攻克凍土消融難題,在青藏高原修條“三高”公路

  2021年,全球首條多年凍土高速公路共(和)玉(樹)高速公路通車5年。這條全長635公里、設計時速80公里/小時的高速公路,多年凍土區路段達227公里。運營5年,青海省交通運輸廳評價:“首次將多年凍土地區道路工程病害率控制在國際1/5以下?!?/span>

  多年凍土,是青藏高原建設高速公路面臨的最大技術難題。與鐵路道砟散熱相比,凍土公路為全斷面吸熱。長期監測表明,高速公路寬厚瀝青路面吸儲熱更是倍增,占全斷面總吸熱90%以上。

  青藏高原,平均海拔4000米以上,這片被稱為“世界屋脊”的土地,高海拔多年凍土區域面積達150萬平方公里。

  要想在青藏高原建設高速公路,必須攻克多年凍土。不久前,“青藏高海拔多年凍土高速公路建養關鍵技術及工程應用”項目,獲國家科技進步二等獎。

  把“寬厚黑熱毯”與凍土隔離開

  “在青藏高原新建高速公路,將面臨寬幅路基、厚黑瀝青路面強熱邊界對凍土的‘寬厚黑熱毯’作用,大斷面橋隧對凍土的強熱擾動,工程災變風險是普通公路的3倍以上?!表椖康谝煌瓿扇?、全國工程勘察設計大師、高寒道路國家重點實驗室主任、高原凍土國家野外站負責人汪雙杰說,青藏高原高海拔多年凍土溫度高、熱敏感性強、升溫退化劇烈,凍土融沉及惡劣環境導致沉陷、失穩、開裂等工程病災害,呈現隱蔽性、長期性、突發性。

  在青藏高原建設高速公路,突破凍土高速公路融沉防控理論與方法,攻克大尺度工程構筑物融沉防控、高原大溫差厚層瀝青路面建養等關鍵技術,這在全國乃至世界都沒有技術先例,是世界性技術難題。

  “已有青藏二級公路及鐵路,采用的被動保護與主動冷卻結構,在高速公路直接應用面臨失效的風險?!表椖客瓿扇酥?、中交第一公路勘察設計研究院有限公司(以下簡稱中交一公院)副總工程師、高寒道路國家重點實驗室常務副主任陳建兵說,傳統保溫和冷卻技術的作用范圍與強度,難以控制大尺度高速公路強熱邊界下的均勻導冷和凍土地基整體升溫。

   如何把寬幅路基對凍土的擾動、厚黑瀝青路面加給凍土的熱量隔離開,不讓凍土吸熱?2008年起,國家先后投資1.5億元,設立14項課題,13家單位歷時12年聯合攻關,自主創新研究高海拔多年凍土高速公路建養關鍵技術。

   換氣、遮蓋、傳導攻克凍土消融

   2010年,青海省玉樹藏族自治州震后生命線——共玉高速公路緊急上馬?!俺叨刃碚撟C實,普通公路病害整治技術已無法滿足大尺度高速公路工程結構50年設計要求?!标惤ūf,高速公路全線穿越凍土區占路線總長的36%;橋梁和隧道(單幅)長39.2公里,占路線總長的11%,鄂拉山隧道和姜路嶺隧道是我國首次設計建設的多年凍土區公路隧道。

    中交一公院寒區中心副主任劉戈介紹說,凍土路基橫斷面吸熱是造成多年凍土能量失衡、引發融沉的主因。二級公路因窄幅路面及邊坡吸熱在多年凍土層發育“融化盤”;鐵路因道砟散熱及邊坡吸熱在路基內發育“融化夾層”。而高速公路則因路基、路面結構尺度的加大,引發規模遠大于前兩者的“融沉盆地”。

  共玉高速沿線大量分布全球獨特的極不穩定高溫多年凍土,工程地質和水文地質條件復雜。沿線因多年凍土復雜,高溫高含冰量路段占比大,熱穩定性差等特點,致使在其基礎上建設道路結構尺度3~5倍于一般等級公路和鐵路時面臨著極大的凍土熱融風險。

  如何避免建設引發的凍土消融?

