突破前所未有的挑战 为青藏高速公路护航

原标题：突破前所未有的挑战 为青藏高速公路护航

扎根青藏高原，创造冻土工程应用基础研究里程碑

——冻土工程国家重点实验室攻关创新纪实

文 王华

冻土是北半球冰冻圈中分布最为广泛的因子，占陆地面积的56%，其中多年冻土约占24%。多年冻土对地表的能水平衡、水文、地气间的碳交换、寒区生态系统和地表景观等均产生重要影响，且冻土融化产生的地表下沉增大了热融灾害风险，影响了寒区工程构筑物稳定性和安全运营。

青藏高原多年冻土约占高原面积的53%，是地球上分布最广泛的高海拔多年冻土。东北多年冻土面积近30~40万平方公里，是欧亚大陆最南部的高纬多年冻土。全球气候变化引起了冻土升温、活动层加深和冻土退化，对青藏高原和东北地区气候、水文水资源、生态环境和寒区工程产生显著影响。广阔的冻土区蕴藏着丰富的矿藏、森林和土地资源，寒区人类经济活动对冻土认知的要求日益重要和迫切。

经原国家计委批准于1989年批准投资建设了我国唯一的从事冻土基础研究和应用基础研究的冻土工程国家重点实验室。主要研究土、岩等介质冻融过程及相关的力学、物理、化学和生物过程、特性和模式，及其在解决工程、环境与资源问题上的应用。

冻土工程国家重点实验室

目前已形成了冻土环境与工程、冻土物理力学与工程、冻土模拟与工程三大研究方向。冻土环境与工程主要是立足与青藏高原和东北，开展冻土环境与全球变化及其对重大工程稳定性影响的综合集成研究，揭示气候变化下多年冻土和活动层后的变化特征及其与生态、水文和灾害之间的关系，阐明气候变化驱动下冻土变化与工程稳定性之间关系。冻土物理力学与工程主要是以冻土中温度场、水分场和应力场为主线，以冻土与结构物相互作用机制和稳定性预测、评价为目标，开展已冻土、正冻土、正融土的物理、力学性质与机理研究，为寒区工程设计、稳定性评价提供可靠的理论依据，也为冻土学科的发展奠定理论基础。冻土模拟与工程主要是开展各种工程结构类型与多年冻土之间相互关系的模型试验，揭示工程结构与下部多年冻土间的热力相互作用关系。开展工程结构物与多年冻土相互作用的数值仿真与模拟研究，搭建基于水热力三场耦合数值模型平台解决各种工况下多年冻土区工程稳定性结构设计参数和可靠性问题。

实验室研究紧密围绕着冻土学科、冰冻圈科学与系统地球科学的国际发展趋势，面向寒区国家重大工程和社会经济发展需求，形成了中国的区域冻土学、冻土力学、冻土物理学和冻土工程学的学科体系。

实验室聚集了一批扎根西部的冻土与寒区工程的创新群体人才，在面向国家重大需求和社会经济发展方面，解决了包括青藏公路、青藏铁路、中俄输油管道、青藏直流联网工程和哈大高铁等一大批冻土重大工程中的核心科学问题，为国家重大需求和国民经济建设做出了重要的科学贡献，取得了显著的社会和经济效益，获得了国家科技进步特等奖、一等奖、二等奖各一项，国家技术发明二等奖一项以及数十项省部级科研成果奖励。

青藏铁路照片

近十几年来，冻土工程国家重点实验室在青藏高原多年冻土区道路工程研究中取得了一系列重要进展，特别在考虑气候变化下多年冻土响应及其工程稳定性影响研究方面，积累了丰富的理论和工程实践经验，形成了一套较为完善的冻土工程地质勘测体系、冻土和工程稳定性的监测方法、冻土工程动态设计和冷却路基设计新思路，极大地提升了我国在解决冻土工程问题上的能力。

这些理论和方法已在青藏公路、青藏铁路、青康公路、大小兴安岭冻土区黑北公路、加漠和漠北公路、新藏公路、共和至结古高等级公路、中俄输油管道工程、青藏直流联网等工程建设和维护中得到广泛使用。使我国冻土及冻土工程研究从过去模仿和学习国外的方法、思路转变为用我们自己的一套思路、方法和设计理念来确保多年冻土区工程稳定性;同时，随着基础理论研究、应用基础研究和工程实践能力的不断提高，我国冻土研究的国际影响也在迅速提升。

