青藏鐵路多年凍土路基工程技術(shù)研究

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司青藏鐵路多年凍土路基工程技術(shù)研究

提綱

一、青藏鐵路概況

二、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的特性

三、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程技術(shù)研究

四、主要研究成果

五、成果的創(chuàng)新性

一、青藏鐵路概況

一、青藏鐵路概況

唐古拉山海拔高程大于4000m地段約960km，最高點(diǎn)為5072m。連續(xù)多年凍土區(qū)546.43km。沿線自然環(huán)境惡劣。2001年6月29日開工

2006年7月運(yùn)營

2007年7月國家驗(yàn)收。二、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的特性

（一）多年凍土地基的工程地質(zhì)特點(diǎn)

土體含冰土體溫度二、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的特性

（一）多年凍土的工程地質(zhì)特點(diǎn)

低高

大小含冰量含冰量融沉二、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的特性

（一）多年凍土的工程地質(zhì)特點(diǎn)

低高

差好溫度溫度熱穩(wěn)定性多年凍土長546.43km高溫凍土長274.26km,占50％高含冰量凍土長223.16km，占41％Km二、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的特性

1、融沉防治2、路基邊坡防護(hù)

3、路基開裂防治4、多年凍土區(qū)過渡段處理5、凍脹防治6、不良凍土現(xiàn)象處理7、青藏高原未來氣溫升高（二）多年凍土區(qū)路基工程面臨的主要技術(shù)難題

融沉病害凍土濕地

冰錐熱融滑塌熱融湖塘現(xiàn)場測試

（三）解決問題的技術(shù)線路建立實(shí)體試驗(yàn)工程制定工程措施提交研究分析成果報(bào)告專家評(píng)審指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工唐古拉山昆侖山風(fēng)火山清水河高溫凍土細(xì)粒土地段北麓河厚層地下冰地段沱沱河融區(qū)和多年凍土過渡地段安多深季節(jié)凍土地段風(fēng)火山和昆侖山隧道試驗(yàn)段1、建立了4個(gè)多年凍土區(qū)路基工程試驗(yàn)段三、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程技術(shù)研究2、對(duì)4個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行了三年多的現(xiàn)場測試，共獲得約80余萬個(gè)地溫及變形數(shù)據(jù)三、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程技術(shù)研究唐古拉山昆侖山風(fēng)火山清水河高溫凍土細(xì)粒土地段北麓河厚層地下冰地段沱沱河融區(qū)和多年凍土過渡地段安多深季節(jié)凍土地段風(fēng)火山和昆侖山隧道試驗(yàn)段3、5次提交階段研究成果，3次專家評(píng)審三、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程技術(shù)研究四、主要研究成果（一）青藏鐵路多年凍土工程地質(zhì)勘察（二）保護(hù)多年凍土的路基結(jié)構(gòu)（三）高原多年凍土區(qū)路基邊坡防護(hù)技術(shù)研究（四）凍土加筋路堤（五）多年凍土區(qū)過渡段（六）路基凍脹防治技術(shù)（七）多年凍土路基沉降監(jiān)測（一）青藏鐵路多年凍土工程地質(zhì)勘察青藏鐵路多年凍土各級(jí)分區(qū)段落統(tǒng)計(jì)表

