泛北极多年冻土及重大线性工程稳定性状况

牛富俊，程国栋，石亚亚，尹国安，罗 京

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室,甘肃 兰州 730000；2.天水师范学院 资源与环境工程学院，甘肃 天水 741001)

0 引 言

多年冻土是指至少连续两年以上温度保持0 ℃或低于0 ℃且含有冰的岩土体[1]，其占据着北半球的1/4和全球裸露地表的17%[2]，主要分布在美国阿拉斯加、加拿大、俄罗斯和中国(图1)。按照区域分布上的连续性，多年冻土可分为连续多年冻土、非连续多年冻土、岛状多年冻土和零星多年冻土。Obu等利用TTOP模型得出以上4种不同类型的多年冻土面积分别为10.7×106、3.1×106、3.5×106、3.5×106km2[3]。在北半球，高纬度地区多年冻土连续性较好，含冰量也较高，相对而言，中、低纬度地区和山区多为不连续、零星或岛状多年冻土，同时含冰量也较低[4]。中国多年冻土主要分布在被称为“第三极”的青藏高原，多年冻土面积为1.15×106km2[5]。因此，大范围的多年冻土主要分布在泛北极地区。对于泛北极，尽管没有明确的区域和范围划分，研究中基本上将北极通常确定为地理上北极圈(约66°34′N)以北的海陆区域，也有以纬度及生态特征划分北极的方式[6]。近年来，随着北极气候变化及冰冻圈研究的拓展，泛北极区域在涉及国家角度一般指环北冰洋国家及近北极利益相关国家[7-8]，在中国主要涉及区域为东北大、小兴安岭多年冻土区。

泛北极多年冻土区隐藏着丰富的矿产、油气和水资源，为了开发利用资源促进经济发展，尽管在多年冻土区进行工程建设困难重重，近百年来在泛北极还是建成了诸多公路、铁路及管道工程(图1)。泛北极多年冻土区工程主要包括美国阿拉斯加(Alyeska)原油管道、加拿大罗曼井(Norman Wells)原油管道、中俄原油管道(漠河—大庆段)、阿拉斯加公路和铁路、西伯利亚铁路[9]，而在中国青藏高原多年冻土区主要有青藏铁路、青藏公路、共玉高速公路及格尔木—拉萨成品油管道等[9-10]。此外，泛北极是中国“一带一路”倡议的重要合作示范区域，在该区域拟建北京—莫斯科高速铁路、北极油气资源管道以及设想中的中俄加美高速铁路等重大工程，这些寒区线性工程的顺利建设均面临多年冻土热稳定性降低和冻融灾害频发等问题。

多年冻土是寒冷气候的产物，受气候变化影响显著，反过来也是气候变化的指示器[11-12]。IPCC第5次评估报告指出[13]：1880～2012年全球海陆表面气温升高了0.85 ℃；2003～2012年平均温度比1850～1900年平均温度上升了0.78 ℃。但受诸多因素的共同影响，不同地区气温变化程度并不一致。图2是基于美国宇航局发布的GISTEMP数据(http:∥data.giss.nasa.gov/gistemp/maps/)所绘制的1981～2016年冷季(11月至次年4月)和暖季(5月至10月)全球气候变暖程度空间分布，冷季升温幅度大于2 ℃的区域明显大于暖季，而且泛北极升温趋势明显大于其他地区。此外，气候变化情景研究表明，20世纪初北极气候变暖程度超过了全球气候变暖程度的2倍[14]。同时，高海拔和高山地区气温升高速率较其他地区快[15-16]。作为气候的产物，多年冻土对气候变化十分敏感[17]，尤其是气温不断上升的条件下，泛北极多年冻土的热稳定性受到了显著影响[18-23]。目前不可否认的是，受全球气候变暖和人类活动的共同影响，多年冻土呈强烈的退化状态[24],如活动层厚度增加、地温升高、地下冰融化以及融区范围扩大等[25-28]。同时，多年冻土退化过程中冷冻封闭的有机物中大量碳将分解成二氧化碳和甲烷，反过来又会影响到气候系统[29-31]。除了对气候变化的反馈作用外，多年冻土退化对于冻土环境及区内的重大工程均会造成严重的灾害效应，主要表现为热喀斯特发育过程中的系列灾害现象，包括地表塌陷、沉陷、热融滑塌、热喀斯特湖等冻土地质灾害[32-34]。与此同时，冻土退化不可避免地对多年冻土区重大工程的修建、运营和维护产生了重要影响，特别是多年冻土温度升高、冻土强度降低，会产生包括工程构筑物不均匀沉陷、坍塌、裂缝等系列病害[35]。

