保障青藏高速的工程健康

文|

中國工程院院士、石家莊鐵道大學 杜彥良

中交第一公路勘察設計研究院有限公司 陳建兵

供圖｜中交第一公路勘察設計研究院有限公司

青藏高原世稱“地球第三極”，地緣獨特，是聯通中亞、南亞兩大通道的戰略節點，是我國重要的戰略安全屏障和資源儲備基地，是我國約700萬藏族同胞的世居之地。

西藏自治區是青藏高原的主體，系祖國西南門戶，有近4000公里邊境線。習近平總書記“治國必治邊、治邊先穩藏”的思想，深刻闡明了西藏尤為重要的戰略地位。受制于青藏高原惡劣的自然環境和復雜的地質條件，西藏至今仍然是國家高速公路網尚未連接的“孤島”，凸顯出我國作為世界高速公路第一大國在高速公路發展中存在的不平衡、不充分問題。

由青入藏是國家進藏高速公路規劃的戰略主通道。青藏工程走廊穿越的700公里多年凍土，是高速公路建設面臨的國際性難題。因此，全面突破進藏高速公路建造及工程健康保障技術，整體提升進藏高速公路建養技術現代化水平和服務品質，提高高海拔高寒惡劣自然環境下交通運輸保障能力，是固邊穩藏、保障國防安全的重要基礎；是全面強藏、融入“一帶一路”的重要途徑；是富民興藏、決勝脫貧攻堅的重要支撐；是長期建藏、深入實施西部大開發戰略的重要保障。

2020年，中國科協遴選出10個對技術和產業創新具有關鍵作用的工程技術難題，“如何突破進藏高速公路智能建造及工程健康保障技術”作為交通運輸領域唯一的工程技術入選。

青藏高原南起喜馬拉雅山脈南緣，北至昆侖山、阿爾金山和祁連山北緣，西部為帕米爾高原和喀喇昆侖山脈，東及東北部與秦嶺山脈西段和黃土高原相接，平均海拔4500米以上，高寒缺氧，被稱為“世界屋脊”“地球第三極”。

我國的藏族人民自古生活在廣袤的青藏高原，是中國及南亞最古老的民族之一。自公元7世紀吐蕃建立政權以來，藏族與內地的交往就沒有中斷。但是，由于地理距離、交通阻隔等各方面的制約，過去的交流與聯系具有非常大的局限性。唐文成公主進藏成為連接西藏與內地、藏族與漢族之間友好關系的最早實踐者。文成公主自唐蕃古道進藏，歷時三年，隨行侍從死傷過半，歷經千難萬險到達雪域高原。

20世紀50年代初，中國人民解放軍遵照黨中央的號召和毛主席“一面進軍，一面修路”的指示，與藏族同胞一起發揚“一不怕苦、二不怕死”的精神，歷經艱險、排除萬難，在世界屋脊上修通了全長4360余公里的川藏公路和青藏公路。從此，開啟了西藏與內地聯系的新篇章，結束了西藏無公路的歷史。

青藏公路更是西藏與祖國內地聯系的最重要通道，承擔著西藏85%以上進藏物資和90%以上出藏物資的運輸任務，被譽為西藏的“生命線”。

新時代的重大意義

青藏、川藏公路通車以來，在黨中央的堅強領導和全國各族人民的無私支援下，西藏交通發展日新月異，但是其總體建設水平明顯低于全國平均水平。截至2019年底，西藏地區公路里程突破9萬公里，而高速公路里程不到700公里。目前，全國只有西藏仍是國家高速公路網尚未連接的“孤島”，也凸顯出我國作為世界高速公路大國在高速公路發展中存在的不平衡、不充分問題。

西藏在國家發展全局中的戰略地位顯著

2018年9月，習近平總書記在參加十二屆全國人大一次會議時明確指出“治國必治邊、治邊先穩藏”，深刻闡明了治國、治邊、穩藏的內在關系，把西藏在國家全局中的地位提升到了新的高度。

西藏是重要的國家安全屏障。西藏地處祖國西南邊疆，居高臨下的地理優勢、綿延曲折的邊境線、數千公里的戰略縱深，使其成為國家安全的天然屏障，在維護國家主權和利益安全上具有十分重要的戰略地位。

西藏是重要的生態安全屏障。西藏是“中華水庫”“亞洲水塔”，水資源總量居全國首位，不僅是東亞重要的氣候調節器，同時也是世界上生物多樣性最典型的地區之一，是保障地球生物多樣性的重要基因庫，關系到中華民族的持續健康發展。

