中国怎样破解青藏铁路高原冻土这一世界性难题?

中国怎样破解青藏铁路高原冻土这一世界性难题?

为解决融沉冻胀等对铁路路基造成的形变,就要依靠材料或结构增大热阻,减少热量,冷却冻土层,保持冻土地基的稳定。

出品| 网易新闻学院

作者| 王麟,铁道第三勘察设计院工程师

  青藏高原海拔高,纬度低,高山险滩,地形险要,分布着大面积的高原冻土,植被稀少,环境脆弱,成为地球上几乎不可逾越的第三极。历史上青藏高原因为交通落后,严重制约了当地经济的发展,所以将铁路修到青藏高原上,是中国延续了百余年的宏愿。经过几代人半个多世纪的努力,青藏铁路终于在2006年建成通车。

青藏铁路

  在青藏高原上修建铁路极为困难,除了恶劣的气候和脆弱的环境,最难解决的技术难题就是高原多年冻土。冻土指的是土体温度低于0℃且含有冰的特殊岩土体,可分为短时冻土、季节冻土以及多年冻土。

高原冻土

冻胀和融沉是路基病害的主要原因

  普通土壤的性质主要由其颗粒的矿物成分、密度和含水量决定,这些因素一旦确定,土的基本性质就基本稳定,土的性质多表现为静态特性。而冻土的物理性质和工程性质则和普通土质有所不同。

  众所周知,水的密度比冰要大,自然而然的,水在凝结成冰的过程中,体积会增大。所以,在寒冷的冬季,冻土会像冰一样冻结,随着温度的降低,体积发生膨胀,建在上面的路基和钢轨就会被膨胀的冻土顶起,这种现象被称为冻胀。

  而反过来,到了夏季,温度升高,冻土融化体积缩小,路基和钢轨又会随之凹陷,这是热融沉陷。在冻土的冻结和融化反复交替作用下,路基就会出现翻浆、冒泥、沉降变形现象,使得钢轨扭曲变形,变得高低起伏,会给路基造成严重破坏,给铁路行车带来严重威胁。

  以青藏公路为例,85%的路基病害是融沉造成的;15%为冻胀和翻浆所致;桥梁和涵洞的病害主要由冻胀引起;在高温冻土区的路堤上,由于阴、阳坡下的融沉不同,因而在向阳面的公路左侧产生纵向裂缝……

  所以,在高原冻土区修建铁路,如果不能解决冻土融塌、沉降以及膨胀变形等难题,修建铁路只是空谈。

“破解”过程长达半个世纪

  青藏铁路自昆仑山北坡西大滩至唐古拉山南麓的安多河谷,通过多年冻土区约550公里,分布面积约2.45万平方公里,海拔大部分在4400m以上,属中纬度多年冻土,具有地温高、厚度薄等特点,其复杂性和独特性举世无双。

  如果让青藏铁路的路基稳定,就必须保持冻土的热稳定性,而冻土的热稳定性有一个温度阈值(临界值),超过这个温度,冻土就会融化。因此,解决冻土热稳定性的最好办法就是给路基降温保温,将温度保持在融化温度阈值之下。

  冻土工程问题一直是一项世界性难题,为解决青藏铁路建设的冻土工程问题,自1960年开始,铁道第一勘察设计院、中铁西北科学研究院、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所等单位就着手在以风火山地区为中心的高原多年冻土区,开展长期、不间断地对冻土区气象、地温、太阳辐射等项目的观测研究,并进行了冻土热学、力学性质试验,积累了长达40余年的不可替代的基础数据资料,为青藏铁路建设实践提供经验。

  经过近半个世纪艰辛探索,中国的冻土专家们终于找到了解决高原多年冻土筑路问题的办法。

守护天路的“被动措施”

  给路基保温有两个办法,一个是主动措施,一个是被动措施。主动措施是指能够主动冷却地基多年冻土的技术,被动措施是依靠材料或结构增大热阻,减少传入多年冻土热量的技术。

  被动措施的原理就是充分利用热能的辐射、对流和传导等热传导的三种方式,具体而言分为以下几种:选择合理的路基高度、路基铺设隔热层、片石路基结构、热棒路基结构、通风管路基结构、遮阳棚以及以桥代路等多种模式。

普通热棒如何给路基降温?

