多年凍土、高寒缺氧、生態(tài)脆弱是在號(hào)稱“世界第三極”的青藏高原上修筑鐵路的三大世界性科技難題。2006年7月1日，青藏鐵路全線建成通車，不僅創(chuàng)造了九項(xiàng)世界之最，而且科學(xué)家和現(xiàn)場工作者還相繼攻克了20多項(xiàng)世界性高原凍土施工方面的重大科研難題。

含有冰昌的土壤

在北方的冬天，當(dāng)氣溫降到零度以下時(shí)，土壤里的水分就會(huì)凝結(jié)成冰，將土壤凍結(jié)，使得原來松軟的土地變得十分堅(jiān)硬，并含有一些小冰晶，這些含有冰晶的巖上(土壤、土、巖石)就是凍土。凍上層雖堅(jiān)硬，卻不十分厚，在它下面仍是比較松軟的土壤。

作為一種處在零攝氏度以下并且含有冰的特殊土體，凍土不同于黃土、黑土和紅土。按其融化時(shí)間的長短，可分為季節(jié)凍土和多年凍土兩種類型。一般，我們將冬季凍結(jié)、夏季全部融化的巖土稱為季節(jié)凍土：而多年凍土能夠持續(xù)多年(凍結(jié)時(shí)間達(dá)3年或3年以上)不化，比如，在常年溫度都在零度以下的北極地區(qū)或者青藏高原，凍土?xí)３殖Ｄ瓴换?，即使在比較溫暖的年份，融化的也僅僅是多年凍土表面的一小層而已。

凍土的習(xí)性與分布

19世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)在西伯利亞開始研究凍土，而北美對(duì)凍土研究的重視始于第二次世界大戰(zhàn)，20世紀(jì)60年代末隨著北極海石油的大量發(fā)現(xiàn)，及其后貫穿阿拉斯加石油管線的建成，北美的凍土研究得到了迅速發(fā)展，中國對(duì)凍土現(xiàn)象也早有記載，如《徐霞客游記》曾提及山西五臺(tái)山頂有“龍翻石”(即石海冰緣地貌，指出了石塊上下左右翻動(dòng)的特點(diǎn))：但對(duì)凍土開展系統(tǒng)的研究則是在20世紀(jì)60年代以后，40多年來已在普通凍土學(xué)、工程凍土學(xué)等方面取得了不少成果，尤其是在青藏鐵路的修筑工程中，更是創(chuàng)下了穿越連續(xù)凍土里程達(dá)到550千米的世界記錄。

凍土是一個(gè)復(fù)雜的多相和多成分體系，至少由氣相(包括水汽和空氣)、固相(包括礦物顆粒和冰)和液相(即未凍水)三相組成。它的存在主要受溫度影響。緯度越高的地方溫度就越低，而南半球陸地面積少，所以多年凍土主要分布在亞歐大陸和北美洲的北部。海拔越高溫度就越低，因此，在一些高山上溫度常年低于零度。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，在中低緯度的高山和高原上也存在多年凍土，如美洲的安第斯山脈、非洲的乞立馬扎羅山以及中國的青藏高原。

我國的多年凍土又分為高緯度多年凍土和高海拔多年凍土。高緯度多年凍土主要集中分布在大小興安嶺，面積有38～39萬平方千米，處在歐亞大陸多年凍土的南緣，平面分布上服從緯度的地帶性規(guī)律，即海拔越高的地方凍土面積越大，厚度也越厚。而高海拔多年凍土分布在青藏高原、阿爾泰山、天山、祁連山、橫斷山、喜馬拉雅山，以及東部某些山地，如長白山、黃崗梁山，五臺(tái)山和太白山等。

凍土——寒區(qū)工程的攔路虎

中國寒區(qū)應(yīng)該包括所有的多年凍土區(qū)、冰川區(qū)和絕大多數(shù)穩(wěn)定性季節(jié)積雪區(qū)，根據(jù)實(shí)地氣溫觀測結(jié)果所劃分的寒區(qū)面積占我國陸地面積的43．5％。隨著寒區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路工程、水利工程、隧道工程，工業(yè)與民用建筑等在寒區(qū)建設(shè)中必不可少，如我國的青藏公路、青藏鐵路、格爾木至拉薩輸油管線、光纖通訊工程、大坂山隧道等，都是著名的寒區(qū)工程。

凍脹是寒區(qū)工程特有的病害之一。由于地基土及填筑中的水凍結(jié)時(shí)體積膨脹，產(chǎn)生的不均勻凍脹會(huì)造成線路超限，路基嚴(yán)重變形，使得鐵路的整個(gè)鋼軌高低不平，甚至扭絞成麻花狀，這樣極有可能導(dǎo)致列車脫軌、翻車等事故發(fā)生。