西藏是國家戰略資源儲備基地。西藏地區礦帶分布密集，累計發現礦產101種，區內10余種礦產資源產量儲量居全國前五位，其中銅8000萬噸、金2000噸、鉛鋅3000萬噸，資源潛在價值超過6500億元，是我國重要的戰略資源儲備基地。

全面突破進藏高速公路建造及工程健康保障技術意義重大而深遠

西藏是面向南亞的重要通道。西藏是連接中巴經濟走廊和中印孟緬的關鍵戰略節點，是我國“一帶一路”戰略倡議的重要組成部分。中巴、中印孟緬兩個經濟走廊的建設對我國拓展運輸新通道、保障能源安全、維護西部穩定、擴大地緣政治影響力具有重要的建設性作用。

西藏是固邊穩藏的前沿陣地。西藏藏族和其他少數民族人口占全區總人口的90%以上，民族問題和宗教問題交織加劇了西藏工作的復雜性。西藏地區的穩定事關國家安全和領土完整，事關700萬藏族同胞的幸福，事關全面建成小康社會全局。

目前，西藏的交通發展現狀與其重要的國防戰略地位極不匹配。

青藏通道是進藏的戰略主通道

在進藏五大通道中，川藏通道地質災害極其嚴重，高速公路技術儲備不足；滇藏通道地質災害嚴重，與內地聯系不夠緊密；青康通道沒有對接兩省首府，對兩省區聯系有限；新藏通道戰略縱深不足，與內地連接功能較弱。而青海格爾木至拉薩的青藏通道是西藏自治區首府拉薩通向首都北京及西北地區、華北地區、中原地區最為便捷的陸上通道，是五個進藏通道中唯一兼有青藏公路、青藏鐵路、格拉成品油管道、蘭西拉光纜通訊工程、500千伏輸變電工程的綜合運輸通道，是西藏經濟社會發展的“金橋”。

同時，相比于川藏、青康、滇藏及新藏通道，青藏通道作為國防戰略縱深主通道，具有重要的戰略優勢，一方面青藏通道縱深達1500公里以上，有利于空間換時間的戰略防御；另一方面青藏通道地處高平原，無地形限制，有利于快速機動的戰略集結；此外，青藏通道內公路、鐵路、能源、電力的集中，有利于喘息休整的戰略保障。

G6京藏高速公路羊八井至拉薩段起于當雄縣羊八井鎮桑巴薩村，與國道109線、青藏鐵路并行，途經堆龍德慶區德慶鎮、馬鎮、古榮鎮，止于堆龍德慶區乃瓊鎮波瑪村，全長68公里，設計時速100公里。

青藏高速公路經濟社會效益顯著

建設青藏通道的技術難題主要是多年凍土，具有很好的研究基礎和人才儲備。因此，青藏高速公路已具備基本建設條件，推進其建設將發揮顯著的經濟社會效益。

打通青藏高速公路將實現國高網的最后貫通。青藏高速公路（格爾木—拉薩段）是國家高速公路G6北京至拉薩的最后一段。北京至格爾木段已經實現全線貫通，那曲至拉薩段也已開工，預計2021年建成通車，迄今僅余格爾木至那曲段還未實現最后貫通。因此，全力建設格爾木至那曲段高速公路是實現國高網全面貫通的最便捷方式。

打通青藏高速公路將全面提升進藏的交通服務水平。青藏公路承擔著85%的出藏物資與90%的進藏物資運輸工作。由于歷史原因，青藏公路病害嚴重，歷經4次大規模整治改建工程，維修路段達188公里，但是病害率仍在20%左右。由于交通量急劇增長、公路等級低、道路病害嚴重，青藏公路擁堵呈現常態化。僅2017年1月至9月就發生堵車122次。自2006年青藏鐵路通車以來，青藏公路交通量年增長率由5%逐漸增至9%，交通量已接近飽和狀態。

打通青藏高速公路將助力西藏精準扶貧。西藏是我國唯一的省級集中連片特困地區。2019年末，西藏全區所有縣均脫貧摘帽。從人均GDP收入來看，西藏是我國人均GDP最低的省級地區，處于我國人均GDP的第五梯隊。而交通先行是西藏精準脫貧攻堅的關鍵。因此，必須加大西藏地區高速公路的發展與建設力度，才能保證西藏人民在共同實現小康的道路上不掉隊。

攻克多年凍土

青藏高原的“攔路虎”

