青藏铁路关于冻土问题综述

青藏铁路关于冻土问题综述
关于青藏铁路冻土问题综述
摘要：冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。

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（又称永久冻土，指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层）。

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。

正由于这些特征，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。

随着气候变暖，冻土在不断退化。

本文主要概述在修筑青藏铁路过程中的冻土问题和解决方法。

引言:青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原冻土铁路，建设中的青藏铁路格拉
段全长1142km，新建1110km，穿越连续多年冻土地区约550km，岛状冻土区82km，全
部在海拔4000m以上。

受多年冻土的工程特性决定，青藏铁路建设面临的核心技术难题之一在于如何在高温、高含冰量多年冻土地基上修筑稳定的线路。

一、青藏铁路沿线的冻土特征
青藏高原冻土区是北半球中、低纬度地带海拔最高、分布面积最广、厚度最大的冻土区，北起昆仑山，南至喜马拉雅山，西抵国界，东达横断山脉西部、巴颜喀拉山和阿尼马卿山东南部，冻土面积为141万平方公里，我国领土面积的14.6%。

青藏高原的腹部分布着大片多年冻土、周边为岛状多年冻土及季节冻土。

青藏高原多年冻土的生存、发育和分布主要受到地势海拔的控制，导致青藏高原冻土发育的差异性，因而它不单一地服从纬度地带性的一般规律，而且随着地势向四周地区倾斜形成闭合的环状。

马辉等人将青藏铁路沿线的冻土根据地形地貌及工程地质特点，自南向北划分为15个单元[1]：
(1) 西大滩断陷谷地,冻土类型为少冰冻土及多冰冻土,融沉系数小,属于弱融沉
性。

(2) 昆仑山中高山区 ,冻土分布为整体状,厚度60 ~ 120m,年平均地温为- 2.0 ~- 4.0℃ ,天然上限1.5~ 2.5m。

高含冰量地段占冻土段长的62.4% ,无厚层地下冰存在,大部地区也无层状冰。

(3) 楚玛尔河高平原,冻土分布以网状组构为主,厚度15 ~ 40m,年平均地温为–0.5 ~ -2.0℃ ,天然上限2.0 ~ 5.0m,在清水河地区发现有尚不衔接的多年冻土。

(4)可可西里区,冻土分布以层状、斑状组构为主,高含冰量地段占冻土段75.1% 。

(5) 北麓河盆地,冻土分布以层状、网状结构为主,高含冰量地段占冻土段全长的
15 .7%。

(6) 风火山山区,冻土分布以层状组构为主,冻土厚度变化幅度大,厚层地下冰发育, 高含冰量地段占冻土段全长的 42.8% 。

(7) 尺曲谷地,以低含冰量冻土为主,冻土不良地质现象分布较少。

(8) 乌丽盆地,该段地层以粗颗粒土为主,融区所占比重近90%,以高含冰量冻土为主。

（9）乌丽山区，该段主要为乌丽山低高山区,海拔4500 ~4700m,山坡沟壑发育,切
割较深,山顶平缓,岸坡陡, 基岩裸露, 植被稀疏。

(10) 沱沱河盆地，以岛状多年冻土与融区相间分布,多年冻土主要分布在沱沱河南北两岸低洼谷地内。

(11) 开心岭山区，该段融区与多年冻土相间分布, 融区主要分布于开心岭低缓丘陵, 冻土主要分布于沟谷及山间洼地。

（12）通天河盆地，该段多年冻土层厚20 ~ 40m, 天然上限1.5 ~ 3.0m, 以高温高含冰量冻土为主。

(13) 布曲河谷地，为高温高含冰量多年冻土段。

（14）温泉断陷盆地，多年冻土和融区相间分布, 融区主要为河流融区和构造融区, 冻土厚度为5 ~ 20m, 天然上限为2 ~ 3m,无厚层地下冰分布。

(15) 唐古拉山山区及山间盆地安多谷地岛状多年冻土区年平均地温高于–0.5℃ , 冻土厚度为5 ~ 20m, 天然上限为3 ~ 5m。

从中可见青藏铁路周围冻土区域之复杂多变。

二、温度对青藏高原冻土的影响
温度对青藏高原冻土的影响主要表现在冻土退化。

[7]
冻土退化是指从广义上讲, 凡是出现不利于多年冻土保存的状况均可称为多年冻
土退化, 其一般过程表现为地温升高→活动层加厚→厚度减小→多年冻结层消失→融土。

