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  多年冻土地区青藏公路整治改建技术  
  日期:2014-01-13    来源:西部项目中心  
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中国公路学会科学技术奖 一等奖

1项目简介

项目在集成青藏公路历次整治改建、运营养护持续 40 年的跟踪研究成果的基础上,依托青藏公路改建完善工程,针对全球气候变暖背景下高原多年冻土地区公路路基、路面与桥梁病害的机制与特点,系统开展冻土路基病害整治技术、路面材料与结构选型、桥梁桩基稳定性技术、设置旱桥的必要条件等创新技术研究;针对青藏公路升级改建开展由沥青路面宽度增加引起的宽幅路面热效应问题研究,研究宽幅沥青路面辐射能量平衡和水热过程,并针对由沥青路面热效应引起的工程问题开展复合式路基调控技术、分离式路基热干扰防治技术等创新性技术研究,最终形成多年冻土地区青藏公路整治改建技术。

1)针对高原多年冻土地区公路路基结构特点和病害特征,提出了片块石和热棒路基的设计参数和适用条件,并通过工程示范验证了其应用效果。

2)研究揭示了多年冻土地区宽幅路基与分离式路基的热效应规律,以工程应用为条件,提出了多年冻土地区旧路路基改建拓宽的合理部位。

3)创造性的提出了冻土路基新型复合工程措施:通风管-块石复合措施、

热棒-XPS 板复合措施、热棒-块石复合措施,并将其应用于青藏公路、共玉公路宽幅冻土路基建设中,在调节冻土地温和抬升冻土上限方面取得了显著的应用效果。 

4)基于多年冻土地区分离式路基间相互影响的热效应规律,提出高原多年冻土地区高速公路分离式路基的合理间距,并针对不同间距、不同含冰量路段提出相应的预防处治措施及设计参数。

5) 修正了高原多年冻土地区路用级配碎石的推荐范围,完善了其设计方法,推荐了适宜于青藏公路多年冻土地区的沥青路面结构类型。并针对高原气候与地质的特殊性,提出了多年冻土地区高速公路路面结构和主要材料及相应的技术指标。

6)基于高原多年冻土地区桥梁桩基桩周土体回冻规律、变形规律及影响因素,揭示了桥梁桩基回冻与冻土地质、冻土初始条件的关系。综合考虑冻土地质、冻土地温、含冰量、冻土路基调控效果及路基稳定性控制指标等因素,提出了高原多年冻土地区公路设置“以桥代路”工程的必要条件。

 作用及应用推广情况:项目编制了《青藏公路成果提炼与示范工程设计研究报告》和《冻土区公路设计和施工技术应用指南》,主要成果纳入《多年冻土地区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D31-04-2012)。项目成果已成功在青藏公路改建完善工程和共和至玉树公路中成功应用,指导了高原冻多年冻土地区青藏公路改建完善工程和共和至玉树公路约 700km 的科研和设计工作。项目成果涵盖了多年冻土地区公路建设的热效应理论、处治工程措施与设计方法及应用示范,不仅对提高青藏高原多年冻土地区公路建设与整治改建技术水平具有重大意义,对振兴东北、推动东北多年冻土地区公路建设和道路病害防治等也具有重要的意义,同时对推动交通行业基础建设及科技进步也将发挥重大作用。

2立项背景

青藏公路格尔木至拉萨段长约1150km,其中穿越连续多年冻土地区约 550公里。多年冻土路段气候环境恶劣、地质条件复杂多变,再加上多年冻土对温度的依赖性及热不稳定性等特性,在全球气候变暖的大背景下,给青藏公路的修筑和安全运营带来了很大的挑战和安全隐患。 青藏公路自1985 年路面黑色化以来,由于沥青路面的吸热与封水作用,在全球气候变暖的大背景下,多年冻土路基病害不断发生、发展。在 20 世纪 80 年代调查中,由冻土引起的病害路段占冻土区路段的 40%。经估算,仅 2005 年之前,由冻土引发的道路病害造成的直接经济损失已达 15.7 亿元。为了解决这些问题,

我国交通科技工作者至今已持续开展 30 余年的联合攻关,修筑了大量的路基路面试验工程,建立了桩基试验场,在公路冻土工程理论、公路设计和施工技术、路建设养护体系等领域取得了重大突破和创新。然而由于多年冻土的复杂性和客观历史条件的限制,路基下已经形成了不可逆的冻土变化,在一定时期、特定条件下不可能完全从根本上解决问题。随着公路交通运输科技发展,气候变迁、人为活动影响加剧等,冻土公路新的问题不断暴露。后期虽经过数次整治改建和维修,但病害问题依然没有得到彻底解决,已建公路病害仍存在和频繁发生,公路病害整治技术仍需进一步开展。经过 30 余年的研究与 50 余年青藏公路工程实践,我国在高原多年冻土地区路基、路面结构设计与施工等方面取得了一系列重要成果。但限于当时国家经济基础、工程投资规模等客观原因的限制,到目前为止,大部分研究成果还未得到系统的推广应用。为了验证、完善与推广已取得的具有创新、实用性的研究成果,项目以2007年实施的青藏公路改建完善工程为依托,对青藏公路改建技术及应用示范开展研究。研究成果对于指导青藏公路路基、路面、桥梁设计与施工,保证公路稳定性与耐久性具有重要意义,同时也为今后冻土区公路建设提供技术指标和标准,以达到促进青藏地区公路建设可持续快速发展的目的。

