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文章來源：《中國鐵路》編輯部

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錢征宇，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司科技和信息化部

0?引言

俄羅斯是世界上多年凍土分布最廣的國家，也是最早在多年凍土區(qū)修建鐵路和開展城市建設(shè)的國家，在多年凍土區(qū)修建鐵路已有近百年歷史。為解決青藏鐵路多年凍土工程技術(shù)難題，建設(shè)世界一流高原凍土鐵路，必須充分借鑒國內(nèi)外高原凍土的研究成果和實踐經(jīng)驗。對國內(nèi)外既有凍土工程技術(shù)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，尤其對俄羅斯多年凍土工程技術(shù)的分析，為解決青藏鐵路多年凍土工程難題提供了有益的參考和借鑒。

1?俄羅斯多年凍土鐵路概況

為解決多年凍土對鐵路建設(shè)和運營的危害，俄羅斯首先開創(chuàng)了多年凍土學(xué)，并逐步發(fā)展形成為一門新的學(xué)科。騰達(dá)凍土研究站成立于1927年，該研究站長期對西伯利亞鐵路、貝阿鐵路多年凍土工程開展現(xiàn)場觀測研究，在多年凍土鐵路設(shè)計、施工和運營等研究方面積累了豐富的資料和實踐經(jīng)驗。由于多年凍土工程的復(fù)雜性，俄羅斯既有多年凍土鐵路病害仍相當(dāng)嚴(yán)重，線路行車速度普遍較低。

1.1 西伯利亞鐵路

始建于1891年的西伯利亞鐵路東西橫貫亞歐大陸，自莫斯科經(jīng)車?yán)镅刨e斯克、鄂木斯克、伊爾庫茨克到達(dá)符拉迪沃斯托克，全長9288km，是世界鐵路建設(shè)史上規(guī)模最大的鐵路工程，也是首條通過多年凍土區(qū)的鐵路。西伯利亞鐵路全線于1916年建成通車，該鐵路在后貝加爾和阿穆爾地區(qū)有約2200km線路通過多年凍土區(qū)，沿線氣候惡劣、人煙稀少，工程建設(shè)困難極大。

20世紀(jì)初，關(guān)于多年凍土的理論還處于萌芽階段，對多年凍土的工程性質(zhì)和發(fā)育規(guī)律認(rèn)識極為膚淺，在鐵路工程設(shè)計和施工中還未認(rèn)識到其特殊性。在鐵路建設(shè)過程中，多年凍土危害逐步顯現(xiàn)，其路基普遍產(chǎn)生下沉、凍脹，給排水管道和房屋遭到破壞，很多建筑因地基塌陷而廢棄。

1.2?貝阿鐵路

貝阿鐵路是俄羅斯第2條橫跨西伯利亞的鐵路干線，全長4324km。貝阿鐵路中段烏斯季庫特—共青城全長3145km，位于既有西伯利亞鐵路以北200～500km，其中通過多年凍土地段約2500km，1974年開始分段開工建設(shè)。

貝阿鐵路沿線主要為西伯利亞荒無人煙的原始森林，物資匱乏、交通不便，每年凍結(jié)期長達(dá)9個月，冬季最低氣溫達(dá)-60℃，自然環(huán)境和地質(zhì)條件極為復(fù)雜。為查清沿線多年凍土工程地質(zhì)條件，蘇聯(lián)舉全國之力組織多支工程地質(zhì)專業(yè)隊伍對多年凍土區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的勘察調(diào)查，在極為艱苦的條件下開展線路方案、工程地質(zhì)、多年凍土等方面的研究工作，確定了多年凍土區(qū)線路設(shè)計、施工技術(shù)方案。由于工程艱巨浩大，蘇聯(lián)政府將貝阿鐵路稱為“世紀(jì)工程”和“通向21世紀(jì)之路”。

1.3?其他鐵路

俄羅斯在多年凍土區(qū)還修建了阿穆爾—雅庫茨克鐵路，該線路南起西伯利亞鐵路的斯科沃羅季諾站，在滕達(dá)與貝阿鐵路相接，北至雅庫特共和國首府雅庫茨克附近的下別斯佳赫站，全長1239km，全部在多年凍土區(qū)通過。此外，伯朝拉—沃爾庫塔鐵路、蘇爾古特—烏連戈伊—納德姆鐵路的北部也在多年凍土區(qū)通過。

