青藏铁路次生不良冻土病害防治技术研究可行性研究报告.docx
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青藏铁路次生不良冻土病害防治技术研究可行性研究报告
国家科技攻关计划项目
可行性研究报告
课题名称:
青藏铁路工程次生冻土病害防治技术研究
课题编号:
课题组织单位:
铁道第一勘察设计院
科学技术部
二○○五年七月
课题信息表
课题名称
青藏铁路工程次生冻土病害防治技术研究
课题组织
单位
铁道第一勘察
设计院
论证日期
专家评审
组负责人
主管司
所属技术
领域
51.信息2.自动化3.材料4.能源5.交通6.农业7.资源8.环境9.生物医药10.社会事业11.其它
主要研究
内容
1.青藏铁路多年冻土不良冻土现象调查;
2.挖方工程及冻土工程地质调查;
3.典型工程活动与冻土相互作用研究;
4.次生不良冻土现象、形成机理及工程对策研究。
主要考核目标
及
技术经济指标
1.课题进度计划执行情况
2.主要研究内容的完成情况
3.次生不良冻土现象的成因及其灾害评估;
4.提出次生不良冻土病害的防治对策,提交相关研究报告。
拟分解的
课题名称
无
预期主要
成果形式
21.论文论著2.研究报告3.新产品(或农业新品种)4.新装置5.新材料6.新工艺(新方法、新模式)7计算机软件8其它
预期获国
内外知识
产权情况
实施年限
2年
总经费
***万元
申请国拨经费
专家论证
意见
青藏铁路工程次生冻土病害防治技术研究
一、课题摘要
青藏铁路格尔木至拉萨段铁路全长1118km,穿越多年冻土区范围为632km,其中大片连续多年冻土区长度约550km。
多年冻土区道路工程在施工后都有可能产生次生冻土灾害,在青藏铁路交付运营之前,进一步开展综合评价青藏铁路不同区段冻土工程地质条件、工程措施的适应性、冻土环境条件变化、趋势预测等工作,科学地看待可能发生的次生不良冻土现象,系统、深入、前瞻性地分析其机理、影响因素、发育方式及工程危害,开展长期监测工作,研究其防治措施,不仅对于保证青藏铁路高质量运营具有重大意义,而且对于提高多年冻土区工程技术水平和学科发展都具有深远影响。
二、课题的意义和必要性,国内外现状和技术发展趋势及其市场需求。
多年冻土地区道路工程的稳定性是冻土工程研究中的普遍性的难题,多年冻土区道路的高病害率问题至今还没有得到根本性的解决。
据对青藏公路1990年的调查,病害率为31.7%(程国栋,2001)。
这些高病害率的发生,主要在于道路工程修筑后使得多年冻土的发育条件产生了变化,出现了次生的冻土灾害,最终又影响到工程的稳定性。
随着多年冻土地区人类工程经济活动的不断加剧,区域冻土环境与生态环境不断恶化,使得冻土和工程相互作用成为冻土学研究的重要内容,特别是在公路、铁路和输油管线工程方面的研究尤为突出(Goering,1996;Johnston,1981;Esch,1983;Brugess,1993)。
目前,多年冻土地区的线性工程已经是一项独特的热点研究内容,2003年在瑞士召开的第八届国际冻土学大会上设立了专题予以讨论和交流(Cheng,2003;Niu,2003)。
当然,其中由于我国青藏铁路建设所引起的广泛关注起到了极大的推动作用。
正在建设的青藏铁路工程中采用了大量诸如抛石路基、抛(碎)石护坡路基、热桩等新的路基结构形式,并开展了通风路基、遮阳板路基、不同结构形式涵洞以及旱桥等的研究,这些路基结构初步显示了保护下伏多年冻土的工程效果。
就全线而言,也出现了一些意料之外的问题,比如个别路段路基适的应性、涵洞基础的稳定性等问题,虽然一些主要问题已经得到了补救,但未来运营中还将出现什么问题,亟待我们开展预测和监测工作。
青藏公路在20世纪50年代砂砾路面建设初期和20世纪80年代沥青路面改建工程中,因冻土环境破坏导致的病害路段占冻土区路段的40%,其中80%属于融化下沉破坏,20%为冻胀和翻浆破坏。