数据引自网站:http:∥data.giss.nasa.gov/gistemp/maps/图2 1981～2016年全球气候变暖空间分布Fig.2 Spatial Distributions of Global Warming During 1981-2016

气候变化、多年冻土退化、防灾减灾及区域可持续发展是泛北极各国都需面对的重要议题。“一带一路”倡议中重大基础设施建设的实施，无疑更需要具体应对多年冻土退化带来的灾害及工程灾变效应问题。为此，本文基于已有文献，综合相关研究及结合部分区域多年冻土热融灾害及工程病害调查，整体上分析泛北极多年冻土状况及其退化趋势，进而分析区内热融灾害、重大线性工程稳定性及病害现状，以期促进对泛北极多年冻土状况、灾害及工程病害效应的认识，并为区内重大线性工程稳定性维护、病害防治及未来工程设计建造提供参考。

1 多年冻土现状及变化

多年冻土地温和活动层厚度是表征多年冻土热状态最直接的指标。土体温度随季节变化而变化，其变化幅度随深度的增加而减小；在某一深度以下，地温在一年内相对不变，该深度从几米到20 m不定，通常用此处的地温即年平均地温(Mean Annual Ground Temperature，MAGT)来指示多年冻土热状态的特征[20,22]。在国际极地年(International Polar Year,IPY)期间，泛北极国家联合开展了加拿大、美国阿拉斯加、俄罗斯和北欧国家多年冻土的调查，至今部分钻孔数据仍在监测中，有一些地温钻孔历史时间序列记录超过了30年，这为后期多年冻土热状态变化研究提供了依据和参考。

图3是基于Aalto等根据统计建模方法获得的2000～2014年泛北极多年冻土MAGT分布[36]，以及结合Ding等利用钻孔监测资料统计得到的不同区域MAGT升温率分布[27]。在泛北极连续多年冻土区，多年冻土MAGT随着纬度的增加呈降低趋势，然而受暖洋流对气候的影响，格陵兰东侧斯瓦尔巴特岛和东南侧的斯堪的纳维亚半岛，以及俄罗斯西北部地区多年冻土的MAGT相比极地其他地区较高，最高MAGT接近于0 ℃[18-19](图1、3)。在北欧和北美西部山区，海拔是影响多年冻土另外一个不可忽略的因子[20]，随着海拔升高，冻土地温降低。在东西伯利亚、阿拉斯加和北美洲北部北冰洋沿岸，多年冻土MAGT低至-15 ℃，如在加拿大Ellesmere岛北部的高北极地区测得的最低MAGT为-15 ℃～-14 ℃[18-19]；在非连续多年冻土区，冻土MAGT一般在-2 ℃以上，但在一些地方受局地因素影响，如阿拉斯加公路走廊、加拿大西北育空地区南部、美国阿拉斯加—加拿大边境附近，多年冻土MAGT在-3 ℃以下。

数据引自文献[27]和[36]图3 泛北极多年冻土MAGT分布(2000～2014年)及不同区域MAGT升温率Fig.3 Distribution of MAGT (2000-2014) and Its Rising Rates of Permafrost in the Pan-Arctic Region

