青藏铁路路基建设方法

青藏铁路建设中的路基冷却方法

概述

超过青藏铁路冻土一半的地区有40％的冰灾情况。在全球变暖的情况下，青藏铁路的建设需要考虑在未来50-100年的气候变化。近期研究表明，高原上的空气温度会由2050年增加2.2-2.6摄氏度。因此，对铁路建设成功的关键在于防止潜在的路基冻土融化。它成为100年以来的第一条铁穿越冻土建立的铁路。报道称，大于30％的冰霜伤害比例已经在所有的多年冻土区铁路已经建成。根据以上的经验和多年冻土区公路建设的经验教训的基础上，提出了一种用于青藏铁路的建设更加积极主动的设计方法。这种方法侧重于通过降低冷却路基的地温，并从防止由单纯依靠增加热阻冻土融化被动方法不同（例如，增加路堤高度，使用保温材料）。这路基冷却设计方法，特别是有关温暖和富冰多年冻土区。若干措施可采取路基降温，包括适当的选择和配置路基材料，调整太阳辐射，热对流，热传导模式针对周围的路基。

1，简要介绍

多年冻土是气候变化的敏感指标。随着温度的降低多年冻土强度。一旦冰轴承冻土融化，它将失去其承载能力。因此，多年冻土工程它区别于其他土壤/岩石工程的方面则是会存在工程稳定性和气候变化（纳尔逊等人，2001年;纳尔逊，2003）。

在过去的几十年里，出现了对青藏高原气候变暖的趋势明显。气温增加了18摄氏度从60年代到90年代。在年平均地面温度上升，从20世纪70年代至90年代，是0.3?0.5摄氏度为暖性冻土和多年冻土分别为0.1-0.3摄氏度为寒性冻土，从1996年至2001年，地面温度升高在0.08和0.01摄氏度之间，增加的幅度在多年冻土表和0.053和0.021摄氏度之间在每年6-8米深处。因此，每年同一时期在多年冻土上限下降的速度为 2.6和 6.6厘米。气候变暖和冻土退化是目前的青藏铁路建设所面临的挑战。根据有关的经验和在世界冻土地区公路建设的经验教训的基础上，提出了一种用于青藏铁路建设积极broadbed coolingQ方

法，并提出一些措施以冷却路基和抵制气候变化以及气候变暖的影响。

2，多年冻土地区铁路建设的历史

对多年冻土的铁路建设已有超过100多年的历史。早在1895年年初，俄罗斯开始了第一条跨西伯利亚铁路建设。这是9446公里长，其中2200公里被冻土伏。后期20世纪70年代，俄罗斯开始在西伯利亚建立另外一条铁路，其中2500公里是由下伏多年冻土区铁路的3500公里。几乎整个的Berkakit - Tommot -雅库茨克铁路公里的路线，目前正在建设中，已经结束冻土区的建设。从1984年到1995年，为Berkakit - Tommot段路基段的建设完成。此外，从秋明至OB湾铁路也正在建设。在美国，建于1904年的阿拉斯加铁路结束了多年冻土的穿越。在加拿大，已建成5条铁路穿越多年冻土地区。哈德逊湾铁路是最早的，在1910年完成了611公里到820公里的路线完成了多年冻土的建设。

在中国东北，两个主要的铁路，一条是从嫩江到古莲等，建于大兴安岭和小兴安岭的森林，有800多公里的多年冻土总距离。中国西北地区，已建成两条铁路在冻土：青海省和横贯天山的南疆线，新疆海西公路也建在中国多年冻土区：青藏公路（550公里以上的冻土地带）和清康公路（330公里在冻土地带）。他们一直维持不间断运输超过40年，不中断。由于反复冻融多年冻土地区，许多独特的地质过程开发诸如冻胀，融沉陷，冲霜，霜冻开裂，冻化，霜冻排序。这些变化产生负效应影响工程结构的正常运转。冰霜在多年冻土区所造成的损害是主要由冻胀和融沉。例如，大约被霜冻破坏的青藏公路85％是由于解冻，而15％是由于冻胀和翻浆。损坏桥梁，涵洞，主要是由于冻胀。在暖性多年冻土区，纵向裂缝发展对堤防之间的差异，由于北斜坡解冻面和解决南斜坡解冻面的速度不一致