而特别需要重视的是,约有57%的路段在路基下形成融化夹层(王绍令,2003)。
经估算,因冻土环境破坏造成的直接经济损失约3.5~4.7亿元人民币。
出于工程建设需要,以往研究工作主要涉及多年冻土和路基工程这两大主体和二者之间的相互作用,根据多年的经验,影响多年冻土地区道路工程的稳定性关键在于路基工程,其设计原则主要有两个:
保护冻土设计原则和允许融化设计原则(程国栋,2003)。
目前,处于我国高海拔多年冻土区的青藏铁路正在建设,青藏公路、青康公路也刚刚完成整修工程,而高纬度的东北多年冻土区的林区铁路、公路基本上每年都要进行维修,可以说除了青藏铁路外,我国多年冻土区的其它道路都处于反复维修的过程之中,同时相应的科研工作基本上没有停止。
随着青藏铁路建设工作的逐步完成,在总结工程设计理论、建造技术的前提下,借鉴青藏公路建设和维护的经验与教训,在青藏铁路投入运营使用之际,及早地加强次生冻土灾害调查、分析、预测及其防治工作是十分必要的。
铁路工程建设施工和运营期间产生的热融滑塌、冻胀丘、冰锥等不良冻土现象,影响路基、桥梁、涵洞等工程的稳定性。
在已经完成的工程中,部分挖方、填土地段已出现了一些冻胀和融沉现象,这些问题的出现,在极大程度上是由于工程活动引起的次生不良冻土现象所造成。
为此,为保证工程稳定性和通车后列车的运营安全,有必要对可能产生病害的地段进行详细研究,并开展机理性的研究工作。
根据对多年冻土地区工程次生冻土灾害的调查和研究成果,结合冻土工程的特点,多年冻土区工程次生冻土灾害主要表现形式是冻胀和融沉,并由此引发了其它形式的病害,如坍塌、不均匀变形、滑动以及泥流等,但由于工程建筑物结构以及与地基间关系的不同,次生冻害的表现形式也有所不同。
路基工程是道路工程中的主体部分,无论是填土还是开挖,都将不可避免地改变冻土发育的自然条件。
在一些工程条件复杂或特殊的地段,在缺乏特殊处理或处理不当的情况下,仍然可能出现次生的冻土灾害。
路基填土工程一方面改变了地—气热交换条件,并导致原活动层的压密固结;另一方面,填土会改变原地下水、尤其是冻结层上水的赋存、运移条件。
此外,如果挡、排水措施处理不当或功能不良,造成路基两侧积水,将严重影响路基的热稳定性。
由于上述原因导致的次生冻土灾害经常表现为坡脚冻胀隆起、不均匀沉降、边坡滑塌等,甚至形成新的冰椎、冰幔等。
在东北多年冻土区,此类工程病害十分常见。
工程开挖在多年冻土区是需要尽量避免的工程措施,由于其施工直接导致多年冻土甚至其中的厚层地下冰的暴露,完全改变了原地质体的换热、水分赋存条件,往往会产生严重的次生病害,如边坡渗流、冻胀等(李东庆,2000),进而对支挡结构产生额外的附加应力(Lai,2002)。
青藏铁路路堑开挖段已经出现了不同程度的病害,一些挖方路堑地段,虽然在开挖后及时进行了填土保温、坡面保护等措施,但整个堑顶均出现了有纵向裂缝,整个边坡呈整体下滑趋势,造成挡护工程发生了不同程度的变形移位,拼装式骨架护坡不同程度的开裂、拱起,边坡坡脚地下水渗出、土体软化等病害,而冬季则出现了小型冰椎、挂冰等问题。
实际上在既有工程中,无论是由于投资、技术或认识水平,还是研究深度的原因,多年冻土区由于开挖导致的次生病害十分普遍。
如:
由于青藏公路施工取土开挖导致的热融滑塌病害,在历经数十年后仍然没有稳定。
在有些路段,由于取土造成的冻土退化、热融湖塘的产生,甚至引起了严重的环境问题。
因此,此类病害是一种长期的、反复发生的次生病害。
波及的范围大的此类病害一旦发生,则很难根本整治。
涵洞是多年冻土区道路工程的重要组成部分,但在多年冻土区涵洞的施工,经常会给道路运营带来隐患。
多年冻土地区的工程实践已证明,施工过程、特别是基础工程施工过程对冻土环境影响很大。
暖季基坑开挖,冻土暴露后,增加了大气对冻土地基的热量传递。
现浇混凝土基础,混凝土养生过程增加了基坑的暴露时间;而水泥水化放热又进一步加大进入冻土地基的热量。