而融沉(凍土融化時(shí)的下沉現(xiàn)象)是多年凍土區(qū)路基的主要病害之一，也是多年凍土區(qū)建造物遭受破壞的主要原因，當(dāng)凍土的融化速度很快時(shí)，會(huì)出現(xiàn)冰變成水的速率大于水能從土中排出的速率，從而使土中的孔隙壓力增加，常造成斜坡和各種建造物的不穩(wěn)定。當(dāng)路基基底的多年凍土上部或路塹邊坡上的地下冰層埋藏較淺，在施工及運(yùn)營過程中各種人為因素的影響下，使多年凍土層局部融化，上覆土層在土體自重和外力作用下產(chǎn)生沉陷，會(huì)造成路基的嚴(yán)重變形，這種變形表現(xiàn)為路基下沉、路基路肩及邊坡開裂、下滑、路塹邊坡溜坍等后果。因此，凍土工程在寒區(qū)建設(shè)中非常重要，必須考慮凍土的凍脹融沉對(duì)工程建造物所產(chǎn)生的危害。

寒區(qū)工程病害防治措施一是利用天然或人造材料的熱阻性能保護(hù)凍土，一是利用材料相變時(shí)導(dǎo)熱性能的差異保護(hù)凍土。各措施的關(guān)鍵就是保持凍土溫度不變，從而減少凍脹融沉現(xiàn)象的發(fā)生。目前已知的保溫措施主要有設(shè)置隔熱保溫層、熱棒、遮陽棚以及改善路基通風(fēng)結(jié)構(gòu)、改變路面結(jié)構(gòu)和顏色等。

隔熱保溫層和遮陽棚

鋪設(shè)隔熱保溫層是對(duì)低填方和路塹采取的措施，目的在于減少換填厚度，減少對(duì)凍土的擾動(dòng)，保溫層起到與當(dāng)量填土高度同樣的保溫效果。

太陽輻射是影響多年凍土地表熱量平衡的主要因素。青藏高原太陽輻射極為強(qiáng)烈，通過在路基上部設(shè)置遮陽棚能減少太陽輻射對(duì)路基的影響，大大減少傳入凍土地基的熱量，有利于提高多年凍土的穩(wěn)定性。

“旱橋”

修筑路基可能改變地下水的徑流，引發(fā)凍脹丘、冰椎等次生不良凍土現(xiàn)象。而排水不良是造成多年凍土路基病害的主要原因，所以加強(qiáng)路基排水是防止凍土病害的有效措施。

對(duì)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，為確保青藏鐵路的安全可靠，施工中采取了以橋代路的措施。這個(gè)橋可不是一般跨江過河的橋，凍土科研攻關(guān)人員將之命名為“旱橋”。旱橋橋樁穿越凍土層，直接打在堅(jiān)實(shí)的巖土底層，橋上鋪架鐵軌即可最大限度地避免凍土的影響。

青藏鐵路穿越可可西里凍土區(qū)的清水河特大橋，就是典型的早橋，該橋長達(dá)11．7千米，氣勢(shì)巍然壯觀。但由于其造價(jià)太昂貴，每千米要耗資5000萬人民幣，而全長1000多千米的青藏鐵路全線總投資僅約300億人民幣。因此，旱橋不能、也無法推廣使用，只是在凍土條件復(fù)雜、安全性要求高的區(qū)域采用。

不一樣的路基

工程構(gòu)筑填料及路基結(jié)構(gòu)也很重要，它們將改變地表的熱交換條件，對(duì)地基多年凍土的上限產(chǎn)生影響。合適的路基填料既要滿足承載能力、強(qiáng)度與變形的要求，又要防止路基聚冰發(fā)生凍脹現(xiàn)象，同時(shí)還要考慮其保溫性能。粒徑級(jí)別分選重組，摻料改性等措施都可以提高填料抗凍脹、保溫的性能。合理的路基結(jié)構(gòu)既能保證滿足基床的動(dòng)應(yīng)力疲勞荷載要求，又能減少凍脹、融沉等寒區(qū)工程病害。

通風(fēng)路基可通過空氣對(duì)流帶出地基凍土層的熱量，起到降低多年凍土地溫的作用。青藏鐵路目前采用的通風(fēng)路基結(jié)構(gòu)形式主要有管式通風(fēng)和填石通風(fēng)。管式通風(fēng)根據(jù)通風(fēng)管的類型不同主要有水泥通風(fēng)管和PVC管，填石通風(fēng)路基又因填石大小分為片石或塊石通風(fēng)路基和碎石通風(fēng)路基。在青藏鐵路上有一種特殊的路基，即在土路堤底部填筑一定厚度的片石，上面再鋪筑土層的路基。這種長達(dá)111千米的“片石層通風(fēng)路基”為國內(nèi)首創(chuàng)，它好似散熱排風(fēng)扇，冬季從路堤及地基中排除熱量，夏季較少吸收熱量，起到冷卻作用，可有效保護(hù)凍土路基穩(wěn)定，

由于凍土的熱穩(wěn)定狀態(tài)受地溫、含冰量等內(nèi)因及氣候條件、人為活動(dòng)等外因的雙重控制，我們還應(yīng)重視多年凍土區(qū)的自然環(huán)境保護(hù)。保護(hù)凍土區(qū)自然環(huán)境，就是維持凍土區(qū)氣候條件的穩(wěn)定，也就是間接地保護(hù)了多年凍土。

針對(duì)“多年凍土問題的解決，對(duì)青藏鐵路的貢獻(xiàn)到底有多大?’這一問題，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家們不愿多說，但他們均表示，通過參與青藏鐵路建設(shè)，凍土大國——中國，已躋身于國際凍土研究的先進(jìn)行列。

[責(zé)任編輯]王亞娜