1954年，青藏公路通車的喜悅并沒有持續多久。開春后，人們驚奇地發現原本平坦的公路逐漸變成了爛泥灘，起伏不平，車隊駛過隨即陷入。這時，人們才發現，原來看似堅固的高原下另有玄機。

在青藏高原腹地大部分地區，分布著一種持續多年凍結的非常特殊的土體——多年凍土。與普通的土體多由土顆粒、水分和空氣孔隙組成不同，多年凍土還包含冰，而青藏高原的低溫環境是多年凍土賦存的氣候條件。多年凍土富有持久的生命力，猶如任性的小孩兒，當溫度降低（小于0攝氏度），它便平靜地酣睡，內部的冰體將土顆粒牢固地包裹起來，堅硬如鐵；而當外部溫度升高（大于0攝氏度），它就如被驚醒的小孩兒，頓時發起脾氣，內部冰體融化，土體變成一灘稀泥。因此，在青藏高原修路、架橋必須摸清凍土的脾氣。

青藏高原高寒的氣候條件及凍土對溫度極其敏感的特性，造就了高原獨特的凍融自然景觀。如凍脹丘，是由地下水冬季結冰，在薄弱地帶凍結膨脹并且向上隆起而形成的圓形或橢圓形地形；熱喀斯特湖，是由地下凍土層內冰體融化而集水成湖；熱融滑塌，由于斜坡地區坡腳地下冰層暴露，夏天冰層融化致上部土層塌落，并在重力作用下沿著斜坡緩緩下滑。總而言之，在青藏高原發生的諸多凍融自然現象均緣于土體的凍結或熱融。

凍土的這種特殊性質成為工程建設的“攔路虎”，是世界級難題。具體來說，地基土體中的水凍結為冰時，體積增大9%，會發生凍脹現象；反之，遇熱則融，土體發生沉降，即融沉。凍脹和融沉是凍土最為顯著的兩個工程特性，也是影響工程穩定的主要因素。當工程建設實施時，一方面破壞了原有的地表植被，使得土體直接暴露；另一方面工程結構表面特別是公路路面為顯著的黑色吸熱表面，就如冰上加熱器，進一步加劇了土體的熱融。以上過程雖然說起來簡單，但是在多年凍土地區，凍土的熱融就是引發工程結構發生病害、破壞的主要原因。

凍土工程技術領跑全球

正是由于凍土熱融這一世界性難題，使得凍土工程研究成為國際學術與工程界研究的難點和熱點。除我國以外，美國、俄羅斯、加拿大等凍土大國及北歐等國也在凍土區開展了不同的工程建設，如俄羅斯的西伯利亞鐵路、美國的道爾頓公路等。由于地廣人稀，以上國家的道路工程均以城市近郊公路為主，道路等級低、交通量小,絕大部分只鋪設了砂石路面，通行條件較差，且運營多年來，其工程熱融病害率均超過30%。

多年凍土

組圖：20世紀90年代青藏公路凍融病害

我國在凍土工程技術方面走在了世界前列。自20世紀70年代以來，我國針對多年凍土，在青藏公路的整治改建中已累計投入近50億元，持續開展了40多年的觀測和病害整治技術研究，病害率控制在20%左右，堪稱世界凍土工程奇跡。青藏公路凍土病害整治技術研究針對同一工程對象開展不間斷的科學和技術研究，在國際工程界是唯一的，其研究成果一舉奠定了我國凍土工程技術的國際領先地位。

羊八井互通

首次揭開高海拔多年凍土神秘面紗。與俄羅斯西伯利亞、美國阿拉斯加等世界主要的高緯度凍土相比，青藏高海拔凍土溫度高、熱融敏感性強，凍土凍脹融沉具有長期、隱蔽、突發的特點。

廣東省已對2011年度和2012年度連續開展了兩年考核工作。通過考核工作，使水資源管理日益受到地方政府領導重視、部門之間的協作也明顯加強，考核也給地方政府尤其是得分排名靠后的地區帶來了壓力，促使這些地區加強節水和治污力度，加強對高耗水和高污染企業的限制和轉型升級，取得了較為明顯的成效。

摸清凍土工程病害類型及發生規律。幾十年的跟蹤調查監測表明，青藏公路融沉類病害與路基尺度和結構密切相關，主要表現為不均勻沉陷和縱向開裂，其占總病害率的75%以上，遠超凍脹類病害。年平均地溫低于零下1.5攝氏度的低溫凍土病害易控，相對穩定；年平均地溫高于零下1.5攝氏度的高溫凍土病害表現出長期持續性，極不穩定。