因此,施工过程造成地基内部的蓄热和多年冻土上限的下降往往导致运营期间构筑物稳定性的丧失。
此外,根据对东北多年冻土区公路、铁路以及青藏高原214国道青康线涵洞的病害调查,径流期长、径流量大的过水涵洞,在进出口水流不畅的情况下,洞内积冰引起的反复冻融造成了涵体很大程度的破坏。
对于多年冻土区涵洞的施工方法以及可能存在的隐患、地表及地下条件改变后引发的次生病害,加强在这方面研究工作是十分必要的。
桥梁工程在青藏铁路建设中起着举足轻重的作用,在一些复杂地段被选择为最为可靠的工程措施。
在多年冻土区,河流桥梁处于冻土条件最为不利的区域,一般河流滩地若分布有多年冻土,则冻土的温度会较高,热敏感性强;河流下冻土上限埋深较大,且常存在季节冻土与多年冻土不衔接的现象;河流河床、滩地本身是冻胀丘比较发育的地方,施工造成的过水断面减小,更容易诱发冻胀丘的发育;桥基常年经历着反复的冻融影响,每年会积累一定的残余变形,并逐渐影响到桥梁的整体稳定性。
对于以桥代路的旱桥,其基础的稳定性是勿容置疑的,但密集的桥基开挖、灌注对于作为其赋存体的多年冻土会产生热扰动影响程度如何,是否会出现沿线路的融化带,或热扰动的影响持续时间如何等,目前虽然开展了研究工作,但是否会出现次生的冻土灾害、旱桥的长期稳定性如何,仍然需要进行积极的研究工作。
另一方面,在斜坡湿地地区施工的旱桥,由于其改变了湿地的水迁移、补给条件,在施工后的第一个冬季,已经出现了次生冰椎、冰幔等病害。
多年冻土区隧道工程是冻土工程研究中的一个重点,取得的成果也比较丰富。
相对与非冻土区隧道,其特点是:
隧道内气温及围岩温度变化大,在围岩一定范围内经历着反复冻融,使得围岩和衬砌反复遭受冻胀力的破坏,在有渗漏水的情况下,危害将更为严重。
正因为如此,寒区隧道在运营期间容易受到次生冻土灾害的影响,包括混凝土衬砌的冻胀、排水系统冻结失效、洞口的冻融破坏等。
当然,由于不同隧道所处的多年冻土、地质、水文及气候条件不同,产生次生冻害的条件和程度也将不同。
由以上叙述可以看出,多年冻土区道路工程不同构筑物在施工后都有可能产生次生冻土灾害,在青藏铁路即将交付运营之前,进一步开展综合评价青藏铁路不同区段冻土工程地质条件、工程措施适应性、冻土环境条件变化、趋势预测等工作,科学地看待可能发生的次生不良冻土现象,分析其机理、影响因素、发育方式及工程危害,开展长期监测工作,研究其防治措施,不仅对于保证青藏铁路高质量运营具有重大意义,而且对于提高多年冻土区工程理论水平和学科发展都具有深远影响。
主要参考文献
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1-4
三、课题的基础条件
针对寒区工程建设和能源开发中的冻土问题,课题申请人员在冻土工程、冻土环境、冻土物理力学方面已做了多年的研究工作。
先后参与了多项寒区道路工程建设的科研工作。
这些工程包括:
青藏、青康公路整治及改建工程;青藏铁路前期勘探、现场试验工程以及室内模型试验研究;中国多年冻土区公路沿线冻土区划以及南水北调西线前期勘探工程等。
目前正在参与国家重大工程—青藏铁路的建设和科研工作,同时还主持完成了多项国家级与冻土有关的科研项目。
这些工作将为开展青藏铁路次生冻土灾害防治研究提供一手的基础资料。
在硬件方面,本项目的实施主要依托冻土工程国家重点实验室和铁道第一勘察设计院。
冻土工程国家重点实验室是目前我国冻土研究方面设备最为精良的专业实验室,已具备了对本项目相关研究内容进行分析和实验的能力。
此外,课题承担单位目前已在青藏高原地区建立了一批相关的野外观测试验站点,主要有中科院青藏高原综合观测研究站,青藏高原五道梁气象观测站,青藏高原沱沱河大气—土壤观测场,青藏高原北麓河试验观测场,青藏高原北麓河综合气象观测站。
这些观测场与观测台站为本课题研究积累了丰富的数据资料,并在课题实施的过程中仍可以继续提供资料资源。
