多年冻土地区公路修筑成套技术研究

　　总研究经费6232万元共计10个子项目

　　“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”系交通部西部交通建设科技项目，于2002年7月初立项，包括10个分项目，由中交第一公路勘察设计研究院牵头，第一承担单位分别为中交第一公路勘察设计研究院、长安大学、青海省公路科研勘测设计院、黑龙江省交通科学研究所、交通部科学研究院、吉林省公路勘测设计院及青海省交通医院等7家单位，参加单位有中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、哈尔滨工业大学、黑龙江省公路勘察设计院、青藏公路管理分局、吉林省交通科学研究所等共计28家单位。

　　本项目实际研究经费为6232万元。

　　为系统分析总结青藏公路30多年沥青路面历次整治大修经验，进一步深入研究青藏高原大规模铺筑沥青路面的长期使用性能，牵头单位中交第一公路勘察设计研究院在项目一开始即增列专题开展了“多年冻土地区沥青路面耐久性能研究”，自筹研究经费90万元，该专题2005年底通过鉴定验收。

　　据了解，“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”项目在总结已有多年冻土科研成果的基础上，进一步深入研究多年冻土地区公路修筑成套技术，内容涵盖了多年冻土地区公路建设的工程地质、公路病害机理、水热力耦合及温度场规律、路基设计与施工技术、路面设计技术、桥涵工程技术、生态环境保护与评价技术、公路养护技术、季节冰冻地区路基路面设计施工技术，以及高原职工安全与健康保障技术。

　　“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”项目研究成果是我国多年冻土地区公路建设技术的系统集成、创新与超越，体现当代冻土地区公路修筑技术研究的前沿水平。以上研究成果的应用必将提高多年冻土地区公路工程的勘察、设计、施工与养护水平，节约工程投资，确保工程质量；改善行车条件，提高行车速度，减少油耗和机械磨损。同时本项目研究成果对多年冻土地区公路建设和运营期间的生命健康保障、环境保护及可持续发展、季节冰冻地区公路建设以及我国多年冻土的基础理论研究将起到巨大的促进作用，并为制定多年冻土地区公路工程规范、预报公路病害提供研究科学依据，对指导我国多年冻土和季节冰冻地区的公路、铁路和其它土建工程建设具有重要意义。

　　我国冻土区占国土面积22.3％

　　在我国，冻土有广泛的分布。多年冻土区的面积约占国土面积的22.3％，季节冻土则遍布大部国土。我国多年冻土主要分布在青藏高原、西部高山和东北大、小兴安岭和松嫩平原北部，并零星分布在季节冻土区内的一些高山上。其中，相对人口密集地区为青藏高原多年冻土地区。我国多年冻土地区，地域辽阔，由于特殊的历史、自然、地理、社会等各方面因素的影响，多年冻土地区经济发展水平还很落后，多年冻土地区经济开发建设活动受到落后的交通基础设施的严重制约。

　　青藏高速公路已列入国家交通公路网规划，作为西南边陲首府与西部省会乃至首都北京最迅捷的通道，青藏高速公路是省际间最后一条尚未开工建设的主干线，加上已规划的西部省际通道，预计在西部地区将有数条不同等级的公路穿越高原冻土区、高山冻土区，给冻土地区公路建设带来前所未有的机遇。这些公路等级高，修筑技术难度大，对设计、施工质量，服务水平和服务功能提出了更高的要求。因此，迫切需要全面系统的多年冻土地区公路修筑成套技术。在此环境及背景下，2002年7月交通部西部交通建设科技项目“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”正式立项，随之进入研究攻关阶段。

　　多年冻土地区公路建设中存在的技术难题

　　虽然我国有着几十年冻土地区公路修筑史，也取得了一定的成功经验，但迄今为止还没有形成完整的成套技术。为此，多年冻土地区公路修筑技术尚需进一步深入研究，主要问题如下：

　　⑴冻土地质勘察沿用非冻土地区常用方法和手段，冻土分类与定性准确性不高；

　　⑵冻土路基研究注重抬高路基、增设保温护道对下伏冻土的被动保护，对因填料导热性能改变而产生的路基尺度效应（路宽、高度、边坡坡度及护道尺寸）未作深入研究，设计理念有待突破和提升；