在地温变化或多年冻土热稳定性状况变化方面，根据一些钻孔地温数据记录，多年冻土地温整体呈升高的趋势，极地低温多年冻土地温(MAGT低于-2 ℃)升高最明显。自20世纪70年代末以来，泛北极高纬度低温多年冻土温度升高可达3 ℃(美国阿拉斯加北部，观测深度为10～20 m)[11]；Halsey等对加拿大北部森林区的观测数据研究发现自小冰期以来多年冻土不仅向北退化而且地温也在升高[37]；自2000年以来，加拿大Ellesmere岛北部观测孔数据显示多年冻土地温变暖速率比之前更快，美国阿拉斯加北坡20 m处地温是所有北美观测钻孔中升高最显著的，在高温多年冻土区(如在加拿大马更些山谷的南部和中部、美国阿拉斯加内陆、西伯利亚和北欧地区)的不连续多年冻土地带，多年冻土MAGT增加小于0.2 ℃，甚至有些站点的地温变化很小或呈轻微的降低趋势[19-20]。美国阿拉斯加内地的多年冻土地温2007年以后有减小趋势，到2014年时该地区的一些钻孔地温要比远处(美国阿拉斯加北部)的钻孔地温低，这可能与该时期气温未升高和较浅积雪有关[38]。同样，在过去的30～35年，俄罗斯北部的多年冻土MAGT上升了1 ℃～2 ℃[19]；20世纪80年代后，极地多年冻土区俄罗斯乌拉尔山地温观测孔15 m深度处MAGT每10年增加大约0.5 ℃[39]，俄罗斯欧洲北部和西伯利亚西部的北极地区多年冻土10 m深度处地温升温率为每10年0.4 ℃～0.6 ℃，此外东西伯利亚北部大多数多年冻土钻孔地温呈变暖趋势[40]。北欧地区斯瓦尔巴特岛最北部的地温增加较快，这与该地区气温变暖和极端气候的共同作用有关[41]。在加拿大哈德森湾北巴芬岛，多年冻土地温升温率为0.16 ℃·年-1～0.19 ℃·年-1(图3)，但该处地温监测深度为5 m。近30年来美国阿拉斯加West Dock和Deadhorse观测站点多年冻土50 m深度处的地温上升了1 ℃。整体上，北欧、美国阿拉斯加和俄罗斯等泛北极大多数观测站点揭示在过去几十年多年冻土发生着明显的退化[42-43]。多年冻土升温除受到气候变暖整体趋势的影响外(据估算，1901～2015年泛北极地区冻结指数呈下降趋势，融化指数呈上升趋势，且1988年以后冻融指数的变化趋势比以前更加明显[44])，局地因素差异也是影响升温差异的重要要素，包括雪盖、坡向、植被及土质等[45](如北极圈的冻土苔原缓冲层较薄，因此，相比森林地区的站点，其冻土地温对气候变化更为敏感[46-47])。总之，地温增加在时间和空间上都具有差异性，但整体上泛北极连续多年冻土区的低温冻土地温升温程度较为明显，而非连续多年冻土区的高温冻土地温升温程度较小。这种升温具有长期性，如欧洲PACE(Permafrost and Climate in Europe)山区多年冻土监测网中提供的斯瓦尔巴特岛和斯堪的纳维亚半岛的3个钻孔冻土地温剖面表明在过去几十年中，至少在60 m深度处仍可监测到地温升高现象，近10年该地区多年冻土上限温度平均每年增加0.04 ℃～0.07 ℃，相比过去有加速变暖的趋势[48]。

数据引自文献[36]和GTN-P(http:∥gtnpdatabase.org/)图4 泛北极多年冻土活动层厚度分布(2000～2014年)及不同区域活动层厚度变化率Fig.4 Distribution of Active Layer Thickness (2000-2014) and Its Rising Rates of Permafrost in the Pan-Arctic Region

根据Aalto等的研究成果[36]及Global Terrestrial Network for Permafrost(GTN-P)数据，绘制了泛北极多年冻土活动层厚度分布及代表性监测点获得的活动层厚度变化情况(图4)。从图4可以看出，泛北极多年冻土活动层厚度分布随着纬度变化显著，除斯堪的纳维亚半岛外，北极圈至北冰洋沿岸范围活动层厚度小于50 cm，向南至俄蒙边境及中国东北地区，活动层厚度大于200 cm。美国阿拉斯加、加拿大西北地区多年冻土活动层厚度整体上处于50～100 cm。气候变暖导致多年冻土地温升高的同时，活动层厚度也发生着显著变化，尤其是响应夏季气温变化的活动层厚度表现出较大的年际波动[49]；从观测站点数据记录来看，近年来活动层厚度整体呈增加趋势[50]。从图4还可以看出，2000～2014年多年冻土活动层厚度基本没有变化的监测站点主要分布在美国阿拉斯加、加拿大西北部靠近北冰洋的区域以及俄罗斯西伯利亚东北部。在泛三极活动层厚度整体增加的背景下，其增加幅度存在区域性差异。根据Luo等的统计分析[28]，美国阿拉斯加大约25%的监测孔和加拿大33%的监测孔显示活动层厚度显著增加。但向多年冻土分布的南界方向，活动层厚度的增加趋于明显，在俄蒙边境地区，活动层厚度增速为3～5 cm·年-1，甚至部分监测孔显示超过5 cm·年-1。此外，Frauenfeld等根据长序列的监测数据，分析了1930～1990年俄罗斯242个监测站点的冻土年际变化特征[51]。结果表明，冻土发生了以活动层厚度增大为表象的明显退化，1956～1990年活动层深度整体上增加了20 cm，即使是季节冻土区的冻结深度都减少了34 cm。20世纪80年代以来，处于斯堪的纳维亚半岛的瑞典北部泥沼地的低地多年冻土在加速退化[52-53]，9处泥沼地监测到多年冻土厚度在减小、活动层厚度在增加，3处泥沼地的多年冻土已经完全消失[53-54]。

2 多年冻土退化的灾害效应

图(a)、(b)引自文献[56]；图(e)引自文献[57]图5 泛北极多年冻土热融灾害Fig.5 Thermal Hazards of Permafrost in the Pan-Arctic Region

