保障青藏高速的工程健康

文|

中国工程院院士、石家庄铁道大学 杜彦良

中交第一公路勘察设计研究院有限公司 陈建兵

供图｜中交第一公路勘察设计研究院有限公司

青藏高原世称“地球第三极”，地缘独特，是联通中亚、南亚两大通道的战略节点，是我国重要的战略安全屏障和资源储备基地，是我国约700万藏族同胞的世居之地。

西藏自治区是青藏高原的主体，系祖国西南门户，有近4000公里边境线。习近平总书记“治国必治边、治边先稳藏”的思想，深刻阐明了西藏尤为重要的战略地位。受制于青藏高原恶劣的自然环境和复杂的地质条件，西藏至今仍然是国家高速公路网尚未连接的“孤岛”，凸显出我国作为世界高速公路第一大国在高速公路发展中存在的不平衡、不充分问题。

由青入藏是国家进藏高速公路规划的战略主通道。青藏工程走廊穿越的700公里多年冻土，是高速公路建设面临的国际性难题。因此，全面突破进藏高速公路建造及工程健康保障技术，整体提升进藏高速公路建养技术现代化水平和服务品质，提高高海拔高寒恶劣自然环境下交通运输保障能力，是固边稳藏、保障国防安全的重要基础；是全面强藏、融入“一带一路”的重要途径；是富民兴藏、决胜脱贫攻坚的重要支撑；是长期建藏、深入实施西部大开发战略的重要保障。

2020年，中国科协遴选出10个对技术和产业创新具有关键作用的工程技术难题，“如何突破进藏高速公路智能建造及工程健康保障技术”作为交通运输领域唯一的工程技术入选。

青藏高原南起喜马拉雅山脉南缘，北至昆仑山、阿尔金山和祁连山北缘，西部为帕米尔高原和喀喇昆仑山脉，东及东北部与秦岭山脉西段和黄土高原相接，平均海拔4500米以上，高寒缺氧，被称为“世界屋脊”“地球第三极”。

我国的藏族人民自古生活在广袤的青藏高原，是中国及南亚最古老的民族之一。自公元7世纪吐蕃建立政权以来，藏族与内地的交往就没有中断。但是，由于地理距离、交通阻隔等各方面的制约，过去的交流与联系具有非常大的局限性。唐文成公主进藏成为连接西藏与内地、藏族与汉族之间友好关系的最早实践者。文成公主自唐蕃古道进藏，历时三年，随行侍从死伤过半，历经千难万险到达雪域高原。

20世纪50年代初，中国人民解放军遵照党中央的号召和毛主席“一面进军，一面修路”的指示，与藏族同胞一起发扬“一不怕苦、二不怕死”的精神，历经艰险、排除万难，在世界屋脊上修通了全长4360余公里的川藏公路和青藏公路。从此，开启了西藏与内地联系的新篇章，结束了西藏无公路的历史。

青藏公路更是西藏与祖国内地联系的最重要通道，承担着西藏85%以上进藏物资和90%以上出藏物资的运输任务，被誉为西藏的“生命线”。

新时代的重大意义

青藏、川藏公路通车以来，在党中央的坚强领导和全国各族人民的无私支援下，西藏交通发展日新月异，但是其总体建设水平明显低于全国平均水平。截至2019年底，西藏地区公路里程突破9万公里，而高速公路里程不到700公里。目前，全国只有西藏仍是国家高速公路网尚未连接的“孤岛”，也凸显出我国作为世界高速公路大国在高速公路发展中存在的不平衡、不充分问题。

西藏在国家发展全局中的战略地位显著

2018年9月，习近平总书记在参加十二届全国人大一次会议时明确指出“治国必治边、治边先稳藏”，深刻阐明了治国、治边、稳藏的内在关系，把西藏在国家全局中的地位提升到了新的高度。

西藏是重要的国家安全屏障。西藏地处祖国西南边疆，居高临下的地理优势、绵延曲折的边境线、数千公里的战略纵深，使其成为国家安全的天然屏障，在维护国家主权和利益安全上具有十分重要的战略地位。

西藏是重要的生态安全屏障。西藏是“中华水库”“亚洲水塔”，水资源总量居全国首位，不仅是东亚重要的气候调节器，同时也是世界上生物多样性最典型的地区之一，是保障地球生物多样性的重要基因库，关系到中华民族的持续健康发展。