铁路，如同任何其他线路型工程结构，需要通过不同的运行条件和地形地貌。因此，他们是更有挑战性的建设。尽管有已超过100年以来的第一条铁路在多年冻土完成，报告表明，现有的经营条件下，冻土铁路建设成功率并不理想。1994年的一项调查显示，损坏比率为27.5％的BAM铁路，经过100多年的运营，1996年，损坏比例为40.5％的Zabajkalsk铁路，经过100多年的运作。随着青藏公路的建设，在1999年进行了一项调查。该公司指出，31.7％的损坏率。该比率估计将超过40个在中国的东北多年冻土区铁路营运的损坏率。1962年，一出轨事件发生在牙克石- Mangui铁路由于路基突然下沉。它下沉了1.4米，5小时一个1.5米的K197次火车突然沿原路下陷，另据报道，这似的旅客列车停运了4小时。

3，青藏铁路建设中的路基冷却法

对青藏铁路格尔木至拉萨段的距离是1142公里，其中1100公里正在建设中。包括550公里的铁路连续多年冻土区和82公里的岛屿型多年冻土区。.如果平均每年0至1.0摄氏度地面温度作为高温冻土温度范围界定，275公里（或50％）的连续多年冻土和多年冻土是温热性40％是寒冷性。青藏铁路预计将运行超过100年。根据全球变暖，其建设需要考虑到在未来50-100年的气候变化。1990年至2100年，全球表面温度预计将上升1.4-5.8 摄氏度。气候变暖将可能采取对青藏高原及其周边的地方早于其他地区。青藏高原气候变化也是一个放大器，它的升温幅度将高于全球平均水平。最近的估计表明，在高原的气温将上升2.2-2.6摄氏度，到2050年。多年冻土强度接近于岩石。但是，一旦冰轴承冻土融化，它就完全失去了它的承载能力。因此，青藏铁路成败的关键是要防止冻土融化，路基从底层开始。

在过去的几十年里，大量的数据积累了多年冻土沿青藏公路和青康公路的实地观察。从经验和教训中，从多年冻土公路建设的经验中分析出的数据，无疑将有利于设计和青藏铁路的建设。从长期的公路冻土建设获得的数据可以得出以下结论：

1，在多年冻土区路基稳定性与地面温度熊密切的关系。由于沥青路面应用到青藏公路，一解冻层之间的多年冻土活动层和表夹，先后开发了60％的路基。这种现象主要是由暖报道多年冻土区。

2两以上的地面温度沿青藏公路的5年期间所收集的数据集表明，在温热性冻土层解冻凡已在路基发达，结果表明，热平衡收益和有源层积聚的热能，下部多年冻土不断地吸收热量。在多年冻土区路基也吸收更多的热量比它可以释放。

3，绝缘材料组成的路基热状况表明，由于热电阻的影响，绝缘材料可以降低地面温度的年变化幅度，在多年冻土融化造成的延误。然而，这种效果不能改变的事实该路基吸收更多的热量比他们释放。在寒冷的绝缘材料的使用，似乎多年冻土区，在一定程度有效，但其长期的有效性在高温多年冻土地区降低。

上述结论说明，防止由单纯依靠增加热阻冻土融化（例如，增加路堤高度，使用更热耐磨材料）是一种被动的方法，缺乏长远的效益。根据气候变化，这种方法不能保证在冻土路基稳定性，尤其是在青藏高原多年冻土温暖。过去工程实践已经证实，这种方法的成功率不高。一个更积极的设计理念，而不是应该通过了青藏铁路。这一理念，而不是使用被动保温，重点是通过主动降温，降低地面温度达到了路基稳定路基。

4，路基降温措施

有三种传热方式：辐射，对流和传导。可以由它们的配置和材料，太阳辐射，热对流，热传导模式的调整正确的选择冷却路基。

4.1太阳辐射的调整措施

增加了地面反照率降低了由地面接收太阳辐射量，降低地面温度。在这一原则的基础上，光或白色材料可用于路基表面，以减少热量吸收。对路基边坡的颜色调整也有助于实现这一目的。俄罗斯科学家Kondratyev（1996）提出了遮荫棚，以减少太阳辐射到达地面的使用。根据中国科学院的铁路所得的烽火山在青藏高原，年平均地面温度下的实验场棚面为8摄氏度提交的数据低于外界，普遍认为遮阴棚，显示清晰的冷却效果。另一种简单的方法是把沿河堤边坡遮阳板。

从烽火山显示测试数据，1月地面边界板内表面温度比外面6-15摄氏度董事会边界较

低。这也是一个有效的方法，可在未来用于冷却路基。通风基础设备，广泛应用于多年冻土地区建设世界各地的建筑，已被证明是一种有效的预防方法，也可以在巷道施工中使用了多年冻土。空气导管，可嵌入到路基冷却路基。对青藏高原的气温通常是在至少 3 摄氏度比地面温度低。当冷空气经过的管道，它携带在向外界路基热量。两个实验室试验和数值模拟已经证明其有效性。对在高原北麓河试验现场通风路基野外观察表明，空气导管，可有效降低路基温度。在第二次冻融循环后的空气导管嵌入周围土壤温度降低到0以下的数值摄氏度，风管下方的热平衡显示净热损失。为了提高性能，百叶窗安装在通风管道之一的结束。快门自动打开和关闭，由空气温度触发。当空气温度高时，它是封闭的。否则，它打开。数据表明，后安装的百叶窗，将路基的热量会在最暖和的月份是一种不带百叶窗的一半。百叶窗确实有改善空气管冷却的效果。