铁道第一勘察设计院作为青藏铁路的设计单位,各类基础资料齐全,并充分了解设计、施工全过程,将对下一步科研工作提供详细的信息和可靠的支持。
通过青藏铁路前期试验工程的实践,我们已经积累了一定的工作和技术力量,具有大量的第一手现场监测资料。
站前专业累计34个项目,55个子项目,涵盖了路基工程、桥涵工程、隧道工程及环境保护工程。
其中多年冻土区主要的路基工程处理措施、桥涵工程措施、隧道防冻胀及施工技术、高寒草原(甸)植被营造技术已经于2001年度~2003年度通过了由铁道部科学技术司组织的阶段性成果审查,个别项目已经结题。
这些阶段性成果在青藏铁路的设计当中得到了应用。
该课题的基础资料是非常丰富的,不但前期试验场地范围广,而且通过多年的工作,也形成了一支专业素质较高的科研工作队伍。
四、课题攻关总体目标,实施年限,具体的考核指标及年度计划安排
(一)总体目标
了解青藏铁路施工后沿线冻土工程地质条件的变化,查明可能次生冻土灾害的产生机理和影响因素,预测其发展趋势,提出较为实用的青藏铁路运营期次生不良冻土工程病害防治对策。
(二)实施年限
2005年7月~2007年7月。
(三)年度安排及考核指标
2005年:
综合分析青藏铁路施工后不同区段冻土工程地质条件的变化,调查各类工程目前的状况以及是否受到融沉以及路基软化、坍塌等的危害;提交调查报告。
2006年:
调查各类工程是否受到冻胀以及冰椎、冰幔等的危害;查明次生冻土灾害的产生机理和影响因素,提出评价和预测方法,评价其危害并预测发展趋势;提交调查和阶段研究报告;
2007年:
结合青藏铁路不同区段具体冻土工程地质条件和工程特点,分析目前特殊路基结构工程、材料及装置应用于病害防治的可能性,研究其它措施、方法,提出次生冻土灾害防治原则与方法。
提交研究报告,发表相关论文。
五、课题的主要研究内容,设置方案及课题承担单位
(一)主要研究内容
针对课题攻关总体目标,拟开展如下研究内容:
1、地表、地下水对多年冻土工程稳定性的影响研究。
次生冻胀和融沉病害中最为关键的要素是水的作用。
工程建设不可避免的会改变原水文条件,在融化季节,无论是热融还是地表水造成的积水,都与下伏及周边多年冻土存在热交换的动态平衡,严重的将导致多年冻土顶、底板间的融穿,导致工程沉降变形;而在冻结期间,由于水相变体积增加将导致工程冻胀,甚至冰椎、冻胀丘等不良冻土现象。
因此,突出研究条件改变后地表、地下水对多年冻土工程的影响,对于各种次生冻土灾害机理研究具有普遍性意义。
2、青藏铁路次生冻土灾害形成机理、影响因素及趋势预测研究。
通过资料分析、现场调查、数值计算和典型次生冻土灾害的模型实验,研究次生冻土灾害形成机理和影响因素,并结合气候、地质、水文资料预测其发展趋势,为工程防治对策提供依据。
3、青藏铁路次生冻土灾害防治对策研究
由于前期科研工作进行了大量保护多年冻土的工程措施研究,工程中也采用了一些特殊结构措施,为此,在充分分析这些措施机理、工程效果和条件适应性的基础上,研究已有措施在次生冻土灾害防治中应用或改进的可能性,进一步提出其它工程措施,为维护青藏铁路安全、高效运营提供技术支撑。
(二)承担单位
在全国范围内邀请具有从事多年冻土研究工作经历时间长、经验丰富的科研单位参加该项工作。
从我国的实际情况来看,适合本课题的科研单位有:
铁道第一勘察设计院、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、中铁西北科学研究院。
本课题选择铁道第一勘察设计院和中国科学院寒区旱区环境与工程研究所共同承担该课题的研究工作。
六、主要技术特点和创新点,关键技术内容。
创新点:
针对实体工程,突出水对工程的影响,验证原科研中提出的工程措施的效果,从最基础的机理入手,理论与实践紧密结合,系统开展多年冻土工程次生冻土灾害研究。
拟解决的关键技术:
如何评价工程施工后各项冻土条件的变化。
此项工作涉及到次生冻土灾害发生机理、影响因素分析的合理与否。
拟根据具体工程,充分分析勘察、设计和施工资料,结合少量勘察工作综合解决。