随着国民经济和交通运输的发展,《国家高速公路网规划》的逐步实施,在青藏高原修筑青藏高速公路势在必行。高速公路较以往的普通二级公路,最大区别在于路基宽度增大,导致黑色沥青吸热面和吸热量也随之增加,对冻土路基热稳定性的影响也将更为显著。同时,高速公路分离式路基在建设过程中,如两幅间距过小时,相互之间也会产生热干扰。因此,青藏公路在下一步升级改造过程中所引发的工程问题也将更为复杂,原有的冻土工程措施将如何在高速公路上应用仍需进一步研究。

3创新点

1.提出了针对高原冻土区公路路基结构特点的片块石和热棒路基设计参数,以及保温隔热层路基在低温冻土区的适用性,并首次通过示范工程验证了其工程应用效果。

2.首次提出了冻土路基尺度效应概念,建立了基于气候和工程条件等多因素的多年冻土地区宽幅路基温度场模型, 得到了各因素对上表面边界条件的影响程度,揭示了多年冻土地区宽幅路基与分离式路基的热效应规律。

3.在高原冻土区新建和既有路基温度场变化规律及其调控技术研究的基础上,以工程应用为条件,首次提出了多年冻土区旧路路基改建拓宽的合理部位。

4.首次提出了新型复合路基工程措施:通风管(普通通风管和透壁式通风管)-块石复合措施(专利号 201120560271.4)、热棒-XPS 板复合措施(专利号201120560977.0)、热棒-块石复合措施,并首次将其应用于青藏公路改建完善工程中,在调节冻土地温和抬升冻土上限方面取得了显著的应用效果。

5.基于多年冻土区分离式路基间相互影响的热效应规律,对分离式路基热干扰程度进行了分级,首次提出了高原多年冻土地区高速公路分离式路基的合理间距,并针对不同间距、不同含冰量路段提出了 7 种热干扰预防处治措施(专利号201120381478.5 201120381468.1 201120381466.2 201120381467.7 201120381454.X201120381470.9201120381455.4)及合理设计参数。

6.修正了高原冻土区路用级配碎石的推荐范围, 并完善了其设计方法,提出了其抗冻指标,推荐了适宜于青藏公路多年冻土区的沥青路面结构类型。并针对高原气候与地质的特殊性,首次提出了高速公路路面结构与主要材料及相应的技术指标。

7.基于高原多年冻土区桥梁桩基桩周土体回冻规律、变形规律及影响因素,揭示了桥梁桩基回冻与冻土地质、冻土初始条件的关系。综合考虑冻土地质、冻土地温、含冰量等因素,首次提出了高原冻土地区公路“以桥代路”工程的适用条件。

4应用情况

项目依托青藏公路改建完善工程,于2008年~2011年修筑了路基示范工程140km,特殊路基56.2km,共设置13个观测断面和13个对比断面,130个观测孔,安置5750个测温探头;路面示范工程700km,其中改性沥青混凝土和掺纤维沥青混凝土420km、掺外加剂水泥稳定砂砾基层140km、沥青碎石柔性基层和级配碎石柔性基层140km,共设置11个观测断面和11个对比断面,78个观测孔,安置338个测温探头;以桥代路示范工程1座,设4个桩基础温度观测深孔。在试验工程的设计与施工中,验证、完善和推广了青藏公路已取得的具有创新性、实用性的研究成果,并编制了《青藏公路成果提炼与示范工程设计研究报告》和《冻土区公路设计和施工技术应用指南》,主要成果已纳入   

《多年冻土地区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D31-04-2012)。项目提出的路基调控技术、推荐的路面材料和结构等整治改建技术累计指导了青藏公路500余公里和共和至玉树公路200余公里的路基、路面与桥梁工程设计,为青藏高原多年冻土地区公路的整治改建与养护提供了技术支持。项目研究成果推广应用前景十分广阔。

多年冻土地区青藏公路整治改建技术研究以直接服务于青藏公路病害整治和改建,从路基与路面,材料与结构,设计与施工等全面、系统地研究青藏高原特殊条件下的公路路基路面稳定性与耐久性技术,其研究成果是制定多年冻土地区公路路基、路面设计、施工指南(或规范)的基础,为多年冻土地区公路建设与管理提供科学依据,将起到直接指导青藏高原公路建设与病害治理的作用,具有广阔的应用前景。

  
 
 
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