俄羅斯貝阿鐵路多年凍土工程技術(shù)綜述

錢征宇

（中國國家鐵路集團有限公司 科技和信息化部，北京 100844）

俄羅斯是世界上多年凍土分布最廣的國家，也是最早在多年凍土區(qū)修建鐵路和開展城市建設(shè)的國家，在多年凍土區(qū)修建鐵路已有近百年歷史［1-4］。為解決青藏鐵路多年凍土工程技術(shù)難題，建設(shè)世界一流高原凍土鐵路，必須充分借鑒國內(nèi)外高原凍土的研究成果和實踐經(jīng)驗［5-6］。對國內(nèi)外既有凍土工程技術(shù)研究成果進行系統(tǒng)梳理和分析，尤其對俄羅斯多年凍土工程技術(shù)的分析，為解決青藏鐵路多年凍土工程難題提供了有益的參考和借鑒。

1 俄羅斯多年凍土鐵路概況

為解決多年凍土對鐵路建設(shè)和運營的危害，俄羅斯首先開創(chuàng)了多年凍土學(xué)，并逐步發(fā)展形成為一門新的學(xué)科［7-8］。騰達凍土研究站成立于1927年，該研究站長期對西伯利亞鐵路、貝阿鐵路多年凍土工程開展現(xiàn)場觀測研究，在多年凍土鐵路設(shè)計、施工和運營等研究方面積累了豐富的資料和實踐經(jīng)驗。由于多年凍土工程的復(fù)雜性，俄羅斯既有多年凍土鐵路病害仍相當嚴重，線路行車速度普遍較低。

1.1 西伯利亞鐵路

始建于1891年的西伯利亞鐵路東西橫貫亞歐大陸，自莫斯科經(jīng)車里雅賓斯克、鄂木斯克、伊爾庫茨克到達符拉迪沃斯托克，全長9 288 km，是世界鐵路建設(shè)史上規(guī)模最大的鐵路工程，也是首條通過多年凍土區(qū)的鐵路。西伯利亞鐵路全線于1916年建成通車，該鐵路在后貝加爾和阿穆爾地區(qū)有約2 200 km線路通過多年凍土區(qū)，沿線氣候惡劣、人煙稀少，工程建設(shè)困難極大。

20世紀初，關(guān)于多年凍土的理論還處于萌芽階段，對多年凍土的工程性質(zhì)和發(fā)育規(guī)律認識極為膚淺，在鐵路工程設(shè)計和施工中還未認識到其特殊性。在鐵路建設(shè)過程中，多年凍土危害逐步顯現(xiàn)，其路基普遍產(chǎn)生下沉、凍脹，給排水管道和房屋遭到破壞，很多建筑因地基塌陷而廢棄［9］。多年凍土病害致使鐵路線路長期限速25 km/h，斷道停運事故經(jīng)常發(fā)生，給鐵路正常運行帶來極大困難。西伯利亞鐵路的建設(shè)和運營為多年凍土工程技術(shù)研究提供了現(xiàn)實需要，為掌握沿線多年凍土工程特性和分布規(guī)律，西伯利亞鐵路建設(shè)局于1895年發(fā)布了第1部《西伯利亞凍土研究指南》，在沿線建立了多個凍土定位觀測站，開始積累凍土觀測資料，為工程凍土學(xué)發(fā)展作出了巨大貢獻。西伯利亞鐵路雖運營百余年，多年凍土病害仍未得到根本治理，因凍土熱融下沉造成的線路限速常有發(fā)生，行車速度仍限速80 km/h。

1.2 貝阿鐵路

貝阿鐵路是俄羅斯第2條橫跨西伯利亞的鐵路干線，全長4 324 km。貝阿鐵路中段烏斯季庫特—共青城全長3 145 km，位于既有西伯利亞鐵路以北200～500 km，其中通過多年凍土地段約2 500 km，1974年開始分段開工建設(shè)。