　　⑶对路基病害发生的机理缺乏系统深入的理论分析，冻土路基稳定措施针对性不强，处治效果不理想；

　　⑷对重交通荷载下冻土区路面结构适应路基变形的能力研究不系统，多年冻土区沥青路面耐久性能研究尚处空白；

　　⑸没有开展对多年冻土区特别是青藏高原生态环境极其脆弱地区的环境保护研究，有针对性的环境影响评价方法及生态恢复技术亟待建立；

　　⑹多年冻土区公路养护理念落后，缺少先进适用的工艺和技术，养护材料研究技术储备不足，养护机制不健全，影响了路面功能与寿命；

　　⑺季节冰冻地区公路路基路面稳定技术有待创新，路基结构、形式，路面材料与结构组合对排水抗冻性能的要求等需要进一步研究。

　　“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”项目的主要研究内容、关键技术和研究目标如下：

　　主要研究内容。涵盖了多年冻土地区公路工程地质研究包括；多年冻土地区公路病害和机理研究；水、热、力耦合效应与路基路面温度场变化规律研究；多年冻土地区路基稳定性技术研究；多年冻土地区路面设计与施工技术研究；多年冻土地区桥涵工程技术研究；多年冻土地区公路生态环境保护与评价技术研究；多年冻土地区公路养护与维修技术研究；季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究；高原（山）地区筑养路职工安全与健康保障研究。

　　关键技术。符合公路特点的冻土区划与冻土分类指标；多年冻土区稳定路基技术及适应性；多年冻土区公路路基尺度与黑面效应；多年冻土区公路路面结构与材料；多年冻土区桥梁结构与材料；多年冻土区公路施工技术；多年冻土区公路养护技术与材料；多年冻土区生态恢复技术。

　　研究目标。通过本项目研究，系统总结我国多年冻土区公路修筑经验及高原特殊环境对人体和劳动能力影响的对策，预测全球气候变化背景下冻土变化趋势，集成多年冻土区公路修筑成套技术，在多年冻土区公路路基稳定性、路面结构适应性与耐久性、桥梁桩基础、高原生态保护以及高寒低氧环境下生命健康保障等方面有较大的理论创新与突破，在多年冻土区公路路基病害防治与预警方面有重大发展，争创国际领先水平，提升我国冻土工程研究水平和冻土区公路建设、养护水平，促进多年冻土区公路建设与社会环境的可持续发展，为制定多年冻土地区公路工程规范提供科学依据。

　　取得了多项令人瞩目的研究成果

　　据《多年冻土地区公路修筑成套技术研究》总报告称，“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”取得了多项令人瞩目的研究成果。

　　———多年冻土分布及区划、分类。

　　立足公路工程，结合我国对多年冻土区公路工程研究的最新成果，首次提出了公路的多年冻土工程区划，首次将多年冻土的类型和地温状况指标用于公路多年冻土的区划；提出了以冻土路基融沉变形量为指标的公路工程冻土分类标准以及针对青藏公路沥青路面条件下的公路工程冻土分类方案。

　　———公路工程多年冻土基础理论研究

　　（1）研究了多年冻土地温状况及其变化，以及对公路路基变形的影响规律，并以此为基础提出模拟路基内土体冻融过程、冻土的形成与融化规律、路基内温度场分布及变化规律的伴有相变的非稳态热传导方程，并提出移动相变界面法、焓方法、等效参数法等三种实用的数值解法及其定解条件。

　　（2）通过试验确定了不同路面结构的对流换热系数、辐射换热系数。运用焓方法研究了不同年平均气温条件下路基高度对路基温度场的影响规律及不同走向路基温度场的分布特征。运用等效参数法研究了边坡坡度与保温护道对路基地温特征的影响规律及不同路基宽度对路基温度场的影响；数学模拟研究了水泥路面与沥青路面、沥青路面与砂砾路面的热学特征。