找到醫治凍土工程病害的良方。青藏公路凍土病害的治理實踐是一部我國凍土工程科研工作者千方百計“保護凍土”的歷史。20世紀70年代至90年代，受認識及經費限制，我國研究人員只能采取填土路基保護凍土，并相繼研究提出“寧填勿挖”原則、最小填土高度、保護凍土臨界高度等關鍵成果；20世紀90年代后，逐步開發出隔熱保溫、局部導冷等系列新技術、新結構、新材料，如熱棒路基、XPS隔熱層路基、碎（塊）石氣冷路基等。

把瀝青路面鋪到世界屋脊上。國際上首次在多年凍土區大規模鋪筑黑色瀝青路面取得成功，提出極端低溫下的瀝青路面結構選型及強度控制技術，逐步完善瀝青路面快速修復及養護技術體系，路面防凍抗裂耐久性能穩步提升。這次嘗試解決了多年凍土地區能否鋪筑黑色瀝青路面，以及如何鋪筑的問題，有力保障了青藏公路成為世界第一條跨越700千米多年凍土地區的全天候通車二級公路。

成為國際凍土工程研究最大的數據源和試驗場。依托青藏公路的整治改建，積累了長達46年的凍土環境與工程病害連續觀測和試驗數據；跨越青藏高原700千米多年凍土區，累計建設超200千米科研試驗工程，共涉及12種特殊路基結構、2座橋梁試驗工程、11類不同工況試驗場，取得近300萬組第一手科學試驗數據，是國際凍土工程界不可替代的野外觀測數據源和實體工程試驗場。

共玉公路樹立“國際凍土工程新的里程碑”

青海省玉樹藏族自治州地處“萬山之宗”昆侖山脈東南，長江、黃河、瀾滄江“三江之源”；這里還是唐蕃古道、康藏通衢，漢藏文化在此交流交融。2010年4月14日，玉樹州結古鎮發生7.1級地震，遭受重創。作為連接玉樹的主要通道，青藏高原東南邊緣的青康公路（國道214線）在抗震救災中遭遇斷通。如何快速、高質量地修通成為搶險救災、恢復重建的關鍵。2011年5月，國務院提出構建“一縱一橫兩聯”“生命線”公路通道，青海省共和至玉樹高速公路（共玉公路）破土動工。而跨越227公里的高溫極不穩定多年凍土成為工程建設的瓶頸。沿線凍土地溫高、含冰量大、熱穩定性差，高速公路尺度又遠大于青藏公路等二級公路，公路吸熱、熱融風險劇增，國際上更是沒有多年凍土區高速公路建設的先例。針對這一問題，凍土科研工作者迎難而上，積極投入技術攻關，充分利用青藏公路建設經驗，消化、吸收多年研究成果，為共玉高速公路“量身定制”新技術、新材料、新結構、新工藝。

2020年10月1日上午，G6京藏高速公路羊八井至拉薩段通車試運行。圖為羊八井1號隧道。

強制彌散式通風路基

單向導熱路面與片塊石復合路基工作原理

理論方法自主創新：修建在凍土地基上的路基穩定性與路基自身的尺度關系極大，首創凍土路基尺度效應理論，揭示高速公路尺度增大后引發的凍土熱融機理演化規律，解釋為什么高速公路路基的穩定性問題比鐵路和二級公路嚴峻得多。而基于此創建的凍土路基能量平衡設計理論，是通過一定的工程措施和技術手段，使得凍土地基恢復平衡狀態，以保證路基穩定。

路面熱能定向調控：黑色瀝青路面是凍土路基吸熱的主要來源。單向導熱路面是通過在路面結構層不同層位添加不同熱物理性質的工業材料，調節路面的導熱性能，實現路面結構的熱量快速散發。

通風換氣增強：大量采用通風管、片塊石等基底通風路基，針對路基尺度增大后的熱融風險劇增難題，在通風管、片塊石路基基礎上，采用自動溫控、太陽能風機強制彌散式通風等方式，變自然通風為強制通風。

導冷、阻熱、調控復合：創造性地將熱棒與工業保溫材料復合，一方面利用熱棒在冬季優良的熱量傳導效能散熱，另一方面利用保溫材料的隔熱功能阻斷夏季熱量的導入。

熱棒與樁基復合：將熱棒結構與樁基復合，形成“樁棒一體”結構，利用熱棒快速將樁基水化熱導出，減少對凍土層的擾動。

生態防護優化：將原有開挖的草皮先集中養護，待施工完成后，再鋪筑在路基邊坡表面，既恢復了原始地表、保護凍土，又與當地生態環境融為一體。為此，沿線群眾稱贊共玉公路為“草原上‘長’出來的公路”。

