式划分的混合解法进行温度场有限元分析。

2．应用冻土路基温度场室内大型模型试验模拟野外实际路基的状况，并利用多年冻土地区伴有相变的非稳态温度场控制力程进行模拟验算，进一步论证了温度场模型的正确性及采用室内大型模型试验模拟野外现场路基的可行性。

3．针对多年冻土路基中热流及温度分布将引起土体中水分运动参数及其土水势值发生变化的现象，基于传统土体水分等温模型，引进非等温扩散流方程，考虑温度差值形成的温度梯度也会造成水分流动及相变问题，建立冻土路基中水分迁移的有限元控制方程，应用有限元的数值解析方法研究水分迁移规律。

4．通过对室内土样试件温度场和水分场的动态观测，得出温度梯度是导致水分迁移产生的重要因素之一，并应用水热耦合模型对试件的温度场、水分场进行数值模拟，论证了在冻土路基水分迁移控制方程中引进温度梯度水分扩散率概念的合理性，验证了水热耦合数值模型的正确性。

5．根据冻土路基非稳态相变温度场控制方程及水分场迁移控制方程，在考虑第一类边界条件下，对青藏公路K3363+800段冻土路基的温度场、水分场进行了计算，并与实测值进行比较，进一步证明了水热耦合模型的正确性。

6．基于弹性理论建立了冻土路基变形场及应力场的二维数值计算模型，并应用有限元法求解路基土体冻结时变形场和应力场分布规律。

通过对土基范围内冻胀带对路基土体的应力场和变形场的研究，进一步分析了冻土路基破坏的机理。

在此基础上，分析了不同范围冻胀带对路基顶面变形场和应力场的影响，提出敏感冻胀带的范围及应力极值点产生的位置。

7．通过建立不同的融沉计算模型，进行冻土路基变形场及应力场二维数值计算，分析了路基表面的竖向及横向位移分布的规律、路中沿深度方向的竖向位移变化规律及路基表面横向应力分布规律。

8.应用冻土路基非稳态温度场的控制方程和冻土路基变形场的二维数值计算模型，对1月及12月路基温度场、应力场和变形场进行有限元计算，分析了温度场的动态变化对变形场分布规律的影响，及路基发生不均匀变形的原因。

9.借助冻土路基中水分迁移的有限元控制方程和冻土路基变形场及应力场的二维数值计算模型，对不同水分迁移造成的土体冻胀路基变形场和应力场进行了研究。

10.基于多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程及路基变形场和应力场的计算模型，提出了水热力三场祸合计算模型及三场祸合计算的流程。

并结合实体工程，进一步说明水热力三场的藕合过程，分析了1月10日.路基温度场、水分场及应力场相互作用影响的规律