青藏铁路冻土工程技术

摘 要论世界上最大、最高的高原,当然是青藏高原.它有着独一无二的地理位置和复杂的自然、地质条件,青藏高原被人们称为“世界屋脊”.青藏铁路的格拉段穿过永冻土地区约547km,岛上的另一部分,深季节冻土区土壤和冻土沼泽湿地和湿地坡,穿过线海拔高度超过4000m,面积大约为960km,在唐古拉山地区,最高海拔5072m,为世界的轨道.格尔木到拉萨,青藏铁路部分的总长度约100km,毫无疑问,冻土是青藏高原冻土解决最大的问题之一.

关 键 词多年冻土；工程技术；青藏铁路

中图分类号U21文献标识码A文章编号1674-6708（2013）100-0176-02

1冻土问题

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质.冻土,是指温度在0℃以下,并含含有丰富的地下冰和各种岩土和土壤.冻土面临着两个大工程问题：冻胀和融沉.冻土在冻结的状态下体积膨胀,到了夏季,冻土融化体积缩小.冻土的冻结和融化交替出现,就会造成路基不稳定,影响正常通车.而冻土又有着很强的流变性,它的长期强度远低于瞬时强度.这些特性造成了当冻土区开始工程并建造建筑筑物时,路基、桥涵、隧道等都会受到这两大工程问题的困扰.

2多年冻土路基工程的主要技术措施

2.1通风管路基工程

通风路基防止热融的原理是利用的通风而产生的对流作用,将填土产生的热量或外界引发的各种热量尽快散失,以便降低对基底的热干扰,防止基底因热融而下沉.青藏铁路多年冻土区路基用UPVC管和钢筋混凝土管通风管道,由于通风管道的温度调节,减少左右两侧的不均匀沉降的路基土体,消除了因为路基土体的不均匀沉降引起的张力裂缝；而且,UPVC通风管和钢筋混凝土排气管具有一定的拉伸强度和剪切强度同加筋路堤一样都在路基土体上发挥了作用,使水路基水体起到了水平钢筋、消除沿软弱面所产生的裂缝.在青藏高原北麓河试验站的通风路堤试验表明,通风管可以有效地降低路堤填土的温度.经试验观测后,自动温控风门安装后,降温效率有所提高.

2.2使用热棒

青藏铁路沿线的冻土路基旁有一些直径约为十五厘米,高两米左右的铁棒,它被成为天然制冷机.这就是为了解决青藏铁路冻土问题的热棒.冻土是一种高效的热传导的装置,以防冻土的冻胀和解冻,在增加强度的基础上,确保冻土路基的稳定性.独特的单向传热性能：保证热量只能从地下到地面上的传输,反向不可以传热.

工作原理：

它是一种无芯重力式热管.在寒冷季节,多年冻土温度的空气温度高于空气中的温度,蒸发器中液体工质吸收多年冻土中的热量而蒸发.由于蒸汽在管内有压差,在管道中的蒸汽压力沿热棒的中心通道流向上流动至冷凝器,冷凝器的相对低的温度下释放后变成液体,接触壁后冷凝的汽化变成液态在重力作用下回流沿着蒸发器的壁然后再蒸发,如此循环将大气的冷量源源不断地传到多年冻土中.在温暖的季节,冻土温度低于空气温度,热棒停止工作.通过多年冻土路基,青藏铁路工程和观测表明,热棒对冷却地基、抬升冻土具有显着的效果.热棒处冻土上限被抬高了许多,然而热棒之间的冻土上限较低,所以热棒呈翻转的漏斗形状,造成路基土产生了一些不均匀沉降,从而引起了纵向裂缝.建立路堤热平衡,人为上限逐渐稳定,裂纹将不会发展,也不会影响路堤的整体稳定性.