貝阿鐵路沿線主要為西伯利亞荒無人煙的原始森林，物資匱乏、交通不便，每年凍結(jié)期長達9個月，冬季最低氣溫達-60℃，自然環(huán)境和地質(zhì)條件極為復(fù)雜。為查清沿線多年凍土工程地質(zhì)條件，蘇聯(lián)舉全國之力組織多支工程地質(zhì)專業(yè)隊伍對多年凍土區(qū)進行了大規(guī)模的勘察調(diào)查，在極為艱苦的條件下開展線路方案、工程地質(zhì)、多年凍土等方面的研究工作，確定了多年凍土區(qū)線路設(shè)計、施工技術(shù)方案。由于工程艱巨浩大，蘇聯(lián)政府將貝阿鐵路稱為“世紀工程”和“通向21世紀之路”。在建設(shè)中，由于北穆伊斯基隧道施工遭遇復(fù)雜的地層斷裂帶和高溫地下熱泉，建設(shè)進度大大滯后。為保證按期開通，臨時修建最大坡度40‰的便線維持行車。1984年，貝阿鐵路開始分段臨時運營；1990年，貝阿鐵路全線通車；2003年，貝阿鐵路北穆伊斯基隧道及配套設(shè)施竣工。

1.3 其他鐵路

俄羅斯在多年凍土區(qū)還修建了阿穆爾—雅庫茨克鐵路，該線路南起西伯利亞鐵路的斯科沃羅季諾站，在滕達與貝阿鐵路相接，北至雅庫特共和國首府雅庫茨克附近的下別斯佳赫站，全長1 239 km，全部在多年凍土區(qū)通過。此外，伯朝拉—沃爾庫塔鐵路、蘇爾古特—烏連戈伊—納德姆鐵路的北部也在多年凍土區(qū)通過。

2 多年凍土工程技術(shù)

2.1 項目特點

貝阿鐵路采用俄羅斯一級干線鐵路標準，軌距1 520 mm，最小曲線半徑400 m，特殊情況下允許最小曲線半徑250 m，線路計算坡度9‰，越嶺地段最大坡度18‰。由于沿線小半徑曲線多、軸重大，采用熱處理65 kg/m鋼軌，碎石道床和當?shù)禺a(chǎn)油浸木枕，直線地段鋪設(shè)木枕1 840根/km，曲線半徑1 200 m以下地段鋪設(shè)木枕2 000根/km。

貝阿鐵路以路基工程為主，路基長度占線路總長90%以上。全線修建大小橋梁3 000余座。其中，大橋150座，最長的阿穆爾河大橋長度1.45 km，勒拿河大橋和結(jié)雅水庫大橋長度也超過1 km。為降低工程造價、減少施工難度，在鐵路建設(shè)中很少采用隧道，通常以傳統(tǒng)的大坡道展線方案跨越山嶺。貝阿鐵路全線僅修建隧道8座，總延長約30 km，不足線路總長的1%。其中，最長的北穆伊斯基隧道長15.3 km，是前蘇聯(lián)最長的鐵路隧道。

2.2 設(shè)計原則

多年凍土是一種對溫度極為敏感且性質(zhì)不穩(wěn)定的土體，其物理力學(xué)特性與溫度及含冰量密切相關(guān)［10］。修筑于多年凍土地基的建筑物在施工和使用過程中不可避免地受周邊熱環(huán)境影響，使多年凍土狀態(tài)發(fā)生變化［11］。在貝阿鐵路多年凍土工程的設(shè)計原則中，分別考慮了地基多年凍土始終凍結(jié)和允許地基多年凍土融化2種狀態(tài)。

2.2.1 地基多年凍土始終凍結(jié)

對于年平均地溫Tcp＜-1.0℃的高含冰量多年凍土地段，地基融化后將產(chǎn)生較大的融沉變形，應(yīng)按保護多年凍土原則進行設(shè)計。通過采取適當工程措施，使建筑物在使用年限內(nèi)，保證地基在施工和運營期間都保持凍結(jié)狀態(tài)。在保證地基多年凍土始終凍結(jié)的條件下，貝阿鐵路主要采取了以下工程措施：

（1）合理設(shè)計路基高度。理論研究和工程實踐表明，在一定的氣候條件下，多年凍土區(qū)路基達到適當?shù)奶钪叨群螅坊钔猎黾拥臒嶙杩梢愿纳苹椎臒釥顟B(tài)，保持多年凍土上限的基本穩(wěn)定。通常將此填土高度稱為多年凍土路基的臨界高度，在路基臨界高度的基礎(chǔ)上綜合考慮地表條件、氣溫波動等因素影響，以確定多年凍土路基的合理設(shè)計高度。當路基填筑高度設(shè)計在合理高度范圍內(nèi)即能夠保護基底多年凍土的凍結(jié)狀態(tài)，貝阿鐵路研究確定的路基合理高度范圍是1.5～4.0 m，采用合理路基高度是貝阿鐵路保護凍土的主要措施。