中俄输油管道建设

实验室在国际冻土研究中占有重要地位，引领了国际冻土工程研究领域。前实验室主任、学术委员会主任程国栋院士曾先后担任国际冻土学会(IPA)副主席、主席，2011年当选俄罗斯工程院院士，2014年荣获国际冻土协会终身成就奖，是继加拿大Mackey教授和前苏联Romanovsky教授之后，国际冻土学会成立以来的第三位荣誉获得者。国际冻土学会主席Antoni Lewkowicz教授在颁奖词中说道：程国栋院士和他所领导的中国团队为国际冻土和冻土工程研究做出了卓越贡献。刚刚结束的第十一届国际多年冻土大会，通过了2020年将在中国兰州举办第十二届国际多年冻土大会，27年后中国将再次迎来这一国际性冻土盛会。自1989年实验室成立以来，逐渐确立了冻土科学与工程应用基础研究的战略定位和比较竞争优势，长期系统地开展基础性与应用基础性的研究工作。

青藏铁路冻土工程研究方面，在国际上创造性地提出了以调控冻土路基热的传导、对流、辐射为理论基础的冷却路基、降低多年冻土温度设计新思路，从根本上解决了青藏铁路多年冻土筑路技术核心难题，解决了高温高含冰量多年冻土路基稳定性世界性难题。参编了《冻土工程地质勘测规范》(GB50324-2001)、《青藏铁路多年冻土区工程勘测暂行规定》和《青藏铁路多年冻土区工程设计暂行规定》等青藏铁路工程建设的纲领性文件。先后向铁道部门提交研究报告60余份，许多建议被青藏铁路建设采纳，有力地指导了青藏铁路多年冻土区工程勘测和设计。胡锦涛主席评价说：“ 冷却路基 的一整套技术措施是青藏铁路这一 世界铁路建筑史上前所未有创举 得以低成本建成的重要保证。”

近几年结合青藏铁路冻土工程热力稳定性十年监测数据，开展青藏铁路冻土工程后评价研究，特别是对气候变化的影响、冻土退化与冻融灾害、冷却路基的设计理论等方面进行了后评价的研究，为青藏铁路安全运营维护提供了科学支撑。

寒区公路与隧道冻害预报和综合防治关键技术研究成果，被109国道青藏公路、214国道青康公路、227国道宁张公路和227国道的达坂山公路隧道以及黑北公路广泛使用，取得直接经济效益12亿元，极大地改善了甘青藏三省区交通条件，保障和加快了少数民族地区的经济建设。对于巩固国防、保卫边疆，都有重大的现实意义和深远的历史意义。

中俄输油管道研究方面，主编了《中俄管道冻土工程地质勘察技术规定》、《中俄原油管道工程沿线冻土工程地质评价和与预报》和《多年冻土区埋地管道热、应力分析》等系列研究报告。这些研究成果为管道选线、各阶段的勘察和设计提供了重要依据，并为管道安全运营提供了重要指导。

哈大高铁路基微冻胀机理与防治技术、路基稳定性评价及监测技术研究成果已经成为我国严寒地区高速铁路建设的参考典范，为我国严寒地区高铁路基工程理论研究及建设经验积累做出了突出贡献，并被借鉴应用于哈奇高铁、兰新高铁、黑河-大庆输气管道等重大工程。并可能为未来的莫斯科-喀山高铁、莫斯科-北京以及泛亚、中亚铁路、高铁等提供技术支持。

青藏直流联网工程研究方面，工程设计采纳热管应用技术、提高桩基础应用以及场地植被移植调控冻土热稳定性的综合建议，为有关冻土基础的施工、线路组塔、线路放线三大施工阶段的组织和决策、青藏直流联网工程提前一年的投运提供科学依据。

在冻土与生态-水文-气候相互关系研究方面，系统构建了青藏高原和东北大小兴安岭气候-冻土-高寒生态系统相互作用的监测网，积累了大量青藏高原和大小兴安岭的冻土基础研究数据，揭示了冻土退化与环境变化关系及其碳循环机理，推动了冻土学和寒区生态系统学科的发展。

高温高含冰量冻土物理力学性质研究，这一研究属于国际前沿课题。研究实现了测试技术、试验方法和研究思路的创新。从冻土物理力学性质的变化特征定义了冻土工程分类中的高低温冻土界限，揭示了高温高含冰量的静动力学特征和规律及其内在的变化机理，深化冻胀现象和变形过程认识。阐明了冻土力学研究中关于冰-水相变的广义克拉伯龙方程适用性问题，构建了稳态和动态下的冻结缘相变过程的理论模型。研究成果对多年冻土区重大工程的变形预测、稳定性评价等具有非常重要的理论和现实意义，进一步完善冻土力学的理论体系。成果先后发表在International Journal of Plasticity和Earth Science Review等国际顶级刊物上。