  汪雙杰介紹,中交一公院采用“導冷”——熱棒路基,“阻熱”——黑色防護網遮蓋工藝、XPS隔熱板路基,“調溫”——通風管路基、片(塊)石路基等技術手段,攻克工程作用下凍土消融這一世界性技術難題。

  “項目建立的大尺度路基融沉防控能量平衡設計理論與方法,國際凍土工程專家認為是重大創新成果,只要措施得當、質量控制到位,完全能夠實現凍土融沉由國際100厘米以上降至20厘米以下?!标惤ūf,為有效平衡高速公路的“熱毯作用”,項目還發明了冷量智能調控的彌散式通風路基等4類12種熱能量導、阻、調路基結構。

  項目創建了我國獨有的高海拔多年凍土公路建設養護技術體系,實現關鍵技術與施工方法自主創新,占領凍土高速公路建設技術國際前沿,使凍土高速公路瀝青路面吸熱減少12%、裂縫減少30%,并在海拔4300米青藏高原成功鋪筑830公里瀝青路面。

  項目成果獲國際凍土協會高度評價,其2017年度報告指出“共玉高速公路成功建設,樹立了國際凍土工程新的里程碑”。

  取得經濟效益累計189.69億元

  2011年5月,共玉高速公路開工建設,歷時6年建成通車,從西寧至玉樹通行時間從原來的16小時縮短至8小時。

  共玉高速為國家高速G0613西寧至麗江公路在青海境內的重要路段,是一條集歷史、地理、人文、生態為一體的絕美風景線,更是青藏高原多年凍土區建設的首條高速公路,被稱為“三高”公路,即高海拔、高寒、高速。

  “青藏高海拔多年凍土高速公路建養關鍵技術及工程應用”項目成果在這條“三高”公路建設中發揮重要作用。此外,項目成果還應用于青藏高原多個高速公路建設、公路養護維修。據不完全統計,取得經濟效益累計189.69億元。

  東起青海省西寧市,西止西藏拉薩市的青藏公路,是5條進藏路線中最繁忙的公路。全長1937公里,為國家二級公路干線,路基寬10米,坡度小于7%,最小半徑125米,最大行車速度60公里/小時,全線平均海拔在4000米以上。

  此前,由于凍土引發的病害,青藏公路5~10年需要大修一次。

  應用“青藏高海拔多年凍土高速公路建養關鍵技術及工程應用”成果維修養護后,2008年至今無大修,節約投資10億元。

  “如今,行車速度提高近一倍,車輛周轉期縮短50%,減少燃油消耗10%以上,每年可節約燃油、車輛保修、大修及縮短車輛周轉時間等費用19170萬元左右,并減少了事故的產生?!眲⒏暾f?;ù蟾咚俟菲鹩诠宀刈遄灾沃莠敹嗫h花石峽,終點在該州大武鎮。為減少對高原多年凍土的侵擾,花大公路架設“金隧銀橋”避讓阿尼瑪卿生態脆弱區。位于青海果洛藏族自治州瑪沁縣的雪山一號隧道,雙洞總長9065米,平均海拔超過4400米,施工最高海拔達4800多米,是目前世界上海拔最高的高速公路隧道。

  雪山一號隧道穿越大面積的季節性凍土層和永久凍土層,其凍土層屬于冰川融化后石塊和泥土的堆積物。建設采用“青藏高海拔多年凍土高速公路建養關鍵技術及工程應用”相關技術,保持了凍土的穩定,阻止了山體隨氣溫變化而融化或塌陷?!绊椖坎捎盟淼廊龑右r砌結構,取消系統錨桿,節省工程投入約176.4萬元;減少防寒泄水洞設置約695米,節省工程投入約868.8萬元?!眲⒏暾f。

  目前,這項成果正應用于青藏高速公路規劃設計、東西部多年凍土公路的升級改造,以及中巴喀喇昆侖公路建設。

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