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冻土:青藏铁路的瓶颈


□ 马 巍


西藏自治区地处祖国西南边陲的青藏高原,面积120多万平方公里,平均海拔4000米以上,是目前我国惟一不通铁路的省级行政区。交通运输设施的落后,制约了这一地区经济社会的发展。
正在修建的青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路,全长1956公里,其中格拉段长约1142公里,途经青海省的望昆,翻越唐古拉山进入西藏自治区,经安多、那曲、当雄,到达自治区首府拉萨市。沿线海拔4000米以上的路段有960公里,最高点唐古拉山口海拔为5072米。其中多年冻土区长度为632公里,大片连续多年冻土区长度约550公里,岛状不连续多年冻土区长度约82公里。高原冻土一直是青藏铁路修筑的最大“拦路虎”。
其实,早在上世纪50年代初,我国政府就开始着手研究进藏铁路建设问题。1956年,铁道部第一勘察设计院就开始对进藏铁路进行前期规划,直到1961年才因故停止。70 年代中期,毛主席说过“青藏铁路修不通,我睡不着觉”。1974年5月,青藏铁路西宁至格尔木段(简称“西格段”)开始全线施工,1984年5月建成。由于当时经济实力和冻土等筑路技术问题尚未解决,青藏铁路格尔木至拉萨段停建。现在格拉段顺利动工兴建,其前提在于,经过四十年的研究积累,近年来我们对冻土的认识实现了重大的突破。
中国冻土类型分布图
冻土是指温度在0℃以下,并含有冰的各种岩土和土壤。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(数年至数万年以上)。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%。我国多年冻土面积占国土面积的22.3%,在世界上居第三位,其中高海拔多年冻土面积则居世界之首。在这广阔的多年冻土地区,蕴藏着丰富的矿藏、森林和土地资源。由于资源开发的需要,多年冻土区已成为人类生产和生活的场所。
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。正是由于这些特性,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。其中起重要作用的是水的存在形态,当水变成冰时体积增大,使土体膨胀,地表因此而拱起升高,这就是冻胀;当土中的冰转变为水时,体积收缩了,地表便发生融化下沉,简称融沉。在这两种现象的反复作用下,道路或房屋的基底就会出现破裂或者塌陷。
多年冻土可以说是世界上最为复杂的地基类型之一,其工程稳定性直接或间接地受到地层含冰量、地温、岩性、水文条件以及大气温度、微地形地貌、周边植被环境等诸多因素的影响。在二十世纪初期,国内外工程界对多年冻土的认识水平尚处于初级阶段,工程经验较少,认识朦胧不清。因此,在此之前建造的诸如前苏联西伯利亚冻土铁路、加拿大北部海湾冻土铁路等都大范围地出现了融化下沉和冻胀隆起病害。上世纪七十年代开始,针对多年冻土路基工程中出现的问题,国内外科学家开始了较多的研究与工程实践,陆续提出了一些设计理论和处理方法,同时冻土学也得到了较大的发展。
冻土:青藏铁路的瓶颈图片1
一般而言,多年冻土建筑物地基的设计原则可以归纳为三个:其一,保护冻土设计原则,使多年冻土地基在建设过程和建筑物营运的整个时期保持冻结状态;其二,允许融化设计原则,即设计时充分考虑多年冻土地基在营运过程中可能发生的融化程度,或者在建设开始前就采用人工手段,将多年冻土融至预定深度;第三,融化速率设计原则,即经过精确的计算,允许多年冻土地基在营运过程中按一定速率融化。目前,我们应用得最为广泛的一个方法是“保护冻土”。依照这一原则,不但可以克服冻土融化下沉的问题,而且充分利用了冻土材料强度高于融土的特性。
在青藏高原多年冻土区上修建铁路面临的首要问题就是确定高、低温多年冻土的界限。青藏公路的多年实践经验表明,如果某地区年平均地温高于-1.5℃, 那么仅采用加高路基的方法是不能保证其稳定的,必须采取综合治理的方法来解决问题。
其次是青藏铁路沿线地下冰的空间分布问题。地下冰是产生冻融灾害或者不良冻土现象的根本因素,因而也是影响铁路路基稳定性的最大因素之一。地下冰集中地分布在多年冻土上限附近,修筑路基后极有可能引起多年冻土上限下降,其结果就会造成地下冰融化,导致路基下沉塌陷。地下冰不同的含冰状态还决定着冻土路基的工程性质:如少冰冻土、多冰冻土,无论在何种地温条件下均不会对冻土路基的稳定性产生较大的影响,但富冰、饱冰冻土和含土冰层,在高温多年冻土区就会对工程产生巨大的破坏。了解后面三种高含冰量冻土的惟一手段就是工程地质勘察,综合利用工程物探、钻探、挖探和槽探等技术,同时结合遥感、平面调查等手段,来研究它们的空间分布规律、形成过程等。
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