第一級(jí)分區(qū)片狀多年凍土區(qū)403.15km島狀多年凍土區(qū)（含融區(qū)）143.28km第二級(jí)分區(qū)年平均地溫分區(qū)長度(km)第三級(jí)分區(qū)含土冰層地段(km)富冰、飽冰凍土地段(km)多冰、少冰凍土地段(km)Tcp-Ⅰ（≥－0.5℃）199.7511.075.63113.12Tcp-Ⅱ（－0.5～－1.0℃）74.515.829.3439.37Tcp-Ⅲ（－1.0～－2.0℃）110.7524.236.6449.91Tcp-Ⅳ（＜－2.0℃）59.7516.224.3519.19融區(qū)101.68合計(jì)546.4357.2165.96221.591、保護(hù)多年凍土路基結(jié)構(gòu)的目的2、被動(dòng)保護(hù)多年凍土的路基結(jié)構(gòu)3、主動(dòng)保護(hù)多年凍土的路基結(jié)構(gòu)4、保護(hù)多年凍土路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)用（二）保護(hù)多年凍土的路基結(jié)構(gòu)1、保護(hù)多年凍土路基結(jié)構(gòu)的目的熱穩(wěn)定性高含冰量凍土負(fù)溫（1）路堤合理填筑高度試驗(yàn)（2）隔熱保溫材料路基（3）小結(jié)2、被動(dòng)保護(hù)凍土路基結(jié)構(gòu)（1）路堤合理填筑高度試驗(yàn)

路基下臨界高度路基上臨界高度路堤合理填筑高度清水河路基合理填筑高度斷面圖北麓河路基合理填筑高度斷面圖

（1）路堤合理填筑高度試驗(yàn)1）在不同的年平均氣溫及年平均地溫條件下，多年凍土區(qū)路基合理高度有所不同

清水河凍土上限抬升量隨路堤高度變化圖（1）路堤合理填筑高度試驗(yàn)

1）在不同的年平均氣溫及年平均地溫條件下，多年凍土區(qū)路基合理高度有所不同

北麓河凍土上限抬升量隨路堤高度變化圖（1）路堤合理填筑高度試驗(yàn)2）鐵路路堤合理填筑高度存在的年平均氣溫臨界值約為-3.1℃，相應(yīng)的年平均地溫-0.6℃

路堤上、下臨界高度隨年平均氣溫的變化圖

1113）使用條件

在年平均氣溫≤-3.5℃、年平均地溫≤-1.0℃時(shí)，路基的下臨界高度為2.0m

生態(tài)環(huán)境人為活動(dòng)微地貌安全系數(shù)路堤合理填筑高度試驗(yàn)工程1）隔熱保溫材料對(duì)多年凍土冷儲(chǔ)量影響的特性（2）隔熱保溫材料路基斷

面路基高度（m）左護(hù)道隔熱保溫材料位置（m）天然地表下深度（m）34DK1139+7802.89無0.0560.04DK1139+9002.82地面以上0.5m0.0360.0322002年6月至2004年12月北麓河試驗(yàn)段路基左、右護(hù)道下部天然地面下不同深度的地溫變化速率(℃/年）2）隔熱保溫材料相當(dāng)于一定當(dāng)量厚度的填土隔熱保溫材料路堤與對(duì)比斷路堤凍土上限抬升量（2）隔熱保溫材料路基斷面里程工程措施天然上限（m）路基填高（m）2004年相對(duì)于天然上限各孔上限抬升量左路肩中心孔右路肩平均DK1024+987.5地面以上0.5m鋪設(shè)10cm厚EPS保溫板2.411.602.181.721.83DK1024+825無保溫板2.231.462.142.021.872）隔熱保溫材料相當(dāng)于一定當(dāng)量厚度的填土

（2）隔熱保溫材料路基填土高度與隔熱保溫材料厚度對(duì)應(yīng)圖3）使用條件在年平均氣溫≤-3.5℃、年平均地溫≤-1.0℃時(shí)路基填高＜2.0m1）對(duì)保持多年凍土地基熱穩(wěn)定性有一定的效果

（3）小結(jié)2）使用條件：不能增加地基的冷儲(chǔ)量維持地溫不變或減小地溫的升溫速率年平均氣溫≤-3.5℃相應(yīng)的年平均地溫≤－1.0℃（1）片石氣冷路堤（2）片石及碎石護(hù)坡（3）熱棒路基（4）通風(fēng)管路堤（5）小結(jié)3、主動(dòng)保護(hù)凍土路基結(jié)構(gòu)（1）片石氣冷路堤