从狭义来讲, 多年冻土退化仅指多年冻结层的消融和消失。

青藏高原多年冻土的消失比例可能达58%这类成果多来自多年冻土现状统计、表达
其静态分布的模型, 是基于经过足够长时间多年冻土与新的气候条件达到平衡下的假设, 没有考虑多年冻土变化的动态过程。

就青藏高原来说, 多年冻土下界附近的冻土地温高、厚度薄. 随着海拔高度升高, 多年冻土厚度增加、地温降低. 多年冻土下界向海拔升高方向的冻土状态空间展布规
律对应了一定时间尺度内冻土演化的历史进程, 可以称之为“多年冻土的时空对应原则。

再考虑到青藏高原季节性冻土的分布特征[2]。

在青藏高原大部分地区季节性冻土
变化的动力学结构是一致的，即高原中北部地区季节性冻土冻结深度的变化是一致的，冻结深度处于同时冻结较深或较浅的状态。

这种情况与高原地区的气候变化基本上都是受同一个系统控制是一致的。

青藏高原季节性冻土总体上呈现下降趋势，在1980年代中期有一次均值突变，在80年代中期以前的冬季平均冻结深度在93cm左右，在80年代中期以后的冬季平均冻结深度下降了10cm左右。

由上可知，冻土区不仅具有复杂性，同时还有多变性问题。

这些复杂多样的冻土问题成为了建设青藏铁路重重难题。

三、青藏铁路多年冻土区段的基本建设原则
影响多年冻土地区路基的强度和稳定性的因素，除了常规地区的地质、地形、土质和水分这四大因素外，还介入了一个关键因素——温度。

温度的介入，改变了路基强度与稳定性评价的常规概念，凸显了多年冻土地区路基设计、施工与养护的特殊性。

在冻土区筑路，需着重解决基于环境温度、地温所引发的3大问题:1)在一定的气候环境条件下，路基及地基的水热输运变化过程；2)路基的变形特征、过程及其引发原因；3)路基的纵向连接、过渡与横向的断面形式及相关几何尺寸(厚度、高度)、位置的确定。

这3
大问题既是路基设计所必须研究解决的理论与技术问题，也是确定路基设计原则的重要依据。

青藏铁路沿线的多年冻土中以高温冻土居多，而且含冰量较大。

青藏铁路高原多年冻土区的工程设计遵循了以下三大基本原则[3]（单独应用或综合考虑）：原则一:保持冻土处于冻结状态（保护冻土原则）。

原则二:控制多年冻土逐渐融化或局部融化（控制融化原则）。

原则三:预先融化或清除多年冻土（破坏冻土原则）。

冻土路基施工前要求认真对照冻土路基施工设计[4]，核实当地年平均地温；核查沿线冻土类型和上下限，地表水源、地下水及热融(湖、塘)、冰丘、冰椎等不良地质情况。

发现地质与设计不符必须参照冻土路基的设计、施工原则提请变更。

冻土学家经过长期研究发现:与俄罗斯西伯利亚、美国阿拉斯加多年冻土有很大不同，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。

因而青藏铁路冻土路基工程大多采取按“保护冻土”的原则进行设计。

依照这一原则，不仅能够有效克服冻土融化下沉的问题，而且充分利用了冻土自身的强度，这种设计理念主要是由冻土的工程性质所决定的。

四、按“保护冻土”原则的冻土路基设计[4]
多年冻土路基施工必须充分把握冻土的工程性质，工前认真对照冻土路基施工设计，核实当地年平均地温；核查沿线冻土类型和上下限，地表水源、地下水、厚层地下冰、冰椎等不良地质情况。