　　（3）首次建立了冻土路基内三场耦合的理论模型，实现了其数值解法，并通过室内模型试验与青藏公路现场实验进行了验证。

　　（4）运用模糊信息优化处理方法，分析了影响路基变形的各因素的权重。

　　（5）提出了路基变形基于长序列变形数据的数学预测和基于气候效应的物理预测技术，并将上述两类预测技术结合分析研究冻土路基的变形规律及其机理。

　　———多年冻土区公路工程病害机理研究

　　（1）多年冻土地区公路病害类型在不同的控制因素作用下具有一定的差异性。研究分析了与路面结构、路基高度及行车荷载等相关的不同病害形式。与西部高山旱区多年冻土相比，东北地区由于秋末冬初降雨较多，冻胀、翻浆和涎流冰是该地区的主要病害。

　　（2）研究了公路病害与冻土含冰量及冻土地温的相关性。研究表明融沉变形及路基纵向裂缝是高原多年冻土区主要病害，并与路基高度关系密切，阳坡侧路基病害明显多于阴坡侧。研究总结了冻土路基病害机理和桥涵病害机理。

　　———多年冻土地区路基设计与施工技术研究

　　（1）在总结多年冻土区各历史时期路基设计理论与实践的基础上，首次提出多年冻土地区公路一般结构路基与特殊结构路基设计原则及相应的设计方法。

　　（2）通过数值模拟研究得出冻土路基临界高度的动态变化规律，提出路基合理高度的概念及确定方法，并将其引入路基设计，改进了路基高度设计方法。

　　（3）提出一般路基结构边坡与护道设置原则，优化了路堤典型横断面结构设计。

　　（4）通过数值模拟、室内试验及野外试验工程观测，研究了设置XPS板、碎石、热棒、遮阳板等措施的特殊路基结构对路基稳定性的影响规律，提出了保温隔热层合理厚度及热学等效路基高度的计算表达式；提出路基碎石层的冬季自然对流降温效应的强度和持续时间；揭示了碎石路基冬季主动冷却路基、夏季保温隔热的作用机理，提出了碎石层铺筑的理论合理厚度与粒径；建立了热棒路基的等效传热模型，得出了热棒工作的周期、有效工作半径，路基双侧设置热棒优于单侧，斜置热棒优于竖置；研究得到了遮阳板降低地温、调控阴阳面吸热不均、治理融化盘偏移的作用效果和机理。

　　（5）通过试验工程研究得出硅藻土护坡在外界补水条件不良的高原环境下降温效应难以发挥。

　　（6）研究提出隔热层、碎块石、热棒、遮阳板等特殊结构路基设计的要点及其适用条件。

　　（7）分别提出路基填挖过渡段，路基与桥涵过渡段，融区与多年冻土区过渡段，高低含冰量冻土过渡段的路基处置对策。

　　（8）系统总结了路堤与路堑的施工技术，包括路基填料与施工季节的选择、施工工艺与质量控制等。

　　（9）编制了《多年冻土地区公路路基设计与施工技术指南》。

　　———多年冻土地区公路路面设计与施工技术研究

　　（1）首次从理论与工程两方面系统研究了青藏公路30多年间的路面结构的发展与经验，并通过试验工程研究，推荐了该地区的合理路面结构。

　　（2）在冻土路基热状况和融沉变形状况计算分析的基础上，首次提出了多年冻土地区沥青路面结构融沉附加应力计算方法；首次提出了基于荷载与融沉综合作用的多年冻土地区沥青路面结构设计指标与方法。

　　（3）从多年冻土地区路面基层特殊使用环境与施工条件出发，模拟多年冻土地区实际温度和湿度条件系统研究了水泥稳定砂砾混合料的强度形成、收缩特性和抗冻融循环耐久性，得到了相应的规律。研制了专供多年冻土地区特殊条件下CS-1型外加剂改善水泥稳定类材料的早强耐久性能。提出了综合考虑抗压强度、温缩抗裂指数、干缩抗裂指数等指标的水泥稳定粒料配合比设计方法。

　　（4）首次提出了级配碎石基于CBR值和剪切强度双指标的关键筛孔及其通过率合理范围及组成设计方法。

　　（5）研究了沥青稳定碎石混合料的强度特性、冻融劈裂、温度收缩、低温弯曲、常温及低温疲劳等性能，提出了以温度应力比和弯曲应变能为主要指标的低温抗裂性能综合评价方法，提出了基于强度和大型马歇尔指标的沥青稳定碎石配合比设计方法。