西藏是国家战略资源储备基地。西藏地区矿带分布密集，累计发现矿产101种，区内10余种矿产资源产量储量居全国前五位，其中铜8000万吨、金2000吨、铅锌3000万吨，资源潜在价值超过6500亿元，是我国重要的战略资源储备基地。

全面突破进藏高速公路建造及工程健康保障技术意义重大而深远

西藏是面向南亚的重要通道。西藏是连接中巴经济走廊和中印孟缅的关键战略节点，是我国“一带一路”战略倡议的重要组成部分。中巴、中印孟缅两个经济走廊的建设对我国拓展运输新通道、保障能源安全、维护西部稳定、扩大地缘政治影响力具有重要的建设性作用。

西藏是固边稳藏的前沿阵地。西藏藏族和其他少数民族人口占全区总人口的90%以上，民族问题和宗教问题交织加剧了西藏工作的复杂性。西藏地区的稳定事关国家安全和领土完整，事关700万藏族同胞的幸福，事关全面建成小康社会全局。

目前，西藏的交通发展现状与其重要的国防战略地位极不匹配。

青藏通道是进藏的战略主通道

在进藏五大通道中，川藏通道地质灾害极其严重，高速公路技术储备不足；滇藏通道地质灾害严重，与内地联系不够紧密；青康通道没有对接两省首府，对两省区联系有限；新藏通道战略纵深不足，与内地连接功能较弱。而青海格尔木至拉萨的青藏通道是西藏自治区首府拉萨通向首都北京及西北地区、华北地区、中原地区最为便捷的陆上通道，是五个进藏通道中唯一兼有青藏公路、青藏铁路、格拉成品油管道、兰西拉光缆通讯工程、500千伏输变电工程的综合运输通道，是西藏经济社会发展的“金桥”。

同时，相比于川藏、青康、滇藏及新藏通道，青藏通道作为国防战略纵深主通道，具有重要的战略优势，一方面青藏通道纵深达1500公里以上，有利于空间换时间的战略防御；另一方面青藏通道地处高平原，无地形限制，有利于快速机动的战略集结；此外，青藏通道内公路、铁路、能源、电力的集中，有利于喘息休整的战略保障。

G6京藏高速公路羊八井至拉萨段起于当雄县羊八井镇桑巴萨村，与国道109线、青藏铁路并行，途经堆龙德庆区德庆镇、马镇、古荣镇，止于堆龙德庆区乃琼镇波玛村，全长68公里，设计时速100公里。

青藏高速公路经济社会效益显著

建设青藏通道的技术难题主要是多年冻土，具有很好的研究基础和人才储备。因此，青藏高速公路已具备基本建设条件，推进其建设将发挥显著的经济社会效益。

打通青藏高速公路将实现国高网的最后贯通。青藏高速公路（格尔木—拉萨段）是国家高速公路G6北京至拉萨的最后一段。北京至格尔木段已经实现全线贯通，那曲至拉萨段也已开工，预计2021年建成通车，迄今仅余格尔木至那曲段还未实现最后贯通。因此，全力建设格尔木至那曲段高速公路是实现国高网全面贯通的最便捷方式。

打通青藏高速公路将全面提升进藏的交通服务水平。青藏公路承担着85%的出藏物资与90%的进藏物资运输工作。由于历史原因，青藏公路病害严重，历经4次大规模整治改建工程，维修路段达188公里，但是病害率仍在20%左右。由于交通量急剧增长、公路等级低、道路病害严重，青藏公路拥堵呈现常态化。仅2017年1月至9月就发生堵车122次。自2006年青藏铁路通车以来，青藏公路交通量年增长率由5%逐渐增至9%，交通量已接近饱和状态。

打通青藏高速公路将助力西藏精准扶贫。西藏是我国唯一的省级集中连片特困地区。2019年末，西藏全区所有县均脱贫摘帽。从人均GDP收入来看，西藏是我国人均GDP最低的省级地区，处于我国人均GDP的第五梯队。而交通先行是西藏精准脱贫攻坚的关键。因此，必须加大西藏地区高速公路的发展与建设力度，才能保证西藏人民在共同实现小康的道路上不掉队。

攻克多年冻土

青藏高原的“拦路虎”

