1、青藏鐵路工程有關凍土問題及土工合成材料應用情況的介紹鐵道第一勘察設計院李成摘要大量的工程實踐表明,凍土區筑路遇到的主要問題是凍脹和融沉，在季節凍 土區主要問題是凍脹，而在多年凍土區主要問題是融沉。以保護多年凍土為原則，是 多年凍土區工程措施中應用最為廣泛的一種方法，它不但克服了凍土的融化下沉，而 且充分利用了凍土強度高于融土的特性。本文在闡明對青藏高原多年凍土環境認識 的基礎上，簡要地介紹了保護多年凍土的幾種工程方法，并對土工合成材料在青藏鐵 路的應用情況作了簡要的介紹。關鍵詞鐵路工程多年凍土土工合成材料應用概況青藏高原是世界上面積最大、海拔最高的高原，素有“世界屋脊”、“地球第三 極”之稱。

2、青藏線格爾木至拉薩段鐵路全長約1100km，其中要穿越550km的多年凍 土地段，全線線路海拔高程大于4000m地段約965km，在唐古拉山越嶺地段,鐵路最 高海拔為5072m，為世界鐵路海拔之最高。“高原”和“凍土”問題是修建青藏鐵路的 兩大難題。鐵路通過地區大部分為高原腹地，具有獨特的冰緣干寒氣候特征，寒冷、干旱，急 風暴雨、雷電等變化劇烈無常，四季不明，空氣稀薄、氣壓低,凍結期9月至次年4、5 月。昆侖山、可可西里、風火山、唐古拉等山區,年平均氣溫在-6C以下，青藏高原 腹地高平原區,年平均氣溫為-4-4.5C。該地區具有年較差小，而日較差大的特點，年 內日平均較差10 19C，極端日較

3、差35C。鐵路沿線大氣透明度良好,云量少，太陽直射強，總輻射量大,日照時數較大，為全 國輻射量最大的地區，由于高原風大，地表所獲輻射量的98.8%通過湍流交換以感熱 或潛熱的形式向大氣逸散，用于土壤增溫和凍土融化的熱量僅占1.2%,使得高原上近 地表氣溫并沒有顯著升高,而地下土層處于低溫狀態。自1956年鐵道第一勘察設計院對青藏線進行踏勘考察開始，格爾木至拉薩段的 勘測設計、科學研究斷斷續續,至今已40多年。其間對“高原”和“凍土”問題也進行 了大量的科學研究和試驗工作，創造了比較好的前期工作基礎。但是，在青藏高原多 年凍土地區修建鐵路畢竟是從未實踐過的新的技術領域，隨著幾十年來自然條件和 氣

4、候的變化，科學技術的發展，科研成果和工程實踐經驗的積累,人們對自然和凍土的 認識也在不斷加深。特別是現代科學技術水平的飛速發展及新材料、新工藝的不斷 出現，為防治各類工程凍害提供了新的手段。因此，青藏線格爾木至拉薩段鐵路的修 建具有很強的探索性和科研性。對青藏高原多年凍土環境的認識大量的工程實踐表明，凍土區筑路遇到的主要問題是凍脹和融沉,在季節凍土區 主要問題是凍脹，而在多年凍土區主要問題是融沉。以保護多年凍土為原則，是多年凍 土區工程措施中應用最為廣泛的一種方法，它不但克服了凍土的融化下沉，而且充分 利用了凍土強度高于融土的特性。青藏高原中、低緯度高海拔多年凍土不同于高緯度的多年凍土,它所具

5、有的獨 特的背景特征，使得高原多年凍土區環境對熱擾動比較敏感，因而具有相對的不穩定 性。青藏高原的多年凍土大多屬于高溫凍土，極易受工程的影響產生融化下沉。 IPCC在2001年的預測稱“全球表面溫度預計在19902100年間升高1.45.8C”。 國內學者曾在學術著作中指出:“考慮氣候的自然變化和人類活動造成的氣候變化兩 個方面的綜合影響,預測未來由于自然和人類的聯合作用，將可能造成西北與西南氣 溫有明顯變暖趨勢”廣到2050年，青藏高原可能明顯變暖約2.22.6C”。全球范圍內 階段性的氣溫升高將改變青藏高原多年凍土環境，如果升溫過程持續一個階段，土層 不同深度處的地溫值也將發生緩慢的變化，

