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柴达尔-木里铁路(柴木铁路)地处青藏高原东北缘祁连山东部,是继青藏铁路后在青藏高原多年冻土区修建的又一条铁路。柴木铁路线路所在区域海拔高度3600~4100m,年平均气温-2.8~-5.8℃,受半干旱气候的影响,该区域年平均降水量达到500mm以上,地表主要为沼泽化草甸区,湿地分布广泛。柴木铁路线路全长142.04km,其中多年冻土段累计长度75.7km,冻土湿地段长度占67.4km,属于高海拔山区多年冻土带。柴木铁路沿线多年冻土区与青藏铁路最大的不同之处在于冻土和湿地具有明显的伴生性,多年冻土路段地表基本为高寒沼泽湿地,地表汇水条件较好,多年冻土含冰量较高。沿线以高温不稳定多年冻土和低温基本稳定多年冻土为主,高温极不稳定多年冻土主要分布于大通山南坡和大通河北岸的沼泽化草甸边缘地带,随着海拔的升高,多年冻土也由高温不稳定冻土逐渐向低温基本稳定冻土过渡。
借鉴青藏铁路主动保护多年冻土结构措施的成功经验,柴木铁路广泛采用了块石通风路基、热管措施以及通风块石和热管复合措施以保证路基的热稳定性。针对不同工程措施及多年冻土地质条件在柴木铁路沿线布设了15个监测断面。本文围绕柴木铁路冻土路基热稳定性这一核心问题,利用柴木铁路布设监测断面采集的地温数据,详细分析了铁路沿线的冻土工程地质条件及不同措施下路基的热稳定状况,并结合青藏铁路已有相关措施的路基热稳定性状态,综合考虑柴木铁路沿线冻土工程地质条件、路基结构措施,建立了多年冻土路基热稳定性评价模型,通过实体试验路基监测结果对评价模型进行了验证和改进,最后根据改进后的模型对柴木铁路全线多年冻土路基热稳定性状况给予定量评价,得到以下结论:
(1)柴木铁路沿线大部分多年冻土段工程地质条件属于一般,仅有少数路段冻土工程地质条件属于较差,冻土工程地质条件较差区域主要分布于高温、高含冰量多年冻土路段。
(2)试验断面实测数据表明,普通填土路基下多年冻土上限普遍出现下降,主动保护多年冻土措施应用于柴木铁路沼泽化草甸区能起到冷却冻土路基的作用。热管措施在高温极不稳定多年冻土区也能够较好的冷却路基;块石通风路基对保护多年冻土上限也有作用,活动层附近冻土地温有所降低,但较深处地温仍然有所升高;路基采用热管措施后,路基两侧冻土地温首先开始降低,降温区域自路基两侧不断向路基正下方发展,块石路基正下方地温最先降低,然后降温区域向路基两侧不断发展。
(3)路基天然地表以上部分,各种措施对消除路基左右两侧温度场不对称性作用都不太明显,路基左侧温度高于右侧温度,随着路基走向从东西向南北变化,路基左右两侧温差不断减小。热管措施对消除路基天然地表以下温度场不均匀性作用明显;块石通风路基并不能消除路基天然地表以下温度场的不对称性,路基建成三年都的观测表明,块石通风路基出现左侧(阳坡)地温高于右侧(阴坡)地温的情况,右侧地温下降明显,多年冻土上限已出现上升。
(4)采用完善后的多年冻土路基热稳定性定量评价模型对柴木铁路全线路基进行评价,评价结果显示全线路基热稳定性处于良好(a)状态的占25%,处于较好(b)状态的占54%,处于一般(c)状态的占20%,处于较差(d)状态的占1%;全线98%的热管护坡路基、88%的块石通风路基、60%的普通路基热稳定性处于良好或较好状态。