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攻克冻土消融难题 在青藏高原修条“三高”公路

来源:科技日报 时间:2022-01-06

2021年,全球首条多年冻土高速公路共(和)玉(树)高速公路通车5年。这条全长635公里、设计时速80公里/小时的高速公路,多年冻土区路段达227公里。运营5年,青海省交通运输厅评价:“首次将多年冻土地区道路工程病害率控制在国际1/5以下。”

多年冻土,是青藏高原建设高速公路面临的最大技术难题。与铁路道砟散热相比,冻土公路为全断面吸热。长期监测表明,高速公路宽厚沥青路面吸储热更是倍增,占全断面总吸热90%以上。

青藏高原,平均海拔4000米以上,这片被称为“世界屋脊”的土地,高海拔多年冻土区域面积达150万平方公里。

要想在青藏高原建设高速公路,必须攻克多年冻土。不久前,“青藏高海拔多年冻土高速公路建养关键技术及工程应用”项目,获国家科技进步二等奖。

把“宽厚黑热毯”与冻土隔离开

“在青藏高原新建高速公路,将面临宽幅路基、厚黑沥青路面强热边界对冻土的‘宽厚黑热毯’作用,大断面桥隧对冻土的强热扰动,工程灾变风险是普通公路的3倍以上。”项目第一完成人、全国工程勘察设计大师、高寒道路国家重点实验室主任、高原冻土国家野外站负责人汪双杰说,青藏高原高海拔多年冻土温度高、热敏感性强、升温退化剧烈,冻土融沉及恶劣环境导致沉陷、失稳、开裂等工程病灾害,呈现隐蔽性、长期性、突发性。

在青藏高原建设高速公路,突破冻土高速公路融沉防控理论与方法,攻克大尺度工程构筑物融沉防控、高原大温差厚层沥青路面建养等关键技术,这在全国乃至世界都没有技术先例,是世界性技术难题。

“已有青藏二级公路及铁路,采用的被动保护与主动冷却结构,在高速公路直接应用面临失效的风险。”项目完成人之一、中交第一公路勘察设计研究院有限公司(以下简称中交一公院)副总工程师、高寒道路国家重点实验室常务副主任陈建兵说,传统保温和冷却技术的作用范围与强度,难以控制大尺度高速公路强热边界下的均匀导冷和冻土地基整体升温。

如何把宽幅路基对冻土的扰动、厚黑沥青路面加给冻土的热量隔离开,不让冻土吸热?2008年起,国家先后投资1.5亿元,设立14项课题,13家单位历时12年联合攻关,自主创新研究高海拔多年冻土高速公路建养关键技术。

换气、遮盖、传导攻克冻土消融

2010年,青海省玉树藏族自治州震后生命线——共玉高速公路紧急上马。“尺度效应理论证实,普通公路病害整治技术已无法满足大尺度高速公路工程结构50年设计要求。”陈建兵说,高速公路全线穿越冻土区占路线总长的36%;桥梁和隧道(单幅)长39.2公里,占路线总长的11%,鄂拉山隧道和姜路岭隧道是我国首次设计建设的多年冻土区公路隧道。

中交一公院寒区中心副主任刘戈介绍说,冻土路基横断面吸热是造成多年冻土能量失衡、引发融沉的主因。二级公路因窄幅路面及边坡吸热在多年冻土层发育“融化盘”;铁路因道砟散热及边坡吸热在路基内发育“融化夹层”。而高速公路则因路基、路面结构尺度的加大,引发规模远大于前两者的“融沉盆地”。

共玉高速沿线大量分布全球独特的极不稳定高温多年冻土,工程地质和水文地质条件复杂。沿线因多年冻土复杂,高温高含冰量路段占比大,热稳定性差等特点,致使在其基础上建设道路结构尺度3~5倍于一般等级公路和铁路时面临着极大的冻土热融风险。

如何避免建设引发的冻土消融?

汪双杰介绍,中交一公院采用“导冷”——热棒路基,“阻热”——黑色防护网遮盖工艺、XPS隔热板路基,“调温”——通风管路基、片(块)石路基等技术手段,攻克工程作用下冻土消融这一世界性技术难题。

“项目建立的大尺度路基融沉防控能量平衡设计理论与方法,国际冻土工程专家认为是重大创新成果,只要措施得当、质量控制到位,完全能够实现冻土融沉由国际100厘米以上降至20厘米以下。”陈建兵说,为有效平衡高速公路的“热毯作用”,项目还发明了冷量智能调控的弥散式通风路基等4类12种热能量导、阻、调路基结构。

项目创建了我国独有的高海拔多年冻土公路建设养护技术体系,实现关键技术与施工方法自主创新,占领冻土高速公路建设技术国际前沿,使冻土高速公路沥青路面吸热减少12%、裂缝减少30%,并在海拔4300米青藏高原成功铺筑830公里沥青路面。

项目成果获国际冻土协会高度评价,其2017年度报告指出“共玉高速公路成功建设,树立了国际冻土工程新的里程碑”。

取得经济效益累计189.69亿元

2011年5月,共玉高速公路开工建设,历时6年建成通车,从西宁至玉树通行时间从原来的16小时缩短至8小时。

共玉高速为国家高速G0613西宁至丽江公路在青海境内的重要路段,是一条集历史、地理、人文、生态为一体的绝美风景线,更是青藏高原多年冻土区建设的首条高速公路,被称为“三高”公路,即高海拔、高寒、高速。

“青藏高海拔多年冻土高速公路建养关键技术及工程应用”项目成果在这条“三高”公路建设中发挥重要作用。此外,项目成果还应用于青藏高原多个高速公路建设、公路养护维修。据不完全统计,取得经济效益累计189.69亿元。

东起青海省西宁市,西止西藏拉萨市的青藏公路,是5条进藏路线中最繁忙的公路。全长1937公里,为国家二级公路干线,路基宽10米,坡度小于7%,最小半径125米,最大行车速度60公里/小时,全线平均海拔在4000米以上。

此前,由于冻土引发的病害,青藏公路5~10年需要大修一次。

应用“青藏高海拔多年冻土高速公路建养关键技术及工程应用”成果维修养护后,2008年至今无大修,节约投资10亿元。

“如今,行车速度提高近一倍,车辆周转期缩短50%,减少燃油消耗10%以上,每年可节约燃油、车辆保修、大修及缩短车辆周转时间等费用19170万元左右,并减少了事故的产生。”刘戈说。花大高速公路起于果洛藏族自治州玛多县花石峡,终点在该州大武镇。为减少对高原多年冻土的侵扰,花大公路架设“金隧银桥”避让阿尼玛卿生态脆弱区。位于青海果洛藏族自治州玛沁县的雪山一号隧道,双洞总长9065米,平均海拔超过4400米,施工最高海拔达4800多米,是目前世界上海拔最高的高速公路隧道。

雪山一号隧道穿越大面积的季节性冻土层和永久冻土层,其冻土层属于冰川融化后石块和泥土的堆积物。建设采用“青藏高海拔多年冻土高速公路建养关键技术及工程应用”相关技术,保持了冻土的稳定,阻止了山体随气温变化而融化或塌陷。“项目采用隧道三层衬砌结构,取消系统锚杆,节省工程投入约176.4万元;减少防寒泄水洞设置约695米,节省工程投入约868.8万元。”刘戈说。

目前,这项成果正应用于青藏高速公路规划设计、东西部多年冻土公路的升级改造,以及中巴喀喇昆仑公路建设。


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