中國怎樣破解青藏鐵路高原凍土這一世界性難題

出品：科普中國

製作：鐵流

監製：中國科學院計算機網路信息中心

青藏鐵路，作為聞名遐邇的世界級工程奇蹟，自通車以來，為西藏人民帶去了祖國的溫暖和問候，為西藏的經濟發展作出了巨大貢獻，為西藏與內地人員和物資的交流起到了關鍵性作用。

在黨的生日到來之際，青藏鐵路通車也將滿10周年。在此，鐵流回溯科研人員為解決高原凍土技術難題的研究歷程，闡述中國工程師攻克青藏鐵路凍土工程問題的艱辛與不易。

普通土壤的性質主要由其顆粒的礦物成分、密度和含水量決定，這些因素一旦確定，土的基本性質就基本穩定，土的性質多表現為靜態特性。而凍土的物理性質和工程性質則和普通土質有所不同——除了之前提到的因素外，還與土壤中含冰量和凍土的溫度狀態密切相關。

眾所周知，水的密度比冰要大，自然而然的，水在凝結成冰的過程中，體積會增大，加上水分會從未凍區向凍結鋒面遷移，並在凍結鋒面凍結成冰，使土的體積膨脹，而這種現象被稱為凍脹——這種凍脹所產生的張力非常大。據實驗，當溫度為-22℃時，其凍脹力值可達211.5MPa。更為糟糕的是，在自然條件下，由於土質條件、水分條件、凍結條件等的不同，土體的凍脹也是不均勻的，很容易使修築在凍土上的鐵路路基隨之發生形變。

凍脹

由於融土在凍結過程中的水分遷移、析冰、凍脹使土壤的體積增大，那麼反過來，在凍土融化過程中，土壤的體積就會變小，需要土壤顆粒去填充土壤融合後多出來的空間，這就會引起局部地面的向下運動，這種情況被稱為熱融沉陷。

雖然青藏高原的凍土層很多處於長年凍結狀態，但凍土層的狀態並非是一成不變的，由於受到太陽輻射熱年際變化和季節氣候變化的作用，形成了寒季凍結、暖季融化的活動層。而多年凍土活動層的寒、暖交替，以及凍土層的溫度變化會影響工程的正常開展。而路基修筑後，必然改變地表面的水熱交換條件，並引起基底土層壓縮等一系列變化，加上修建路基時有可能改變地表水和地下水的逕流條件，當排水措施不當時會產生路堤過水和堤側積水現象，其後果往往是由於水體的熱作用，使地下冰融化，路基下沉甚至發生突陷。

因此，多年凍土地區大多數路基病害都是由於凍土的凍脹、融沉等不良凍土現象引起的。以青藏公路為例，85%的路基病害是融沉造成的；15%為凍脹和翻漿所致；橋樑和涵洞的病害主要由凍脹引起；在高溫凍土區的路堤上，由於陰、陽坡下的融沉不同，因而在向陽面的公路左側產生縱向裂縫……

誠然，除了普遍存在的融沉和凍脹問題之外，多年凍土區還廣泛分布有各種不良凍土現象——冰椎和凍脹丘、融凍泥流和熱融滑塌、熱融湖塘和凍土濕地等也會對鐵路工程施工與運營維護造成巨大負面影響。

42年潛心研究攻克凍土難題

雖然在多年凍土區修築鐵路和公路已有百年以上的歷史，但回顧這些道路的運營情況，卻並不令人樂觀：

據1994年俄羅斯貝阿鐵路（第二條西伯利亞大鐵路，全長3500KM，通過多年凍土2500KM）的統計，該段鐵路病害率為27.7%；

俄羅斯在1996年對後貝加爾鐵路（第一條西伯利亞大鐵路，全長9446KM，穿越多年凍土2200KM）的調查表明，在運營了一百多年後，線路的病害率高達40.5%；

中國在青藏公路改建工程完成後，在1999年進行了一次調查，線路病害率達31.7%；

中國東北凍土區鐵路線路病害率也比較高，運營早期還發生過路基突然下沉的事故——1962年，牙林線潮烏段8KM處曾發生4小時內路基下沉1.4米，造成機車掉道的事故。

正因為凍土工程問題是一項世界性難題，為解決青藏鐵路建設的凍土工程問題，自1960年開始，鐵道第一勘察設計院、中鐵西北科學研究院、中國科學院寒區旱區環境與工程研究所等單位就著手在以風火山地區為中心的高原多年凍土區，開展長期、不間斷地對凍土區氣象、地溫、太陽輻射等項目的觀測研究，並進行了凍土熱學、力學性質試驗，積累了長達40餘年的不可替代的基礎數據資料，為青藏鐵路建設實踐提供經驗。

1960年，科研人員開始對凍土水熱變化規律和年變化層溫度、熱流以及凍土力學性質進行研究，為工程實踐提出了凍土工程分類及設計參數。至70年代，成功編撰《青藏高原多年凍土地區鐵路勘測設計細則》及7個技術附件，對將來青藏鐵路設計工作起到指導作用。