片石氣冷路堤（1）片石氣冷路堤

片石氣冷路堤

1）片石氣冷路堤的工作機(jī)理A、片石層的“熱半導(dǎo)體”作用寒季片石層傳熱的示意圖

冷量空氣受冷下沉

1）片石氣冷路堤的工作機(jī)理A、片石層的“熱半導(dǎo)體”作用暖季片石層傳熱的示意圖

熱量空氣受熱上升

1）片石氣冷路堤的工作機(jī)理B、片石層的強(qiáng)迫對(duì)流作用片石層強(qiáng)迫對(duì)流的示意圖

風(fēng)向

2）片石氣冷路堤降低地溫片石氣冷路堤與對(duì)比段路堤片石層底面處的平均溫度（℃）

孔位左側(cè)路肩3＃（陽坡側(cè)）右側(cè)路肩5＃（陰坡側(cè)）斷面里程DK1025+575DK1025+625差值DK1025+575DK1025+625差值2002年年均溫度-0.760.03-0.79-1.16-0.41-0.752003年年均溫度0.10.48-0.38-0.71-0.09-0.622004年年均溫度-0.020.58-0.60-1.05-0.12-0.93注：“差值”為DK1025+575的年平均溫度減DK1025+625的年平均溫度

3）青藏鐵路多年凍土區(qū)累計(jì)使用長度117.69km（2）片石及碎石護(hù)坡片石或碎石護(hù)坡路堤1）片石及碎石護(hù)坡的工作機(jī)理A、片石及碎石層的“熱半導(dǎo)體”作用B、片石及碎石護(hù)坡的遮陽作用遮蔽太陽輻射

2）在路堤陰陽坡明顯的地段，路基兩側(cè)應(yīng)鋪設(shè)不同厚度的片石護(hù)坡2004年清水河試驗(yàn)段片石護(hù)坡路堤本體年度積溫統(tǒng)計(jì)表（℃·天）注：差值＝0.8m厚片石的積溫－1.2m厚片石的積溫陽坡側(cè)路肩孔陰坡側(cè)路肩孔深度（m）片石護(hù)坡厚度（m）差值深度（m）片石護(hù)坡厚度（m）差值1.20.81.20.80.7-541-1713700.7-996-8741221.1-517-1933241.2-948-861871.6-502-2352671.7-884-810742.1-468-2502182.2-793-739542.6-438-2431952.7-686-67883.1-396-1932033.2-564-583-19平均值-477-214263平均值-812-75854

3）片石護(hù)坡保護(hù)多年凍土的效果要好于粒徑碎石護(hù)坡；片石護(hù)坡需人工堆砌，碎石護(hù)坡可機(jī)械化施工

片石及碎石層下0.7m地溫隨時(shí)間變化曲線

4）片石護(hù)坡可減小路基的沉降量及兩側(cè)路肩沉降差異累積變形量統(tǒng)計(jì)表（mm）斷面陽坡側(cè)路肩陰坡側(cè)路肩差值DK1026+155（片石護(hù)坡）-100-87－13DK1026+230（對(duì)比段）-182-134－48

（3）熱棒路基直插式熱棒路堤

（3）熱棒路基斜插式熱棒路堤（3）熱棒路基

熱棒路基1）熱棒的工作機(jī)理1）熱棒的工作機(jī)理汽液兩相對(duì)流換熱，無能耗，高效率2）斜插法能更有效的降低路基中心位置地面以下地溫直插熱棒斜插熱棒

左路肩孔直插熱棒斜插熱棒

右路肩孔2）斜插法能更有效的降低路基中心位置地面以下地溫直插熱棒斜插熱棒

中心孔2）斜插法能更有效的降低路基中心位置地面以下地溫3）熱棒有效制冷影響范圍(a)圖4-2清水河φ89，實(shí)際翅片高度23mm(b)安多φ60，實(shí)際翅片高度23mm(c)安多φ89，實(shí)際翅片高度28mm(d)安多φ108，實(shí)際翅片高度28mm天然地面熱棒的測溫孔3.0m～8.0m平均溫度隨熱棒不同距離的變化曲線4）不同管徑熱棒制冷效果

