青藏铁路多年冻土路基工程技术研究

中铁第一勘察设计院集团有限公司青藏铁路多年冻土路基工程技术研究

提纲

一、青藏铁路概况

二、青藏铁路多年冻土区路基工程的特性

三、青藏铁路多年冻土区路基工程技术研究

四、主要研究成果

五、成果的创新性

一、青藏铁路概况

一、青藏铁路概况

唐古拉山海拔高程大于4000m地段约960km，最高点为5072m。连续多年冻土区546.43km。沿线自然环境恶劣。2001年6月29日开工

2006年7月运营

2007年7月国家验收。二、青藏铁路多年冻土区路基工程的特性

（一）多年冻土地基的工程地质特点

土体含冰土体温度二、青藏铁路多年冻土区路基工程的特性

（一）多年冻土的工程地质特点

低高

大小含冰量含冰量融沉二、青藏铁路多年冻土区路基工程的特性

（一）多年冻土的工程地质特点

低高

差好温度温度热稳定性多年冻土长546.43km高温冻土长274.26km,占50％高含冰量冻土长223.16km，占41％Km二、青藏铁路多年冻土区路基工程的特性

1、融沉防治2、路基边坡防护

3、路基开裂防治4、多年冻土区过渡段处理5、冻胀防治6、不良冻土现象处理7、青藏高原未来气温升高（二）多年冻土区路基工程面临的主要技术难题

融沉病害冻土湿地

冰锥热融滑塌热融湖塘现场测试

（三）解决问题的技术线路建立实体试验工程制定工程措施提交研究分析成果报告专家评审指导设计与施工唐古拉山昆仑山风火山清水河高温冻土细粒土地段北麓河厚层地下冰地段沱沱河融区和多年冻土过渡地段安多深季节冻土地段风火山和昆仑山隧道试验段1、建立了4个多年冻土区路基工程试验段三、青藏铁路多年冻土区路基工程技术研究2、对4个试验段进行了三年多的现场测试，共获得约80余万个地温及变形数据三、青藏铁路多年冻土区路基工程技术研究唐古拉山昆仑山风火山清水河高温冻土细粒土地段北麓河厚层地下冰地段沱沱河融区和多年冻土过渡地段安多深季节冻土地段风火山和昆仑山隧道试验段3、5次提交阶段研究成果，3次专家评审三、青藏铁路多年冻土区路基工程技术研究四、主要研究成果（一）青藏铁路多年冻土工程地质勘察（二）保护多年冻土的路基结构（三）高原多年冻土区路基边坡防护技术研究（四）冻土加筋路堤（五）多年冻土区过渡段（六）路基冻胀防治技术（七）多年冻土路基沉降监测（一）青藏铁路多年冻土工程地质勘察青藏铁路多年冻土各级分区段落统计表

第一级分区片状多年冻土区403.15km岛状多年冻土区（含融区）143.28km第二级分区年平均地温分区长度(km)第三级分区含土冰层地段(km)富冰、饱冰冻土地段(km)多冰、少冰冻土地段(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融区101.68合计546.4357.2165.96221.591、保护多年冻土路基结构的目的2、被动保护多年冻土的路基结构3、主动保护多年冻土的路基结构4、保护多年冻土路基结构的应用（二）保护多年冻土的路基结构1、保护多年冻土路基结构的目的热稳定性高含冰量冻土负温（1）路堤合理填筑高度试验（2）隔热保温材料路基（3）小结2、被动保护冻土路基结构（1）路堤合理填筑高度试验