1975-1976風火山凍土觀測、科研基地

1974年，開始對青藏高原凍土基本特徵、分布特點，青藏鐵路沿線多年凍土融區類型，冷生現象分布規律與形成條件，各種凍土構造與含水量關係及其與凍土工程分類的聯繫進行研究。完成了青藏公路沿線1：600000的多年凍土分布圖。這些研究成果為青藏鐵路建設的勘察工作提供了可靠的技術資料。

1976年，設計並施工了長約483米的風火山厚層地下冰地段試驗路基，該試驗路基包括路塹、半路塹、零斷面、低路堤、高路堤、涵洞等設施，共劃分為23個試驗段。1997年，在原有試驗路基基礎上，結合氣候變化特點和氣溫發展趨勢，進行了遮擋式結構、片石通風結構的實驗，這些實驗對今後青藏鐵路的設計提供了寶貴的參考價值。

風火山試驗路基

2001年，鐵道第一勘察設計院、中國科學院寒區旱區環境與工程研究所和中鐵西北科學研究院配合施工單位，開展了試驗工程科學研究工作。試驗工程分為清水河高溫凍土路基試驗段、北麓河路基工程試驗段、沱沱河路基工程試驗段、安多路基試驗段以及昆崙山隧道、風火山隧道試驗段，其中共包含3大項、9大類、39個科研課題的試驗研究。這些課題的研究成果，為青藏鐵路的建設和運營提供可靠的技術保證。

2011年風火山多年凍土定位觀測站

七項措施守護「天路」

為了避免因融沉和凍脹等現象對路基造成損害，就必須依靠材料或結構增大熱阻，減少傳入地基多年凍土的熱量，冷卻地基凍土層，保持凍土地基的穩定，從而保證工程建築物的穩定。目前，在凍土區全線設計和施工中已經採用的主要措施有以下7種：

一是確定路基修築合理高度。這等於是給路基基底的凍土層覆蓋一層保溫層，防止太陽輻射和季節氣候變化對多年凍土層帶來的影響。至於路基的高度要根據當地的溫度變化情況來確定。

二是片石通風路堤結構。就是向路堤覆蓋碎石塊，千萬別小看了這些碎石，它們能起到熱調節作用——在暖季，由於熱空氣密度較小，因此熱量很難進入路基基地，而碎石頭之間的空氣流動和地表水蒸發後又能帶走熱量，可以起到熱屏蔽作用；在寒季，由於冷空氣密度較大，在自重和風的作用下將片石層中的熱空氣擠走，冷空氣更容易進入路基基底，因而能對凍土層起到保護作用。

清水河大橋段的片石通風路基

三是熱樁路基結構。熱樁是一種汽液對流循環的導熱系統，熱樁是一根密封的管子，裡面填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物質，管子的上段是冷凝器，下端為蒸發器，中間為絕熱段。當熱樁下端吸收熱量後，氨、氟利昂、丙烷等物質由液態轉化為氣態，然後上升至冷凝器，熱量通過冷凝器發散，氨、氟利昂、丙烷等物質再由氣態液化為液態，在重力的作用下流回熱樁下端，如此循環往複降低周圍凍土溫度，增加凍土本身的冷儲量，提高凍土熱穩定性，從而保證路基的穩定性。

清水河試驗段的熱樁

四是鋪設隔熱層的路基結構。鋪設隔熱層的路基結構是指在路基的底部或路基表面以下某一深度鋪設具有單嚮導熱能力的隔熱層，在不影響回凍季節冷氣進入凍土層的情況下，增大熱阻，減小自然熱源和人為熱源的熱量進入到凍土層內，防止多年凍土地基升溫和地下冰融化。

五是鋪設通風管路堤。通風管路堤是在堤身或路堤底部以上某高度橫向鋪設通風管，與路堤填築材料組成複合式通風路堤。由於空氣的導熱能力比土壤低，通風管路堤可以起到隔熱作用，減少熱量傳入地基凍土層。另外，通風管可以憑藉空氣流動使堤身散熱，特別是冬季冷空氣在通風管內流動，能有效地降低基底的地溫，增加基底的冷儲量，保護基底多年凍土，保證路基穩定。

通風管

六是以橋代路。在大溫差和高含冰量凍土區，採用傳統方式無法保證凍土熱穩定性和路基結構穩定性，則可採用混凝土灌注的方式打樁，穩定地基，並以橋代路。青藏鐵路多年凍土區共有這種橋樑62座合計50KM。誠然，在獲得高可靠性的同時，以橋代路方案的造價是傳統路基的數倍。

七是採用人工凍結技術。人工凍結技術是將凍結管插入土中，利用液氮等冷液在冷凍管中循環，使土壤凍結。人工冷凍技術能有效防止凍土退化，特別是一旦凍土路基發生融沉，人工冷凍技術不失為搶險救援的有效措施。

結語

青藏鐵路的建成通車，是華夏兒女數十年如一日拼搏工作之功勛，不僅對西藏經濟發展起到了重要貢獻，還對國防軍事有著重大意義。而中國鐵路人也憑藉著設計、建造、運營和維護青藏鐵路獲得的大量經驗積累和技術積累，使中國在高原凍土區的鐵路修建領域居於世界領先水平。

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