安多距熱棒30cm測溫孔對(duì)應(yīng)蒸發(fā)段深度范圍內(nèi)平均地溫（℃）時(shí)間熱棒管徑Φ60(25)Φ89(30)Φ89(25)Φ108(30)2005-12-10～2006-3-30-2.9-3.2-3.7-4.4距熱棒0.3m測溫孔對(duì)應(yīng)蒸發(fā)段深度范圍內(nèi)平均地溫隨時(shí)間的變化曲線

（4）通風(fēng)管路堤通風(fēng)管埋設(shè)于路堤中部通風(fēng)管埋設(shè)于路堤基底以上0.5m（4）通風(fēng)管路堤通風(fēng)管路堤（4）通風(fēng)管路堤1）通風(fēng)管路堤的工作機(jī)理擴(kuò)大了空氣與路堤的接觸面管道通風(fēng)清水河混凝土通風(fēng)管路堤與對(duì)比段路基4?？谆滋幍販仉S時(shí)間曲線2）通風(fēng)管可有效降低地溫通風(fēng)管路堤與對(duì)比段路基中心基底處總積溫統(tǒng)計(jì)表（℃·天）斷面里程時(shí)間路基中心基底處總積溫中部通風(fēng)管DK1026＋3702003年（2002.9.1~2003.9.1）-365.472004年(2003.9.1~2004.9.1)-399.382004較2003年總積溫減小的量值33.9下部通風(fēng)管DK1025＋4502003年（2002.9.1~2003.9.1）-257.72004年(2003.9.1~2004.9.1)-442.942004較2003年總積溫減小的量值185.24下部通風(fēng)管量值是中部通風(fēng)管量值的倍數(shù)5.463）通風(fēng)管的理想埋設(shè)位置在地面以上1～1.5m處A、下部通風(fēng)管較中部通風(fēng)管傳輸?shù)睦淞慷嘀胁客L(fēng)管最大融化深度圖B、中部通風(fēng)管較下部通風(fēng)管上限抬升量大下部通風(fēng)管最大融化深度圖B、中部通風(fēng)管較下部通風(fēng)管上限抬升量大4）管徑為0.3～0.4m時(shí)，管中心間距采用1.6～2.0m下部通風(fēng)管路堤與對(duì)比段路基03.9.1～04.9.1平均地溫隨深度變化曲線圖1）對(duì)保持多年凍土地基熱穩(wěn)定性有顯著的效果

（5）小結(jié)2）使用條件：年平均氣溫＞-3.5℃相應(yīng)的年平均地溫＞－1.0℃增加地基的冷儲(chǔ)量降低地溫4、保護(hù)多年凍土路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

（1）未來50年氣溫不變情況下，保護(hù)多年凍土路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)用（2）未來50年氣溫升高情況下，保護(hù)多年凍土路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)用4、保護(hù)多年凍土路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)用（1）未來50年氣溫不變多年凍土條件綜合等級(jí)多年凍土的地溫、含冰量、埋深、路堤填高等條件工程處理措施備注一般Ⅲ、Ⅳ區(qū)飽冰凍土、富冰凍土且路堤高度≥2.0m大于下臨界的路堤被動(dòng)措施較差Ⅲ、Ⅳ區(qū)飽冰凍土、富冰凍土且路堤高度＜2.0m隔熱保溫材料“＋”基底換填Ⅲ、Ⅳ區(qū)含土冰層埋深大且路堤高度＜2.0m差Ⅲ、Ⅳ區(qū)含土冰層埋深小片石氣冷路基或熱棒主動(dòng)措施Ⅱ區(qū)含土冰層Ⅰ、Ⅱ區(qū)飽冰凍土、富冰凍土Ⅰ區(qū)含土冰層埋深大極差Ⅰ區(qū)含土冰層埋深小以橋代路

