青藏高原氣候轉暖與凍土工程的關系*

吳青柏 張中瓊 劉 戈

(①中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室， 蘭州 730000， 中國)

(②中交第一公路勘察設計研究院有限公司， 西安 710065， 中國)

0 引 言

凍土是一種溫度低于0℃且含有冰的特殊土體，連續存在兩年或兩年以上的凍土為多年凍土。多年凍土是地球上分布最為廣泛的冰凍圈因子，約占地球陸地面積的17%，占北半球陸地面積的24%(Biskaborn et al.，2019)。多年凍土是在氣候變化背景下受地理環境、地質構造、巖性、水文地質和植被等區域因素影響通過活動層內物質和能量交換而發育和演變的產物。多年凍土的發生和發展，將改變地氣間的能水循環、碳循環，陸地生態系統、寒區水文系統和工程建筑物穩定性。近年來氣候轉暖條件下多年凍土退化加速，觸發一系列來自陸地生態系統、多年凍土區碳循環、水文系統和工程構筑物的嚴重后果，凍土融化的風險劇增(Nelson et al.， 2001)。

青藏高原獨特的環境孕育了面積為1.40×106km2的高海拔多年凍土，是全球中低緯度地區多年凍土分布最廣泛的區域，約占青藏高原陸地面積的54.3%(程國棟等， 2000)。最新的凍土調查結果顯示，青藏高原多年凍土面積為1.06×106km2，約占陸地面積的40.2%(程國棟等， 2019)，多年凍土對青藏高原工程規劃和安全運營、生態環境、水文水資源等產生重要的影響。多年凍土對氣候、生態環境、水文條件變化非常敏感，特別是年平均地溫高于- 1.0℃、體積含冰量超過25%的高溫高含冰量凍土尤為敏感。氣候轉暖影響下青藏高原多年凍土退化顯著，包括活動層厚度增大、多年凍土溫度升高、多年凍土厚度減薄、多年凍土分布下界升高等。凍土退化引發的地下冰融化導致地表沉降，引起一系列凍融災害問題，如熱融滑塌、凍土滑坡、融凍泥流等。氣候轉暖導致多年凍土發生區域變化，工程作用主要導致局部場地凍土發生退化，工程下部多年凍土上限增大、凍土溫度升高，導致地下冰融化、凍融災害增多等，引起工程穩定性變化和工程服役性降低(圖1)。

圖1 氣候轉暖和工程作用對多年凍土的影響

凍土作為工程構筑物的特殊地基，與非凍土地基的重大區別，在于凍土地基具有厚度不等的地下冰體和冰層，凍土融化導致工程發生下沉變形。同時，隨著凍土溫度變化，其工程性質發生顯著變化。凍土地基在凍結狀態下，大多數凍土都表現出較高的強度，且具有相對隔水的特征。在融化狀態時，就完全喪失其強度。在其反復凍結與融化作用下，地基土的強度出現弱化，并引起一系列凍土工程問題。在多年凍土區工程建設時，由于工程構筑物改變了場地地表的物理性質，引起了地表輻射和能量平衡，改變了地氣之間的熱交換過程。因而，工程熱影響在建設初期對凍土熱狀態產生顯著的放大效應，易引起凍土地下冰融化和工程穩定性變化。在氣候轉暖和工程熱影響疊加作用下，凍土熱狀態處于長期動態變化過程中，使工程在運營階段處于長期的不穩定狀態。凍土工程要想維持其熱-力學穩定性狀態，必須預先采取工程技術措施調控或減小工程對其下部多年凍土的熱影響，避免地下冰發生融化和多年凍土升溫。

本文在前人研究的基礎上，試圖對青藏高原氣候變暖和工程作用影響下多年凍土變化特征和工程穩定性進行系統梳理，從預防凍土融化角度闡述了凍土工程安全保障技術，最后探討了未來氣候變化情景下多年凍土變化趨勢及其對工程服役性影響。