（2）隔熱保溫。為減少地表熱量向地基傳遞，或路基設(shè)計高度達不到最小設(shè)計高度時，可采用聚苯乙烯（EPS）、聚氨脂（PU）和擠壓聚苯乙烯（XPS）等隔熱保溫材料，起到當量路基填土高度同樣的保溫效果，以減少向地基傳遞熱量保護多年凍土，貝阿鐵路在高含冰量凍土地段設(shè)計采取鋪設(shè)隔熱保溫材料保護基底凍土。

（3）護道保溫。貝阿鐵路普遍采用在路基兩側(cè)設(shè)置土質(zhì)保溫護道保護多年凍土的工程措施，護道設(shè)計高度不小于1 m，寬度3～4 m。貝阿鐵路通車后的運營實踐表明，土質(zhì)保溫護道具有一定的應(yīng)用條件，在平均氣溫較高、降雪量較大的地段土質(zhì)保溫護道沒有起到保護凍土、減少變形的效果。

2.2.2 允許地基多年凍土融化

對于年平均地溫Tcp＞-0.5℃的高溫多年凍土或島狀多年凍土地段，地溫高、厚度小，在氣溫變化和人為活動影響下，處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，應(yīng)按在施工和運營期間允許地基多年凍土融化的原則進行設(shè)計。即根據(jù)地基計算變形量，通過采取減小地基融化變形或在結(jié)構(gòu)上適應(yīng)地基變形的措施，使建筑物在使用年限內(nèi)地基變形速率和總變形量控制在允許范圍。在允許地基多年凍土融化的條件下，貝阿鐵路主要采取了以下工程措施：

（1）路基加寬預(yù)留沉落措施。設(shè)計時考慮地基凍土融化下沉影響，為保證路基竣工后路肩寬度和沉降控制要求，提前對路基面加寬并預(yù)留沉落量，并通過維修不斷填充道砟彌補路基的下沉變形。由于路基持續(xù)下沉，必須不斷補充道砟抬高線路，造成路肩寬度明顯不足，維修養(yǎng)護工作量增加。

（2）基底開挖換填措施。當多年凍土埋深較淺時，可在全部或部分清除凍土后換填粗粒土，并在地表采取防排水措施，換填厚度可通過變形計算進行確定。

（3）建筑場地合理選址。建筑場地盡可能選擇在少冰、多冰凍土區(qū)域，該類型區(qū)域含冰量小，融化產(chǎn)生的沉降相對較小，可按季節(jié)凍土場地處理。

應(yīng)用實踐表明，允許地基多年凍土融化的設(shè)計原則必須充分考慮地基多年凍土的工程特性。由于勘察設(shè)計對多年凍土的沉降變形認識不足，貝阿鐵路采取的工程措施未達到預(yù)期效果，對凍土工程的安全可靠性造成嚴重后果。

3 貝阿鐵路路基病害整治

3.1 病害狀況

貝阿鐵路自1984年起開始分段運營，此后凍土病害逐年加重。1984年交付運營時，共有738處路基發(fā)生變形，累計長度224 km，占運營線路長度的15%；1990年全線交付運營時，共有超過3 700處路基發(fā)生變形，累計長度達1 158 km，占運營線路長度的27.5%。每年5—7月春融期間，凍土路基病害非常明顯（見圖1）。特別在橋路過渡段沉降變形最嚴重（見圖2），年均沉陷量0.2～0.5 m，最大累計沉陷1.5～2.2 m，騰達凍土研究站附近一座鋼橋因差異沉降過大而廢棄。1990—1993年，貝阿鐵路全線限速區(qū)段從305處增至478處，列車長期按15～40 km/h限速運行，最高行車速度僅70 km/h。為防止線路狀態(tài)繼續(xù)惡化，全線運營后即開始實施凍土病害整治補強工程。

圖1 路基變形

圖2 橋路過渡段沉降變形

此外，西伯利亞鐵路后貝加爾段線路以25 km/h速度運行近50年，很多區(qū)段至今限速50 km/h。通車運營近100年后，凍土病害仍不斷發(fā)生，證明多年凍土病害的長期性和嚴重性。

3.2 病害成因

貝阿鐵路路基病害產(chǎn)生的主要原因如下：

（1）凍土危害性認識不足，設(shè)計方案不適應(yīng)復(fù)雜的凍土條件。在貝阿鐵路高溫、高含冰量凍土地段，路基采用允許多年凍土融化的設(shè)計原則，運營期路基下沉主要通過補充道砟維持，由于設(shè)計資料與實際地質(zhì)條件存在較大差異，高含冰量凍土地段的實際沉降遠大于設(shè)計估算沉降，路基變形持續(xù)加劇，僅補充道砟無法適應(yīng)線路變形，病害持續(xù)發(fā)展加重。

