俄罗斯贝阿铁路多年冻土工程技术综述

钱征宇

（中国国家铁路集团有限公司 科技和信息化部，北京 100844）

俄罗斯是世界上多年冻土分布最广的国家，也是最早在多年冻土区修建铁路和开展城市建设的国家，在多年冻土区修建铁路已有近百年历史［1-4］。为解决青藏铁路多年冻土工程技术难题，建设世界一流高原冻土铁路，必须充分借鉴国内外高原冻土的研究成果和实践经验［5-6］。对国内外既有冻土工程技术研究成果进行系统梳理和分析，尤其对俄罗斯多年冻土工程技术的分析，为解决青藏铁路多年冻土工程难题提供了有益的参考和借鉴。

1 俄罗斯多年冻土铁路概况

为解决多年冻土对铁路建设和运营的危害，俄罗斯首先开创了多年冻土学，并逐步发展形成为一门新的学科［7-8］。腾达冻土研究站成立于1927年，该研究站长期对西伯利亚铁路、贝阿铁路多年冻土工程开展现场观测研究，在多年冻土铁路设计、施工和运营等研究方面积累了丰富的资料和实践经验。由于多年冻土工程的复杂性，俄罗斯既有多年冻土铁路病害仍相当严重，线路行车速度普遍较低。

1.1 西伯利亚铁路

始建于1891年的西伯利亚铁路东西横贯亚欧大陆，自莫斯科经车里雅宾斯克、鄂木斯克、伊尔库茨克到达符拉迪沃斯托克，全长9 288 km，是世界铁路建设史上规模最大的铁路工程，也是首条通过多年冻土区的铁路。西伯利亚铁路全线于1916年建成通车，该铁路在后贝加尔和阿穆尔地区有约2 200 km线路通过多年冻土区，沿线气候恶劣、人烟稀少，工程建设困难极大。

20世纪初，关于多年冻土的理论还处于萌芽阶段，对多年冻土的工程性质和发育规律认识极为肤浅，在铁路工程设计和施工中还未认识到其特殊性。在铁路建设过程中，多年冻土危害逐步显现，其路基普遍产生下沉、冻胀，给排水管道和房屋遭到破坏，很多建筑因地基塌陷而废弃［9］。多年冻土病害致使铁路线路长期限速25 km/h，断道停运事故经常发生，给铁路正常运行带来极大困难。西伯利亚铁路的建设和运营为多年冻土工程技术研究提供了现实需要，为掌握沿线多年冻土工程特性和分布规律，西伯利亚铁路建设局于1895年发布了第1部《西伯利亚冻土研究指南》，在沿线建立了多个冻土定位观测站，开始积累冻土观测资料，为工程冻土学发展作出了巨大贡献。西伯利亚铁路虽运营百余年，多年冻土病害仍未得到根本治理，因冻土热融下沉造成的线路限速常有发生，行车速度仍限速80 km/h。

1.2 贝阿铁路

贝阿铁路是俄罗斯第2条横跨西伯利亚的铁路干线，全长4 324 km。贝阿铁路中段乌斯季库特—共青城全长3 145 km，位于既有西伯利亚铁路以北200～500 km，其中通过多年冻土地段约2 500 km，1974年开始分段开工建设。

贝阿铁路沿线主要为西伯利亚荒无人烟的原始森林，物资匮乏、交通不便，每年冻结期长达9个月，冬季最低气温达-60℃，自然环境和地质条件极为复杂。为查清沿线多年冻土工程地质条件，苏联举全国之力组织多支工程地质专业队伍对多年冻土区进行了大规模的勘察调查，在极为艰苦的条件下开展线路方案、工程地质、多年冻土等方面的研究工作，确定了多年冻土区线路设计、施工技术方案。由于工程艰巨浩大，苏联政府将贝阿铁路称为“世纪工程”和“通向21世纪之路”。在建设中，由于北穆伊斯基隧道施工遭遇复杂的地层断裂带和高温地下热泉，建设进度大大滞后。为保证按期开通，临时修建最大坡度40‰的便线维持行车。1984年，贝阿铁路开始分段临时运营；1990年，贝阿铁路全线通车；2003年，贝阿铁路北穆伊斯基隧道及配套设施竣工。

1.3 其他铁路

俄罗斯在多年冻土区还修建了阿穆尔—雅库茨克铁路，该线路南起西伯利亚铁路的斯科沃罗季诺站，在滕达与贝阿铁路相接，北至雅库特共和国首府雅库茨克附近的下别斯佳赫站，全长1 239 km，全部在多年冻土区通过。此外，伯朝拉—沃尔库塔铁路、苏尔古特—乌连戈伊—纳德姆铁路的北部也在多年冻土区通过。

