02--素材--交通部西部交通建设科技项目

由哈尔滨工业大学材料学院建筑材料系主要承担的交通部西部交通建设科技项目研究大纲，黑龙江省交通厅于二00四年四月九日在哈尔滨工业大学材料学院会议室召开了“水泥混凝土抗冻融耐久性能研究”项目研究大纲评审会。解决路桥结构水泥混凝土抗冻耐久性问题是提高桥梁结构安全性、延长桥梁使用寿命的基础。开展本课题的研究，对西部开发建设具有借鉴作用，对全国路桥建设具有普遍意义。本项目由哈尔滨工业大学材料学院建筑材料系张宝生教授负责。青藏铁路成功的关键在于路基工程，冻土作为一个极为重要的关键因素，必须进行深入的研究，以此来保证青藏铁路工程的顺利实施和正常高速运营。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有地下冰，这是与其他岩土工程最为本质的区别。多年冻土区修筑工程构筑物时，面临的两大工程问题：冻胀和融沉。路基、桥涵、隧道等都会受到这两大工程问题的困扰。长期的工程实践表明，青藏铁路成败的关键在路基工程，而路基工程的核心是冻土问题。无论是青藏公路还是青藏铁路，必须首先面临多年冻土分布、多年冻土融区分布、多年冻土年平均地温分区、高含冰量冻土的分布等重大冻土工程地质问题，因为它涉及了勘测重点和设计原则的制定，直接关系到青藏铁路路基稳定和投资。另一个极为重要的核心问题是青藏铁路地下冰空间分布问题。地下冰是影响冻土路基稳定的最为重要的影响之一，是产生冻融灾害或者不良冻土现象的根本问题。地下冰最为集中分布在多年冻土上限附近，修筑路堤后引起多年冻土上限变化，其结果就会造成地下冰融化，导致路基产生融化下沉破坏。由于地下冰受多因素控制，在空间上的形成不均匀的和不同的含冰状态。这种不同的含冰状态直接影响着冻土路基的工程性质，而富冰、饱冰冻土和含土冰层，高温多年冻土区就会对工程产生巨大的破坏。对于其他类型工程建筑物来说，比如桥涵、路堑、高边坡等，高含冰量冻土的影响是极为关键的问题。在路基稳定性方面，还必须同时面临冻融灾害问题，即不良冻土现象。这些与冻融过程有关的不良地质现象，当它们威胁到铁路安全运营和工程稳定性时，就演变为一种工程灾害。这种工程灾害主要与地下冰、冻融过程和冻土温度有关。特别是在高含冰量、高温多年冻土的斜坡地带，微弱的工程热扰动可能就会引起冻土区斜坡稳定性变化，对于这样一些地表敏感性极强的多年冻土地带，工程勘测、设计和施工都应引起极大的重视。对于斜坡地段出现的冰椎、冰丘，延流冰，对工程的危害非常之大，常会导致铁路运营出现问题。对于路基附近出现的冰椎、冰丘，常会引起路基产生冻胀问题，也应对其予以极大的重视，并针对具体情况给出其防治措施。近年来，青藏公路沿线冻土退化已被诸多的研究结果所证实。青藏公路沿线冻土地温监测结果表明，70年代到90年代青藏公路沿线的季节冻土、融区及岛状多年冻土区的地温升高了0.3~0.5℃,连续多年冻土区年平均地温升高了0.1~0.3℃。天然状态下北界向南退化0.5—1.0公里，南界向北退化1—2公里。在工程作用下，多年冻土北界向南退化约5—8公里，南界向北退化约9—12公里。数值模拟和区域模拟结果也证实了在气候转暖背景下多年冻土会发生强烈的变化。气温的升高直接影响冻土工程环境，对于正在运营的建筑物，将增大冻害的破坏强度和数量，而对于拟建的建筑物，这种不稳定的寒区工程环境将增大建筑物设计原则的选取及冻土稳定性的确定的难度，使寒区建筑物的工程设计面临着较大的研究工作量。对于青藏铁路来说，冻土退化、年平均地温升高、地下冰融化、多年冻土厚度减薄等都会直接影响和威胁青藏铁路路基、桥涵、大中型桥梁地基、旱桥地基等稳定性。对于多年冻土年平均地温为0~-0.5℃，-0.5~-1.0℃极不稳定和不稳定地温带来说，特别是这些地温带中高含冰量地段，多年冻土退化乃至消失，将会极大地引起路基下沉破坏、桥基失稳。在青藏铁路勘察和设计过程中，必须要考虑多年冻土退化问题，这就给青藏铁路修建、运营、维修带来了更大难度。