青藏铁路的冻土是怎么解决的

青藏铁路的冻土是怎么解决的
青藏铁路的冻土是怎么解决的

青藏铁路的冻土是怎么解决的
中国攻关青藏铁路多年冻土科研难题
巍巍昆仑,皑皑雪山.
在这块被誉为“世界屋脊”和地球“第三极”的土地上,中国人正在修筑一条世界上海拔最高的铁路——青藏铁路.
专家称,多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱是青藏铁路建设无法回避的三大难题,其中多年冻土尤为关键,是“最难啃的一块骨头”,它的解决与否,直接决定着青藏铁路的成败.
如今,青藏铁路已从格尔木铺过沱沱河,铺轨里程近全线一半.六月下旬,安多成为青藏铁路第二个铺轨点,青藏线建设进度大大加快.这无疑表明,中国已初步解决铁路穿越多年冻土地带的工程技术难题.
最难啃的骨头谁来啃?难题又是怎样解决的?记者不久前为此赴兰州、上青海采访,承担青藏铁路多年冻土问题研究的中国科学家,以及他们为之攻关的艰辛的科研历程,开始浮出水面.
冻土研究列入中科院知识创新工程重大项目
二00一年,与青藏铁路开工几乎同步,有中国科研机构“国家队”之称的中国科学院经过充分论证,决定以其四十多年青藏铁路全线多年冻土调查、勘探和研究为基础,在知识创新工程中启动实施“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”重大项目.
项目领军人物、中科院兰州分院院长、冻土工程国家重点实验室主任程国栋院士介绍说,围绕青藏铁路迫切需要解决的及未来可能遇到问题,该项目设立七个研究课题：青藏铁路建设中冻土工程结构稳定性研究、青藏铁路沿线路基冻融病害形成机理及其防治对策研究、青藏铁路气候与多年冻土间的相互作用、青藏铁路工程与多年冻土间的相互作用、铁路路基动荷载稳定性及含盐土工程特性研究、青藏铁路数字路基及仿真平台开发研究、青藏铁路典型地段高原雷暴天气灾害预警和防御的应用研究.
程国栋称,这一知识创新工程重大项目启动以来,已取得重要的创新性阶段研究成果,为青藏铁路在冻土区的设计、施工提供了有力的科学技术保障,也为其后期运营维护和潜在病害整治做好科学与技术储备.项目组参与编制出《青藏铁路多年冻土区工程勘察暂行规定》、《青藏铁路多年冻土区工程设计暂行规定》,提出路基设计应以冷却路基的保护冻土的设计思路、合理路基高度的设计依据、桥涵防冻胀措施及寒区隧道防冻害措施等关键设计问题.
颇为引人注目的是,“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目设有两位首席科学家,他们就是被称为程国栋“左膀右臂”的青年研究员马巍和吴青柏.
科学思路：主动冷却路基保护多年冻土
在中科院寒区旱区环境与工程研究所的冻土工程国家重点实验室里,刚刚从青藏铁路北麓河试验段回来的马巍尚未洗净高原风尘,便投身于实验室研究之中.提起冻土研究,他兴奋地打开了话匣子：
青藏铁路处于边勘测、边设计、边施工、边研究的“四边”建设状态,必须采用动态设计理念.“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目科研人员通过试验段研究发现,保温材料只能够延缓多年冻土融化,在高温高含冰量条件和气候转暖条件根本无法确保路基稳定.
因此,“我们提出改变以往单纯依赖增加热阻保护多年冻土的方法,采用冷却路基思路、主动保护多年冻土工程措施来确保工程稳定性”.这一思路的具体措施包括块石路基、碎石护坡,在路基两旁埋设高效导热的热棒、热桩,在路基中铺设通风管,在路基顶部和路基边坡铺设遮阳棚、遮阳板等.