路基下临界高度路基上临界高度路堤合理填筑高度清水河路基合理填筑高度断面图北麓河路基合理填筑高度断面图

（1）路堤合理填筑高度试验1）在不同的年平均气温及年平均地温条件下，多年冻土区路基合理高度有所不同

清水河冻土上限抬升量随路堤高度变化图（1）路堤合理填筑高度试验

1）在不同的年平均气温及年平均地温条件下，多年冻土区路基合理高度有所不同

北麓河冻土上限抬升量随路堤高度变化图（1）路堤合理填筑高度试验2）铁路路堤合理填筑高度存在的年平均气温临界值约为-3.1℃，相应的年平均地温-0.6℃

路堤上、下临界高度随年平均气温的变化图

1113）使用条件

在年平均气温≤-3.5℃、年平均地温≤-1.0℃时，路基的下临界高度为2.0m

生态环境人为活动微地貌安全系数路堤合理填筑高度试验工程1）隔热保温材料对多年冻土冷储量影响的特性（2）隔热保温材料路基断

面路基高度（m）左护道隔热保温材料位置（m）天然地表下深度（m）34DK1139+7802.89无0.0560.04DK1139+9002.82地面以上0.5m0.0360.0322002年6月至2004年12月北麓河试验段路基左、右护道下部天然地面下不同深度的地温变化速率(℃/年）2）隔热保温材料相当于一定当量厚度的填土隔热保温材料路堤与对比断路堤冻土上限抬升量（2）隔热保温材料路基断面里程工程措施天然上限（m）路基填高（m）2004年相对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铺设10cm厚EPS保温板2.411.602.181.721.83DK1024+825无保温板2.231.462.142.021.872）隔热保温材料相当于一定当量厚度的填土

（2）隔热保温材料路基填土高度与隔热保温材料厚度对应图3）使用条件在年平均气温≤-3.5℃、年平均地温≤-1.0℃时路基填高＜2.0m1）对保持多年冻土地基热稳定性有一定的效果

（3）小结2）使用条件：不能增加地基的冷储量维持地温不变或减小地温的升温速率年平均气温≤-3.5℃相应的年平均地温≤－1.0℃（1）片石气冷路堤（2）片石及碎石护坡（3）热棒路基（4）通风管路堤（5）小结3、主动保护冻土路基结构（1）片石气冷路堤

片石气冷路堤（1）片石气冷路堤

片石气冷路堤

1）片石气冷路堤的工作机理A、片石层的“热半导体”作用寒季片石层传热的示意图

冷量空气受冷下沉

1）片石气冷路堤的工作机理A、片石层的“热半导体”作用暖季片石层传热的示意图

热量空气受热上升

1）片石气冷路堤的工作机理B、片石层的强迫对流作用片石层强迫对流的示意图

风向

2）片石气冷路堤降低地温片石气冷路堤与对比段路堤片石层底面处的平均温度（℃）

孔位左侧路肩3＃（阳坡侧）右侧路肩5＃（阴坡侧）断面里程DK1025+575DK1025+625差值DK1025+575DK1025+625差值2002年年均温度-0.760.03-0.79-1.16-0.41-0.752003年年均温度0.10.48-0.38-0.71-0.09-0.622004年年均温度-0.020.58-0.60-1.05-0.12-0.93注：“差值”为DK1025+575的年平均温度减DK1025+625的年平均温度

3）青藏铁路多年冻土区累计使用长度117.69km（2）片石及碎石护坡片石或碎石护坡路堤1）片石及碎石护坡的工作机理A、片石及碎石层的“热半导体”作用B、片石及碎石护坡的遮阳作用遮蔽太阳辐射

2）在路堤阴阳坡明显的地段，路基两侧应铺设不同厚度的片石护坡2004年清水河试验段片石护坡路堤本体年度积温统计表（℃·天）注：差值＝0.8m厚片石的积温－1.2m厚片石的积温阳坡侧路肩孔阴坡侧路肩孔深度（m）片石护坡厚度（m）差值深度（m）片石护坡厚度（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）片石护坡保护多年冻土的效果要好于粒径碎石护坡；片石护坡需人工堆砌，碎石护坡可机械化施工

片石及碎石层下0.7m地温随时间变化曲线

4）片石护坡可减小路基的沉降量及两侧路肩沉降差异累积变形量统计表（mm）断面阳坡侧路肩阴坡侧路肩差值DK1026+155（片石护坡）-100-87－13DK1026+230（对比段）-182-134－48

（3）热棒路基直插式热棒路堤

（3）热棒路基斜插式热棒路堤（3）热棒路基

热棒路基1）热棒的工作机理1）热棒的工作机理汽液两相对流换热，无能耗，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温直插热棒斜插热棒

左路肩孔直插热棒斜插热棒

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温直插热棒斜插热棒

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温3）热棒有效制冷影响范围(a)图4-2清水河φ89，实际翅片高度23mm(b)安多φ60，实际翅片高度23mm(c)安多φ89，实际翅片高度28mm(d)安多φ108，实际翅片高度28mm天然地面热棒的测温孔3.0m～8.0m平均温度随热棒不同距离的变化曲线4）不同管径热棒制冷效果