虽然近几年来对全球气候变化对多年冻土的影响研究有了一定的基础，而且也对气候变化下多年冻土公路路基稳定性有了良好的研究。但对于全球气候背景下青藏铁路沿线多年冻土变化趋势预测、铁路工程作用下多年冻土变化预报，以及两种状态的叠加后，青藏铁路路基下多年冻土的变化趋势预测，多年冻土变化后铁路工程如何来适应这种巨大的变化等都将是下一步研究的重点，也成为青藏铁路修建过程中设计中必须考虑的一个重要因素。铁路的修建将导致路基下冻土上限、年平均地温、地下冰等发生变化，并诱发冻融灾害的形成和发展，引起冻土路基发生冻融破坏。特别是在敏感性地表，修筑铁路会诱发冻土环境产生极大变化，威胁铁路路基的稳定性，影响青藏铁路的安全运营。全球气候变化背景又给铁路修筑带来了极大的困难。因此，为了保证青藏铁路的安全运营，必须进行青藏铁路沿线路基冻融病害防治对策与技术研究。该项研究将能够为青藏铁路、青藏公路、拟建的南水北调西线工程前期研究提供切实可行科学依据，对寒区工程建设有极大的现实意义。在50年代中就大体确认了多年冻土分布的南北区间。70年代初，随着西藏经济发展的需求，以及青藏高原特殊地理环境条件给道路工程所带来的不良因素，开始了青藏公路的砂石路面改为黑色沥青路面的改建工程建设，对青藏公路沿线的多年冻土开展了新一轮的实验研究，针对在多年冻土地区修筑高级路面的青藏公路所急需解决的技术难题，开展了路基、路面、路堑、桥涵、房建等的基础与冻土之间的相互作用的研究，特别是水热过程和力学过程、各类工程建筑物基础的稳定性和各种适应高原寒冷环境条件的路面、路基结构等的研究更加深入持久。通过近千个钻孔及大量实体工程的现场试验观测研究与验证，取得了一大批可供工程设计应用的成果。在90年代主要研究重点为以下方面：路基下多年冻土的融化深度、多年冻土顶板埋深、路基下高含冰量冻土、厚层地下冰在垂直与水平方向的分布规律、路基下第四纪厚度（基岩埋藏深度）、冻土岛与融区的准确分布界限、沥青路面多年作用下的温度场分布以及其变化趋势、不同冻土类型与路基之间的相互作用以及适应性等等。在这些方面的研究，不论是研究广度、深度、精度的要求都比以前有很大的提高。由于青藏铁路和公路的路基系统不同，而我们大量的工作都是集中于青藏公路而进行的，将公路的一些研究成果直接应用于青藏铁路显然是不合适的。因此，如果能以青藏铁路试验工程为基础进行此方面的研究，不仅会对青藏铁路建设有益，而且对广大寒区工程建设也非常有益。青藏铁路工程建设中所采取的以冷却地基为主、积极保护冻土的设计思想是正确的；设计中针对不同的地质与水文环境，因地制宜地采用桥梁通过工程地质最为复杂的多年冻土地段是正确的；采取块石路基、碎石护坡、热棒等多项工程措施是正确的；青藏铁路冻土工程体现了当代冻土区铁路工程建设的先进水平。俄罗斯著名工程冻土学家、地质科学院院士V·康德拉季耶夫教授，长期从事多年冻土地区铁路建设，多次到青藏高原与中国科学家合作研究。他和许多俄罗斯专家认为，青藏铁路冻土区工程建设的设计思想是正确的，采取“保护冻土的设计原则”是科学的，在这种设计思想指导下采取的工程结构、工程措施都是很有效的。他说：“作为冻土学家，我知道青藏高原冻土区工程技术问题的复杂和冻土区工程建设的艰巨，我认为你们取得了很了不起的成就。”美国国家地质局的一位顾问认为，青藏铁路在技术路线上“一次到位”是明智的。美国阿拉斯加费尔班克斯大学著名工程冻土学家道格拉斯·格林教授认为，青藏铁路的设计总体来看是很好的，科学的态度是实现设计思想的保证。多年冻土地区的主要工程地质问题有融沉、冻胀和不良地质现象。（1）融沉在高温高含冰量冻土（高冰冻土、饱冰冻土和含土冰层）地区，上限附近往往存在着地下冰和高含冰土层，由于埋藏浅，极易受天然因素或人为活动的影响而融化，产生融陷或融沉，极大地影响建筑物的稳定性，这是多年冻土地区路基变形破坏的主要原因。（2）冻胀在低温冻土区，地表因暖季与寒季温度变化而产生的活动层厚度一般较薄，并存在双向冻结，冻结速度较快，帮冻胀相对较轻。在高温冻土区，活动层厚度一般较大，冻结速度也较慢，因存在粉质土和足够的水分，冻胀严重。