　　（6）研究了沥青结合料和混合料的低温特性和抗老化性能等，以及TPS、路孚8000和Sasobit等改性沥青及沥青混合料、纤维沥青混合料的性能，在对马歇尔设计方法在多年冻土地区适用性分析的基础上，提出了基于低温性能的面层沥青混合料配合比设计方法。

　　（7）针对多年冻土地区的自然条件和沥青路面施工条件的特殊性，总结了面层和基层的施工技术。针对级配碎石材料不易碾压成型的问题，首次提出采用“贯入油结”的施工技术。

　　（8）应用性能费用模型分析了多年冻土地区路面使用年限和养护比选，首次提出沥青路面建议使用年限。

　　（9）研究提出了冷补沥青混合料的性能评价指标，研制了多年冻土地区路面JC－Ⅰ型冷补沥青混合料，性能满足要求。

　　（10）针对多年冻土地区的气候特点，自主研发出了一种高性能路面灌缝材料（HD），高低温稳定性等路用性能达到或超过国外进口产品，并经过2年多吉林和青海室外试验路的使用验证。

　　（11）采用普查和典型路段调查相结合的方法，对多年冻土地区水泥混凝土路面使用状况进行了调查分析，研究了其在多年冻土地区的适用性。

　　———多年冻土地区桥涵工程技术研究

　　（1）研究得到了多年冻土地区的钻孔灌注桩回冻时间以及承载力，得到了桩周冻土融化与桩侧冻结力和桩底反力的关系。研究认为，在水平荷载作用下，地基抗力系数沿深度的分布形式，以“m”法和“k值”法较为合适。

　　（2）研究提出了桥涵基础埋深。提出了桥涵基础混凝土施工技术要点、控制指标和质量检验技术要点。

　　（3）配制了应用于多年冻土地区具有早强抗冻耐久性的高性能混凝土。

　　（4）各种耐久性试验对混凝土破坏剧烈程度由大到小依次为：盐溶液中冻融+干湿循环＞水中冻融+干湿循环＞盐溶液中冻融循环＞水中冻融循环＞盐溶液中干湿循环＞水中干湿循环。

　　（5）研究认为，混凝土在冻融+干湿交替作用下耐久性劣化程度大于冻融或干湿单独作用时的耐久性劣化程度，也大于冻融和干湿单独作用时耐久性劣化程度之和，即产生了超叠加效应。

　　多项技术含量高、实用性强、应用前景广

　　通过28家研究单位250多名科研人员近5年的艰苦努力，这一项目对多年冻土地区的公路修筑技术开展了系列成套研究，研究范围覆盖了我国东北和西部各区域的多年冻土地区，内容涵盖了多年冻土的区划与分类，公路病害作用机理，路基、路面、桥涵设计与施工技术，以及该地区公路养护、生态环境保护与评价、职工安全与健康保障技术，同时对季节冰冻地区路基与路面稳定技术进行了系统研究总结。并在冻土地区的不同等级公路建设中进一步验证和应用，最终取得了多项具有技术含量高、实用性强、应用前景广的丰硕成果。

　　项目通过总结、分析、研究几十年来我国多年冻土地区工程研究和工程设计、施工的技术资料和相关成果，研究气温等环境变化与多年冻土的变化和公路修筑之间的相互关系及其基本规律，结合对病害治理新技术及相应实体试验工程的观测研究，提出切实可行的多年冻土地区公路修筑成套技术。

　　据悉，本项目共选择了近20条不同类型和不同等级公路，开展了数千km路段的项目调查和观测，修筑了数百公里的各种试验工程路段，研究范围涵盖了我国多年冻土区、季节冻土区的所有类型，包括建成和在建项目。