在全球气候变暖的背景下，泛北极多年冻土正发生着不同程度的退化及消融，进而导致冻土热融灾害现象频繁发生。泛北极多年冻土区普遍出现了热融灾害，与其有关的现象(主要为热喀斯特滑坡和热喀斯特湖)主要发生在美国阿拉斯加、加拿大北部和俄罗斯亚马尔中心地区[55](图5)。加拿大Banks Island地区约7.0×104km2的范围内，1984～2013年热融滑塌数量增加了60倍[图5(a)、(b)]，且预测在全球气候变暖情景下，其今后增加幅度将更加显著[56]。与此类似的是，单个热喀斯特滑坡范围也呈现逐年增加的趋势，如由国际冻土协会(International Permafrost Association,IPA)出版的《Frozen Ground》2020年报告报道[57]，阿拉斯加公路K1456处的一处热融滑塌自2014年以来，向公路方向的扩展速率高达8 m·年-1。

然而，泛北极热喀斯特湖的变化趋势有些特殊。尽管多年冻土退化、地下冰融化能够为区域提供更多的水源，但实际上热喀斯特湖的数量在一些区域趋于减少。Smith等研究表明：自20世纪80年代以来，泛北极变暖加速过程中，西伯利亚51.5×104km2范围内的大型湖泊(大于40 ha)在1973年至1997～1998年之间的数量和面积普遍减少，尽管期间降水量略有增加；大型湖泊总数由10 882个减少到9 712个，数量减少了11%，实际上大多数并没有完全消失，而是缩小到40 ha以下；湖泊总面积减少93 000 ha，降幅达6%[58]。其主要是泛北极热喀斯特湖融穿多年冻土后，湖水转化为地下水，相当于发生了泄漏疏干了湖泊，导致热喀斯特湖的数量减少[58-60]。这种变化与青藏高原热喀斯特湖发展趋势是相反的[61]，其主要原因在于地下岩土层透水性能存在差异。

多年冻土退化的主要灾害效应表现为热融沉陷。Hjort等按照沉降指数(活动层厚度增加值与多年冻土浅层体积含冰量的乘积)的思路[62]，综合考虑了活动层厚度、地下含冰量、地温、土体中细颗粒含量以及坡度5个要素的影响，采用要素相对影响度专家赋值及加权计算的方法，获得了基于RCP4.5气候变化预测情境下2041～2060年泛北极多年冻土热融灾害潜在危险性评估结果。本文利用其计算结果重新绘制了该图(图6)。图6将热融灾害划分为高、中及低危险性3个等级，评估结果认为高危险性以上区域占研究区的13.8%，中危险性区域占41.3%，低危险性区域占44.9%。根据评估结果，高危险性区域主要分布在泛北极连续多年冻土的南缘区域，包括俄罗斯新西伯利亚、俄罗斯—蒙古接壤一带、鄂霍次克海沿岸、美国阿拉斯加南部等区域。该地区地温较高(-1 ℃～0 ℃)，含冰量较高，地形变化较大，冻土对气候变化极为敏感，斜坡稳定性差，导致该区域极容易诱发热融灾害。因此，未来在这些区域极地线性工程(公路、铁路及油气管道)设计与建设过程中应当充分考虑热融灾害的影响，在线路穿越高危险性区段时，应考虑用桥梁通过的方式建造。

危险性区划引自文献[62]图6 泛北极多年冻土2041～2060年潜在热融灾害危险性评估Fig.6 Assessment of Potential Hazards Induced by Permafrost Thawing from 2041 to 2060 in the Pan-Arctic Region

3 多年冻土退化的工程病害效应

多年冻土退化是发生在气候变暖的大背景下，但在工程活动叠加效应下，其退化程度将进一步加剧。James 等调查研究表明[63]：自1964年以来，沿着加拿大Yukon南部和加拿大北部阿拉斯加公路走廊，多年冻土严重退化，南缘多年冻土向北退化了至少25 km。显然，在气候变暖背景下叠加了工程影响后的多年冻土退化更为明显，反过来则严重影响到冻土工程的稳定性。根据对泛北极以及中国青藏高原一些重大冻土工程病害的统计，除青藏铁路外的道路工程病害率基本大于30%[64]；俄罗斯先后在多年冻土区修建了外贝加尔和阿穆尔铁路，工程病害率基本上均在30%左右；中国青藏公路病害率也达到33%；中国东北大、小兴安岭地区牙林线与嫩林线工程病害均超过30%。