1 氣候轉暖下多年凍土變化

青藏高原由于其氣候變化的獨特性以及其熱力和動力作用對下游的中國東部季風氣候乃至全球大氣環流和氣候產生顯著的影響(葉篤正等， 1979)。過去50年間，青藏高原年平均氣溫的線性增溫率為0.37℃/10 a，明顯高于北半球和同緯度地區(Kuang et al.，2016)。氣候變化影響下多年凍土發生顯著的變化，包括多年凍土面積、凍土厚度、多年凍土分布下界、多年凍土溫度和活動層厚度等。

根據青藏高原約190余個鉆孔地溫數據，地表下15 m深度多年凍土溫度總的高于- 4.0℃，其中一半以上凍土溫度高于- 1.0℃，為高溫多年凍土(Wu et al.，2010a)。過去60年來，青藏高原多年凍土一直處于持續升溫狀態， 20世紀70年代～90年代期間，島狀不連續多年凍土溫度升高了0.3～0.5℃，連續多年凍土區升高了0.1～0.3℃(Cheng et al.，2007)。青藏公路沿線凍土地溫連續觀測表明， 1996～2006年，6 m深凍土溫度升高了0.12～0.67℃，平均升溫速率為0.39℃/10 a。高溫凍土(年平均地溫>- 1.0℃)平均升溫率為0.23℃/10 a，低溫凍土平均升溫率為0.55℃/10 a(Wu et al.，2008)。1995～2014年，凍土升溫速率為0.23℃/10 a，升溫速率有所減緩。年平均地溫(12～15 m深)升溫速率為0.15℃/10 a，大于20 m多年凍土處于持續升溫狀態，低溫凍土區40 m深的凍土和高溫凍土區30 m深的凍土顯著升溫，凍土厚度減薄了1.8～2.4 m(Zhang et al.，2020)。2005～2017年，青藏公路沿線10 m深度凍土升溫速率為0.15℃/10 a; 2002～2014年，青藏高原東部的青康公路沿線15 m凍土溫度升溫率為0.013～0.17℃/10a，平均升溫率為0.08℃/10 a(程國棟等， 2019).

青藏高原活動層厚度平均介于1.67～3.29 m，其中高寒草甸活動層厚度介于1.32～1.83 m，高寒草原為1.03～5.86 m，空間差異非常顯著(程國棟等， 2019)。在氣候變化影響下，青藏高原活動層厚度處于持續增大狀態。活動層厚度模型預測，過去30年來青藏高原活動層厚度以1.33 cm的速率在增大(李韌等， 2012)。青藏公路沿線凍土觀測資料表明， 1995～2007年活動層厚度年增加率約為7.5 cm·a-1，高溫凍土活動層厚度大于低溫凍土。在中高山區低溫凍土區，活動層厚度平均年增加率為4.3 cm·a-1； 在高平原和盆地區，活動層厚度平均年增加率為6.7 cm·a-1(Wu et al.，2010a)。據最新的觀測資料統計， 1995～2014年，活動層厚度在加速變深，平均達8.4 cm·a-1(程國棟等， 2019)。

伴隨著凍土退化，熱融湖塘和熱融滑塌和凍土滑坡等凍融災害顯著增加。根據近年來地面和遙感調查，青藏公路沿線大約分布著250余個熱融湖塘，總面積大約139×104m2，平均熱融湖塘面積約為5580 m2，熱融湖塘集中分布在高平原和溝谷盆地(Niu et al.，2011)。氣候轉暖下，熱融湖塘數量有所增加，面積有所擴大。熱融湖塘的形成和發育對寒區工程、水文水資源、寒區環境演化均有較大影響。同時，熱融滑塌或凍土滑坡也顯著增加，據最新的遙感數據顯示，青藏鐵路沿線五道梁到風火山新發現42個熱融滑塌(Niu et al.，2016)，這些多年凍土區斜坡的熱喀斯特過程是凍土退化的結果，遠離工程構筑物基本對工程沒有影響。但是，在氣候變化背景下，工程活動誘發了熱融滑塌和凍土活動層滑坡，如青藏公路K3035處工程取土導致地下冰暴露而誘發的，對青藏公路安全運營造成了一定的威脅(Niu et al.，2012)。風火山地區由于修筑路基導致平緩斜坡后緣產生蠕滑拉張裂縫，后期異常降水作用導致凍土活動層滑坡，凍土滑坡前緣滑坡體伸入涵洞近9 m，對青藏鐵路安全運營構成了一定的威脅。北麓河地區青藏鐵路也發生了類似的災害，對青藏鐵路安全運營也產生了威脅。