　　已建成的冻土区公路路段的研究为整个项目提供了丰富的调查分析及测试试验资料；依托工程为研究提供了试验工程及阶段成果应用场地。科研人员历时4年多，展开联合攻关，重点研究了工程地质、病害机理、路基、路面、桥涵、环境保护与评价、施工、养护等内容，涉及到设计理念、冻土区划、路基路面参数、典型结构、水土保持和生态环境恢复、环境评价、施工检测及健康保障等技术。依托工程试验的目的是在室内试验和分析研究的基础上，通过不同形式依托实体工程，进行试验验证，达到科研指导生产，生产验证科研的目标，最终总结出适用于我国多年冻土地区及季节性冻土区的公路修筑成套技术，确保冻土区公路的畅通无阻，为冻土地区的开发提供一个快捷的交通运输保障体系，促进冻土地区经济发展、资源开发与生态建设。

　　在高原生态环保及健康研究方面创多项第一

　　首次研究建立了青藏高原多年冻土地区公路建设项目生态环境影响评价指标体系；

　　首次以植被的三个关键指标，即盖度、地上生物量和地下生物量为基础，提出了植被恢复率，作为评价植被恢复效果的指标；

　　首次提出了一整套青藏高原公路沿线生态环境保护措施，包括植被保护与恢复技术、水土流失防治技术、野生动物保护和冻土保护对策等，首次证明客土喷播技术是青藏高原多年冻土地区植被恢复的理想技术，将推动环境保护技术在该地区的推广应用；

　　首次在海拔3000m以上地区调研了筑养路职工疾病谱。通过大面积、大样本筑养路职工调研和检查，研究得到高原职工患病规律，提出高原筑养路职工功能性损害的康复措施，制定了高原劳动卫生与保护的管理制度及对策，并对高原筑路工劳动强度进行了测试评估；

　　首次对高原筑养路职工进行了现场生理、生化指标与急性高原反应评分比较，并在急性低氧暴露习服期内（15日内），动态观察了测定血氧代谢酶、血气、肺功能、心电图、血红蛋白等的变化；

　　首次将动物试验与现场测试相结合，评价低氧环境下人体生理、生化指标变化的规律。进行了中药方剂的动物药效分析、现场效果验证，评估其抗缺氧作用效果。

　　使多年冻土地区公路建设的投资更为合理、经济

　　多年冻土地区的公路是病害发生和病害发生频率最高的公路。以穿越多年冻土区公路里程长度，按发生病害的路段占三分之一计算，平均每五年不得不整修一次，不仅投入资金高，而且还影响公路的正常运营，并产生不良的社会影响。而该项目成果可使多年冻土地区公路建设的投资更为合理、经济。

　　以在本项目研究过程中建设的公路或改建整治工程，以及即将进行的开工建设的公路工程项目应用本项目研究成果进行计算，其直接经济效益为：

　　多年冻土区的公路建设等级一般为二级和三级公路，每公里投资额相对较少。青藏公路多年冻土区550km，214国道与227国道多年冻土区约400km，219国道多年冻土区约380km，318国道和东北岛多年状冻土区公路涉及里程之和约300km，每公里建设投资平均210万元，5年后大修一次每公里投资按120万元计，10年共需投资约为537900万元。采用本项目成果之后，10年左右大修整治一次，以平均每公里230万元计，共需投资374900万元，公路建设期10年内可节约为163000万元。

　　项目实施后行车速度提高近一倍，车辆周转期缩短50%%，减少燃油消耗10%%以上，按目前通过多年冻土区公路的交通量计算，每年可节约燃油、车辆保修、大修以及缩短车辆周转时间等费用达18000万元左右，10年可取得直接经济效益139500万元。

　　利用这一项目技术还可为季节冻土区公路建设与运营直接带来可观的经济效益，同时还能增加大量的牧草产量。

　　如青藏公路两侧100米范围内分布大量的取土坑，坑内植被破坏严重。若按公路两侧各10米范围内采取植被恢复措施计算（实际待恢复区域远远大于10米），仅多年冻土地区（按550km计算），就要恢复植被1100公顷，即16500亩。人工植被按平均亩产量为107.2公斤计算，每年可增加牧草产量1768.8吨。

　　“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”项目还有利于路线与地形地貌的协调以及环境景观的开发和建设，通过本项目的应用实施，可使多年冻土与季节性冻土自然环境得到优化，使千古荒漠环境得到美化。