在多年冻土区天然气水合物的研究，先后开展了实验室内多孔介质中天然气水合物的形成和分解的动力学模拟研究，深入研究了青藏高原多年冻土与天然气水合物形成之间的关系，在昆仑山垭口发现了天然气水合物的赋存证据，是继我国祁连山多年冻土区发现天然气水合物以来的又一次重大的突破，对青藏高原能源、环境和气候相互作用研究具有重要的意义。

另外，实验室针对祁连山多年冻土柴木地方铁路、东北黑北公路、漠河多年冻土区机场、漠-北高速公路、青藏高原110kV输变电线路工程、新藏公路等多年冻土区工程开展了研究和咨询服务，并对青海省全省县级以上多年冻土区公路开展了冻土调查和工程地质评价工作。

同时，开展了南水北调西线工程的冻土调查和评价研究和新疆穿越天山的750kV超高压输电工程冻土调查和评价工作，为国家寒区工程建设和运营做出重要贡献。作为重要的参与单位，实验室积极参加国家标准和行业规范、技术指南、细则等冻土区工程标准的制定和修订，实验室先后完成了12项国家规范、行业标准、细则等的编写，特别是实验室提供了一批国家和行业规范、标准等所需的基础实验数据。

这些重要科研成果在国际上产生了很高的关注度。Nature杂志高度评价了青藏铁路中解决冻土问题的技术和思路，Nature China研究亮点高度评价了冷却路基的新思路，“在兰州的中国科学院程国栋和共同作者们通过数值模拟、实验室模型实验和青藏铁路现场试验，首次描述了块石层的物理机制”。

2006年亚洲国际冻土会议后，来自17个国家的56位冻土学家和工程师实地考察了青藏铁路，一致认为：青藏铁路多年冻土区工程建设所采用的冷却路基为主、积极保护冻土的设计思路正确，采用块石夹层路基、块碎石护坡、热管与保温材料以及采用桥梁跨越工程地质最为复杂的多年冻土地段，解决了多年冻土难题，体现了当代冻土区铁路工程建设的先进水平。

著名的加拿大冻土学家Stuart Harris评价说：“从国际观点看，青藏铁路是高温多年冻土工程建设方法发展史上的一个重要里程碑。这一工程得到的经验无疑会对这种极端环境下的未来工程的设计和施工产生深远的影响”。

密西根理工大学项目团队在开展横跨北美大铁路项目可行性研究中，评估了全世界深季节冻结和多年冻土区铁路工程领域最新和最好的研究，大量地引用了本团队在青藏铁路冻土工程筑路技术约68篇文章。

2008年第九届国际冻土会议上，程国栋院士受邀代表中国做了题为“Innovative Designs for Warm Permafrost Construction- Exemplified by the Qinghai Tibet Railway”特邀报告，受到了国际同行的高度赞誉;马巍等受国际冻土界权威的杂志《Cold Region Science and Technology》邀请，撰写了“Construction on Permafrost Foundations: Lessons Learned from the Qinghai-Tibet Railroad”论文，希望为世界寒区工程建设提供参考。

中俄管道冻土工程的研究成果在第九届国际冻土大会管道专场引起很大反响，应寒区科学技术(CRST)杂志邀请，出版了《冻土区管道》专辑，9篇论文反映了中俄管道创新性解决方案。CRST主编Garry Timco教授称赞它是“冻土工程研究中的重要里程碑”。《Pipeline International》杂志特邀撰写专业论文，以便能够了解冻土区中俄管道冻土工程研究的最新进展，并作为封面文章介绍在北方地区设计、施工和运营大口径长输原油管道的成功经验。

冻土退化及其环境效应等研究在国内外有重要影响。发表在Journal of Geophysical Research四篇研究论文获得了审稿人的高度评价，研究结果对于研究气候变化对多年冻土动力学和水循环的影响具有很有价值的贡献，对于理解气候-冰冻圈系统具有很重要的贡献，这些资料能够被用来减少未来条件下预测的不确定性。

发表在The Cryosphere杂志文章被挪威奥斯陆大学冻土学家Etzelmuller教授作为山地多年冻土最新进展做了介绍，认为研究在处理线性工程的近地表冻土热状态的空间异质性方面取得了重要进展，特别是青藏高原。

高原冻土形成、演化阶段划分及分布和下界重建，整体上把握了冻土形成演化过程，被著名冻土学家Hugh M. French列为古冻土研究重要进展;中国的冻土变化及砂、土楔研究被国际著名的Permafrost and Periglacial Process杂志的特邀综述论文大段引评。