根据文献资料及数据统计，将泛北极多年冻土区铁路、公路及管道等线性工程沿线主要冻土条件、工程病害类型及发育特征列于表1～3中。

从泛北极多年冻土区主要铁路工程冻土条件及病害特征(表1)可以看出：泛北极阿拉斯加铁路沿线分布大量以细颗粒土为主的多年冻土，且经常发育冰楔[65-67]，所导致的冻土路基病害主要表现为沉降变形，并主要由细颗粒高含冰量冻土融沉及排水条件不良所导致[65]；西伯利亚铁路沿线整体上多年冻土地温较低，东段穿越连续多年冻土区，工程病害主要表现为冻土路基融沉，且在发育冰楔的路段出现冰楔融化导致路基塌陷、钢轨悬空的极端现象[68-70]；中国东北大、小兴安岭路林区铁路穿越山麓、洪积扇及河漫滩等不同地貌单元冻土条件复杂，病害以差异变形、开裂、涎流冰及边坡坍塌为主[71]。整体上，多年冻土区铁路路基以融沉为主的工程病害发育程度与土体含冰量、土质细颗粒含量成正相关关系，但工程周边环境也是影响工程稳定性的重要因素，不利的排水条件在各类环境因素中影响最为显著；多次反复的冻融以及路基阴阳坡温度差异效应会导致不均匀变形，并造成坍塌、裂缝、构筑物变形等破坏。

表1 泛北极多年冻土区主要铁路工程冻土条件及病害特征Tab.1 Permafrost Conditions and Engineering Problem Characteristics of Main Railways in the Pan-Arctic Region

泛北极多年冻土区的公路工程病害(表2)相对于铁路而言更为严重。从表2统计结果可以看出：阿拉斯加公路发生病害的主要原因在于路基下伏多年冻土升温显著高于天然环境下冻土升温，导致冻土及地下冰楔融化，诱发不均匀沉降及边坡坍塌等病害[66]；中国东北地区多年冻土区漠北公路穿越了中国最北端的连续和岛状多年冻土区，因高温高含冰量冻土，路基不均匀沉降变形严重[72]。若考虑漠北公路因通车时间长才病害严重，但实际上若在处于强烈退化过程中的多年冻土之上修筑高等级公路，通车后即使在较短的时间内，因公路黑色路面强吸热等因素影响，路基病害也会快速出现。如通车近5年的共玉高速公路，穿越了青藏高原东缘处于强烈退化的高温多年冻土区，尽管采取了一些主动冷却、保护多年冻土的工程技术，但因冻土退化强烈、黑色路面强吸热、路基侧积水等因素影响，以沉降、波浪、裂缝等为主的病害问题逐渐趋于显著[10]。此类工程病害问题尤其是病害发展趋势不仅为未来“一带一路”倡议中高等级道路工程穿越多年冻土区的建设提供了经验和教训，也提出了新的挑战。

表2 泛北极多年冻土区主要公路工程冻土条件及病害特征Tab.2 Permafrost Conditions and Engineering Problem Characteristics of Main Highways in the Pan-Arctic Region

泛北极多年冻土区油气资源丰富，为开采油气，早在20世纪70年代就建造了全长1 277 km的阿拉斯加输油管道，管道沿线3/4的长度下伏多年冻土段，主要以架空方式通过；但在部分埋地式通过区段，管道周围形成融化圈，形成软弱带，造成沉降及斜坡地带的流变病害[73-75]。尽管如此，以桩基与热棒复合体形成的热桩支撑为主的阿拉斯加输油管道，以其长距离穿越多年冻土区且保持冷却地基长期稳定性而成为世界上多年冻土区最为成功的管道工程。加拿大罗曼井输油管道全长869 km，在运营30余年期间，融沉和冻胀问题严重[73-75]。于2011年开通的中俄原油管道一线工程全长965 km，其中冻土区段长440 km，所穿越的多年冻土处于高纬度冻土区南缘，冻土热稳定性差，且采用的埋地式建造

表3 泛北极多年冻土区管道工程冻土条件及病害特征Tab.3 Permafrost Conditions and Engineering Problem Characteristics of Pipelines in the Pan-Arctic Region

方式在管道中油温为正温的影响下发生了周边冻土融化，在诱发沉降的同时，地表、地下水聚集进而引起了冬季冻胀问题，造成了较为严重的差异变形乃至断裂风险[76-78]。中俄原油管道二线工程尽管目前没有严重的病害，但随着时间推移和变形累积，工程稳定性问题将逐渐显现[79]。