安多距热棒30cm测温孔对应蒸发段深度范围内平均地温（℃）时间热棒管径Φ60(25)Φ89(30)Φ89(25)Φ108(30)2005-12-10～2006-3-30-2.9-3.2-3.7-4.4距热棒0.3m测温孔对应蒸发段深度范围内平均地温随时间的变化曲线

（4）通风管路堤通风管埋设于路堤中部通风管埋设于路堤基底以上0.5m（4）通风管路堤通风管路堤（4）通风管路堤1）通风管路堤的工作机理扩大了空气与路堤的接触面管道通风清水河混凝土通风管路堤与对比段路基4＃孔基底处地温随时间曲线2）通风管可有效降低地温通风管路堤与对比段路基中心基底处总积温统计表（℃·天）断面里程时间路基中心基底处总积温中部通风管DK1026＋3702003年（2002.9.1~2003.9.1）-365.472004年(2003.9.1~2004.9.1)-399.382004较2003年总积温减小的量值33.9下部通风管DK1025＋4502003年（2002.9.1~2003.9.1）-257.72004年(2003.9.1~2004.9.1)-442.942004较2003年总积温减小的量值185.24下部通风管量值是中部通风管量值的倍数5.463）通风管的理想埋设位置在地面以上1～1.5m处A、下部通风管较中部通风管传输的冷量多中部通风管最大融化深度图B、中部通风管较下部通风管上限抬升量大下部通风管最大融化深度图B、中部通风管较下部通风管上限抬升量大4）管径为0.3～0.4m时，管中心间距采用1.6～2.0m下部通风管路堤与对比段路基03.9.1～04.9.1平均地温随深度变化曲线图1）对保持多年冻土地基热稳定性有显著的效果

（5）小结2）使用条件：年平均气温＞-3.5℃相应的年平均地温＞－1.0℃增加地基的冷储量降低地温4、保护多年冻土路基结构的应用

（1）未来50年气温不变情况下，保护多年冻土路基结构的应用（2）未来50年气温升高情况下，保护多年冻土路基结构的应用4、保护多年冻土路基结构的应用（1）未来50年气温不变多年冻土条件综合等级多年冻土的地温、含冰量、埋深、路堤填高等条件工程处理措施备注一般Ⅲ、Ⅳ区饱冰冻土、富冰冻土且路堤高度≥2.0m大于下临界的路堤被动措施较差Ⅲ、Ⅳ区饱冰冻土、富冰冻土且路堤高度＜2.0m隔热保温材料“＋”基底换填Ⅲ、Ⅳ区含土冰层埋深大且路堤高度＜2.0m差Ⅲ、Ⅳ区含土冰层埋深小片石气冷路基或热棒主动措施Ⅱ区含土冰层Ⅰ、Ⅱ区饱冰冻土、富冰冻土Ⅰ区含土冰层埋深大极差Ⅰ区含土冰层埋深小以桥代路

不同条件下保护多年冻土路基结构的应用强弱差好冻土条件工程措施被动措施多年冻土条件综合等级为一般的地段大于下临界高度的路堤多年冻土条件综合等级为较差的地段被动措施路堤小于下临界高度、铺设隔热保温材料及换填粗颗粒土多年冻土条件综合等级为差的地段片石气冷路基热棒路基多年冻土条件综合等级为极差的地段以桥代路（2）未来50年气温升高1）青藏高原气候变化预测及对多年冻土的主要影响未来50年气温升高有两种预测：1.0℃和2.6℃。融区所占比列未来50年气温升高后季节冻土变化示意图比例增加约1.7%，I区退化的比例增加约27%，I、II区退化的占22％Ⅲ区退化的占5％2）气温升高预测的可靠性未来50年气温升高1℃对青藏铁路设计具有较强的指导性,

未来50年气温升高2.6℃准确性较低,对进一步加强环境保护和青藏铁路建设具有警示作用。增加以桥代路的段落单一保护措施转变为综合保护措施被动保护措施转变为主动保护措施