不同條件下保護(hù)多年凍土路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)用強(qiáng)弱差好凍土條件工程措施被動(dòng)措施多年凍土條件綜合等級(jí)為一般的地段大于下臨界高度的路堤多年凍土條件綜合等級(jí)為較差的地段被動(dòng)措施路堤小于下臨界高度、鋪設(shè)隔熱保溫材料及換填粗顆粒土多年凍土條件綜合等級(jí)為差的地段片石氣冷路基熱棒路基多年凍土條件綜合等級(jí)為極差的地段以橋代路（2）未來50年氣溫升高1）青藏高原氣候變化預(yù)測及對(duì)多年凍土的主要影響未來50年氣溫升高有兩種預(yù)測：1.0℃和2.6℃。融區(qū)所占比列未來50年氣溫升高后季節(jié)凍土變化示意圖比例增加約1.7%，I區(qū)退化的比例增加約27%，I、II區(qū)退化的占22％Ⅲ區(qū)退化的占5％2）氣溫升高預(yù)測的可靠性未來50年氣溫升高1℃對(duì)青藏鐵路設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性,

未來50年氣溫升高2.6℃準(zhǔn)確性較低,對(duì)進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和青藏鐵路建設(shè)具有警示作用。增加以橋代路的段落單一保護(hù)措施轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合保護(hù)措施被動(dòng)保護(hù)措施轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)保護(hù)措施

在未來50年氣溫升高1℃情況下，確保工程穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高工程抵御升溫的能力，尤其要加強(qiáng)I、II區(qū)含土冰層地段的處理措施。3）應(yīng)對(duì)青藏高原未來氣溫升高的技術(shù)對(duì)策多年凍土條件綜合等級(jí)多年凍土的地溫、含冰量、埋深、路堤填高等條件一般Ⅲ、Ⅳ區(qū)飽冰凍土、富冰凍土且路堤高度>2.0m較差Ⅲ、Ⅳ區(qū)飽冰凍土、富冰凍土且路堤高度＜2.0mⅢ、Ⅳ區(qū)含土冰層埋深大且路堤高度＜2.0m差Ⅲ、Ⅳ區(qū)含土冰層埋深?、?、Ⅱ區(qū)飽冰凍土、富冰凍土Ⅰ、Ⅱ區(qū)含土冰層埋深大多年凍土條件綜合等級(jí)劃分4）應(yīng)對(duì)青藏高原未來氣溫升高的工程措施多年凍土條件綜合等級(jí)多年凍土的地溫、含冰量、埋深、水文、路堤填高等條件極差1)泉眼出露集中，含冰量較大，冬季易形成冰幔，路基工程難以治理的地段；

2)位于I、Ⅱ區(qū)含土冰層埋藏較淺，厚度較大的地段；

3)多年凍土與融區(qū)交界附近的高含冰量地段；

4)位于I區(qū)的高含冰量凍土地段及Ⅱ區(qū)地層粗細(xì)顆粒交錯(cuò)，路基難以保證均勻變形的地段；

5)線路通過區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件差、地勢低洼、排水不暢，或水塘積水量大，容易浸泡路基的高含冰量地段。

多年凍土條件綜合等級(jí)劃分被動(dòng)措施主動(dòng)措施多年凍土條件綜合等級(jí)為一般的地段單一工程措施綜合工程措施多年凍土條件綜合等級(jí)為差的地段多年凍土條件綜合等級(jí)為差的地段單一工程措施綜合工程措施多年凍土條件綜合等級(jí)為較差的地段多年凍土條件綜合等級(jí)為較差的地段多年凍土條件綜合等級(jí)為極差的地段以橋代路