2 工程作用下多年凍土變化

多年凍土區修建路基工程不可避免地改變地表的物理性質，如地表反照率、粗糙度、總體輸送系數和地表溫度(Zhang et al.，2016)，導致長波輻射、短波輻射和凈輻射的輻射特征變化，同時改變了地表感熱、潛熱和儲熱通量等能量平衡特征(Zhang et al.，2017)。公路路面是瀝青路面，相對隔斷了大氣與地表之間的水汽交換，具有強烈的吸熱效應(Zhang et al.，2018)。鐵路是砂礫路面—道砟表面，具有一定的冷卻作用。這兩種路堤表面的能量平衡差異使其對路基下部多年凍土的熱量積累產生了差異。路基的熱量積累主要來源于路基中心和邊坡，瀝青路面公路路基中心下部熱量積累要大于路基邊坡下部，鐵路路基邊坡下部的熱量積累要大于路基中心。同時，高速公路寬幅瀝青路面將強化路基中心下部土體的熱量進一步積累(Yu et al.，2015)。

氣候變暖影響下，工程熱擾動的疊加作用加速了工程下部多年凍土的退化，引起了工程下部多年凍土上限加深、凍土溫度升高。然而，路基下部凍土熱狀態變化并非是氣候變暖和工程熱擾動作用的線性疊加結果，目前還難以區分氣候變暖和工程作用對工程下部多年凍土變化的相對貢獻，這也是工程設計考慮氣候變化問題的難點。

根據青藏公路和青藏鐵路的凍土工程長期監測，瀝青路面下部和鐵路砂礫路面下部路基中心孔和天然地表下部土體溫度的變化過程存在著顯著的差異(圖2和圖3)。瀝青路面(公路)下0.5 m深度的夏季土體溫度遠高于天然地表，冬季溫度相差較小。而砂礫路面(鐵路)下0.5 m深度冬季土體溫度略高于天然地表，冬季溫度差異較小。在氣候和工程影響下，路基下部土體溫度遠高于天然狀態。但公路下部和鐵路下部表現出了顯著的差異，尤其是冬季溫度。鐵路道砟在冬季表現出了較好的冷卻效應，導致下部土體具有一定的降溫作用，瀝青路面吸熱效應使下部土體溫度升溫顯著。在工程和氣候的影響下，工程下部凍土的熱狀態不僅發生了顯著的變化，而且人為多年凍土上限也發生了顯著的變化。在路基修筑初期，多年凍土上限發生了顯著抬升，但隨著工程作用的影響，多年凍土上限將會發生下降，且下降幅度與多年凍土熱穩定性和含冰狀態以及路基高度等有密切的關系。青藏公路長期監測資料表明，瀝青路面下部多年凍土上限處于持續增加過程，凍土溫度持續升高，但高低溫凍土存在顯著的差異。1996～2007年間， 6 m 深凍土升溫速率介于0.18～0.87 ℃/10 a， 10 m深凍土升溫速率介于0.22～0.52 ℃/10 a(吳青柏等， 2013)。1996～2007年間，高溫凍土(年平均地溫>- 1.5℃)上限的年增加率介于17.4～25.8 cm·a-1，低溫凍土(年平均地溫<- 1.5℃)上限年增加率僅為2.1～9.4 cm·a-1(吳青柏等， 2013)。同時，青藏公路下部出現了融化夾層，鉆探和地質雷達勘測結果顯示，路基下部的融化夾層約占630 km多年凍土區的58%(吳青柏等， 2013)。