预期成果:
查明青藏铁路次生冻土灾害形成机理、影响因素,预测其发展趋势,提出防治对策。
本课题是针对次生不良冻土现象引起的铁道工程病害防治技术进行一次较为全面的研究,主要技术特点是:
研究各种次生不良冻土现象的形成机理,评估次生不良冻土现象引起的工程病害,分析既有的各种工程措施效应,提出病害防治对策。
七、课题的关联行动
本课题研究将依托于青藏铁路各试验工程,并开展全面的调查,获得基础资料。
在研究延续性上将有选择地继续进行铁道部科技攻关项目,结合申请者目前承担的国家自然科学基金(多年冻土地区斜坡湿地与路基工程相互影响研究)和正在申请的国家自然科学基金海外青年合作基金(概率有限元用于寒区岩土工程可靠性分析)前期工作开展研究。
另外,申请者即将作为中科院高访学者去日本北海道大学低温科学研究所开展寒区道路冻害防治合作研究,将为该课题的研究提供一定的帮助。
八、课题总投资预算,资金筹措及来源渠道
经费预算:
***万元,其中:
1、科研业务费:
***万元。
包括:
(1)测试费:
***万元,测试项目包括土体样品不同温度条件下的静力学、动力学、热学参数、不同土体的水文学参数,以及路基特殊材料反复冻融条件下的特性变化测试;
(2)动力、能源费***万元,高原多年冻土区工作车辆和勘察消耗费用;
(3)资料和出版费***万元,包括论文版面费和印刷费,以及文献检索网络费等。
(5)其它费用***万元,高原工作劳动保护、医疗安全等费用。
2、实验材料费:
***万元。
其中:
(1)原材料购置费***万元,包括测温探头、数据采集箱体、测温管材料购置、制作费及现场土体、水样品的采集和包装运输费;
(2)其它耗材***万元,如电缆、保护管、现场实验设备保护及部分工具费用。
3、实验室改装费:
***万元。
主要用于为模型实验槽改造和配置自动控温系统。
4、监测费:
***万元。
5、管理费:
***万元。
依托单位科研支持和管理费用。
九、课题预期成果的经济、社会、环境效益分析
青藏铁路格尔木至拉萨段是实施西部大开发战略的四大重点工程之一,它将结束我国只有西藏自治区没有铁路的历史,其经济、社会和军事意义显著。
该线全长1118km,穿越多年冻土区范围为632km,其中大片连续多年冻土区长度约550km,其余82km为岛状不连续多年冻土区,全线海拔4000m以上地段长度约为965km。
可以认为青藏铁路是在极为艰苦的条件下、且筑路技术相对不成熟的情况下完成的,目前,在青藏铁路建设即将完工之际,系统、深入、前瞻性地开展次生冻土灾害研究,提出防治措施,对于保证国家重大工程安全、高效运营具有有重大的现实意义。
课题研究与国内外同类研究相比有以下特色:
(1)前瞻性。
青藏铁路早期的研究工作主要针对不同的工程措施效果方面,冻土研究工作是在青藏铁路建设过程中边设计、边施工和边科研的状况下进行的。
本课题前瞻性地开展铁路运营过程中的次生冻土灾害研究,具有重要的工程意义。
(2)国家急需。
2007年青藏铁路将建成通车,由于我国乃至世界上在全球海拔最高、气候和自然环境条件十分恶劣的区域开展铁路建设都没有先例,尽管设计和施工中采用了大量的新技术和新工艺,但由于缺乏效果验证,工程与环境的问题将不可避免,为保证铁路的安全、高效运营,前瞻性的研究工作是十分重要和必要的。
(3)延续性特色。
课题研究的主要承担人员近期开展的主要科研工作集中于青藏高原气候、冻土和道路工程方面,已经取得了一些宝贵的第一手资料和研究成果,本项目研究将充分利用已有资料,开展深化研究。
一十、项目的风险分析
(一)技术风险分析
1、已有研究和现场监测资料为本课题研究提供了重要的资料基础:
冻土工程国家重点实验室40余年来在青藏高原多年冻土区工程、环境和力学等方面取得了大量的研究成果,尤其近年来在青藏铁路
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