2.3片石工程

在青藏铁路工地,你会看到一种特殊的路基,这是用土堤填充一定厚度片石底,然后在上面再铺筑土层的路基.这种多孔的“片石层通风路基”,起源于中国.它的效果是,以更好地保护冻土的措施,像散热的排风扇,冬季路堤和地基排除热量在炎炎夏日吸收更少的热量进行冷却,降低地基土温度0.5℃以上.

2.4护坡或护道措施

自然冻土泥炭有保护功能.其主要功能为完全饱和的泥炭与水,冰热传导率是水的4倍,因此,冷冻的全碳纤维水泥是熔融时的热导率值远大于在自然条件下,冬季由冷冻泥炭放热,这是必要的,比在夏天通过吸热熔化泥炭.因此,上面的多年冻土的表面温度和温度发生差异,称为热补偿.可用于冷却路基的材料产生大的热补偿值的补偿.如果有足够的承重能力,这种材料可用于堤防不足,如果承重能力,可以用于斜坡.草的斜坡上也可以算是可以用来作为衡量这项措施既提高了热条件下的路基,边坡叉,以防止风和水的侵蚀,有利于美化和保护环境.

2.5设置路基高度

在低温冻土区,应该充分考虑到路基的设计高度.因为只有适当的高度,在一定的温度和地面温度、土壤条件下.冻土才基本可以保持稳定.然而,路基坡度越高,坡度越大、传入的热量越大.增加受热面后,较高的路基不利于冻土的稳定.经测量试验,设计高度在2.5m～5.0m内.如果在这个高度不能施工,需要采取其他措施.

2.6保温措施

路基高度小于最小设计高度,为了减少产生的热量传递到路基,用挤塑聚苯乙烯等保温材料,能作用于同样的保温效果.现场表明,路基应在0.5m以上的地面铺设保温,铺设时间在冬季季度.在温暖季节的隔热层减少了热量传递.但是,这种方法只能在低路堤和少数路堑才使用.

2.7基底换填

为了防止并减轻冻土路基稳定性,开挖地段、设计高度都采用最小厚度,这种基地填补了粗粒土,以防止冻胀措施,以确保路基的稳定性.当基片是一种高含冰量冻土层,填充的厚度是天然上限深度的1.3～1.4倍.为了防止地表水渗透,充填时设置复合土工膜防渗层.

2.8采用路基排水

研究和现场实践证明：水是多年冻土疾病的最大来源地.多年冻土造成排水不畅,严重的疾病.青藏铁路的设计与冰冻排水措施.桥梁的合理设置,设置的水坝,运河,沟渠和其他项目,以确保排水畅通.冻融冻土路基变形,以防导致永冻土不良现象所造成的两侧,防止积水.

2.9采用遮阳棚在路堤边坡可以设置遮阳篷,它可以减少太阳的辐射对路基上的影响,减少传入冻土的热量.继风火山实验后,另一组在唐古拉山上设置了山钢雨篷.测试结果表明,遮阳篷有显著作用,它减少了路基的地热,提高冻土的稳定性.这项措施在一定条件下可以使用.

2.10改变隧道的结构

对于青藏不同结构,在昆仑山,风火山冻土隧道建设,需要考虑各方面的冷冻及隧道结构之间的关系.要考虑：隧道温度,减少范围冻融圈环.合理的采用衬砌断面形式和钢筋混凝土衬砌结构,建立了保温层,降低了岩石的热交换,减轻冻胀作用对衬砌的影响.根据不同的系统的隧道,有不同的措施.例如,在寒区隧道,防排水系统,以防止地下水的危害.昆仑山,风火山隧道结构安全和可靠.

对于不同的特点,与多年冻土工程措施相结合,取得了良好的效果.多年冻土融化的永久冻土地基沉降观察三个周期后,铁路建设已完成路基,桥梁和隧道工程结构稳定,无明显霜冻冻胀和解冻的现象并没有引起霜冻丘,热坏冻土热融滑塌和其他次生地质灾害等现象、地面升高0.5m～1.0m以上,地面温度降低,路基工后沉降一般小于2cm.多年冻土线平滑,安全,可靠,稳定运行的货运列车在冻土区,运行速度可以高达100km/h设计速度.