2?多年凍土工程技術(shù)

2.1?項目特點

貝阿鐵路采用俄羅斯一級干線鐵路標(biāo)準(zhǔn)，軌距1520mm，最小曲線半徑400m，特殊情況下允許最小曲線半徑250m，線路計算坡度9‰，越嶺地段最大坡度18‰。由于沿線小半徑曲線多、軸重大，采用熱處理65kg/m鋼軌，碎石道床和當(dāng)?shù)禺a(chǎn)油浸木枕，直線地段鋪設(shè)木枕1840根/km，曲線半徑1200m以下地段鋪設(shè)木枕2000根/km。

貝阿鐵路以路基工程為主，路基長度占線路總長90%以上。全線修建大小橋梁3000余座。其中，大橋150座，最長的阿穆爾河大橋長度1.45km，勒拿河大橋和結(jié)雅水庫大橋長度也超過1km。為降低工程造價、減少施工難度，在鐵路建設(shè)中很少采用隧道，通常以傳統(tǒng)的大坡道展線方案跨越山嶺。貝阿鐵路全線僅修建隧道8座，總延長約30km，不足線路總長的1%。其中，最長的北穆伊斯基隧道長15.3km，是前蘇聯(lián)最長的鐵路隧道。

2.2?設(shè)計原則

多年凍土是一種對溫度極為敏感且性質(zhì)不穩(wěn)定的土體，其物理力學(xué)特性與溫度及含冰量密切相關(guān)。修筑于多年凍土地基的建筑物在施工和使用過程中不可避免地受周邊熱環(huán)境影響，使多年凍土狀態(tài)發(fā)生變化。在貝阿鐵路多年凍土工程的設(shè)計原則中，分別考慮了地基多年凍土始終凍結(jié)和允許地基多年凍土融化2種狀態(tài)。

3?貝阿鐵路路基病害整治

3.1?病害狀況

貝阿鐵路自1984年起開始分段運營，此后凍土病害逐年加重。1984年交付運營時，共有738處路基發(fā)生變形，累計長度224km，占運營線路長度的15%；1990年全線交付運營時，共有超過3700處路基發(fā)生變形，累計長度達(dá)1158km，占運營線路長度的27.5%。每年5—7月春融期間，凍土路基病害非常明顯（見圖1）。特別在橋路過渡段沉降變形最嚴(yán)重（見圖2），年均沉陷量0.2～0.5m，最大累計沉陷1.5～2.2m，騰達(dá)凍土研究站附近一座鋼橋因差異沉降過大而廢棄。1990—1993年，貝阿鐵路全線限速區(qū)段從305處增至478處，列車長期按15～40km/h限速運行，最高行車速度僅70km/h。為防止線路狀態(tài)繼續(xù)惡化，全線運營后即開始實施凍土病害整治補(bǔ)強(qiáng)工程。

此外，西伯利亞鐵路后貝加爾段線路以25km/h速度運行近50年，很多區(qū)段至今限速50km/h。通車運營近100年后，凍土病害仍不斷發(fā)生，證明多年凍土病害的長期性和嚴(yán)重性。

3.2?病害成因

貝阿鐵路路基病害產(chǎn)生的主要原因如下：

（1）凍土危害性認(rèn)識不足，設(shè)計方案不適應(yīng)復(fù)雜的凍土條件。在貝阿鐵路高溫、高含冰量凍土地段，路基采用允許多年凍土融化的設(shè)計原則，運營期路基下沉主要通過補(bǔ)充道砟維持，由于設(shè)計資料與實際地質(zhì)條件存在較大差異，高含冰量凍土地段的實際沉降遠(yuǎn)大于設(shè)計估算沉降，路基變形持續(xù)加劇，僅補(bǔ)充道砟無法適應(yīng)線路變形，病害持續(xù)發(fā)展加重。