  在上述措施里面,热棒路基结构无疑是最令人瞩目的一种。想想看,将一排排钢棒斜插在铁路路基两侧,无论春夏秋冬,都能让路基下面的永久冻土层在火车重压之下保持冷冻状态,是不是非常神奇。

  那么,看起来很普通的热棒是如何给路基降温的呢?

  其实采用热棒降温并非新技术,在国外早有应用先例,在1974年美国阿拉斯加输油管道基础中就采用了112000根热棒,前苏联在公路和水库的建设中也采用热棒保温。而热棒在铁路中的首次应用是在1987年,在加拿大哈德逊湾的多年冻土铁路上,有4公里的路基通过热棒来保持冻土稳定。

  中国研发并尝试应用热棒技术是在1980年代,时间并不算晚,而全世界首次大规模应用热棒技术则是在青藏铁路上面。

液态气态的不断转换,带走路基热量

  热棒也叫无芯重力热管和两相封闭式虹吸管。通过这两个名字,我们也能一窥端倪,也就是说,热棒通过重力和气液两相的互相转变的物理原理来为路基降温。

  热棒是一根密封的管子,里面填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物质,管子的上段是冷凝器,下端为蒸发器,中间为绝热段,通俗讲就是“吸热段、绝热段和散热段”三部分。当热桩下端吸收热量后,液态物质会转化为气态,然后上升至冷凝器,热量通过冷凝器发散。气态物质再液化为液态,在重力的作用下流回热桩下端。

  热棒里的物质在气态和液态之间不断进行转换,依靠热棒的单向导热性和高效的传热和散热效率,从而源源不断带走路基的热量,保持路基的稳定。

  热棒的长度短则几米,长则几十米,直径从几厘米到几十厘米,一般斜插着埋入路基两侧,吸热段和绝热段埋入地面以下约5米,散热段露出地面约2米,其中最关键的吸热段则深入到永久冻土最大融化深度之下。

热棒埋设示意图

  在寒冷的冬季,空气的温度低于冻土层的温度,热量就会源源不断被吸走。到了暖季,情况正好相反,外面空气的温度大于冻土层的温度,气态物质无法散热进行冷凝,吸热段的液体物质停止蒸发,管内达到气液两相平衡,热棒停止工作,使得外界的热空气无法反向进入路基冻土层,从而起到了保温作用。

其余“守护神”

  其余的路基降温技术,也充分体现了科技人员的智慧。

选择合适的路基高度,这等于是给路基基底的冻土层覆盖一层保温层,防止太阳辐射和季节气候变化对多年冻土层带来的影响。

铺设隔热层的路基结构,是指在路基的底部或路基表面以下某一深度铺设具有单向导热能力的隔热层,增大热阻,以减小大气和人为热源的热量进入到冻土层内,防止多年冻土地下冰融化。一般采用聚苯乙烯板或聚胺脂板作为隔热保温层。

片石通风路基,就是向路堤覆盖碎石块,千万别小看了这些碎石,它们能起到热调节作用。在暖季,由于热空气密度较小,因此热量很难进入路基基地,而碎石头之间的空气流动和地表水蒸发后又能带走热量,可以起到热屏蔽作用;在寒季,由于冷空气密度较大,在自重和风的作用下将片石层中的热空气挤走,冷空气更容易进入路基基底,因而能对冻土层起到保护作用。

清水河大桥段的片石通风路基

通风管路基是在路基底部以上一定高度横向铺设一定孔径的通风管,与路堤填筑材料组成复合式通风路堤。在通风管的一端安装了自动温控风门,当温度较高时,风门会自动关闭,温度较低时,风门自动打开,这样可以避免夏季热量进入通风管,能够主动对路基进行保温。

青藏铁路通风管路基

遮阳棚措施是在路基上部或边坡设置遮阳棚,可有效减少太阳辐射对路基的影响,减少传入冻土地基的热量。而桥梁的基础可以深入冻土层30米之下,通过冻土层与基础的摩擦力就能保证桥梁的稳定性。

  保持青藏铁路的冻土路基的稳定性和耐久性,是青藏高原天路上面采用的多项“黑技术”,这些技术凝结着中国多位冻土专家几十年的智慧和心血。

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编辑| 于冉帝

编辑于 2017-09-26

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