6、從而引起多年凍土層垂直方向上地溫梯 度的改變，對某一地區而言,這改變有可能促使多年凍土層地溫從散熱型轉變為過渡 型甚至是吸熱型,凍土層的冷儲量將逐漸減少。對于跨越不同冰緣地貌單元的鐵路 建筑物而言，大范圍的氣溫變化所引起的多年凍土地溫值的改變，還將影響多年凍土 的平面分布，如融區擴大、大片多年凍土南北界的移動、穩定型多年凍土轉化為不 穩定型多年凍土等。因此，高溫凍土的不穩定性加之全球表面溫度變化，使得青藏高 原鐵路的修建面臨著嚴重的挑戰。長期的工程實踐表明，在低溫凍土區,增加路堤高度或鋪設保溫材料均可有效的 保護多年凍土，使多年凍土上限上升。但是，在高溫多年凍土區，修筑路基后改變了地 表與大氣

7、的熱交換條件,使多年凍土地溫重新進行熱平衡調整,增加路堤高度不但不 能使凍土上限上升，反而形成融化盤，若過高的增加路堤高度，由于吸熱面的增大和陰 陽坡的作用，又會造成融化盤的不對稱，而導致路基的不均勻沉降。若在路基中鋪設 保溫材料,由于它既可在夏季阻擋上部熱量傳入，但在冬季又能阻擋上部冷量傳入和 下部的熱量傳出，長期下去可能會在路基中形成熱量累積，致使多年凍土上限下降。 所以說，增加路堤高度或在路基中鋪設保溫材料保護地基凍土的方法均是被動消極 的，不足以或不可能完全消除凍土路基的融化下沉，尤其在全球氣溫升高的大趨勢下 更是如此。由于多年凍土的凍脹融沉特性，已有的公路凍土路基普遍存在嚴重的病 害

8、，凍結期路基不均勻凍脹,引起道路變形、裂縫，路面凹凸不平，融化期路面翻漿冒 泥、路肩滑塌和路面沉陷等，給凍土區的公路運營造成極大的困難。調查資料表明， 高原多年凍土區公路路基病害,80%以上是由于路基下部多年凍土的熱融沉陷引起 的。為了應對高溫凍土和全球變暖的嚴重挑戰,必須改變以往一直沿用的消極被動 保護凍土的辦法，采用積極主動保護凍土的工程措施，即冷卻地基的方法，研究開發新 的地溫調控原理和技術，采用能冷卻地基的新的路基結構形式，以確保路基工程的長 期穩定，是我們要在青藏鐵路工程建設中解決的關鍵技術問題。保護多年凍土的幾種工程方法從傳熱理論來講，調控輻射、對流和傳導均可有效的調控路基溫度場，

9、表現在工 程措施上有遮陽、改變路基表面顏色、通風、熱樁、填石路堤、變導熱系數材料、保 溫材料等等。目前青藏鐵路多年凍土區路堤結構形式大量采用的是片石通風路堤。片石通風 路堤、片石或碎石護坡路堤和片石護道路堤,是保護多年凍土路基工程有效的方 法。具有關資料介紹,塊石層在寒冷季節的當量導熱系數是溫暖季節的510倍甚至 更多，因此，塊石層可有效的提高路基下地基的蓄冷量，對多年凍土地基進行養護，效果 明顯優于導熱系數不隨溫度變化的各類保溫材料。塊石由于其孔隙大，空氣可在其 中自由流動或受迫流動，當溫暖季節表面受熱后，熱空氣上升，塊石中仍能維持較低溫 度，塊石中的對流換熱向上,因此傳入地基中的熱量較少;

10、寒冷季節時冷空氣沿孔隙下 滲,對流換熱向下，較多的冷量可傳入地基中;所以，綜合效果是冷量輸入大于熱量輸 入。另一方面,塊石體內以其較大的空隙和較強的自由對流，使得冬夏冷熱空氣由于 密度等差異，而不斷發生冷量交換和熱量屏蔽，其結果是有利于保護多年凍土,維持凍 土上限的熱平衡，保持路基下凍土上限位置不變或使其上升。總之，片石通風路基結構形式，是一種利用自然冷能保護多年凍土的工程措施，無 論是施工過程還是工程效果，都對凍土起到了一種保護作用。填土路基在凍土區取 土，無論離線路遠近,都是對多年凍土天然保護層大片的破壞，而片石取材于基巖裸露 或埋深較淺區段，對多年凍土環境破壞甚微，很好地起到了保護多年凍