4 重大线性工程状况及工程措施评价

泛北极已修建和拟建的基础设施因下伏多年冻土特殊的工程地质条件面临着一系列挑战，如极端冻胀、热融沉降、融冻泥流、滑坡等。这些挑战不仅体现在工程的修建和维护上，甚至会对构筑物使用者安全造成一定的威胁。冻土工程问题通常与多年冻土活动层厚度、地温、含冰量、天然或人为条件下形成的地表环境等有很大的关系。某一因素的改变都会扰动该区域的热平衡状态，进而影响工程建设与运营维护[64]。例如，施工过程中破坏了具有保护特性的植被层，其长期的热平衡状态受到了相应的扰动，多年冻土上限深度加大，活动层厚度增加以及地下冰融化使得土体含水量增加。因此，一方面在夏季活动层融化、岩土体强度降低发生沉降；另一方面在冬季冻结时，地面发生更为明显的冻胀隆起。多年冻土以其特殊的物理力学性质以不同方式影响着基础设施的稳定性。以下针对铁路工程、公路工程和管道工程等3类泛北极多年冻土区的主要重大线性工程采取的工程措施及效果进行了概括总结。

4.1 铁路工程

冻胀和融沉的交替发生是影响路基结构稳定性的主要原因，冻胀引起路基开裂、路面裂缝与破损以及结构层不均匀沉降等，融沉导致路基工程结构沉降甚至在路肩发生侧向变形等。

北美早期修建于1910年的阿拉斯加铁路从Seward到Fairbanks全线长756 km，通过多年冻土区的路段长达378 km，其建造按照常规路基完成，后期部分路段采用了块碎石护坡。该铁路Murphy Dome段因冻土融化引发的路基不均匀沉降，如果路基沉降变形当年没有及时维修，变形累积持续加重[65]。运营期间病害治理主要针对改善路基水热状况，采用了包括保温护道、块碎石护坡、热棒等措施；但因冬季冻胀、夏季融沉的反复破坏，其维修成本高昂，如自Dunbar到Happy的50 km距离，1969年报道的维修成本达每年200 000美元[65]。

俄罗斯在19世纪末修筑了世界上最长的连贯铁路——横贯西伯利亚铁路。该铁路从莫斯科出发到太平洋海岸的符拉迪沃斯托克，全长为9 446 km。20世纪70年代末，俄罗斯又修建了新西伯利亚铁路贝加尔—阿穆尔铁路(简称“贝阿铁路”)干线，全长4 200 km，包括乌斯基库特—阿穆尔河畔共青城铁路干线、泰谢特—勒拿铁路复线以及巴姆—泰达—别尔卡基特铁路支线，全线有86%路段穿越多年冻土，冻土层厚度从1～3 m到数十米不等[69]。

2002年，中国铁路考察团对1988年修建的巴姆铁路恰卡至琴那路段进行了实地考察。该段铁路海拔约为1 800 m，但位于高纬度河谷段多年冻土区，MAGT为-7 ℃～-5 ℃，线路主要以陡填、半填半挖、路堤、路堑等形式通过。路基工程主要采用基底以下3 m换填掉高含冰量冻土、沼泽段路堤大于3 m及部分路堤段采用块石护坡、设置保温护道等措施，也曾开展过遮阳防雪棚以及纵向、横向通风管路基试验[70]。沿线地温较低路段因冻土相对稳定而病害不多，但部分病害严重路段的病害形式以融沉和开裂变形为主。例如，沿线两处挖方地段为高含冰量冻土，施工设计通常要求路基基底3 m厚范围内的冻土进行换填，但实际上仅换填了1.5 m，致使施工完成后路基就已经发生了下沉。此外，路桥过渡段未处理好导致差异沉降显著[68]。值得指出的是，相较于泛北极多年冻土区众多道路工程，中国修建于“第三极”的青藏铁路在冻土区段根据冻土条件针对性地采用了“冷却路基”结构措施[35]，冻土路基整体稳定，尽管存在一定的病害，但病害率至今未超过5%，且一直维持着100 km·h-1的设计时速，目前依然是世界上多年冻土区行车速度最快的铁路。这说明在退化型多年冻土上修建铁路，“主动保护、冷却路基”的设计和建造思路对于保持工程长期稳定性有重要意义。

4.2 公路工程

美国阿拉斯加主次干道公路超过了3 200 km，大多数路段都受到下伏多年冻土的影响。公路修建后，路基下多年冻土地温对气候变化更为敏感。两年期间，气温变化4 ℃会引起路基下1.5～3.0 m深度处地温改变2.5 ℃[65]，但天然地表下相应位置地温变化小于1 ℃。因此，路基下伏多年冻土对季节温度变化的更高敏感性更易引起路基病害的发生。阿拉斯加公路采用填筑一定高度的路基以延缓和防止冻土融化，但经常缺乏适合的路基填料，即使在靠近Barrow一带可采用河床卵砾石作为填料，因需要草皮和粉土作为黏合物保障路基的整体强度，却带来了排水不畅导致的新问题[66]。因此，阿拉斯加公路保通需要经常性的养护与维修，尤其在部分细颗粒土分布区且发育冰楔的路段，因差异沉降严重而不得不废弃，但近年来在沿线也开展了“冷却路基”措施现场试验与措施效果工作[35]。