（2）凍土工程技術(shù)措施單一，未達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果。①中俄凍土技術(shù)交流認(rèn)為，多年凍土區(qū)路基臨界高度并不普遍存在，合理路基高度措施僅適用于低溫基本穩(wěn)定區(qū)和低溫穩(wěn)定區(qū)，合理路基高度措施存在局限性。由于凍土地溫較高，對溫度變化更敏感，在高溫不穩(wěn)定區(qū)采用合理路基高度的單一措施不能保證地基始終處于凍結(jié)狀態(tài)，對線路安全穩(wěn)定帶來長期影響。②土護(hù)道保溫措施與合理路基高度措施存在類似問題，只有護(hù)道表面年平均溫度低于多年凍土自然狀態(tài)溫度時，即年平均氣溫較低的地區(qū)，設(shè)置土質(zhì)護(hù)道才能起到降低基底多年凍土地溫的作用。受貝阿鐵路沿線地表積雪影響，在整個冬季都形成較厚的穩(wěn)定雪蓋層，不利于地基在冬季冷卻散熱。另外，護(hù)道增大了暖季受熱面，加劇了對地基的熱影響，細(xì)粒土保溫護(hù)道未發(fā)揮降低地溫保護(hù)凍土的效果。

（3）防排水措施薄弱，地表水和地下水侵蝕危害大。多年觀測表明，無論自然條件下多年凍土地溫狀態(tài)如何，路基基底受地表水滲入或地下水滲流影響的地段都會出現(xiàn)嚴(yán)重的沉陷變形，路基的嚴(yán)重塌陷也主要發(fā)生在地表水或地下水滲流的地段。貝阿鐵路在設(shè)計時認(rèn)為路基附近修建排水溝可能對基底凍土產(chǎn)生熱融，普遍將排水溝修建于坡腳外20～50m，造成路基坡腳與排水溝間的積水難以排除，坡腳積水是造成多年凍土病害的主要原因，加強(qiáng)線路地表水和地下水的截排是防止多年凍土路基融化變形的首要措施。

（4）未考慮氣候變暖等環(huán)境變化影響并采取預(yù)防性工程措施。俄羅斯近北極地區(qū)是全球溫度升高最嚴(yán)重地區(qū)，近20年沿線平均溫度升高1.5～2.0℃，對多年凍土路基穩(wěn)定帶來嚴(yán)重影響。貝阿鐵路建設(shè)未考慮運營后植被破壞、森林砍伐、河流改道對多年凍土的影響，破壞地表植被改變多年凍土的熱交換條件，引起多年凍土上限下降和融化，造成路基融化變形。

3.3?病害整治

多年凍土病害具有發(fā)生率高、危害時間長、治理難度大等特點，為完善凍土鐵路設(shè)計和整治既有凍土病害的需要，俄羅斯鐵路科研、設(shè)計和運營部門對凍土工程技術(shù)開展了持續(xù)的試驗研究：

（1）修改完善多年凍土設(shè)計規(guī)范。針對貝阿鐵路多年凍土工程建設(shè)和運營暴露的問題，騰達(dá)凍土研究站負(fù)責(zé)對原凍土設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了修訂，新規(guī)范修訂重點為：一是更加強(qiáng)調(diào)保護(hù)多年凍土的設(shè)計原則，尤其是高含冰量、大沉陷量地區(qū)的多年凍土；二是加強(qiáng)施工過程中對多年凍土的保護(hù)，包括地表植被、水文環(huán)境的保護(hù)；三是新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，包括聚苯乙烯（EPS）、聚氨脂（PU）等保溫材料的應(yīng)用，拋石護(hù)坡等新技術(shù)的應(yīng)用等。

（2）拋石護(hù)坡技術(shù)的研究應(yīng)用。俄羅斯專家對拋石護(hù)坡降溫作用的研究主要源于對古墓的考古挖掘。在對后貝加爾多年凍土南界附近非多年凍土區(qū)古墓挖掘發(fā)現(xiàn)，塊石填筑的古墓都處于凍結(jié)狀態(tài)，這些古墓修筑于2000多年前，經(jīng)過2000多年氣候變化仍保持凍結(jié)狀態(tài)。受此啟發(fā)，考慮采用塊石覆蓋路基保護(hù)多年凍土。在貝阿鐵路多年凍土地段開展了拋石護(hù)坡試驗，測試結(jié)果表明，采用拋石護(hù)坡的路基經(jīng)2個凍融循環(huán)后基底地溫下降0.7～1.0℃，多年凍土上限上升1.5m，對降低基底地溫具有非常明顯的效果。拋石路基降低基底地溫的原理是塊石間的孔隙在寒季產(chǎn)生對流作用，冷空氣在塊石層內(nèi)的對流有利于地基散熱而降低凍土地溫，降溫效果與石塊的體積和性質(zhì)有關(guān)。