1954年，青藏公路通车的喜悦并没有持续多久。开春后，人们惊奇地发现原本平坦的公路逐渐变成了烂泥滩，起伏不平，车队驶过随即陷入。这时，人们才发现，原来看似坚固的高原下另有玄机。

在青藏高原腹地大部分地区，分布着一种持续多年冻结的非常特殊的土体——多年冻土。与普通的土体多由土颗粒、水分和空气孔隙组成不同，多年冻土还包含冰，而青藏高原的低温环境是多年冻土赋存的气候条件。多年冻土富有持久的生命力，犹如任性的小孩儿，当温度降低（小于0摄氏度），它便平静地酣睡，内部的冰体将土颗粒牢固地包裹起来，坚硬如铁；而当外部温度升高（大于0摄氏度），它就如被惊醒的小孩儿，顿时发起脾气，内部冰体融化，土体变成一滩稀泥。因此，在青藏高原修路、架桥必须摸清冻土的脾气。

青藏高原高寒的气候条件及冻土对温度极其敏感的特性，造就了高原独特的冻融自然景观。如冻胀丘，是由地下水冬季结冰，在薄弱地带冻结膨胀并且向上隆起而形成的圆形或椭圆形地形；热喀斯特湖，是由地下冻土层内冰体融化而集水成湖；热融滑塌，由于斜坡地区坡脚地下冰层暴露，夏天冰层融化致上部土层塌落，并在重力作用下沿着斜坡缓缓下滑。总而言之，在青藏高原发生的诸多冻融自然现象均缘于土体的冻结或热融。

冻土的这种特殊性质成为工程建设的“拦路虎”，是世界级难题。具体来说，地基土体中的水冻结为冰时，体积增大9%，会发生冻胀现象；反之，遇热则融，土体发生沉降，即融沉。冻胀和融沉是冻土最为显著的两个工程特性，也是影响工程稳定的主要因素。当工程建设实施时，一方面破坏了原有的地表植被，使得土体直接暴露；另一方面工程结构表面特别是公路路面为显著的黑色吸热表面，就如冰上加热器，进一步加剧了土体的热融。以上过程虽然说起来简单，但是在多年冻土地区，冻土的热融就是引发工程结构发生病害、破坏的主要原因。

冻土工程技术领跑全球

正是由于冻土热融这一世界性难题，使得冻土工程研究成为国际学术与工程界研究的难点和热点。除我国以外，美国、俄罗斯、加拿大等冻土大国及北欧等国也在冻土区开展了不同的工程建设，如俄罗斯的西伯利亚铁路、美国的道尔顿公路等。由于地广人稀，以上国家的道路工程均以城市近郊公路为主，道路等级低、交通量小,绝大部分只铺设了砂石路面，通行条件较差，且运营多年来，其工程热融病害率均超过30%。

多年冻土

组图：20世纪90年代青藏公路冻融病害

我国在冻土工程技术方面走在了世界前列。自20世纪70年代以来，我国针对多年冻土，在青藏公路的整治改建中已累计投入近50亿元，持续开展了40多年的观测和病害整治技术研究，病害率控制在20%左右，堪称世界冻土工程奇迹。青藏公路冻土病害整治技术研究针对同一工程对象开展不间断的科学和技术研究，在国际工程界是唯一的，其研究成果一举奠定了我国冻土工程技术的国际领先地位。

羊八井互通

首次揭开高海拔多年冻土神秘面纱。与俄罗斯西伯利亚、美国阿拉斯加等世界主要的高纬度冻土相比，青藏高海拔冻土温度高、热融敏感性强，冻土冻胀融沉具有长期、隐蔽、突发的特点。

广东省已对2011年度和2012年度连续开展了两年考核工作。通过考核工作，使水资源管理日益受到地方政府领导重视、部门之间的协作也明显加强，考核也给地方政府尤其是得分排名靠后的地区带来了压力，促使这些地区加强节水和治污力度，加强对高耗水和高污染企业的限制和转型升级，取得了较为明显的成效。

摸清冻土工程病害类型及发生规律。几十年的跟踪调查监测表明，青藏公路融沉类病害与路基尺度和结构密切相关，主要表现为不均匀沉陷和纵向开裂，其占总病害率的75%以上，远超冻胀类病害。年平均地温低于零下1.5摄氏度的低温冻土病害易控，相对稳定；年平均地温高于零下1.5摄氏度的高温冻土病害表现出长期持续性，极不稳定。