圖2 青藏公路路基中心下部和天然地表下部0.5m(a)、2m(b)和5 m(c)土體溫度的變化

圖3 青藏鐵路路基中心下部和天然地表下部0.5m(a)、2m(b)和5 m(c)土體溫度的變化

在氣候和工程熱效應的作用下，運行近40年的青藏公路瀝青路面下部多年凍土變化顯著。多年凍土鋪筑路基后，凍融過程會使多年凍土上限處于升高狀態，但隨著氣候和工程的熱影響，路基下部凍土溫度逐漸升高，多年凍土上限會發生下降。青藏鐵路多年凍土區路基工程監測結果顯示，年平均地溫高于- 0.6℃的高溫凍土上限已出現一定程度的下降，陰坡路肩下部凍土上限下降幅度顯著(馬巍等， 2013)。同時，青藏鐵路修筑路基初期多達18處也出現了融化夾層，年平均地溫低于- 1.0℃的低溫多年凍土區融化夾層在觀測期內逐漸消失，高于- 1.0℃的高溫多年凍土區融化夾層未消失，融化夾層厚度有增大的趨勢(孫志忠等， 2015)。然而，青藏公路路基下部的融化夾層與青藏鐵路的成因略有差異，青藏公路的融化夾層是由于氣候變化和工程作用影響下凍土融化深度過大而引起了冬季凍土在垂直方向上產生了不銜接，青藏鐵路主要是由于修筑路基使得冬季最大季節凍結深度不能達到路基下部多年凍土頂板位置而產生了不銜接。

3 凍土變化誘發的工程病害

陰陽坡效應是青藏高原路基工程典型問題，是指左右路肩下部多年凍土上限和凍土溫度差異，并引起路基不均勻下沉和縱向裂縫(Chou et al.，2008)，這一效應主要是由于路基邊坡太陽輻射差異引起的路基邊坡表面溫度差異所致。圖4顯示青藏鐵路路基走向與太陽輻射和邊坡表面溫度成正比(圖4a、圖4b)，但左右路肩下多年凍土上限差異和土體溫度差異與路基走向關系不顯著(圖4c、圖4d)。說明左右路肩下部多年凍土上限差異和凍土溫度差異并不僅受到路基表面溫度的影響，也包括路基高度、土體性質、多年凍土熱穩定性等(Wu et al.，2011)。氣候轉暖影響會加劇陰陽坡效應，工程措施會減弱這一效應(Wu et al.，2011)，特別是針對這一效應的調控措施減弱幅度更大。

圖4 青藏鐵路路基走向與路基左右邊坡表面太陽輻射差(a)、路基左右邊坡表面溫度差(b)、左右路肩下多年凍土上限差(c)和左右路肩路基下部0.5 m深土體溫度差(d)的關系

氣候變化和工程作用下凍土融化導致了大量的工程病害，路基工程病害主要為路基沉陷、波浪變形、橫向裂縫和縱向裂縫，路面病害主要為網裂、車轍、壅包等(Chai et al.，2018)。路基工程病害主要與凍土融化有關(Wang et al.，2020)，受到了多年凍土溫度、含冰狀態、多年凍土上限和路基高度等因素的影響(陳繼， 2007; Chai et al.，2018)。青藏公路先后開展了多次工程病害調查，表1是依據2005～2006年青藏公路工程病害調查的估算表。表1顯示，工程病害比例占各地貌單元路段長度的1%到81%，平均病害率為38.6%。這些路段中有些路段工程病害比例明顯偏高，可能與青藏鐵路建設有關，同時這些路段大部分是尚未整治的路段。表1顯示在可可西里、風火山和北麓河等路段，路基病害率超過了50%，這些路段大部分為高含冰量凍土，且路基下部融化夾層比例高達50%(章金釗等， 2008)。路基病害與路基高度具有極為密切的關系，路基沉降變形隨路基高度增加而減少，但路基裂縫隨路基高度增加而增加(陳繼， 2007)。