1、碎石護(hù)坡

2、移植鄉(xiāng)土草皮護(hù)坡

3、預(yù)制拼裝式骨架護(hù)坡

4、加筋土預(yù)制塊護(hù)坡

5、土工格室護(hù)坡

6、泡沫玻璃板護(hù)坡

7、改良土護(hù)坡（三）高原多年凍土區(qū)路基邊坡防護(hù)技術(shù)研究

1、碎石護(hù)坡

青藏鐵路多年凍土區(qū)累計(jì)使用長度達(dá)127km。

降低地溫調(diào)整地溫場的不對(duì)稱性減小路基的沉降量及沉降差異適應(yīng)邊坡凍脹變形機(jī)械化施工2、移植鄉(xiāng)土草皮護(hù)坡移植鄉(xiāng)土草皮護(hù)坡2、移植鄉(xiāng)土草皮護(hù)坡

2002年8月、2003年9月、2004年9月移植鄉(xiāng)土草植物成活率統(tǒng)計(jì)圖3、預(yù)制拼裝式骨架護(hù)坡預(yù)制拼裝式骨架護(hù)坡3、預(yù)制拼裝式骨架護(hù)坡

DK1137＋993斷面錨桿頂端及凍脹板累計(jì)變形曲線

4、加筋土預(yù)制塊護(hù)坡施工工藝復(fù)雜，施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度大5、土工格室護(hù)坡6、泡沫玻璃板護(hù)坡7、改良土護(hù)坡抗老化能力差高原多年凍土區(qū)路基邊坡防護(hù)小結(jié)序號(hào)護(hù)坡名稱使用建議1碎石護(hù)坡推廣使用2移植鄉(xiāng)土草皮護(hù)坡有條件推廣使用3預(yù)制拼裝式骨架護(hù)坡可以使用4加筋土預(yù)制塊護(hù)坡不宜推廣使用5土工格室護(hù)坡不宜推廣使用6泡沫玻璃板護(hù)坡不可使用7改良土護(hù)坡不可使用

凍土加筋路堤（四）凍土加筋路堤加筋路堤與對(duì)比路基陰陽側(cè)路肩水平位移對(duì)比圖（四）凍土加筋路堤mm(五)多年凍土區(qū)過渡段試驗(yàn)研究路堤路塹過渡段縱斷面圖

路堤標(biāo)準(zhǔn)斷面圖1、路堤路塹過渡段

(五)多年凍土區(qū)過渡段試驗(yàn)研究路堤路塹過渡段縱斷面圖

1、路堤路塹過渡段

路塹標(biāo)準(zhǔn)斷面圖2、多年凍土區(qū)與融區(qū)過渡段多年凍土區(qū)與融區(qū)過渡段地質(zhì)縱斷面圖2、多年凍土區(qū)與融區(qū)過渡段

多年凍土區(qū)與融區(qū)過渡段路堤格爾木端路橋過渡段縱斷面圖3、路橋過渡段土工格柵折返段天然地基（基底）片石通風(fēng)層橋臺(tái)土工格柵過渡段路堤體14.0m3.0m1:25.0m6.0m1.5m拉薩端路橋過渡段縱斷面圖3、路橋過渡段格爾木端路橋過渡段過渡段名稱最大沉降差（mm）長度(m)沉降引起的最大坡率（‰）路堤路塹過渡段30400.75多年凍土區(qū)與融區(qū)過渡段1301001.3路橋過渡段4485.5三種過渡段內(nèi)沉降引起的最大坡率路基凍脹防治工程圖（六）路基凍脹防治技術(shù)3、路基面的變形右側(cè)路基表面變形右路肩的變形曲線路基沉降變形監(jiān)測斷面圖（七）多年凍土路基沉降監(jiān)測北麓河測試斷面多年凍土上限的變化1、路基下多年凍土上限上升斷面位置路堤高度（m）上限深度（m）上限變化（m）2001200220032004200220032004DK1136+5404.525.55.55.5111DK1136+58051.96.56.55.50.40.41.4DK1136+60041.94.94.84.211.11.7DK1136+6203.21.94.13.93.511.21.62、路基下多年凍土地溫有限升高路堤中心孔的地溫曲線圖3