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科学世界:青藏铁路攻克三大世界性难题
2006年7月4日 16:23  来源:科学世界

    2005年10月15日,世界上海拔最高、线路最长、穿越冻土里程最长的高原铁路—青藏铁路(格尔木—拉萨段)正线全线完成铺轨,这是人类铁路建设史上前所未有的壮举。这标志着,在号称“地球第三极”的青藏高原上,我国研究人员成功攻克了多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱三大世界性科技难题。


    建设青藏铁路,促进西部大开发,是促进我国国民经济可持续发展的重要战略举措。青藏铁路起自青海省西宁市,终抵西藏自治区首府拉萨市,全长1956千米。其中西宁至格尔木段长814千米,已于1979年铺通,1984年投入运营。正在建设的是青藏铁路二期工程,格尔木至拉萨段,全长1142千米,总投资330亿元人民币,环保投资超过12亿元。这条铁路在海拔4000米以上的路段有960千米,建在常年冻土层上的路段有547千米,是世界上海拔最高、线路最长、穿越冻土里程最长的高原铁路。格拉段北起青海省西部柴达木盆地内的新兴工业城市格尔木,经南山口、玉珠峰、不冻泉、五道梁、沱沱河、雁石坪,翻越唐古拉山,再经西藏自治区安多、那曲、当雄、羊八井、马乡、拉萨西,最终到达西藏自治区首府拉萨市。

    2005年10月15日,青藏铁路格尔木至拉萨段正线全线完成铺轨,共计架设桥梁280余座,7000多孔,除传统的跨江河桥和跨公路桥外,青藏铁路还增加了环保、冻土通道、野生动物通道及穿越湿地沼泽等各种功用不同的桥梁,总延长近160千米。全线32项重点工程已基本完成。开工累计完成路基土石方8000余万立方米,大小隧道7座,总长约10千米,涵洞完成3.8万横延米。

    2006年将完成车站建设,站后设施配套及通信信号等设备安装并试运行,2007年7月1日全线建成通车。届时,乘坐火车从首都北京到拉萨的4050千米,仅需要50小时左右。而格尔木—拉萨段,可以实现朝发夕至,青藏铁路设计运送能力为每天8对(开行6对)客车,将开通11个有人值守车站(拉萨、拉萨西、马乡、羊八井、当雄、那曲、安多、沱沱河、不冻泉、南山口、格尔木),办理客货运输业务,近期年客运量100万人左右,货运量为500万吨左右。

    据悉,青藏铁路延伸线已经在规划之中,青藏铁路延伸线基本呈Y字型走向,计划由拉萨向西延伸到日喀则约300多千米,向东延伸到林芝约400千米,总长约700千米。今后再向南延伸到亚东,整条延伸线将长达1200千米左右,总投资数百亿元。

    雪域高原架彩虹,世界屋脊变通途。广大中外旅客乘坐舒适安全的“文成公主号”豪华旅游列车,饱览青藏高原那奇特神秘的雪域风光,已经指日可待了。

    面临的世界性三大难题

    青藏高原位于东经74°~103°,北纬27°~37°,属于北半球热带、温带气候过渡带。年平均气温为-3~5℃,年降水量为260~470毫米。它是世界上面积最大、海拔最高的高原,西起帕米尔高原,东到川西、滇北的横断山脉;北起昆仑山,南到喜马拉雅山,总面积超过200万平方千米,平均海拔在4000米以上,世界上海拔8000米以上的雪峰几乎全部集中于青藏高原。

    青藏高原除位于喜马拉雅山、横断山南麓及河谷等极少数地区属于亚热带气候外,绝大部分区域属高海拔、空气稀薄、气压低、气候寒冷的高寒气候。

    青藏高原分布有广袤的高原冻土区、高寒草甸区、高寒荒漠区及高原沼泽湿地等典型的高寒自然生态系统。该区域冰川、雪峰、草原、湿地较为发育,尤其是位于青藏高原北部的藏北高原内陆水系,河流、湖泊众多,高原植被良好,是著名的高原草原。

    青藏高原绝大部分区域属高海拔、空气稀薄、气压低、气候寒冷的高寒气候。青藏高原面积辽阔,有发育良好的冻土区、冰川、雪山、沼泽和湿地。青藏高原的高寒生态系统对气候有巨大的调节功能,对东亚、东南亚、南亚等世界上人口最密集的地区的十几亿人民的繁衍生息与发展,有着不可低估的作用。正是在发源于雪域高原的黄河、长江、澜沧江(湄公河)、怒江(萨尔温江)、雅鲁藏布江(恒河)、印度河等母亲河的哺育下,造就了两个最悠久的人类文明史的发祥地—中国和印度。