表1 青藏公路2005～2006年路基工程病害調查結果

4 凍土工程熱穩定性控制技術

在氣候和工程影響下，凍土工程性質始終處于動態變化中，土體凍脹會隨著水分遷移和水汽運移而不斷地改變其對工程構筑物的影響，凍土融化下沉會隨著凍土中地下冰的融化和凍土溫度升高不斷地改變著工程構筑物的穩定性。因此，要想保證多年凍土工程建筑物的穩定性，需預先采取工程技術措施來防止凍土融化或升溫而使工程處于熱力穩定狀態。多年凍土一旦融化后是難以恢復的，任何后期的地基改良均難以保證工程安全，反而會帶來更多的外部熱量。

防止凍土融化或升溫主要可通過一定的工程結構或基礎形式調控熱的傳導、對流和輻射來實現(程國棟等， 2009)，最大限度地避免地下冰融化和多年凍土升溫，避免產生較大的融化下沉和凍土變形。

調控熱的傳導主要通過加高路基填土高度或在路基中鋪設保溫材料等增加熱阻的方法(圖5a)，減小夏季進入工程下部的熱量。然而，這種方法同時也減小了冬季進入工程下部的熱量，只能夠起到延緩凍土融化的作用(Sheng et al.，2006)，對于考慮氣候變化工程設計和年平均地溫高于- 1.0℃高溫凍土與體積含冰量大于25%的高含冰量凍土來說是不適用的。在青藏公路和青康公路建設中未考慮氣候變化問題，廣泛使用了這種增加熱阻控制凍土融化的方法。

圖5 凍土工程穩定性控制技術

熱棒路基主要是利用熱棒(管)內液氨工質汽液兩相對流循環將路基下部土體的熱量置換出來，這一結構只有在冬季氣溫低于土體溫度時才能夠發揮作用，當夏季氣溫高于土體溫度時熱管停止工作，是一種單向導熱裝置(郭宏新等， 2009)，被廣泛應用于寒區工程建筑物，包括交通運輸和阿拉斯加輸油管道工程(Doré et al.，2016)。我國在青藏鐵路建設和青藏公路整治工程中廣泛使用了熱棒路基結構(圖5b)，在路基或路基坡腳單側或兩側分別按照一定的間距插入熱棒，以保證路基下部多年凍土的穩定性。該技術在柴木鐵路、共玉高速公路和青藏直流聯網工程被廣泛使用同時，在青藏鐵路多年凍土區工程補強措施上被廣泛使用。

調控熱的輻射主要是通過遮陽板(圖5c)或遮陽棚(圖5d)等工程措施降低地面溫度來減少太陽輻射對工程下部多年凍土熱影響(Esch， 1988)，但因為遮陽板或遮陽棚材料的耐久性問題，這種措施并未在實際工程中得到廣泛的使用。青藏公路和青藏鐵路開展了一些實驗研究，研究結果顯示，在年平均氣溫為- 3.8℃環境下遮陽板可使路基邊坡表面溫度降低2～4℃，在年平均氣溫為- 6.0℃環境下遮陽棚內地表溫度可降低8～15℃(Feng et al.，2006)。

調控熱的對流主要是通過工程結構措施增加自由對流和強迫對流來降低工程下部的土體溫度(馬巍等， 2013)。架空通風基礎在工程建筑物廣泛使用，但路基工程目前處于試驗階段。通風管路基(圖5e)是一種冷卻路基的重要措施之一，它通過冬季冷空氣在路基中鋪設的通風管內發生的強迫對流來降低路基中土體熱量，但夏季通風管同樣存在強迫對流過程，有利于夏季熱量進入路基，為減小夏季強迫對流的弊端，發展了一種具有溫控的通風管(圖5f)措施以減小夏季熱量的影響。同時，為強化通風管的冷卻作用，發展了一種透壁通風管形式。通風管路基的研究結果表明，在年平均氣溫為- 3.8℃、凍土年平均地溫為-1.5～- 0.9℃環境下，它可使路基下部2 m凍土溫度降低0.5～1.5℃(Niu et al.，2006)，自動溫控通風管路堤基底下3.5 m 處的年平均地溫比一般通風管下的低0.45 ℃(Yu et al.，2008)，透壁通風管提高了通風管路基的冷卻效率(胡明鑒等， 2004)。雖然通風管措施具有顯著的降溫作用，但因考慮青藏高原風沙堵塞的影響，在青藏鐵路路基工程建設并未得到廣泛的應用。