4.2 热对流调整措施

多年冻土的斯科沃罗季诺站的前全苏铁路运输研究所，实地观察后，根据1969年和1970年之间，指出了粗岩石组成的堤防温度比其他土壤类型为低。这种现象可以解释为鲍尔奇效应（米哈伊洛夫，1971）。多孔岩石覆盖让自然对流发生在冬季，并提供了空气和绝缘夏季遮阳稳定层。1973年，原兰州冰川冻土研究所，中国科学院，建立了一个2.7米实验堤粗岩（直径0.3米）以上的在青海省煤炭矿富含冰的冻土部分。一个明显的降温效果观察这个粗石路堤。1992年，机械工程的阿拉斯加费尔班克斯大学部，提出在一个大型多孔岩石层的热对流流计算机成型一系列研究。1993年，一个试验堤是建在布朗斯希尔采石场内，

近费尔班克斯。结果是非常有前途，他们命名为拜尔对流堤堤。由粗岩石造成的冷却作用物理学是瑞利Be'nard对流理论。根据气温变化的自然循环，粗岩作为热半导体和降温的根本土壤。它已被证实的实验室测试，现场全面路堤试验，而且粗岩可作为路基填料和侧坡上，降低路基温度的数值模拟。它已成为一个广泛的在青藏铁路建设的实践中，以支付粗岩路基边坡，因为它是有效和便宜。对流方法，开发后，通过自然对流热交换的原则，是路基降温非常有效的措施。这种对流方法，在多年冻土地区使用，制定了几乎在20世纪50年代由前苏联和美国龙Gapeyev同一时间。在20世纪70年代，横贯阿拉斯加输油管道，并成功解决了用热电偶对多年冻土的热油运输问题。第一次对流方法已知的使用维护冻土铁路路基下约1984年的报告。在近年来，阿拉斯加运输部一直在试验研发对流调整措施，这似乎比目前青藏铁路驾驶的热管直立巷道工程更合适于使用。

4.3 热传导调整措施

泥炭可以在自然状态下能够保持多年冻土。其机制是，泥炭可以完全饱和，士冰的热导率4倍，比水的大。因此，冷冻饱和泥炭比泥炭解冻热导率要高得多。在自然条件下，通过冻结饱和泥炭冬季热损失远远大于通过解冻泥炭夏天的热损失。地面之间以及不同温度下多年冻土表显示出这样的结果。这种现象被称为热在北美偏移，或在俄罗斯式的温度变化。据史密斯和莱斯勃拉芙地区（2002年），冷冻饱和泥炭的热导率可高达解冻饱和的泥炭的三倍。在与0°的地区年平均气温可达到4°温度升高。对铁路建设的启示是，材料产生巨大的热补偿能力，可用于冷却路基。如果这种材料具有很强的承载能力，它可以被放置在路基。否则，它可以放在一边的斜坡。铺设草皮也应加以考虑，因为一个植被覆盖，不仅可以降低地面温度，而且还可以防止风沙侵蚀的行动和边坡。它也提高了铁路环境景观。

旱桥可以设置用以降低地面温度，理由是因为它可以遮挡阳光和空气管道行为。它也可以支持重物。由于其相关的成本很高，应该唯一适用于温暖和富含冰的冻土地区。上面提到的所有不同措施可结合使用，以达到冷却路基的目的。

5，总结

（1）由于高原多年冻土和预测气候变暖的情况下，该策略温暖富冰保持在冷冻状态下多年冻土的性质，必须从被动转向主动的方式，强调降低地面温度和降温尤其是对温暖的冰丰富的多年冻土区路基。以防止由单纯依靠增加热阻冻土融化不再被动的方法，可以用在对青藏铁路的热情，富冰路段施工。

（2）一些可采取一些措施，以降低地面温度，并抵消气候变暖的影响。这些措施包括：

（1）选择和配置适当路基材料

（2）太阳辐射，热对流，热传导方式的调整以影响周围的路基。

致谢

笔者衷心感谢李冬青教授。王宝来进行的英文文章版本编辑。这项工作是支持知识创新工程重要方向，项目资助中国科学院。