找到医治冻土工程病害的良方。青藏公路冻土病害的治理实践是一部我国冻土工程科研工作者千方百计“保护冻土”的历史。20世纪70年代至90年代，受认识及经费限制，我国研究人员只能采取填土路基保护冻土，并相继研究提出“宁填勿挖”原则、最小填土高度、保护冻土临界高度等关键成果；20世纪90年代后，逐步开发出隔热保温、局部导冷等系列新技术、新结构、新材料，如热棒路基、XPS隔热层路基、碎（块）石气冷路基等。

把沥青路面铺到世界屋脊上。国际上首次在多年冻土区大规模铺筑黑色沥青路面取得成功，提出极端低温下的沥青路面结构选型及强度控制技术，逐步完善沥青路面快速修复及养护技术体系，路面防冻抗裂耐久性能稳步提升。这次尝试解决了多年冻土地区能否铺筑黑色沥青路面，以及如何铺筑的问题，有力保障了青藏公路成为世界第一条跨越700千米多年冻土地区的全天候通车二级公路。

成为国际冻土工程研究最大的数据源和试验场。依托青藏公路的整治改建，积累了长达46年的冻土环境与工程病害连续观测和试验数据；跨越青藏高原700千米多年冻土区，累计建设超200千米科研试验工程，共涉及12种特殊路基结构、2座桥梁试验工程、11类不同工况试验场，取得近300万组第一手科学试验数据，是国际冻土工程界不可替代的野外观测数据源和实体工程试验场。

共玉公路树立“国际冻土工程新的里程碑”

青海省玉树藏族自治州地处“万山之宗”昆仑山脉东南，长江、黄河、澜沧江“三江之源”；这里还是唐蕃古道、康藏通衢，汉藏文化在此交流交融。2010年4月14日，玉树州结古镇发生7.1级地震，遭受重创。作为连接玉树的主要通道，青藏高原东南边缘的青康公路（国道214线）在抗震救灾中遭遇断通。如何快速、高质量地修通成为抢险救灾、恢复重建的关键。2011年5月，国务院提出构建“一纵一横两联”“生命线”公路通道，青海省共和至玉树高速公路（共玉公路）破土动工。而跨越227公里的高温极不稳定多年冻土成为工程建设的瓶颈。沿线冻土地温高、含冰量大、热稳定性差，高速公路尺度又远大于青藏公路等二级公路，公路吸热、热融风险剧增，国际上更是没有多年冻土区高速公路建设的先例。针对这一问题，冻土科研工作者迎难而上，积极投入技术攻关，充分利用青藏公路建设经验，消化、吸收多年研究成果，为共玉高速公路“量身定制”新技术、新材料、新结构、新工艺。

2020年10月1日上午，G6京藏高速公路羊八井至拉萨段通车试运行。图为羊八井1号隧道。

强制弥散式通风路基

单向导热路面与片块石复合路基工作原理

理论方法自主创新：修建在冻土地基上的路基稳定性与路基自身的尺度关系极大，首创冻土路基尺度效应理论，揭示高速公路尺度增大后引发的冻土热融机理演化规律，解释为什么高速公路路基的稳定性问题比铁路和二级公路严峻得多。而基于此创建的冻土路基能量平衡设计理论，是通过一定的工程措施和技术手段，使得冻土地基恢复平衡状态，以保证路基稳定。

路面热能定向调控：黑色沥青路面是冻土路基吸热的主要来源。单向导热路面是通过在路面结构层不同层位添加不同热物理性质的工业材料，调节路面的导热性能，实现路面结构的热量快速散发。

通风换气增强：大量采用通风管、片块石等基底通风路基，针对路基尺度增大后的热融风险剧增难题，在通风管、片块石路基基础上，采用自动温控、太阳能风机强制弥散式通风等方式，变自然通风为强制通风。

导冷、阻热、调控复合：创造性地将热棒与工业保温材料复合，一方面利用热棒在冬季优良的热量传导效能散热，另一方面利用保温材料的隔热功能阻断夏季热量的导入。

热棒与桩基复合：将热棒结构与桩基复合，形成“桩棒一体”结构，利用热棒快速将桩基水化热导出，减少对冻土层的扰动。

生态防护优化：将原有开挖的草皮先集中养护，待施工完成后，再铺筑在路基边坡表面，既恢复了原始地表、保护冻土，又与当地生态环境融为一体。为此，沿线群众称赞共玉公路为“草原上‘长’出来的公路”。