中国东北海拔为500～2 000 m，冬季漫长干寒，夏季短促湿热，为大陆性季风气候。该地区分布着高纬度多年冻土，多年冻土面积约为4×105km2[80]，多年冻土厚度从数米到50～75 m不等。多年冻土区的公路根据不同的工程地质条件采用的工程设计和防护措施有挖除冻土换填砂砾、预先融化冻土、临时路面、保护冻土等[81-83]。以漠北公路漠河机场至北极村区段为例，冻土路段长16.95 km，路基宽21.50 m，路线为南北走向，冻土上限深度为1.1～3.6 m，地温为-3.0 ℃～-0.1 ℃不等，该区段最突出的病害问题是岛状多年冻土分布的不连续性和不均匀性导致的不均匀沉降，工程采取的措施是清除天然地表填筑及换填冻土软弱层[83]。沿线监测结果显示[72]：路基病害多为沉降变形；路基下伏土体变形具有延迟性，不能全部实时反映到路面上，随着地温的升高、含冰量的增加，不均匀变形量在增大；路基暖季的变形要大于冷季的变形。该区段根据冻土类型、路基填高、冻土上限和冻土地温的不同采取了清除天然地表、清除多年冻土软弱层、保持原地表直接填筑等工程措施。

4.3 管道工程

泛北极蕴藏着丰富的油气资源，北极地区未开采的资源占全世界探明储量的1/3，泛北极还有大量未勘探的油气资源[6]，这使得管道建设、运营和维护等得到了广泛重视。针对多年冻土区的管道建设需要采取相应的措施以防治冻胀和融沉引起的病害。泛北极已建成并运营至今的管道有阿拉斯加原油管道、中俄原油管道一线、加拿大罗曼井原油管道和中俄原油管道二线。寒区负温环境下，管道周围土体冻胀容易引起管道的变形或破裂，土体含水量、地表温度、管道埋深、管道直径、油温和流速等都会影响管道冻结损伤[84]。

阿拉斯加原油管道输送温度为60 ℃，管道沿线75%为多年冻土，一半以上含有大量地下冰。埋地式管道完成后的第一年，周围多年冻土融化深度可达10 m，后经勘探调查及重新设计，大约610 km管道设置在地表以上，且采用了热桩技术主动冷却地基以保障其热稳定性。在高温多年冻土区，高温原油管道如果不采取冻土融化防护措施，管道周围的冻土融化会形成一个“融化圈”，且管道周围的融化深度逐渐增加，尽管融化速率会递减，但融化状态很难达到一个平衡状态[74]。

1985年，加拿大完成了多年冻土区第一条埋地原油管道——罗曼井管道的建设，管道油温约为-1 ℃[85]。管道从北到南，多年冻土的温度在升高、厚度在减小。管道北部的年平均地表温度为-3 ℃～-1 ℃，管道南部的多年冻土温度为-1 ℃～0 ℃，厚度小于20 m。原油管道沿线融化易发区的边坡采用木屑层保温[74]。此外，管道施工过程中破坏植被、清除有机土、开挖管沟等都会加大冻土融化深度。因在管道施工设计和运营时考虑了预期融沉所产生的应力，且通常实测的融化深度小于预测值，所以融沉影响较小。但在一些含冰量高的有机土地区，融沉量超过了容许值。

中俄原油管道在中国境内管道长933 km，设计年输送量1.5×107t，管道采用传统的沟埋敷设方式，埋深为1.6～2.0 m，接近多年冻土上限[86]。高温运行的管道会不断地对周围冻土进行加热，使高含冰量土逐渐融化发生固结沉降，融化后聚集在管沟内的融水会进一步加速地基土的沉降变形，甚至造成管道破裂。中俄原油管道处在一个受温度场、水分场、应力应变场等多因素影响的耦合空间中，而这些因素相互影响和制约，发生在整个冻融全过程[87]。王伟等通过对中国大兴安岭地区中俄原油管道各因素对冻胀融沉的敏感性分析得到[88]：季节性活动层中细颗粒土和泥炭土对管道融沉有很大的影响，可以采取排水或者阻水的方式降低地基土的含水率或者提高密实度来降低融沉性；实际工程中，冻胀和融沉的防治可针对含泥量、含水率、冻融循环次数等主要影响因素进行改善。2008年对中俄原油管道的冻害调查发现：冻胀丘、冰锥受地形地貌影响较为显著，高纬度地区伊勒呼里山岭地带泉冰锥极其发育；低山丘陵地带多为岛状多年冻土，冻胀丘较为发育，管道拱管漏油现象也多发生在此处；另外，管道沿线地区的冻融循环和管沟冻胀也是冻胀性病害的主要体现形式[88]。2011～2012年监测数据显示多年冻土区管道的主要风险为融沉。为了控制冻融灾害的发生，管道不同区段采用了地基土换填、保温管道、埋设热管、增加壁厚等措施防治冻土大量融化而产生管道破裂的问题。

