冻土“杀手”叫停青藏铁路
越是在恶劣的自然条件下,越是要打造世界一流的铁路。然而要穿越500 公里
的多年冻土地区,要穿越高原最复杂的地震带,打造一流谈何易!
冻土工作者几带人、几十年在无人区的默默奉献,积累了数万个研究数据,奠
定了穿越的科技基础;
各科学领域的专家学者数十年的实践、论证奠定了穿越的理论基础;
科学技术是第一生产力,在青藏线上得到最精辟、最全面的阐释。青藏铁路是
一条以人为本的高科技之路,是汇聚建设者聪明才智的高科技的钢铁长城。
一 冻土“杀手”叫停青藏铁路
青藏铁路是目前全球穿越多年冻土区最长的高原铁路。在青藏铁路建设面
临的众多技术难题中,冻土工程技术问题的解决,是实现高起点、高质量、高标准
地把青藏铁路建设成世界一流高原冻土铁路的关键。可以说,青藏铁路成败的关键
在路基,路基成败的关键在冻土,冻土的关键问题在冻胀和融沉。
冻土问题是目前世界性的难题,世界上几个冻土大国俄罗斯、美国、加拿大等
都为解决冻土技术难题付出了艰辛的努力。中国在冻土研究方面起步较晚,在上世
纪八十年代中期以前,中国的冻土研究基本上继承了前苏联在多年冻土方面研究的
经验和理论。
世界上在冻土区修筑铁路已有百年历史,但因难度大,很多问题尚未解决。俄
罗斯1994年调查,20世纪70年代建成的第二条西伯利亚铁路,线路病害率达27.5% 。
运营近百年的第一条西伯利亚铁路,1996年调查的线路病害率为45% 。我国1990年
调查,青藏公路当时病害率达31.7% ,东北多年冻土区铁路病害率达40% 。
冻土虽然在加拿大、俄罗斯等国家也存在,但他们是属高纬度冻土,比较稳定。
而青藏铁路格尔木至拉萨段纬度低,与湖北省在同一纬度上,海拔高,日照强烈,
而太阳辐射对冻土有着非同寻常的影响。加上青藏高原年轻,构造运动频繁,且这
里的多年冻土具有地温高、厚度溥、热融发育,因此对气温变化反应更为敏感。
冻土,是指温度在0 ℃以下, 并含有冰的各种岩土和土壤。一般可分为短时冻
土( 数小时、数日以至半月) 、季节冻土( 半月至数月) 以及多年冻土( 数年至数
万年以上) 。地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区约占陆地面积的50%,其中多
年冻土面积占陆地面积的25% 。
我国多年冻土面积占国土面积的22.3%,仅次于俄罗斯和加拿大,在世界上居第
三位,
而以青藏高原为主体的高海拔多年冻土面积则居世界之首。
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质, 含有丰富的地下冰。因此, 冻土具有
流变性, 其长期强度远低于瞬时强度特征。正是由于这些特性, 在冻土区修筑工程
构筑物就必须面临两大危险: 冻胀和融沉。其中起重要作用的是水的存在形态, 当
水变成冰时体积增大, 使土体膨胀, 地表因此而拱起升高, 这就是冻胀; 当土中的
冰转变为水时, 体积收缩了, 地表便发生融化下沉, 简称融沉。在这两种现象的反
复作用下, 道路或房屋的基底就会出现破裂或者塌陷。
其实对工程建筑而言,温度很低的冻土并不可怕,可怕的是“乍暖还寒”的冻
土,如平面分布上呈岛状的冻土和“时融时冻”的冻土,如垂直剖面上冬季结冰、
夏季融化的活动层土。世界上多年冻土区的大量工程实践也证明:发生病害或破坏
的工程建筑多数属高温冻土。因此在青藏高原多年冻土区筑路比其他地区更难。
青藏铁路沿线的冻土现象主要有以下几种:
冻胀丘。冬季土体中的水分冻结成冰,体积增大,从而对四周产生扩张空间的
压力,当该压力大于上覆土层的强度时,地表就发生拱起,形成丘状的形态,即为
