国内外冻土现状及改善方法

国内外冻土现状及改善方法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）。地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。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。基本介绍冻土分布于高纬地带和高山垂直带上部，其中冰沼土广泛分布于北极圈以北的北冰洋沿岸地区，包括欧亚大陆和北美大陆的极北部分和北冰洋的许多岛屿，在这些地区的冰沼土东西延展呈带状分布，在南美洲无冰盖处亦有一些分布。据估计，冰沼土的总面积约590万平方公里，占陆地总面积的5.5%。在前苏联境内，各种冰沼土的总面积为1688000平方公里，占前苏联国土面积的7.6%，占世界冰沼土面积的28.6%。由于人类活动大多集中在温暖地区或低海拔平原地带，所以对于冻土的认识不是很多，但是随着人类活动空间的扩大以及对资源需求的增多，人类逐渐将目光投向了太空、海洋和寒冷的极区。如近四、五十年来，美国、英国、加拿大等国为解决能源危机，加紧开发北极和北极近海的石油和天然气。但是包括多年冻土在内的寒区有着自己独特的环境特性，它是一个很脆弱的环境体系，一旦遭到破坏就无法挽回。恩格斯说过，“我们不要过分陶醉在我们对自然的胜利。对每一次这样的胜利，自然界都报复了我们”。对自然的开发必须以了解、服从自然发展规律为前提，只有这样我们才能给生活在寒区的人们和子孙后代留下一个没有伤疤的地球！中国冻土分布分布中国多年冻土又可分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土，前者分布在东北地区，后者分布在西部高山高原及东部一些较高山地（如大兴安岭南端的黄岗梁山地、长白山、五台山、太白山）。①东北冻土区为欧亚大陆冻土区的南部地带，冻土分布具有明显的纬度地带性规律，自北而南，分布的面积减少。本区有宽阔的岛状冻土区（南北宽200～400公里），其热状态很不稳定，对外界环境因素改变极为敏感。东北冻土区的自然地理南界变化在北纬46°36'～49°24'，是以年均温0℃等值线为轴线摆动于0℃和±1℃等值线之间的一条线。②在西部高山高原和东部一些山地，一定的海拔高度以上（即多年冻土分布下界）方有多年冻土出现。冻土分布具有垂直分带规律，如祁连山热水地区海拔3480米出现岛状冻土带，3780米以上出现连续冻土带；前者在青藏公路上的昆仑山上分布于海拔4200米左右，后者则分布于4350米左右。青藏高原冻土区是世界中、低纬度地带海拔最高（平均4000米以上）、面积最大（超过100万平方公里）的冻土区，其分布范围北起昆仑山，南至喜马拉雅山，西抵国界，东缘至横断山脉西部、巴颜喀拉山和阿尼马卿山东南部。在上述范围内有大片连续的多年冻土和岛状多年冻土。在青藏高原地势西北高、东南低，年均温和降水分布西、北低，东、南高的总格局影响下，冻土分布面积由北和西北向南和东南方向减少。高原冻土最发育的地区在昆仑山至唐古拉山南区间，本区除大河湖融区和构造地热融区外，多年冻土基本呈连续分布。往南到喜马拉雅山为岛状冻土区，仅藏南谷地出现季节冻土区。中国高海拔多年冻土分布也表现出一定的纬向和经向的变化规律。冻土分布下界值随纬度降低而升高。二者呈直线相关。冻土分布下界值中国境内南北最大相差达3000米，除阿尔泰山和天山西部积雪很厚的地区外，下界处年均温由北而南逐渐降低（由-3～-2℃以下）。西部冻土下界比雪线低1000~1100米，其差值随纬度降低而减小。东部山地冻土下界比同纬度的西部高山一般低1150～1300米。[3]世界冻土分布全球冻土的分布，具有明显的纬度和垂直地带性规律。自高纬度向中纬度，多年冻土埋深逐渐增加，厚度不断减小，年平均地温相应升高，由连续多年冻土带过渡为不连续多年冻土带、季节冻土带。极地区域冻土出露地表，厚达千米以上，年平均地温-15℃；到北纬60°附近，冻土厚度百米左右，地温升至-3℃～-5℃；至北纬约48°（冻土分布南界），冻土厚仅数米，地温接近0℃（图6－18）。在我国东北和青藏高原地区，纬度相距一度，冻土厚度相差10～20米，年平均地温差0.5℃～1.5℃。冻土是指地表至100厘米范围内有永冻土壤温度状况，地表具多边形土或石环等冻融蠕动形态特征的土壤。本土纲相当于美国土壤系统分类的新成土纲（Entisol）、始成土纲（Inceptisol）、有机土纲（Histosol），联合国土壤分类的始成土（Cambisols）、潜育土（Gleysols）、粗骨土（Regosols）、有机土。它包括的土类有冰沼土（冰潜育土）和冻漠土。冰沼土相当于美国系统分类中新成土纲的永冻性的冷冻正常新成土（PergelicCryorthent）和始成土纲的冷冻潮湿始成土（Cryaquepts），有机土纲中部分冷冻有机土。联合国土壤分类中始成土的冰冻始成土（Geliccambisols）、潜育土中的冰冻潜育土（Gelicgleysols）、粗骨土纲中的冰冻粗骨土（Gelicregosols）、有机土纲（Histosols）中的冰冻有机土（Gelichistosols），所不同的是联合国分类是指在2米深度内有永冻层。而冻漠土在美国、联合国分类中还没有相应的土类。而与美国分类的干旱土和联合国分类的钙质土或石膏土有某些近似。在世界各地的高山，如南美安第斯山，新西兰南阿尔卑斯山等亦有分布。中国工程青藏铁路，被誉为“天路”，是实施西部大开发战略的标志性工程，是中国新世纪四大工程之一。它东起青海西宁市，南至西藏拉萨市，全长1956公里。其中西宁至格尔木段814公里已于1979年铺通，1984年投入运营。青藏铁路格拉段东起青海格尔木，西至西藏拉萨，全长1142公里，其中新建线路1110公里，于2001年6月29日正式开工。途经纳赤台、五道梁、沱沱河、雁石坪，翻越唐古拉山，再经西藏自治区安多、那曲、当雄、羊八井到拉萨。其中海拔4000米以上的路段960公里，多年冻土地段550公里，翻越唐古拉山的铁路最高点海拔5072米，是世界上海拔最高、在冻土上路程最长、克服了世界级困难的高原铁路。青藏线大部分线路处于高海拔地区和“无人区”，要克服多年冻土、高原缺氧、生态脆弱，天气恶劣四大难题。2005年10月12日，被人们称为“天路”的青藏铁路格拉段铁轨铺通。截止到2006年3月25日，青藏铁路工程累计完成投资285亿元，其中用于环保工程投资达到12亿元，这在全世界单项工程用于环保的投资量中是相当罕见的。2006年7月1日，青藏铁路正式通车运营。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。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。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。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：片石气冷措施。碎石（片石）护坡（或护道）措施。通风管措施（4）热棒措施。（5）遮阳棚措施。6）隔热保温措施。（7）基底换填措施。（8）路基排水措施。（9）合理路基高度措施。10）路桥过渡段措施。11）桥涵基础措施。（12）隧道结构措施。