青藏鐵路冷卻路基措施對其下部多年凍土降溫作用存在一定的差異，遮陽板(棚)、通風管路基結構未在工程實踐中廣泛應用，難以闡述其對路基下部多年凍土的降溫作用，只有熱棒措施和塊石結構路基在多年凍土區路基工程中被廣泛應用。熱棒路基和塊石結構路基均可顯著地抬升路基下部多年凍土上限、降低多年凍土溫度。由于熱棒路基和塊石路基對其下部凍土的降溫機制不同，其應用存在一定的差異。熱棒路基結構在工程應用中主要考慮熱棒的影響半徑、設計間距、插入方式(直插和斜插)和設置工程部位。熱棒的影響半徑和降溫幅度主要與大氣凍結指數和風速有密切的關系，也受到凍土條件的影響，如凍土熱狀態和含冰量等(郭宏新等， 2009)。數值模擬結果表明，在年平均氣溫- 3.5℃環境下未來50年升高2℃，熱棒路基可抵消氣候變化影響，保證路基下部凍土不發生融化(盛煜等， 2006)。塊石結構路基主要考慮塊石粒徑、塊石空隙、塊石層厚度，路基填土高度、路基走向等因素，同時也需要考慮氣溫、風速、風向以及凍土條件等。監測數據表明，塊石結構路基可以適應未來氣溫變暖1℃所產生的影響(Wu et al.，2020)。同時數值模擬結果表明，在年平均氣溫- 3.5℃環境下未來50年升高2℃，塊石結構路基可保證路基下部多年凍土發生融化(賴遠明等， 2003)。

5 未來氣候變暖凍土工程服役性

氣候變化增加基礎設施的脆弱性，對工程構筑物造成超出正常條件和使用預期的額外壓力，影響工程服役性。與氣候變暖有關的近地表多年凍土融化增加是基礎設施破壞增加的一個主要原因，凍土融化及其所引起的地面沉降，特別是在富含冰凍土區(Melvin et al.，2017)。在多年凍土區，氣候變化引起路基下部多年凍土發生融化，導致融化下沉、路基開裂等工程病害增多，要維持路基工程服役性，需花費較高的代價對路基工程進行維修養護。同時，由于凍土融化導致熱融滑塌和凍土滑坡等凍融災害風險增大，特別是在中高山區工程影響范圍內凍融災害對工程安全運營的影響風險增大，威脅工程服役性。在各種氣候變化背景下，氣溫升高和降雨增加，增大了凍融循環作用對路面車轍的影響程度。因此，保證路基工程服役性，凍融循環和降水相關的適應成本將大幅增加。氣候變暖導致高溫多年凍土退化為季節凍土，工程穩定性得以改善。然而，多年凍土退化過程較漫長，路基土體融化固結排水難以短期內完成，這使得路基土體處于長期不穩定變形中，工程服役性難以維持。同時，氣候變化和工程熱影響也導致了低溫多年凍土轉為高溫多年凍土，路基下部多年凍土的壓縮變形和蠕變變形導致的路基變形長期處于不穩定狀態，需要花費更高的維修養護成本來維持工程服役性。