还有一种工程设计措施就是以桥代路,这个桥可不是一般跨江过河的桥,冻土科研攻关人员将之命名为“旱桥”.马巍称,旱桥桥桩穿越冻土层而直接打在坚实的底层,桥上铺架铁轨即可最大限度地避免冻土的影响.青藏铁路穿越可可西里冻土区的清水河特大桥,就是典型的旱桥,该桥长达十一点七公里,气势巍然壮观.
虽然对冻土区的青藏铁路线建设、运营而言,旱桥是最可靠、最安全的工程措施,但由于其造价太昂贵,每公里要耗资五千万元人民币之巨,而全长一千多公里的青藏铁路全线总投资仅约三百亿元人民币.因此,旱桥不能、也无法推广使用,只是在冻土条件复杂、安全性要求高的区域采用.
北麓河试验段：几乎涵盖青藏铁路所有工程措施
从格尔木出发,沿青藏公路驱车在三百二十公里,在青藏公路和铁路线之间的山岗上,蓝天白云下一幢红顶蓝墙的塑钢建筑格外醒目.它就是青藏铁路北麓河试验段的大本营——中科院冻土工程国家重点实验室青藏高原研究基地.
这里海拔四千六百多米,据称是中国每拔最高的一个科研单元.冻土研究另一位首席科学家吴青柏称,总投资一千多万元人民币建成的该研究基地,是中科院为青藏铁路建设、运营和维护提供的一个科学试验平台和示范工程.
他介绍说,北麓河试验段全长十四公里,整个试验段多年冻土上限附近富含厚层地下冰,且多年冻土低温空间分布状态分异性较强,是青藏线五个试验段中冻土条件最复杂、地下冰含量最高、温度场变化最复杂的一个试验段.铁道部于二00一年将这一试验段交给中科院负责,科研人员对试验段各个断面内有关变形、地温、水分、沉降等内容的九千多个观测点进行全年不间断高精度的观测和分析,迄今已完成包括块石路基、通风路基、块石、碎石护坡等青藏铁路几乎所有工程措施的实体工程试验.
看上去颇似藏族同胞的刘永智研究员在这个试验段资历最老,一九七五年三月,新婚一个月的他为冻土研究就只身来到高原,每次一呆就是六到七个月,最长一年多.他说,那时青藏铁路刚刚上马,如今铁路已成功穿越多年冻土,“冻土事业后继有人,大有希望”.
高原是“上来不想下去,下去不想上来,来来回回反应更强烈”.吴青柏表示,为了青藏铁路建设,为了冻土科研事业,他们将竭尽全力.
未雨绸缪加强机理及动态监测研究
北麓河试验段青藏线之畔,正在修筑的一条仅两百四十米长的铁路路基引起人们注意.吴青柏告诉记者,这是投入一百五十万元人民币,与青藏铁路建设总指挥部联合建造的对比试验路基,主要是验证冻土工程措施的可靠性,开展各种工程措施及冻土变化的机理研究.
青藏高原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,加之全球气候变暖、工程扰动因素,势必对冻土产生长远影响.为此,高原科研基地的科学家们一方面进行“知其所以然”的机理研究,一方面未雨绸缪,着手加强青藏线冻土及环境变化的动态监测研究.
马巍说,考虑到青藏线与青康公路(青海西宁至四川康定)地质条件非常近似,科研人员提出“以空间换时间”概念,通过青康公路沿线多年冻土现状与收集到的数据,可分析青藏铁路沿线工程和气候变化下多年冻土变化趋势.
吴青柏称,青藏线动态监测研究是一项涉及面很广的系统工程,近三年来,他们在青藏铁路沿线系统地布设了二十九个监测段面和三个不同多年冻土温度区的块石路基监测场地,设立十个多年冻土深孔监测点和十三个活动层监测场地,基本构建起青藏铁路工程动态监测平台.与此同时,青藏铁路多年冻土与气候监测网目前已初步建立,并开始正常的监测工作.
多年冻土问题的解决,对青藏线的贡献有多大?严谨的科学家们对此不愿多说,但他们均表示,通过参与青藏铁路建设,冻土大国中国已跻身于冻土研究国际先进行列.