发现异
常必须迅速上报，提请变更或采取特殊设计。

施工季节、施工时段对多年冻土路基施工的影响很大，施工过程中通过优选施工季节，细化施工工艺减少对冻土的扰动。

通过设置遮阳、回冻等保温措施减少工作面蓄热；通过换填粗颗粒土；设置支挡结构，合理布设排水措施缩小冻土融化沉降范围，使冻土经历冬冻、春融轮回过程重建新的热量平衡系统。

高含冰量冻土路基通过采用片石通风路堤、通风管路堤、片(碎)石保温护道等主动性措施，实现了“保护冻土原则”的设计理念，青藏铁路全线广泛应用该项技术成果，社会、经济效益显著。

多年冻土路基工程防护措施和运营养护维修的出发点都是围绕着上述设计原则进行。

青藏铁路开工建设期间，对高温、高含冰量多年冻土区路基采用了片石气冷路基、热棒路基、片(碎)石护坡(道)、通风管、遮阳棚等主动保护多年冻土措施的路基工程，采用了保温材料、路基合理高度等被动保护多年冻土措施的路基工程。

五、冻土变化对冻土路基工程状态的影响[6]
1、对路基断面的观测及其变形的特点
青藏高原多年冻土区铁路路基的冻胀、融沉变形主要与多年冻土的构造类型、多年冻土的工程地质条件、路基施工的质量以及路基所在地区的太阳辐射等条件有关。

从2006年1月至2009年12月底，通过对66个观测断面进行变形观测和和3个气象站的气象监测，在对大量数据进行分析处理后，青藏高原多年冻土地区铁路路基的沉降表现归纳为下列3个特点。

(1)青藏铁路路基在每一个冻融循环后，路基整体变形稳定性较好。

(2)多年冻土地区铁路路基的变形分为冻胀、融沉两部分，冻土路基变形表现为融沉冻胀循环，路基变形趋势以融沉为主。

(3)多年冻土地区铁路阴阳面较为明显的路基，其横断面上的变形会表现出左右不均匀。

2、路基变形结论
通过长期监测系统对青藏铁路沿线气候、路基地温、路基变形、冻土条件和工程水热变化等进行长期、系统、连续监测，进行综合分
析，可得出以下结论。

(1)青藏铁路多年冻土区铁路路基左右路肩变形量不同，具有一定的不均匀性，主要原因是路基两侧所接受的太阳辐射和水文条件较大差异所造成的。

(2)青藏铁路多年冻土区路基变形主要由冻胀和融沉两部分组成，每年12月份到次年1月份之间，冻土路基以冻胀变形为主；每年4月到7月底之间，冻土路基以融沉为主；其他时间，路基的变形处于融沉和冻胀变形的转变期，但路基变形整体趋势以融沉为主。

(3)青藏铁路多年冻土区路基变形主要与土体年平均地温、冻土工程地质条件密切相关，路基的变形主要发生于高温高含冰量路段，土体含冰量与融化下沉变形量呈等比关系。

参考文献
[1]马辉，刘建坤，张弥，郭大华.青藏铁路建设中的冻土工程问题及其应对措施[J].土木工程学报，2006(2).
[2]高荣，董文杰，韦志刚.青藏高原季节性冻土的时空分布特征[J].冰川冻土，2008(5).
[3]王运诗.青藏铁路多年冻土区路基设计原则与施工[J].安徽建筑，2009(2).
[4]陈家忠.多年冻土路基施工技术[J].铁道建筑技术，2008(S1).
[5]黄弟福，赵世运，张鲁新，等.青藏铁路建设和冻土技术问题[J].冰川冻土，2005(1).
[6]董昶宏；赵相卿；.青藏铁路多年冻土区路基变形特征及影响因素分析[J].铁道标准设计，2013(6).
[7]吴吉春, 盛煜, 吴青柏, 温智青藏高原多年冻土退化过程及方式中国科学D辑:地球科学，2009.
小组分工
课堂演示：赵彤
综述：张君维
PPT制作：范雯雯
资料收集：张君维范雯雯赵彤。