    在青藏高原上建设铁路,面临多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱“三大难题”的严峻挑战,工程极为艰巨。铁道部孙永福副部长介绍了青藏铁路参建人员在4年多的深入研究探索中,运用多种措施攻克了“三大难题”,顺利地在世界屋脊铺设了一条高原铁路的成功经验。青藏铁路的建成创造了多个世界之最。但我们也必须保持清醒头脑,不可掉以轻心,需要建立长期的监测系统,毕竟这一历史性的标志工程,今后还要经过严酷的大自然以及时间的考验。正如2004年11月在上海召开的世界工程师大会上,中国工程院院长徐匡迪所说,“青藏铁路的建设代表了世界高原铁路工程技术领域的最高成就”。

    攻克冻土难题

    青藏高原是全球海拔最高的巨型构造地貌单元,气候寒冷、空气稀薄、辐射强烈,冻土发育多年,工程地质条件复杂。青藏铁路沿线多年冻土分布很广,铁路建设经过的多年冻土区长达550千米。

    青藏高原的冻土具有热稳定性差,厚层地下冰和高含冰量冻土比重大,对气候变暖和太阳辐射量极为敏感等特征。根据这些特征把冻土分为高温极不稳定区、高温不稳定区、低温基本稳定区、低温稳定区、融区等。多年冻土病害主要表现为冷冻胀和热融沉等典型现象,其中冷冻胀,又表现为冰椎、冻胀丘等地表现象;而热融沉又分为热融滑塌、热融湖塘、热融冲沟等地表现象。经过科研人员的积极探索,确立了正确的主动降温、冷却地基、保护冻土设计思想,针对不同冻土地质条件,采用多种切实可行的工程措施解决冻土难题。具体工程措施分为:

    ●片石气冷措施。在多年冻土地段采用片石气冷路基累计达120千米。主要适应于高温极不稳定、不稳定冻土区。其工作机理是片石层上下界面间存在温度梯度,引起片石层内空气对流;负积温量值大于正积温量值,加快基底地层的散热,降低地温。

    ●碎(片)石护坡或护道措施。主要用于解决多年冻土路基不均匀变形问题。其工作机理是,孔隙内空气在温度梯度的作用下产生对流,暖季空气交换弱,产生热屏蔽,减少传热;寒季对流交换热作用强,有利于地层散热。

    ●以桥代路措施。以桥代路措施可有效抵抗未来几十年温度升高的影响,最为安全可靠。多年冻土段已采取以桥代路达130多千米,全线桥梁总长近160千米,约为初步设计的一倍。虽然增加了投资,但却既提高了线路的可靠性,又保护了自然环境。

    ●通风管措施。其工作机理是空气在管内产生强对流作用,加大路堤与空气的接触面,增加路基及地基的冷量。

    ●热棒措施。其工作机理是气液两相对流换热,降低棒周围的地温,无能耗,高效率。在32千米线路上采用热棒。

    ●路基排水措施。主要采取合理布设桥涵,设置挡水埝等排水措施。

    ●合理路基高度措施。路基填筑高度2.5~5.0米,太高的路基不利于冻土稳定。

    ●路桥过渡段措施。主要采用桥台后过渡段填筑碎砾石土等填料。

    ●隧道措施。主要是控制开挖温度,采用合理衬砌,设置隔热保温层,铺设防水层。

    ●隔热保温措施。隔热保温是被动保护冻土。其工作机理是减少地温波动,减轻周期性冻胀变形。夏季隔热,保护冻土作用明显,寒季隔冷,对保护冻土不利。主要适用低路堤和部分路堑上。

    ●基底换填措施。在挖方地段或填土厚度达不到最小设计高度的低路堤地段采用,换填厚度为天然上限的1.4倍。

    ●桥涵基础采用先进的干挖法旋挖钻机施工措施。对双柱式桥墩和重力式桥墩采用钻孔灌注桩基础。还采用预制涵洞及基础,现场拼装等方法,保护多年冻土。

    ●遮阳棚措施。此外,对特殊地段采用综合措施。如片石气冷结合碎石护坡措施,片石气冷结合碎石护坡、片石护道措施以及热棒结合隔热保温材料、基底换填处理。

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