11、土環境的作 用。3.2通風管路基通風管路基是一種積極保護凍土的工程措施，其工作原理是:在寒冷季節,冷空氣 有較大的密度，在自重和風的作用下,將埋置于路基土體通風管中的熱空氣擠出，并不 斷將周圍土體中的熱量帶走，達到保護地基土凍結狀態的目的。通風管路基的實際 應用效果,目前正處于試驗研究階段，據室內模型試驗研究結果:設有通風管路基模型 體的負溫溫度場的發展,要比不設通風管路基模型體的負溫溫度場的發展快得多，路 堤全斷面土體能夠迅速凍結，不會影響下部地基土體的熱狀況，甚至能引起進一步的 凍結,可以說通風管路基是一種有效的保護凍土的工程措施。3.3熱樁保護多年凍土路基熱樁是一種汽液兩相對流循環的熱導

12、系統。它實際上是一根密封的管，里面充 以工質，如:氨、氟里昂、丙烷、二氧化碳等。管的上端為冷凝器，由散熱片組成，下 端為蒸發器,中間為絕熱段。當冷凝器溫度低于蒸發器的溫度時，蒸發器中的液體工 質吸收熱量蒸發成氣體工質，在壓差作用下蒸汽上升至冷凝器，放出汽化潛熱,同時蒸 汽工質遇冷冷凝成液體，在重力作用下液體沿管壁回流至蒸發器再蒸發。如此往復 循環，將熱量傳出而吸收冷量。當蒸發器的溫度低于冷凝器溫度時，對流循環停止。 因此，熱樁可以將冷量傳遞貯存于地下，又可阻止熱量向下傳遞,是一種可控熱量傳遞 的高效熱導裝置。熱樁在處理多年凍土地基的穩定性方面有很好的應用價值，它不 但可降低土體的溫度，提高凍土

13、地基的承載力，而且可有效地防止地基融化下沉。青 藏高原年平均氣溫較低，產冷量大，熱樁的使用更具有優勢。3.4保溫材料在凍土路基中的應用用保溫材料保護凍土，就是在修筑路基時加鋪一層保溫材料，利用保溫材料的低 熱導性阻止上部熱量進入下部土層，從而起到保護凍土的作用。在多年凍土區筑路, 地表熱交換條件的改變所引起的路基內的熱積累會導致多年凍土上限的下降，當鋪 設保溫材料后，則可保持多年凍土上限一定的穩定性。但這種熱阻效應在阻止上部 熱量向下傳輸的同時，也阻止了寒冷季節多年凍土向外部的散熱,它可以改變進入多 年凍土的熱周轉量,但不能改善進出多年凍土熱平衡的趨勢。筑路后路基內通常呈 熱積累發展趨勢,因此

14、保溫材料層的效果也只是減弱熱積累的發展，而不能徹底扭轉 這種熱積累的發展趨勢。對于低溫凍土,保溫材料層或許可以維持多年凍土上限在 使用期內的穩定性,而對于高溫多年凍土，熱積累幾乎完全用于多年凍土的融化，即使 是少量的熱積累也可能使多年凍土發生逐年的融化，因此，高溫多年凍土區保溫材料 層只能起減緩多年凍土融化速率的作用。為了更好的保護高溫多年凍土路基的穩定性，我們是否可設想研制一種變導熱 性能結構的材料，即:在吸熱過程中，它具有絕熱材料的性能，從而阻止熱量向下部多 年凍土傳輸，而在回凍季節它具有導熱材料的特點，使其下部熱量充分向上部釋放。 這種體現單向導熱性能的材料，暫且稱之為熱半導體保溫材料。