2.11使用聚氨酯板保温板

填土高度低于最低设计高度路堤,使用聚氨酯板保温层,设置在路肩下0.8m,每一层都有一层中粗砂砂垫层.聚氨酯板进场时,每批产品必须有认证和质量检测报告单.聚氨酯板应贮存在干燥,通风,清洁的库房内,不得靠近热源,在运输和储存中应叠放平整,严禁烟火,不能被重压猛摔,轻拿轻放,防止日晒雨淋和断角.

上部和下部垫选择颗粒度极好,质地坚硬的粗砂,砂不得含有杂质,粒径大于10mm的垃圾和石头等杂质,含泥量不得超过5%.下垫层施工前,路基机床和木体应进行全身检查,清洗,表面平整,在4%的横坡排水的路基两侧铺设中心的控制下,中粗砂砾的铺设高度应为25cm～27cm最好,压实厚度为20cm,并碾压.

铺设下垫层后,测量放线,标出聚氨酯板铺设的范围,绝缘层用人为排放的密贴,然后粘贴接缝满足设计要求.铺设完毕,检验合格,及时铺设上垫层后,免氨酯板的时间暴露.

在上层垫填充时使用,采用人工铺设,禁止机械,车辆开驶在聚氨酯板的表面.使用光轮压路机压实静压,先两侧后中间,先慢后快的压实顺序,碾压是垂直碾压,重叠宽度为20cm～25cm,光轮压路机压不到的地方,采用平板压实机械压实.

2.12土工格栅加筋土路堤

当路堤填筑至第一层土工格栅铺设高程时,将路基面整平,检测压实度,整平土工格栅下承层.当路基填料为细颗粒土时,土工格栅直接铺设在下承层上,路基填料为粗颗粒土时,土工格栅上下均设砂垫层,防止土工格栅损坏.人工铺设土工格栅时,强度高的方向与受力方向一致,幅与幅之间搭接宽度不小于10cm,连接采用土工绳绑扎.土工格栅铺设平整,拉直后每隔1.5m用“U”形土工卡成梅花形固定于下垫层.

土工格栅铺设完毕后,及时进行路基土方填筑,第一层摊铺采用轻型推土机或前置式装载机.禁止拉料车和碾压机械在已铺设固定好的土工格栅上直接碾压.

3结论

青藏铁路的3个技术难题“冻土,环境保护,高原反应”,以确保在青藏铁路建设成一个世界一流的高原铁路,许多科学和技术工人克服了各种困难,建立了各种试验站,通过长期的永久冻土层的观察和研究,取得了大量科研成果,这些研究成果已经通过了青藏铁路的建设得到了大量的应用,并取得了可喜的成果,青藏铁路建设者可以自豪地说：我们已经克服了冻土建设,环境保护、高原生理三个技术问题,在青藏铁路建设过程中的创新了许多工程：通风管路基工程、使用热棒、片石工程、护坡或护道措施、采用遮阳棚、保温措施、基底换填、采用路基排水、设置路基高度、改变隧道的结构、使用聚氨酯板保温板、土工格栅加筋土路堤等工程.通过使用桥梁不稳定的等多年冻土区冻土工程成套措施使青藏铁路在多年冻土区冻土工程理论建设和实践,结合已取得重要突破,提高冻土工程整体建设水平.“很难想象这样做没有科学的指导,青藏铁路建设是否会取得成功.其实冻土问题并不可怕,可怕的是我们不去根据多年冻土施工的原则,冻土不能深刻理解因循守旧,青藏铁路建设的精髓,因为有很多新的东西,新的问题,新的成就,值得我们学习和借鉴.只要我们在多年冻土区施工的技术细节严格按照规范施工和科研,确保多年冻土区建设工程质量.