科技日?qǐng)?bào)記者 矯陽(yáng)

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(zhǎng)635公里、設(shè)計(jì)時(shí)速80公里的高速公路，多年凍土區(qū)路段達(dá)227公里。運(yùn)營(yíng)5年，青海省交通運(yùn)輸廳評(píng)價(jià)：“首次將多年凍土地區(qū)道路工程病害率控制在國(guó)際1/5以下”。

多年凍土，是青藏高原建設(shè)高速公路面臨的最大技術(shù)難題。與鐵路道砟散熱相比，凍土公路為全斷面吸熱。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)表明，高速公路寬厚瀝青路面吸儲(chǔ)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(qū)域面積達(dá)150萬(wàn)平方公里。

要想在青藏高原建設(shè)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(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”項(xiàng)目，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

把“寬厚黑熱毯”與凍土隔離開

穿越青藏高原150萬(wàn)平方公里高海拔多年凍土，實(shí)現(xiàn)西藏與祖國(guó)內(nèi)地高速公路直通，對(duì)“一帶一路”南亞大通道建設(shè)、“交通強(qiáng)國(guó)”及穩(wěn)邊固疆有著重要的意義。

“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(qiáng)熱邊界對(duì)凍土的‘寬厚黑熱毯’作用，大斷面橋隧對(duì)凍土的強(qiáng)熱擾動(dòng)，工程災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)是普通公路的3倍以上。”項(xiàng)目第一完成人、全國(guó)工程勘察設(shè)計(jì)大師、高寒道路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、高原凍土國(guó)家野外站負(fù)責(zé)人汪雙杰說(shuō)，青藏高原高海拔多年凍土溫度高、熱敏感性強(qiáng)、升溫退化劇烈，凍土融沉及惡劣環(huán)境導(dǎo)致沉陷、失穩(wěn)、開裂等工程病災(zāi)害，呈現(xiàn)隱蔽性、長(zhǎng)期性、突發(fā)性。

在青藏高原建設(shè)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(gòu)筑物融沉防控、高原大溫差厚層瀝青路面建養(yǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，這在全國(guó)乃至世界都沒(méi)有技術(shù)先列，是世界性技術(shù)難題。

“已有青藏二級(jí)公路及鐵路，采用的被動(dòng)保護(hù)與主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)，在高速公路直接應(yīng)用面臨失效的風(fēng)險(xiǎn)?！表?xiàng)目完成人之一、中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱中交一公院）副總工程師、高寒道路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任陳建兵說(shuō)，傳統(tǒng)保溫和冷卻技術(shù)的作用范圍與強(qiáng)度，難以控制大尺度高速公路強(qiáng)熱邊界下的均勻?qū)Ю浜蛢鐾恋鼗w升溫。

如何把寬幅路基對(duì)凍土的擾動(dòng)、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(guó)家先后投資1.5億元，設(shè)立14項(xiàng)課題，13家單位歷時(shí)12年聯(lián)合攻關(guān)，自主創(chuàng)新研究高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)。

換氣、遮蓋、傳導(dǎo)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?yīng)理論證實(shí)，普通公路病害整治技術(shù)已無(wú)法滿足大尺度高速公路工程結(jié)構(gòu)50年設(shè)計(jì)要求?！标惤ūf(shuō)，高速公路全線穿越凍土區(qū)占路線總長(zhǎng)的36%；橋梁和隧道（單幅）長(zhǎng)39.2公里，占路線總長(zhǎng)的11%，鄂拉山隧道和姜路嶺隧道是我國(guó)首次設(shè)計(jì)建設(shè)的多年凍土區(qū)公路隧道。

中交一公院寒區(qū)中心副主任劉戈介紹說(shuō)，凍土路基橫斷面吸熱是造成多年凍土能量失衡、引發(fā)融沉的主因。二級(jí)公路因窄幅路面及邊坡吸熱在多年凍土層發(fā)育“融化盤”；鐵路因道砟散熱及邊坡吸熱在路基內(nèi)發(fā)育“融化夾層”。而高速公路則因路基、路面結(jié)構(gòu)尺度的加大，引發(fā)規(guī)模遠(yuǎn)大于前兩者的“融沉盆地”。

共玉高速沿線大量分布全球獨(dú)特的極不穩(wěn)定高溫多年凍土，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜。沿線因多年凍土復(fù)雜，高溫高含冰量路段占比大，熱穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，致使在其基礎(chǔ)上建設(shè)道路結(jié)構(gòu)尺度3—5倍于一般等級(jí)公路和鐵路時(shí)面臨著極大的凍土熱融風(fēng)險(xiǎn)。