4.4 工程应对原则与建议

整体上，对于冻融灾害及冻融工程病害的防治，需从气候变化的冻土灾害效应、冻土退化的工程危害效应、工程措施的机理及长期效应等角度综合规划、综合设计、针对性实施。其一，在大尺度上，针对泛北极脆弱冻土环境，加强多年冻土区的监测数据挖掘、再分析，以捕捉区域尺度多年冻土条件的空间异质性，以降低预测结果的不确定性，保障工程规划的科学性、合理性；同时也可以用多种气候驱动数据或不同类型的遥感数据模拟冻土分布特征、环境特征来评估工程环境承载力[89]。其二，需提高气候变化、冻土退化背景下热融灾害的防范与应对水平。例如，加拿大针对冻土工程研究的重点之一是提高多年冻土对气候变化的响应评估的准确度，其次是制定了多年冻土工程适应气候变化的技术准则，以减缓多年冻土退化对工程建设的稳定性影响[90]。挪威曾考虑到受极端气候影响下的滑坡是挪威公路网面临的主要挑战(如每年大约有2 000次滑坡干扰道路)，为更好地把握气候变化与极端天气事件的频率、强度和分布之间的联系，完成了一个为期4年针对预测极端天气对基础设施的影响研究项目，其方法也可以应用于北极的若干地区[91]。俄罗斯对北极地区一些最大的多年冻土定居点承载力变化的评估表明，1970～2050年，多年冻土带南部边缘的承载力下降幅度最大。综合对比泛北极多年冻土区线性工程营运状况，以阿拉斯加输油管道采用冷却桩基保持了良好的稳定性为代表，泛北极道路工程部分段落也采用了“冷却路基”的措施进行工程维护与改造。需要强调的是，在气候变暖、多年冻土退化大背景下，“主动保护、冷却地基”仍然是多年冻土区线性工程设计的首选原则[92-93]，但开展针对性的工程措施优化研究将依然是保障工程长期服役性能的基础性工作。

5 结 语

(1)冻土作为气候变化的灵敏指示器，在气候变暖的背景下，泛北极多年冻土与环境、工程之间以复杂的方式相互作用。多年冻土对气候变化的响应主要体现在多年冻土面积减小、多年冻土MAGT升高、活动层厚度增加、融区扩大等一系列现象。多年冻土退化过程中以热喀斯特滑坡为主的热融灾害呈现剧烈增加的趋势。

(2)多年冻土退化势必对泛北极各类工程稳定性造成严重影响。铁路、公路以及管道等重大线性工程均遭受着冻胀和融沉问题，如路基沉陷、裂缝、桥梁隆起、阴阳坡效应诱发的差异沉降等，泛北极多年冻土区道路工程病害率大于30%。原油管道也发生了沉降、管道翘曲、管道弯曲甚至断裂等病害。多年冻土区线性工程病害整体上以融沉为主。

(3)泛北极重大线性工程在气候变化的背景下都面临着热融灾害及工程稳定性问题。区域性冻土退化、灾害效应及工程危害评估是保障冻土工程规划科学性、合理性的基础工作；“主动保护、冷却地基”依然是冻土工程设计的首选原则；而研发和优化针对性工程措施是保障退化型多年冻土区工程长期服役性能和病害防治的必要工作。

谨以此文庆祝长安大学七十周年华诞，祝愿母校教学、科研双双取得更高成就，培养更多优秀人才，在“双一流”建设中取得更大成就，成为特色鲜明、成绩斐然的西北名校！我于1992年、1995年和1998年在西安地质学院分别取得学士、硕士和博士学位，在母校十余年的求学情景历历在目，仿佛感觉时光可以倒流。博士毕业后，我入职中国科学院冰川冻土研究所，研究所2000年合并为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，2016年再次合并为中国科学院西北生态环境资源研究院，工作单位和母校一样，顺应时代需求经历了两次改革、更名。20余年的科研历程、每项重大科研项目都和母校师生有着紧密合作，维持着求学时、科研中浓浓的长大师生情！