同时，应邀在海德堡大学和德国极地与海洋研究所等做专题报告，在AGU、EUCP和NICOP大会上交流了成果，得到了IPA前主席Jerry Brown和Hans-W. Hubberten的高度评价;在冻土稳定性方面的论著被如Science、Nature和PNAS等多次引用。相关监测数据进入了GTN-P、CliC、CALM 和TSP等国际科学计划，为数据交流和共享做出了重要贡献。

目前，冻土工程国家重点实验室瞄准国际研究热点和国家重大需求，制定了未来发展的战略规划和先期研究布局。

首先，围绕着青藏铁路运营过程中出现的冻土病害问题，研究病害形成机理、冻土变化长期动态过程和机车动荷载作用的冻土动力学特征方面;其次，瞄准了国家青藏高速公路建设，开展了青藏高速公路冻土路基修筑技术研究，北麓河厚层地下冰地段建设了高等级宽幅沥青路面的复合冷却路基试验示范工程;第三，瞄准了黄河源冻土退化与生态环境和水文地质关系关键科学问题，从冻土退化和活动层水热过程变化导致的水力联系变化、水资源量、水土环境和水文(地质)循环等研究冻土与生态环境和水文地质条件变化的互馈关系;第四，瞄准了东北和祁连山区大型煤矿开采对冻土环境和湿地生态环境的影响研究，布设和完善了冻土变化监测网络。

与青藏铁路相比，多年冻土区青藏高速公路建设将面临更为复杂的科学与技术问题,一则是因为沥青路面强吸热效应，且是封闭路面条件;二是全幅或宽幅沥青路面下部年均热流将增加57%，其下部多年冻土退化将加快62%，若考虑气候变化的影响，高速公路下部冻土退化还将被放大。三是青藏工程走廊内重大工程构筑物较为密集，构筑物群之间具有较强的相互热影响，特别是对高山峡谷区段。因此，多年冻土区青藏高速公路建设将会面临前所未有的挑战。

作为青藏高速公路特殊地基地基土—多年冻土，对气候变化、生态环境和工程作用特别敏感，任何的微小的变化都可能引起冻土升温、地下冰融化。冻土工程往往是要适应气候、生态和工程等多重作用的影响。

多年来，冻土工程国家重点实验室开展了大量的多年冻土变化的基础性研究工作，积累了大量第一手的冻土变化基础性数据，时间序列最长的冻土监测数据达20年，掌握了青藏高原多年冻土对气候变化的响应特征和时空变化规律。研究了全球变化下冻融灾害变化趋势、工程活动对高寒生态系统的影响等，这些研究成果作为复杂的工程背景数据为青藏高速公路建设提供科学和基础性数据的支撑。

冻土工程本身对多年冻土的影响方面，在我国多年冻土区范围内搭建了冻土工程性能监测网络，几乎涵盖了我国所有的重大冻土工程，这些监测网络为探索冻土与工程相互作用关系典型了坚实的基础。全面掌握了全球转暖条件下工程下部多年冻土的变化规律和特征，阐明了多年冻土对气候变化和工程活动响应差异，发现了沥青路面吸热效应的形成物理机制、融化夹层分布、阴阳坡效应、路基走向控制性影响等。

特别是，早在2009年冻土工程国家重点实验室就前瞻性地部署了青藏高速公路修筑技术的试验示范研究，在北麓河建立了包括9种复合冷却路基措施的试验示范工程，取得了近7年的基础数据，从中筛选出了5种降温性能优良、措施得力的修筑技术。

这些复合冷却路基技术可以很好地适应多年冻土区青藏高速公路的建设。建立了沥青路面上边界条件和与筑路技术工程条件的物理模型，开展了宽幅沥青路面设计的数值模拟和仿真研究。建立了沥青路面上边界条件和与筑路技术工程条件的物理模型和不同工程技术措施的数值模型，开展了多种复合措施的数值仿真试验研究，进一步分析和评价气候变化影响下各种工程技术措施下路基的冷却效果和长效机制及抵御气候变化的能力。

多年来，冻土工程国家重点实验室开展了我国冻土区几乎所有重大工程研究，几代科研人员扎根青藏高原，为国家寒区工程建设作出了重要的贡献。50年多来实验室冻土工程基础与应用基础研究丰厚的积淀，随时准备为青藏高速公路建设做出了贡献。

(原标题：突破前所未有的挑战 为青藏高速公路护航)