通过共玉高速公路建设，我国在冻土路基、桥梁、隧道等方向形成理论方法与系列技术等原创性成果，成功突破了高海拔冻土区高速公路建设禁区。国际冻土协会认为“共玉公路成功建设树立了国际冻土工程新的里程碑”。

桩棒一体化工作原理

大规模建造需突破的难题

自2006年青藏铁路通车后，十余年来，科技部、交通运输部、青海省和西藏自治区着力开展了进藏高速公路建设前期科研攻关工作，通过“973计划”“863计划”“国家科技支撑计划”、国家自然科学基金、交通运输部重大专项等予以资助，累计投入资金超过2亿元。目前虽然在理论方法、设计技术及同类工程示范方面已具备坚实的研发基础，但在青藏工程走廊跨度达700千米的多年冻土地区，克服极端高寒缺氧、高频冻融循环及剧烈干湿交替的综合影响，全面推进建设并保障其工程长期健康，仍然面临诸多难题。

难题一：高原恶劣自然环境、狭窄走廊工程干扰与保通限制，难以保证大规模快速建造品质

针对高寒高海拔地区强紫外、大温差、长时低温及剧烈干湿冻融循环作用等极端气候条件下，施工环境恶劣、施工周期短、施工难度大，以及长大隧道施工面临的高应力、高压涌突水、岩爆、围岩大变形、复杂多变的地质条件等难题，突破路基路面、桥隧构造物等装配化和智能建造技术壁垒，构建全过程质量控制、全寿命工程保障的科学施工技术体系和保障能力，将对顺利打通进藏高速通道工程、提升建造品质意义重大。

难题二：缺乏全寿命周期智能监测与健康诊断技术集成，将制约进藏交通设施的灾变预警与健康运营

针对全球气候变化情况下工程构筑物健康影响要素复杂等问题，利用大数据理论、云计算、人工智能技术、北斗通信等先进技术，研发适用于极端高原环境条件下的高性能、长距离无线传输设备及装置，集成全方位、全时段的监测数据和决策平台，将对恶劣自然环境下高速公路的健康运营、灾变预警和防控发挥重要作用。

难题三：当前青藏高原工程建设与运营全过程能源消耗高，将进一步加剧高原地区长距离运输的能源供应紧张局面

青藏高原地区地广人稀，常规能源运输困难、成本高、供应紧张，在一定程度上制约了高速公路建设品质与运营服务水平。当前，低碳环保新能源技术在大型工程建设和运营全过程中的集成与规模化应用仍然面临诸多技术瓶颈。因此，将生态环保理念贯穿工程规划、建设、运营和养护全过程，积极探索太阳能、地热能、风能等清洁能源综合利用和低碳环保的建筑结构，对缓解高原地区长距离运输的能源供应紧张局面、建设进出藏高速交通绿色廊道具有深远意义。

难题四：当前依靠车站和道班的常规救急措施与保通技术，完全无法满足极端恶劣环境下突发灾害和重大交通事故的应急救援要求

面对当前进藏通道极端天气普遍、地质灾害频发、重大交通事故率偏高等客观因素，依靠沿线车站和道班实施常规性的救急和保通的相关技术现状对保障现有工程全天候通车都十分困难。因此，迫切需要在开展建设技术研究的同时，研究极端气候条件和地质灾害频发情况下的快速应急救援保障技术体系，充分运用卫星系统、无人机技术、远程通讯等道路交通安全信息感知与提取技术，研发配套的应急装备与救援保障设施，以期实现实时响应、快速反应、智能策应。

以上问题的突破将整体提升进藏高速公路的建养技术现代化水平，降低工程造价和全寿命周期成本，提高特殊自然环境下交通设施的供给品质与服务能力，为彻底打通西南战略高地——西藏与祖国内地的高速公路通道提供全面技术保障。

目前，青藏高速公路非多年冻土段那曲至拉萨段已于2020年10月通车试运行。而面临诸多困难的多年冻土段迫切需要开展智能建造及工程健康保障技术的全面攻关，宜在近两年内建设50公里至80公里的先导试验段，到2025年可全面突破管理、设计、施工、监测及维养的技术体系与标准规范体系。