2 多年冻土工程技术

2.1 项目特点

贝阿铁路采用俄罗斯一级干线铁路标准，轨距1 520 mm，最小曲线半径400 m，特殊情况下允许最小曲线半径250 m，线路计算坡度9‰，越岭地段最大坡度18‰。由于沿线小半径曲线多、轴重大，采用热处理65 kg/m钢轨，碎石道床和当地产油浸木枕，直线地段铺设木枕1 840根/km，曲线半径1 200 m以下地段铺设木枕2 000根/km。

贝阿铁路以路基工程为主，路基长度占线路总长90%以上。全线修建大小桥梁3 000余座。其中，大桥150座，最长的阿穆尔河大桥长度1.45 km，勒拿河大桥和结雅水库大桥长度也超过1 km。为降低工程造价、减少施工难度，在铁路建设中很少采用隧道，通常以传统的大坡道展线方案跨越山岭。贝阿铁路全线仅修建隧道8座，总延长约30 km，不足线路总长的1%。其中，最长的北穆伊斯基隧道长15.3 km，是前苏联最长的铁路隧道。

2.2 设计原则

多年冻土是一种对温度极为敏感且性质不稳定的土体，其物理力学特性与温度及含冰量密切相关［10］。修筑于多年冻土地基的建筑物在施工和使用过程中不可避免地受周边热环境影响，使多年冻土状态发生变化［11］。在贝阿铁路多年冻土工程的设计原则中，分别考虑了地基多年冻土始终冻结和允许地基多年冻土融化2种状态。

2.2.1 地基多年冻土始终冻结

对于年平均地温Tcp＜-1.0℃的高含冰量多年冻土地段，地基融化后将产生较大的融沉变形，应按保护多年冻土原则进行设计。通过采取适当工程措施，使建筑物在使用年限内，保证地基在施工和运营期间都保持冻结状态。在保证地基多年冻土始终冻结的条件下，贝阿铁路主要采取了以下工程措施：

（1）合理设计路基高度。理论研究和工程实践表明，在一定的气候条件下，多年冻土区路基达到适当的填筑高度后，路基填土增加的热阻可以改善基底的热状态，保持多年冻土上限的基本稳定。通常将此填土高度称为多年冻土路基的临界高度，在路基临界高度的基础上综合考虑地表条件、气温波动等因素影响，以确定多年冻土路基的合理设计高度。当路基填筑高度设计在合理高度范围内即能够保护基底多年冻土的冻结状态，贝阿铁路研究确定的路基合理高度范围是1.5～4.0 m，采用合理路基高度是贝阿铁路保护冻土的主要措施。

（2）隔热保温。为减少地表热量向地基传递，或路基设计高度达不到最小设计高度时，可采用聚苯乙烯（EPS）、聚氨脂（PU）和挤压聚苯乙烯（XPS）等隔热保温材料，起到当量路基填土高度同样的保温效果，以减少向地基传递热量保护多年冻土，贝阿铁路在高含冰量冻土地段设计采取铺设隔热保温材料保护基底冻土。

（3）护道保温。贝阿铁路普遍采用在路基两侧设置土质保温护道保护多年冻土的工程措施，护道设计高度不小于1 m，宽度3～4 m。贝阿铁路通车后的运营实践表明，土质保温护道具有一定的应用条件，在平均气温较高、降雪量较大的地段土质保温护道没有起到保护冻土、减少变形的效果。

2.2.2 允许地基多年冻土融化

对于年平均地温Tcp＞-0.5℃的高温多年冻土或岛状多年冻土地段，地温高、厚度小，在气温变化和人为活动影响下，处于极不稳定的状态，应按在施工和运营期间允许地基多年冻土融化的原则进行设计。即根据地基计算变形量，通过采取减小地基融化变形或在结构上适应地基变形的措施，使建筑物在使用年限内地基变形速率和总变形量控制在允许范围。在允许地基多年冻土融化的条件下，贝阿铁路主要采取了以下工程措施：

（1）路基加宽预留沉落措施。设计时考虑地基冻土融化下沉影响，为保证路基竣工后路肩宽度和沉降控制要求，提前对路基面加宽并预留沉落量，并通过维修不断填充道砟弥补路基的下沉变形。由于路基持续下沉，必须不断补充道砟抬高线路，造成路肩宽度明显不足，维修养护工作量增加。