（2）凍土工程技術(shù)措施單一，未達到預(yù)期設(shè)計效果。①中俄凍土技術(shù)交流認為，多年凍土區(qū)路基臨界高度并不普遍存在，合理路基高度措施僅適用于低溫基本穩(wěn)定區(qū)和低溫穩(wěn)定區(qū)，合理路基高度措施存在局限性。由于凍土地溫較高，對溫度變化更敏感，在高溫不穩(wěn)定區(qū)采用合理路基高度的單一措施不能保證地基始終處于凍結(jié)狀態(tài)，對線路安全穩(wěn)定帶來長期影響。②土護道保溫措施與合理路基高度措施存在類似問題，只有護道表面年平均溫度低于多年凍土自然狀態(tài)溫度時，即年平均氣溫較低的地區(qū)，設(shè)置土質(zhì)護道才能起到降低基底多年凍土地溫的作用。受貝阿鐵路沿線地表積雪影響，在整個冬季都形成較厚的穩(wěn)定雪蓋層，不利于地基在冬季冷卻散熱。另外，護道增大了暖季受熱面，加劇了對地基的熱影響，細粒土保溫護道未發(fā)揮降低地溫保護凍土的效果。

（3）防排水措施薄弱，地表水和地下水侵蝕危害大。多年觀測表明，無論自然條件下多年凍土地溫狀態(tài)如何，路基基底受地表水滲入或地下水滲流影響的地段都會出現(xiàn)嚴重的沉陷變形，路基的嚴重塌陷也主要發(fā)生在地表水或地下水滲流的地段。貝阿鐵路在設(shè)計時認為路基附近修建排水溝可能對基底凍土產(chǎn)生熱融，普遍將排水溝修建于坡腳外20～50 m，造成路基坡腳與排水溝間的積水難以排除，坡腳積水是造成多年凍土病害的主要原因，加強線路地表水和地下水的截排是防止多年凍土路基融化變形的首要措施。

（4）未考慮氣候變暖等環(huán)境變化影響并采取預(yù)防性工程措施。俄羅斯近北極地區(qū)是全球溫度升高最嚴重地區(qū)，近20年沿線平均溫度升高1.5～2.0℃，對多年凍土路基穩(wěn)定帶來嚴重影響。貝阿鐵路建設(shè)未考慮運營后植被破壞、森林砍伐、河流改道對多年凍土的影響，破壞地表植被改變多年凍土的熱交換條件，引起多年凍土上限下降和融化，造成路基融化變形。

3.3 病害整治

多年凍土病害具有發(fā)生率高、危害時間長、治理難度大等特點，為完善凍土鐵路設(shè)計和整治既有凍土病害的需要，俄羅斯鐵路科研、設(shè)計和運營部門對凍土工程技術(shù)開展了持續(xù)的試驗研究：

（1）修改完善多年凍土設(shè)計規(guī)范。針對貝阿鐵路多年凍土工程建設(shè)和運營暴露的問題，騰達凍土研究站負責(zé)對原凍土設(shè)計規(guī)范進行了修訂，新規(guī)范修訂重點為：一是更加強調(diào)保護多年凍土的設(shè)計原則，尤其是高含冰量、大沉陷量地區(qū)的多年凍土；二是加強施工過程中對多年凍土的保護，包括地表植被、水文環(huán)境的保護；三是新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，包括聚苯乙烯（EPS）、聚氨脂（PU）等保溫材料的應(yīng)用，拋石護坡等新技術(shù)的應(yīng)用等。

（2）拋石護坡技術(shù)的研究應(yīng)用。俄羅斯專家對拋石護坡降溫作用的研究主要源于對古墓的考古挖掘。在對后貝加爾多年凍土南界附近非多年凍土區(qū)古墓挖掘發(fā)現(xiàn)，塊石填筑的古墓都處于凍結(jié)狀態(tài)，這些古墓修筑于2 000多年前，經(jīng)過2 000多年氣候變化仍保持凍結(jié)狀態(tài)。受此啟發(fā)，考慮采用塊石覆蓋路基保護多年凍土。在貝阿鐵路多年凍土地段開展了拋石護坡試驗，測試結(jié)果表明，采用拋石護坡的路基經(jīng)2個凍融循環(huán)后基底地溫下降0.7～1.0℃，多年凍土上限上升1.5 m，對降低基底地溫具有非常明顯的效果。拋石路基降低基底地溫的原理是塊石間的孔隙在寒季產(chǎn)生對流作用，冷空氣在塊石層內(nèi)的對流有利于地基散熱而降低凍土地溫，降溫效果與石塊的體積和性質(zhì)有關(guān)。