15、從實際應用的角度 出發，該結構材料應具備造價低、便于施工安裝、易維護、使用壽命長等特點，如果 將這種結構材料成功地用于高溫多年凍土區的筑路工程，融化下沉等病害將有望得 到很好的解決。3.5用遮陽結構保護多年凍土路基工程目前，在青藏鐵路工程建設中還未使用遮陽結構。青藏高原地處中、低緯度、 高海拔地區，太陽輻射十分強烈，遮陽結構可以大量的減少太陽對路基工程的有效輻 射,降低其溫度,如在遮陽結構外表面涂上具有高反射性能的涂料，效果會更佳。青藏 高原現場試驗研究結果表明，在遮陽結構內地面平均溫度比遮陽結構外低出8C左右, 這意味著凍土上限會上升。因此，對于目前全球氣溫日益上升的情況下，在青藏高原 地區

16、工程建設中采用遮陽結構措施，可能會達到事半功倍的效果。3.6人工凍結技術人工凍結技術是將凍結管插入土中,利用制冷液在凍結管中循環使土層凍結。 冷液可選用鹽水或液氮。人工凍結方法類似于熱樁，所不同的是一個是人工制冷，一 個是利用自然冷能。人工制冷的優點是可以迅速使地基回凍以提高承載力,保持凍 土路基的穩定;缺點是造價偏高。保護多年凍土地基的目的是為了防止凍土退化，進 而導致路基下沉，一旦凍土路基發生了融化下沉等病害，用其它方法不能及時治理時， 人工凍結技術是一個很好的搶險措施。該技術在青藏鐵路工程建設中尚未應用。土工合成材料的應用4.1保溫材料在多年凍土區由于低路堤及路塹地段無法采用通風路基結構

17、形式,目前主要采 用了鋪設保溫材料保護凍土的辦法。保溫材料有聚氨酯板、聚苯乙烯板和擠塑式聚 苯乙烯板，即PU、EPS和XPS。有關測試結果表明,PU和EPS兩種材料保溫效果均較好,但兩種 材料的抗壓強度及變形對保溫效果影響很大,當施加荷載約50%強度時，變形量增大,導熱系數急劇增加，且卸載后變形基本不可恢復。XPS板的保溫性能、壓縮強度及 耐久性更為優良。土工格室的應用土工格室主要用于凍土沼澤、濕地地基處理以及熱融湖、塘路基工程。另外在 多年凍土區路基邊坡柔性保溫防護措施中，也采用了土工格室結構。就目前的試驗 分析結果表明，將土工格室這種材料用于多年凍土區是可行的。室內測試結果是:高 溫條件下

18、的材料強度比低溫條件下低很多，而負溫循環下的土工格室材料強度比常 溫條件下有較大幅度的提高，且伸長率降低很多，說明土工格室這種材料更耐低溫。土工格柵加筋土工格柵加筋層對防止路基縱向裂縫的產生、提高路基的整體性及不均勻沉降 有明顯的作用。在青藏鐵路多年凍土區高含冰量凍土較高路堤地段,均采用了這種 加筋措施予以加強。加筋路堤試驗初步測試結果表明，采用土工格柵的加筋路堤較 之非加筋路堤其變形要均勻，說明土工格柵加筋層對應力的均勻分布起到了一定的 作用。另外在多年凍土區路塹邊坡防護中,也采用了加筋土護坡結構,初步測試結果 顯示,在高寒區使用土工格柵加筋材料，凍融環境下的強度特性、其加筋護坡結構對 保護多年凍土和保持邊坡穩定性等方面，是能夠滿足使用要求的。4.4隔水、防水材料的應用路基土體的水熱狀況直接影響到下部多年凍土的熱狀況，路基及路基邊坡附近 積水可導致路基下面凍土上限的下移,進而影響路基的穩定。所以，多年凍土區路基 工程中防水材料的應用顯得尤為重要。目前用于青藏鐵路工程的隔水、防水材料主 要有二布一膜復合土工膜和SPRE改性聚乙烯防水板。復合土工膜主要用于沼澤、 濕地和熱融湖、塘地段的路基工程，以及多年凍土區路塹及基床處理等工程。前者 用于填土與滲水土之間的隔斷層,后者的作用是防止地表水下滲而造成路基工程的 融沉。另外在路基排水溝下部也鋪設了防滲復合土工膜。在多年凍土