用粉质土和粘性填筑的路基，由于冻结时水分的迁移，可能在上部聚冰，融化时引起翻浆冒泥。（3）冻土不良地质现象多年冻土区常见的现象有：冰椎、冻胀丘、融冻泥流、热融滑蹦和热融湖（塘）等。冰椎、冻胀丘其成因可分为冻土层上水补给和下水层补给，冻胀丘多发育于高平原区及河谷区细颗粒土地层中，冰椎多发育于山坡坡脚泉水露出处。对冰椎及冻胀丘，线路多已绕避，个别难以绕避的采用以桥梁形式通过。青藏铁路冻土研究涉及的内容之深、投入的人力物力之多、经历的时间之长在世界上都是罕见的。早在60年代，铁一院便与中科院原冰川冻土研究所、铁道部科学研究院西北研究所一道，在青藏高原以风火山地区为代表，开展了高原冻土的研究。这一研究已坚持开展了近40年，取得了丰硕的成果。现在可以肯定讲，青藏铁路沿线冻土的基本分布特征已基本搞清，在冻土地区修建铁路在技术上已没有大的问题，是科学的、完全可行的。另外，1974年8月，根据中央指示和当时加快勘测设计工作的要求，曾成立了由中国科学院、铁道部、一机部、铁道兵、青海省、西藏自治区等有关领导同志组成的青藏铁路科研工作领导小组，下设盐湖冻土、高原机电设备、通信信号、施工等四个协作组；组织了全国9个部门与19个省、市、自治区的68家工厂、部队、研究所、设计院和大、专院校，共1700多名科技人员，开展了青藏铁路科研工作，进行了大量的研究与实践，并取得了卓有成效的成果，部分成果于1980年底通过了审查鉴定。青藏铁路的成败决定于路基，而路基最大的问题就是多年冻土。根据不同的工程地质条件，采取相应的不同设计原则：在年平均地温较低的稳定型多年冻土区应采取保持地基冻结状态的设计原则；在年平均地温较高，含冰量较少，路基沉降量可以得到有效控制的地段，采用施工及运营期允许融化的原则；在极不稳定的冻土地段，可采用铺设保温层、通风路基、清除富冰冻土、热桩、以桥代路等综合技术措施。在不融沉或弱融沉的少冰冻土、多冰冻土地区可采取不考虑建筑物热力影响的常规设计方法。在各类冻地区都必须加强对冻土的环境保护，对取弃土场、路基填筑方式等制定严格的技术要求。多年冻土地区的具体工程措施：（1）合理控制路基高度引起路基下沉。（2）铺设保温层来保持路基稳定。（3）通风路基。在有条件的地区可采取用碎块石填筑路基，利用填石路基的通风透气性、寒季冷、暖空气在路基中产生对流，冷空气下降，起到保护冻土的作用。（4）以桥代路的技术措施。（5）冻土区的桥涵工程。（6）建立完善的排水设施全球气候变暖会影响冻土的深度（冻土上限），进而影响到路基的稳定性吗？基本上不会。全球气候变暖是一个世界性的问题，也是一种自然规律。据气象资料显示，地球的平均气温基本上是按照冷、热、冷这样一个客观规律演化的，现在刚刚步入又一个热的周期，这一周期大概持续到2500年左右。在这500年中，气温的升高是一个逐渐而缓慢的过程，每年升高的温度仅仅在0.02～0.03℃之间，这种细微的温度变化对冻土、尤其是永久性冻土的影响是很小的；并且，这种全球性的气候变暖主要体现在冬季气温的变化上，而这种影响对于冬季气温常年在－30℃左右的青藏高原来说，更是微乎其微的；再一方面，设计中早已预先考虑了温度变化可能带来的影响，而且这种设计中的留有余地，要远远大于全球气候变暖可能产生的结果。可以说，全球气候变暖对青藏铁路的冻土基本上不会产生不利的影响。2000年底，在铁道部“加快青藏铁路前期工作”指示的号召下，铁一院成立了由经验丰富的地质工程师和中科院寒区、旱区环境工程研究所（原冻土研究所）专家、学者共同组成的冻土科研队，将中科院多年的科研成果与铁一院丰富的实践经验相结合，优势互补，共同攻关，向彻底解决“在高原多年冻土地区修建世界最高的铁路”这一世界性难题发起了冲击。5、高原铁路施工的技术措施针对人的工作效率降低，增加控制工期工程的作业班次，缩短每班工人的工作时间，施工期按一定比例增加备用人工，进行轮流换班作业。在施工单位中，有组织地聘用当地工人，可明显提高高原适应性，提高劳动效率。应选用