（3）熱虹吸管技術(shù)的研究應(yīng)用。利用熱虹吸管冷卻基底凍土，早期采用液體煤油作為工作介質(zhì)，目前傾向于采用氟里昂等氣液自動轉(zhuǎn)換物質(zhì)作為工作介質(zhì)。其基本原理為：當寒季大氣溫度低于凍土地溫時，利用管內(nèi)介質(zhì)的氣液兩相轉(zhuǎn)換，依靠冷凝器與蒸發(fā)器之間的溫差，使基底熱量通過對流循環(huán)傳導(dǎo)至大氣，達到冷卻地基效果。當大氣溫度高于凍土地溫，熱虹吸管自動停止工作，不會將大氣熱量帶入地基。貝阿鐵路設(shè)計采用直徑194 mm、地面冷卻器高度2～3 m、地下蒸發(fā)器埋深6 m的熱虹吸管。騰達凍土研究站專家認為，熱虹吸管適合應(yīng)用于橋涵，結(jié)合架空樁基應(yīng)用效果較好，由于熱虹吸管的影響半徑較小，應(yīng)用于路基需要的數(shù)量較大，經(jīng)濟上不合理。

（4）重視全球氣候變化的影響。根據(jù)騰達凍土研究站定位觀測資料，全球變暖的影響與地表環(huán)境變化的影響同樣重要，多年凍土路基的穩(wěn)定主要取決于氣候條件的變化?？紤]到鐵路運營的長期性，多年凍土工程設(shè)計必須考慮全球氣溫升高對凍土退化的影響，特別是高溫、高含冰量凍土地段，應(yīng)采取適當?shù)念A(yù)防性措施。

4 結(jié)束語

通過對俄羅斯多年凍土鐵路的現(xiàn)場考察和技術(shù)交流，進一步提高了對青藏鐵路多年凍土工程的認識。認真分析和吸取貝阿鐵路凍土病害的經(jīng)驗教訓(xùn)，結(jié)合青藏鐵路高原多年凍土特點，進一步研究優(yōu)化凍土工程措施，對完善青藏鐵路凍土工程技術(shù)發(fā)揮了重要作用。通過青藏鐵路多年凍土技術(shù)的研究實踐，確立了主動降溫、冷卻地基、保護凍土的設(shè)計思想，豐富了凍土設(shè)計理論，提升了高原凍土鐵路設(shè)計水平。路基工程主要采取主動降溫措施，對高溫極不穩(wěn)定區(qū)的高含冰量凍土地段及不良凍土現(xiàn)象較為發(fā)育的地段，采取以橋代路措施。開通運營以來，多年凍土工程經(jīng)受了運營和季節(jié)變化的考驗，工程質(zhì)量穩(wěn)定可靠，運行速度達100 km/h，實現(xiàn)了建設(shè)世界一流高原鐵路的目標。

青藏高原多年凍土條件非常復(fù)雜，特別是全球氣候變暖明顯加劇，對凍土工程影響日趨嚴重，仍有不少問題需要繼續(xù)探索和解決。為掌握多年凍土的動態(tài)變化，必須對多年凍土的變化進行長期監(jiān)測，對凍土的發(fā)展變化趨勢和工程穩(wěn)定進行預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取應(yīng)對措施。應(yīng)繼續(xù)加強高原凍土環(huán)境保護，盡可能減少人為活動、地表變化等對多年凍土的影響，特別是做好地表水和地下水滲流的防治，提高凍土工程的可靠性，確保青藏鐵路的安全暢通。

致 謝：通過現(xiàn)場考察西伯利亞鐵路和貝阿鐵路凍土工程，訪問東西伯利亞鐵路局、貝阿鐵路局和騰達凍土研究站，與俄羅斯凍土鐵路工程設(shè)計、維護和科研人員進行認真討論，并多次邀請俄羅斯專家來華開展凍土工程技術(shù)交流，查閱俄羅斯多年凍土鐵路內(nèi)部資料，系統(tǒng)總結(jié)后形成了貝阿鐵路多年凍土技術(shù)綜述內(nèi)容。在此感謝俄羅斯多年凍土鐵路研究專家和機構(gòu)提供的參考資料。