如何避免建設(shè)引發(fā)的凍土消融？

汪雙杰介紹，中交一公院采用“導(dǎo)冷”——熱棒路基，“阻熱”——黑色防護(hù)網(wǎng)遮蓋工藝、XPS隔熱板路基，“調(diào)溫”——通風(fēng)管路基、片(塊)石路基等技術(shù)手段，攻克工程作用下凍土消融這一世界性技術(shù)難題。

“項(xiàng)目建立的大尺度路基融沉防控能量平衡設(shè)計(jì)理論與方法，國(guó)際凍土工程專家認(rèn)為是重大創(chuàng)新成果，只要措施得當(dāng)、質(zhì)量控制到位，完全能夠?qū)崿F(xiàn)凍土融沉由國(guó)際100厘米以上降至20厘米以下?！标惤ūf(shuō)，為有效平衡高速公路的“熱毯作用”，項(xiàng)目還發(fā)明了冷量智能調(diào)控的彌散式通風(fēng)路基等4類12種熱能量導(dǎo)、阻、調(diào)路基結(jié)構(gòu)。

項(xiàng)目創(chuàng)建了我國(guó)獨(dú)有的高海拔多年凍土公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)與施工方法自主創(chuàng)新，占領(lǐng)凍土高速公路建設(shè)技術(shù)國(guó)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(xiàng)目成果獲國(guó)際凍土協(xié)會(huì)高度評(píng)價(jià)，其2017年度報(bào)告指出“共玉高速公路成功建設(shè)，樹立了國(guó)際凍土工程新的里程碑”。

取得經(jīng)濟(jì)效益累計(jì)189.69億元

2011年5月，國(guó)務(wù)院提出構(gòu)建“一縱一橫兩聯(lián)”“生命線”公路通道，共玉高速公路開工建設(shè)，歷時(shí)6年建成通車，從西寧至玉樹通行時(shí)間從原來(lái)的16小時(shí)縮短至8小時(shí)。

共玉高速為國(guó)家高速G0613西寧至麗江公路在青海境內(nèi)的重要路段，是一條集歷史、地理、人文、生態(tài)為一體的絕美風(fēng)景線，更是青藏高原多年凍土區(qū)建設(shè)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(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”項(xiàng)目成果在這條“三高”公路建設(shè)中發(fā)揮重要作用。此外，項(xiàng)目成果還應(yīng)用于青藏高原多個(gè)高速公路建設(shè)、公路養(yǎng)護(hù)維修。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，取得經(jīng)濟(jì)效益累計(jì)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(jìn)藏路線中最繁忙的公路。全長(zhǎng)1937千米，為國(guó)家二級(jí)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(shí)，全線平均海拔在4000米以上。

此前，由于凍土引發(fā)的病害，青藏公路5—10年需要大修一次。

應(yīng)用“青藏高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”成果維修養(yǎng)護(hù)后，2008年至今無(wú)大修,節(jié)約投資10億元。

“如今，行車速度提高近一倍，車輛周轉(zhuǎn)期縮短50%，減少燃油消耗10%以上，每年可節(jié)約燃油、車輛保修、大修及縮短車輛周轉(zhuǎn)時(shí)間等費(fèi)用達(dá)19170萬(wàn)元左右，并減少了事故的產(chǎn)生。”劉戈說(shuō)。花大高速公路起于果洛藏族自治州瑪多縣花石峽，終點(diǎn)在該州大武鎮(zhèn)。為減少對(duì)高原多年凍土的侵?jǐn)_，花大公路架設(shè)“金隧銀橋”避讓阿尼瑪卿生態(tài)脆弱區(qū)。位于青海果洛藏族自治州瑪沁縣的雪山一號(hào)隧道，雙洞總長(zhǎng)9065米，平均海拔超過(guò)4400米，施工最高海拔達(dá)4800多米，是目前世界上海拔最高的高速公路隧道。

雪山一號(hào)隧道穿越大面積的季節(jié)性凍土層和永久凍土層，屬于冰川融化后石塊和泥土的堆積物。建設(shè)采用“青藏高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”相關(guān)技術(shù)，保持了凍土的穩(wěn)定，阻止了山體隨氣溫變化而融化或塌陷?！安捎盟淼廊龑右r砌結(jié)構(gòu)，取消系統(tǒng)錨桿，節(jié)省工程投入約 176.4萬(wàn)元；減少防寒泄水洞設(shè)置約695米，節(jié)省工程投入約868.8萬(wàn)元?！?/p>

目前，這項(xiàng)成果正應(yīng)用于青藏高速公路規(guī)劃設(shè)計(jì)、東西部多年凍土公路升級(jí)改造，以及中巴喀喇昆侖公路建設(shè)。

關(guān)鍵詞： 青藏高原 凍土 難題