冻胀丘。冻胀丘底部的直径一般由几米到几十米,高1 到2 米,最高的可达10余米。
热融滑塌。这种现象最先发现于青海风火山。养路工人取土修路,使路边斜坡
下的地下冰层暴露,夏天冰层融化,上覆草皮和土层失去支撑而塌落下来,冰层融
水稀释了塌落的物质,并在重力作用下沿着斜坡缓缓下滑。这样地下冰层继续融化,
上边土层继续滑塌,并使新的冰层继续露出,几经反复,经过几个夏天,这种滑塌
就会到达坡顶。
热融洼地。这是与冻胀丘完全相反的过程,夏季地温升高使多年冻土区地下冰
局部融化,土体随之发生了沉陷,形成洼地,久而久之,可能形成大的湖塘。
石海。存在很多裂隙的岩石,其中的水分冻结膨胀迫使岩石破裂成很多小块,
或者因温度变化,组成岩石的矿物不均匀地热胀冷缩,造成岩石破裂。由此会产生
大量大小不等的棱角状岩块及岩屑,在地形平缓的条件下,大多数岩屑在原地残留
下来,形成碎石覆盖地面,俗称石海。
冻胀草丘。形成过程与冻胀丘相似,只是草根密集处地下水的聚集也较多,因
此冻涨效应最明显的就展现为拱起的草丘。
冰锥。地下水位较浅且较丰富的地段,冬季自地表而下快速冻结,使下层地下
水压力增大,冲破上覆土层溢出地表,溢水边流边冻,并沿原地下水流路延伸,这
样就形成了锥形的冰体。冰锥的形状、大小变化很大,有的直径仅有2 至3 米,有
的可以延伸几十米乃至数百米。
冻拔。冬天,当土冻结时,嵌在土中的石块随着土的冻胀而上升,石块升高后
下面的空隙为土所填充,次年融化季节到来时,土向下融沉,而石块却没有了下沉
空间。年复一年,石块就会逐渐拔高以至脱离地表倾倒。此种现象常会对桥桩产生
危害。
热融冲沟。初夏冻土层中的地下冰融化成水,因下层冻土尚未融化,水无法下
渗,侧向流动,使地表出现短而深的沟壑。也有的情况可能是斜坡上已经存在了降
水作用形成的冲沟,冻土融陷时逐渐将土壤带走形成大的冲沟。
石环。石块和土的导热性能不同,冻结速度也各不一样。碎石导热率大,会先
冻结,水就会向石块附近迁移并在其附近形成冰,水结冰后体积膨胀,使碎石产生
移动,被排挤到周边,呈多边形或近圆形,好像有人有意识地将石头围成圈。石环
常见于离河滩不远的平地或河流出山口。
斑土。形成机制和过程与石环十分近似,地表呈现出岩块、岩屑遍布,泥土呈
斑状嵌在碎石之间,格外引人注目。
青藏高原纷繁芜杂的冻土环境,成为制约青藏铁路建设的瓶颈。1956年至1961
年,青藏铁路“上马”又“下马”。当年的青藏铁路设计总工程师庄心丹认为:青
藏铁路格拉段的“下马”并非就是坏事一桩。他说,当时我们对在高原多年冻土地
区修建铁路的困难程度重视不够,可以说连一点基础知识都没有,唯一的依靠是苏
联专家带来的西伯利亚铁路的冻土资料。其实,西伯利亚铁路的冻土只与我国黑龙
江省的冻土相似,与青藏铁路的冻土有很大不同。如果当年真的照搬苏联的冻土技
术去修青藏铁路,可以肯定地说,即使勉强建成,也难以保证运输畅通。
1974年初,青藏铁路再次上马,但在建设过程中遇到一系列复杂的冻土问题。
1977年11月28日,铁道兵党委、铁道部党组向国务院、中央军委呈送了“关于缓建
青藏铁路格尔木至拉萨、修建昆明至拉萨铁路的请示报告”。这份报告指出:我们
缺乏在多年冻土上筑路的经验,科学技术上不少问题尚未解决,修通后正式运营也
会有许多困难。1978年8 月,青藏铁路又被叫停。
由于冻土挡道,在1981年至1994年的13年间,各方面人士在进藏铁路线路方案
上争论不休。冻土问题不解决,青藏铁路就只能是停留在人们心中的一个永远的梦。
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