（2）基底开挖换填措施。当多年冻土埋深较浅时，可在全部或部分清除冻土后换填粗粒土，并在地表采取防排水措施，换填厚度可通过变形计算进行确定。

（3）建筑场地合理选址。建筑场地尽可能选择在少冰、多冰冻土区域，该类型区域含冰量小，融化产生的沉降相对较小，可按季节冻土场地处理。

应用实践表明，允许地基多年冻土融化的设计原则必须充分考虑地基多年冻土的工程特性。由于勘察设计对多年冻土的沉降变形认识不足，贝阿铁路采取的工程措施未达到预期效果，对冻土工程的安全可靠性造成严重后果。

3 贝阿铁路路基病害整治

3.1 病害状况

贝阿铁路自1984年起开始分段运营，此后冻土病害逐年加重。1984年交付运营时，共有738处路基发生变形，累计长度224 km，占运营线路长度的15%；1990年全线交付运营时，共有超过3 700处路基发生变形，累计长度达1 158 km，占运营线路长度的27.5%。每年5—7月春融期间，冻土路基病害非常明显（见图1）。特别在桥路过渡段沉降变形最严重（见图2），年均沉陷量0.2～0.5 m，最大累计沉陷1.5～2.2 m，腾达冻土研究站附近一座钢桥因差异沉降过大而废弃。1990—1993年，贝阿铁路全线限速区段从305处增至478处，列车长期按15～40 km/h限速运行，最高行车速度仅70 km/h。为防止线路状态继续恶化，全线运营后即开始实施冻土病害整治补强工程。

图1 路基变形

图2 桥路过渡段沉降变形

此外，西伯利亚铁路后贝加尔段线路以25 km/h速度运行近50年，很多区段至今限速50 km/h。通车运营近100年后，冻土病害仍不断发生，证明多年冻土病害的长期性和严重性。

3.2 病害成因

贝阿铁路路基病害产生的主要原因如下：

（1）冻土危害性认识不足，设计方案不适应复杂的冻土条件。在贝阿铁路高温、高含冰量冻土地段，路基采用允许多年冻土融化的设计原则，运营期路基下沉主要通过补充道砟维持，由于设计资料与实际地质条件存在较大差异，高含冰量冻土地段的实际沉降远大于设计估算沉降，路基变形持续加剧，仅补充道砟无法适应线路变形，病害持续发展加重。

（2）冻土工程技术措施单一，未达到预期设计效果。①中俄冻土技术交流认为，多年冻土区路基临界高度并不普遍存在，合理路基高度措施仅适用于低温基本稳定区和低温稳定区，合理路基高度措施存在局限性。由于冻土地温较高，对温度变化更敏感，在高温不稳定区采用合理路基高度的单一措施不能保证地基始终处于冻结状态，对线路安全稳定带来长期影响。②土护道保温措施与合理路基高度措施存在类似问题，只有护道表面年平均温度低于多年冻土自然状态温度时，即年平均气温较低的地区，设置土质护道才能起到降低基底多年冻土地温的作用。受贝阿铁路沿线地表积雪影响，在整个冬季都形成较厚的稳定雪盖层，不利于地基在冬季冷却散热。另外，护道增大了暖季受热面，加剧了对地基的热影响，细粒土保温护道未发挥降低地温保护冻土的效果。

（3）防排水措施薄弱，地表水和地下水侵蚀危害大。多年观测表明，无论自然条件下多年冻土地温状态如何，路基基底受地表水渗入或地下水渗流影响的地段都会出现严重的沉陷变形，路基的严重塌陷也主要发生在地表水或地下水渗流的地段。贝阿铁路在设计时认为路基附近修建排水沟可能对基底冻土产生热融，普遍将排水沟修建于坡脚外20～50 m，造成路基坡脚与排水沟间的积水难以排除，坡脚积水是造成多年冻土病害的主要原因，加强线路地表水和地下水的截排是防止多年冻土路基融化变形的首要措施。

（4）未考虑气候变暖等环境变化影响并采取预防性工程措施。俄罗斯近北极地区是全球温度升高最严重地区，近20年沿线平均温度升高1.5～2.0℃，对多年冻土路基稳定带来严重影响。贝阿铁路建设未考虑运营后植被破坏、森林砍伐、河流改道对多年冻土的影响，破坏地表植被改变多年冻土的热交换条件，引起多年冻土上限下降和融化，造成路基融化变形。

3.3 病害整治

多年冻土病害具有发生率高、危害时间长、治理难度大等特点，为完善冻土铁路设计和整治既有冻土病害的需要，俄罗斯铁路科研、设计和运营部门对冻土工程技术开展了持续的试验研究：