（3）熱虹吸管技術(shù)的研究應(yīng)用。利用熱虹吸管冷卻基底凍土，早期采用液體煤油作為工作介質(zhì)，目前傾向于采用氟里昂等氣液自動轉(zhuǎn)換物質(zhì)作為工作介質(zhì)。其基本原理為：當(dāng)寒季大氣溫度低于凍土地溫時，利用管內(nèi)介質(zhì)的氣液兩相轉(zhuǎn)換，依靠冷凝器與蒸發(fā)器之間的溫差，使基底熱量通過對流循環(huán)傳導(dǎo)至大氣，達(dá)到冷卻地基效果。當(dāng)大氣溫度高于凍土地溫，熱虹吸管自動停止工作，不會將大氣熱量帶入地基。貝阿鐵路設(shè)計采用直徑194mm、地面冷卻器高度2～3m、地下蒸發(fā)器埋深6m的熱虹吸管。騰達(dá)凍土研究站專家認(rèn)為，熱虹吸管適合應(yīng)用于橋涵，結(jié)合架空樁基應(yīng)用效果較好，由于熱虹吸管的影響半徑較小，應(yīng)用于路基需要的數(shù)量較大，經(jīng)濟(jì)上不合理。

（4）重視全球氣候變化的影響。根據(jù)騰達(dá)凍土研究站定位觀測資料，全球變暖的影響與地表環(huán)境變化的影響同樣重要，多年凍土路基的穩(wěn)定主要取決于氣候條件的變化。考慮到鐵路運營的長期性，多年凍土工程設(shè)計必須考慮全球氣溫升高對凍土退化的影響，特別是高溫、高含冰量凍土地段，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防性措施。

4?結(jié)束語

通過對俄羅斯多年凍土鐵路的現(xiàn)場考察和技術(shù)交流，進(jìn)一步提高了對青藏鐵路多年凍土工程的認(rèn)識。認(rèn)真分析和吸取貝阿鐵路凍土病害的經(jīng)驗教訓(xùn)，結(jié)合青藏鐵路高原多年凍土特點，進(jìn)一步研究優(yōu)化凍土工程措施，對完善青藏鐵路凍土工程技術(shù)發(fā)揮了重要作用。通過青藏鐵路多年凍土技術(shù)的研究實踐，確立了主動降溫、冷卻地基、保護(hù)凍土的設(shè)計思想，豐富了凍土設(shè)計理論，提升了高原凍土鐵路設(shè)計水平。路基工程主要采取主動降溫措施，對高溫極不穩(wěn)定區(qū)的高含冰量凍土地段及不良凍土現(xiàn)象較為發(fā)育的地段，采取以橋代路措施。開通運營以來，多年凍土工程經(jīng)受了運營和季節(jié)變化的考驗，工程質(zhì)量穩(wěn)定可靠，運行速度達(dá)100km/h，實現(xiàn)了建設(shè)世界一流高原鐵路的目標(biāo)。

青藏高原多年凍土條件非常復(fù)雜，特別是全球氣候變暖明顯加劇，對凍土工程影響日趨嚴(yán)重，仍有不少問題需要繼續(xù)探索和解決。為掌握多年凍土的動態(tài)變化，必須對多年凍土的變化進(jìn)行長期監(jiān)測，對凍土的發(fā)展變化趨勢和工程穩(wěn)定進(jìn)行預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取應(yīng)對措施。應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)高原凍土環(huán)境保護(hù)，盡可能減少人為活動、地表變化等對多年凍土的影響，特別是做好地表水和地下水滲流的防治，提高凍土工程的可靠性，確保青藏鐵路的安全暢通。