凍土與寒區工程

多年凍土、高寒缺氧、生態脆弱是在號稱“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，不僅創造了九項世界之最，而且科學家和現場工作者還相繼攻克了20多項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，當氣溫降到零度以下時，土壤里的水分就會凝結成冰，將土壤凍結，使得原來松軟的土地變得十分堅硬，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。按其融化時間的長短，可分為季節凍土和多年凍土兩種類型。一般，我們將冬季凍結、夏季全部融化的巖土稱為季節凍土：而多年凍土能夠持續多年(凍結時間達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或者青藏高原，凍土會保持常年不化，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。

凍土的習性與分布

19世紀60年代，前蘇聯在西伯利亞開始研究凍土，而北美對凍土研究的重視始于第二次世界大戰，20世紀60年代末隨著北極海石油的大量發現，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展，中國對凍土現象也早有記載，如《徐霞客游記》曾提及山西五臺山頂有“龍翻石”(即石海冰緣地貌，指出了石塊上下左右翻動的特點)：但對凍土開展系統的研究則是在20世紀60年代以后，40多年來已在普通凍土學、工程凍土學等方面取得了不少成果，尤其是在青藏鐵路的修筑工程中，更是創下了穿越連續凍土里程達到550千米的世界記錄。

凍土是一個復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。正是因為這個原因，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，五臺山和太白山等。

凍土——寒區工程的攔路虎

中國寒區應該包括所有的多年凍土區、冰川區和絕大多數穩定性季節積雪區，根據實地氣溫觀測結果所劃分的寒區面積占我國陸地面積的43．5％。隨著寒區經濟的發展，道路工程、水利工程、隧道工程，工業與民用建筑等在寒區建設中必不可少，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，都是著名的寒區工程。

凍脹是寒區工程特有的病害之一。由于地基土及填筑中的水凍結時體積膨脹，產生的不均勻凍脹會造成線路超限，路基嚴重變形，使得鐵路的整個鋼軌高低不平，甚至扭絞成麻花狀，這樣極有可能導致列車脫軌、翻車等事故發生。

而融沉(凍土融化時的下沉現象)是多年凍土區路基的主要病害之一，也是多年凍土區建造物遭受破壞的主要原因，當凍土的融化速度很快時，會出現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定。當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生沉陷，會造成路基的嚴重變形，這種變形表現為路基下沉、路基路肩及邊坡開裂、下滑、路塹邊坡溜坍等后果。因此，凍土工程在寒區建設中非常重要，必須考慮凍土的凍脹融沉對工程建造物所產生的危害。

寒區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凍土，一是利用材料相變時導熱性能的差異保護凍土。各措施的關鍵就是保持凍土溫度不變，從而減少凍脹融沉現象的發生。目前已知的保溫措施主要有設置隔熱保溫層、熱棒、遮陽棚以及改善路基通風結構、改變路面結構和顏色等。

隔熱保溫層和遮陽棚

鋪設隔熱保溫層是對低填方和路塹采取的措施，目的在于減少換填厚度，減少對凍土的擾動，保溫層起到與當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烈，通過在路基上部設置遮陽棚能減少太陽輻射對路基的影響，大大減少傳入凍土地基的熱量，有利于提高多年凍土的穩定性。

“旱橋”

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

對高溫極不穩定區的高含冰量凍土地段及不良凍土現象較為發育的地段，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。這個橋可不是一般跨江過河的橋，凍土科研攻關人員將之命名為“旱橋”。旱橋橋樁穿越凍土層，直接打在堅實的巖土底層，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的清水河特大橋，就是典型的早橋，該橋長達11．7千米，氣勢巍然壯觀。但由于其造價太昂貴，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，只是在凍土條件復雜、安全性要求高的區域采用。

不一樣的路基

工程構筑填料及路基結構也很重要，它們將改變地表的熱交換條件，對地基多年凍土的上限產生影響。合適的路基填料既要滿足承載能力、強度與變形的要求，又要防止路基聚冰發生凍脹現象，同時還要考慮其保溫性能。粒徑級別分選重組，摻料改性等措施都可以提高填料抗凍脹、保溫的性能。合理的路基結構既能保證滿足基床的動應力疲勞荷載要求，又能減少凍脹、融沉等寒區工程病害。

通風路基可通過空氣對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路基結構形式主要有管式通風和填石通風。管式通風根據通風管的類型不同主要有水泥通風管和PVC管，填石通風路基又因填石大小分為片石或塊石通風路基和碎石通風路基。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111千米的“片石層通風路基”為國內首創，它好似散熱排風扇，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，可有效保護凍土路基穩定，

由于凍土的熱穩定狀態受地溫、含冰量等內因及氣候條件、人為活動等外因的雙重控制，我們還應重視多年凍土區的自然環境保護。保護凍土區自然環境，就是維持凍土區氣候條件的穩定，也就是間接地保護了多年凍土。

針對“多年凍土問題的解決，對青藏鐵路的貢獻到底有多大?’這一問題，嚴謹的科學家們不愿多說，但他們均表示，通過參與青藏鐵路建設，凍土大國——中國，已躋身于國際凍土研究的先進行列。

[責任編輯]王亞娜