（1）修改完善多年冻土设计规范。针对贝阿铁路多年冻土工程建设和运营暴露的问题，腾达冻土研究站负责对原冻土设计规范进行了修订，新规范修订重点为：一是更加强调保护多年冻土的设计原则，尤其是高含冰量、大沉陷量地区的多年冻土；二是加强施工过程中对多年冻土的保护，包括地表植被、水文环境的保护；三是新材料、新技术的应用，包括聚苯乙烯（EPS）、聚氨脂（PU）等保温材料的应用，抛石护坡等新技术的应用等。

（2）抛石护坡技术的研究应用。俄罗斯专家对抛石护坡降温作用的研究主要源于对古墓的考古挖掘。在对后贝加尔多年冻土南界附近非多年冻土区古墓挖掘发现，块石填筑的古墓都处于冻结状态，这些古墓修筑于2 000多年前，经过2 000多年气候变化仍保持冻结状态。受此启发，考虑采用块石覆盖路基保护多年冻土。在贝阿铁路多年冻土地段开展了抛石护坡试验，测试结果表明，采用抛石护坡的路基经2个冻融循环后基底地温下降0.7～1.0℃，多年冻土上限上升1.5 m，对降低基底地温具有非常明显的效果。抛石路基降低基底地温的原理是块石间的孔隙在寒季产生对流作用，冷空气在块石层内的对流有利于地基散热而降低冻土地温，降温效果与石块的体积和性质有关。

（3）热虹吸管技术的研究应用。利用热虹吸管冷却基底冻土，早期采用液体煤油作为工作介质，目前倾向于采用氟里昂等气液自动转换物质作为工作介质。其基本原理为：当寒季大气温度低于冻土地温时，利用管内介质的气液两相转换，依靠冷凝器与蒸发器之间的温差，使基底热量通过对流循环传导至大气，达到冷却地基效果。当大气温度高于冻土地温，热虹吸管自动停止工作，不会将大气热量带入地基。贝阿铁路设计采用直径194 mm、地面冷却器高度2～3 m、地下蒸发器埋深6 m的热虹吸管。腾达冻土研究站专家认为，热虹吸管适合应用于桥涵，结合架空桩基应用效果较好，由于热虹吸管的影响半径较小，应用于路基需要的数量较大，经济上不合理。

（4）重视全球气候变化的影响。根据腾达冻土研究站定位观测资料，全球变暖的影响与地表环境变化的影响同样重要，多年冻土路基的稳定主要取决于气候条件的变化。考虑到铁路运营的长期性，多年冻土工程设计必须考虑全球气温升高对冻土退化的影响，特别是高温、高含冰量冻土地段，应采取适当的预防性措施。

4 结束语

通过对俄罗斯多年冻土铁路的现场考察和技术交流，进一步提高了对青藏铁路多年冻土工程的认识。认真分析和吸取贝阿铁路冻土病害的经验教训，结合青藏铁路高原多年冻土特点，进一步研究优化冻土工程措施，对完善青藏铁路冻土工程技术发挥了重要作用。通过青藏铁路多年冻土技术的研究实践，确立了主动降温、冷却地基、保护冻土的设计思想，丰富了冻土设计理论，提升了高原冻土铁路设计水平。路基工程主要采取主动降温措施，对高温极不稳定区的高含冰量冻土地段及不良冻土现象较为发育的地段，采取以桥代路措施。开通运营以来，多年冻土工程经受了运营和季节变化的考验，工程质量稳定可靠，运行速度达100 km/h，实现了建设世界一流高原铁路的目标。

青藏高原多年冻土条件非常复杂，特别是全球气候变暖明显加剧，对冻土工程影响日趋严重，仍有不少问题需要继续探索和解决。为掌握多年冻土的动态变化，必须对多年冻土的变化进行长期监测，对冻土的发展变化趋势和工程稳定进行预测，及时发现问题并采取应对措施。应继续加强高原冻土环境保护，尽可能减少人为活动、地表变化等对多年冻土的影响，特别是做好地表水和地下水渗流的防治，提高冻土工程的可靠性，确保青藏铁路的安全畅通。

致 谢：通过现场考察西伯利亚铁路和贝阿铁路冻土工程，访问东西伯利亚铁路局、贝阿铁路局和腾达冻土研究站，与俄罗斯冻土铁路工程设计、维护和科研人员进行认真讨论，并多次邀请俄罗斯专家来华开展冻土工程技术交流，查阅俄罗斯多年冻土铁路内部资料，系统总结后形成了贝阿铁路多年冻土技术综述内容。在此感谢俄罗斯多年冻土铁路研究专家和机构提供的参考资料。