在未来50年气温升高1℃情况下，确保工程稳定，在此基础上，进一步提高工程抵御升温的能力，尤其要加强I、II区含土冰层地段的处理措施。3）应对青藏高原未来气温升高的技术对策多年冻土条件综合等级多年冻土的地温、含冰量、埋深、路堤填高等条件一般Ⅲ、Ⅳ区饱冰冻土、富冰冻土且路堤高度>2.0m较差Ⅲ、Ⅳ区饱冰冻土、富冰冻土且路堤高度＜2.0mⅢ、Ⅳ区含土冰层埋深大且路堤高度＜2.0m差Ⅲ、Ⅳ区含土冰层埋深小Ⅰ、Ⅱ区饱冰冻土、富冰冻土Ⅰ、Ⅱ区含土冰层埋深大多年冻土条件综合等级划分4）应对青藏高原未来气温升高的工程措施多年冻土条件综合等级多年冻土的地温、含冰量、埋深、水文、路堤填高等条件极差1)泉眼出露集中，含冰量较大，冬季易形成冰幔，路基工程难以治理的地段；

2)位于I、Ⅱ区含土冰层埋藏较浅，厚度较大的地段；

3)多年冻土与融区交界附近的高含冰量地段；

4)位于I区的高含冰量冻土地段及Ⅱ区地层粗细颗粒交错，路基难以保证均匀变形的地段；

5)线路通过区域内水文地质条件差、地势低洼、排水不畅，或水塘积水量大，容易浸泡路基的高含冰量地段。

多年冻土条件综合等级划分被动措施主动措施多年冻土条件综合等级为一般的地段单一工程措施综合工程措施多年冻土条件综合等级为差的地段多年冻土条件综合等级为差的地段单一工程措施综合工程措施多年冻土条件综合等级为较差的地段多年冻土条件综合等级为较差的地段多年冻土条件综合等级为极差的地段以桥代路

1、碎石护坡

2、移植乡土草皮护坡

3、预制拼装式骨架护坡

4、加筋土预制块护坡

5、土工格室护坡

6、泡沫玻璃板护坡

7、改良土护坡（三）高原多年冻土区路基边坡防护技术研究

1、碎石护坡

青藏铁路多年冻土区累计使用长度达127km。

降低地温调整地温场的不对称性减小路基的沉降量及沉降差异适应边坡冻胀变形机械化施工2、移植乡土草皮护坡移植乡土草皮护坡2、移植乡土草皮护坡

2002年8月、2003年9月、2004年9月移植乡土草植物成活率统计图3、预制拼装式骨架护坡预制拼装式骨架护坡3、预制拼装式骨架护坡

DK1137＋993断面锚杆顶端及冻胀板累计变形曲线

4、加筋土预制块护坡施工工艺复杂，施工人员劳动强度大5、土工格室护坡6、泡沫玻璃板护坡7、改良土护坡抗老化能力差高原多年冻土区路基边坡防护小结序号护坡名称使用建议1碎石护坡推广使用2移植乡土草皮护坡有条件推广使用3预制拼装式骨架护坡可以使用4加筋土预制块护坡不宜推广使用5土工格室护坡不宜推广使用6泡沫玻璃板护坡不可使用7改良土护坡不可使用

冻土加筋路堤（四）冻土加筋路堤加筋路堤与对比路基阴阳侧路肩水平位移对比图（四）冻土加筋路堤mm(五)多年冻土区过渡段试验研究路堤路堑过渡段纵断面图

路堤标准断面图1、路堤路堑过渡段

(五)多年冻土区过渡段试验研究路堤路堑过渡段纵断面图

1、路堤路堑过渡段

路堑标准断面图2、多年冻土区与融区过渡段多年冻土区与融区过渡段地质纵断面图2、多年冻土区与融区过渡段

多年冻土区与融区过渡段路堤格尔木端路桥过渡段纵断面图3、路桥过渡段土工格栅折返段天然地基（基底）片石通风层桥台土工格栅过渡段路堤体14.0m3.0m1:25.0m6.0m1.5m拉萨端路桥过渡段纵断面图3、路桥过渡段格尔木端路桥过渡段过渡段名称最大沉降差（mm）长度(m)沉降引起的最大坡率（‰）路堤路堑过渡段30400.75多年冻土区与融区过渡段1301001.3路桥过渡段4485.5三种过渡段内沉降引起的最大坡率路基冻胀防治工程图（六）路基冻胀防治技术3、路基面的变形右侧路基表面变形右路肩的变形曲线路基沉降变形监测断面图（七）多年冻土路基沉降监测北麓河测试断面多年冻土上限的变化1、路基下多年冻土上限上升断面位置路堤高度（m）上限深度（m）上限变化（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、路基下多年冻土地温有限升高路堤中心孔的地温曲线图3