通過共玉高速公路建設，我國在凍土路基、橋梁、隧道等方向形成理論方法與系列技術等原創性成果，成功突破了高海拔凍土區高速公路建設禁區。國際凍土協會認為“共玉公路成功建設樹立了國際凍土工程新的里程碑”。

樁棒一體化工作原理

大規模建造需突破的難題

自2006年青藏鐵路通車后，十余年來，科技部、交通運輸部、青海省和西藏自治區著力開展了進藏高速公路建設前期科研攻關工作，通過“973計劃”“863計劃”“國家科技支撐計劃”、國家自然科學基金、交通運輸部重大專項等予以資助，累計投入資金超過2億元。目前雖然在理論方法、設計技術及同類工程示范方面已具備堅實的研發基礎，但在青藏工程走廊跨度達700千米的多年凍土地區，克服極端高寒缺氧、高頻凍融循環及劇烈干濕交替的綜合影響，全面推進建設并保障其工程長期健康，仍然面臨諸多難題。

難題一：高原惡劣自然環境、狹窄走廊工程干擾與保通限制，難以保證大規模快速建造品質

針對高寒高海拔地區強紫外、大溫差、長時低溫及劇烈干濕凍融循環作用等極端氣候條件下，施工環境惡劣、施工周期短、施工難度大，以及長大隧道施工面臨的高應力、高壓涌突水、巖爆、圍巖大變形、復雜多變的地質條件等難題，突破路基路面、橋隧構造物等裝配化和智能建造技術壁壘，構建全過程質量控制、全壽命工程保障的科學施工技術體系和保障能力，將對順利打通進藏高速通道工程、提升建造品質意義重大。

難題二：缺乏全壽命周期智能監測與健康診斷技術集成，將制約進藏交通設施的災變預警與健康運營

針對全球氣候變化情況下工程構筑物健康影響要素復雜等問題，利用大數據理論、云計算、人工智能技術、北斗通信等先進技術，研發適用于極端高原環境條件下的高性能、長距離無線傳輸設備及裝置，集成全方位、全時段的監測數據和決策平臺，將對惡劣自然環境下高速公路的健康運營、災變預警和防控發揮重要作用。

難題三：當前青藏高原工程建設與運營全過程能源消耗高，將進一步加劇高原地區長距離運輸的能源供應緊張局面

青藏高原地區地廣人稀，常規能源運輸困難、成本高、供應緊張，在一定程度上制約了高速公路建設品質與運營服務水平。當前，低碳環保新能源技術在大型工程建設和運營全過程中的集成與規模化應用仍然面臨諸多技術瓶頸。因此，將生態環保理念貫穿工程規劃、建設、運營和養護全過程，積極探索太陽能、地熱能、風能等清潔能源綜合利用和低碳環保的建筑結構，對緩解高原地區長距離運輸的能源供應緊張局面、建設進出藏高速交通綠色廊道具有深遠意義。

難題四：當前依靠車站和道班的常規救急措施與保通技術，完全無法滿足極端惡劣環境下突發災害和重大交通事故的應急救援要求

面對當前進藏通道極端天氣普遍、地質災害頻發、重大交通事故率偏高等客觀因素，依靠沿線車站和道班實施常規性的救急和保通的相關技術現狀對保障現有工程全天候通車都十分困難。因此，迫切需要在開展建設技術研究的同時，研究極端氣候條件和地質災害頻發情況下的快速應急救援保障技術體系，充分運用衛星系統、無人機技術、遠程通訊等道路交通安全信息感知與提取技術，研發配套的應急裝備與救援保障設施，以期實現實時響應、快速反應、智能策應。

以上問題的突破將整體提升進藏高速公路的建養技術現代化水平，降低工程造價和全壽命周期成本，提高特殊自然環境下交通設施的供給品質與服務能力，為徹底打通西南戰略高地——西藏與祖國內地的高速公路通道提供全面技術保障。

目前，青藏高速公路非多年凍土段那曲至拉薩段已于2020年10月通車試運行。而面臨諸多困難的多年凍土段迫切需要開展智能建造及工程健康保障技術的全面攻關，宜在近兩年內建設50公里至80公里的先導試驗段，到2025年可全面突破管理、設計、施工、監測及維養的技術體系與標準規范體系。