青藏高原未來氣候轉暖影響下，多年凍土面積縮小、活動層厚度增大，凍土溫度將持續升高，凍土熱融災害風險在持續增大(張中瓊等， 2012)。相對于1981～2000年期間，活動層厚度將以3.6～7.5 cm·a-1的速率增大，多年凍土上限溫度以0.3℃/10 a速率升溫(陳德亮等， 2015)。根據全球氣候模式的4種RCP情景下青藏高原多年凍土地溫分布的模擬結果顯示，在RCP8.5情景下多年凍土將以0.39℃/10 a速率升溫，且多年凍土面積將以0.12×106km2/10 a減少(Xu et al.， 2019)。5種模式的集合平均結果顯示，預計到2020～2039年氣溫升高1.5℃，多年凍土面積較2010年縮小16%，凍土年平均地溫較2010年升高0.04～0.17℃。預計2040～2059年氣溫升高2.0℃，多年凍土面積縮小28%，凍土年平均地溫升高0.09～0.20℃。伴隨著凍土退化，凍土溫度升高引起的凍土地基承載力降低，工程穩定性變差。值得一提的是，青藏高原近50年來變暖超過全球同期平均升溫率的2倍(陳德亮等， 2015)，青藏高原氣溫升溫達1.5℃或2.0℃的時間可能會顯著提前，這預示著凍土升溫和面積縮小時間也會提前，顯著影響凍土工程穩定性。對于青藏高原來說，因為多年凍土溫度較高，高溫多年凍土近期融化的風險最大，而低溫多年凍土區也會因凍土溫度升高而變得風險增大。同時，氣溫升高也改變凍融循環頻率，影響基礎設施穩定性和脆弱性，基礎設施的破壞程度以及維護、更換和適應建筑環境的成本預計將增加。因此，在氣候變化背景下，評價凍土工程服役性需要研究量化氣候變化對多年凍土區的基礎設施的潛在影響，全面研究青藏高原的公路、鐵路、直流聯網工程和高速公路等基礎設施清單和環境壓力之間的關系、基礎設施的壽命和相關的增量變化的資本和運營和維護成本。

6 結 論

本文從氣候變化和工程作用下多年凍土的變化特征、工程穩定性、防止凍土融化的工程技術和未來氣候變化對工程服役性的影響方面闡述青藏高原氣候變暖與凍土工程之間的關系，得到以下主要的結論：

(1)青藏高原變暖超過同期全球平均升溫率的2倍，對多年凍土產生了重要影響。過去20年間凍土以0.01～0.4℃/10 a速率升溫，活動層厚度以1.33～8.4 cm·a-1速率增加。凍土變化的空間差異顯著，與植被類型、多年凍土地溫、土壤性質等有密切關系。伴隨凍土退化，熱融湖塘和熱融滑塌和凍土滑坡等凍融災害顯著增加，對工程穩定性產生了顯著的影響。

(2)多年凍土區修建路基工程改變地表的輻射能量平衡，對工程下部多年凍土產生較大的影響，多年凍土上限和凍土熱狀態均發生了顯著的變化。1996～2007年間，青藏公路瀝青路面下多年凍土上限以2.1～25.8 cm·a-1的速率增加，凍土以0.18～0.87℃/10 a速率升溫，使青藏公路58%路段下部出現了融化夾層。青藏鐵路普通路基下多年凍土上限存在增大的情況，凍土溫度也有所升高。凍土變化引起了凍土路基產生了融化下沉、路基裂縫等病害。

(3)為防止工程下部凍土融化，提出了通過路基結構調控熱的傳導、輻射和對流工程措施。青藏鐵路采用塊石結構路基和熱棒結構路基來降低路基下部的多年凍土溫度，確保路基工程穩定性。青藏鐵路U型塊石路基和塊石護道-護坡結構可適應未來氣候變暖1.0℃的條件，未來氣候變暖1.5℃，凍土工程補強措施應提前謀劃。

(4)青藏高原多年凍土變化與工程服役性關系較為復雜，需要準確預測氣候變暖背景下多年凍土變化及其凍融災害，同時預測工程下部多年凍土變化及其引起的工程病害，并結合工程服役年限和工程維修養護，綜合分析工程服役性的適應成本。