2021年，全球首條多年凍土高速公路共(和)玉(樹)高速公路通車5年。這條全長635公里、設(shè)計時速80公里的高速公路，多年凍土區(qū)路段達227公里。運營5年，青海省交通運輸廳評價：“首次將多年凍土地區(qū)道路工程病害率控制在國際1/5以下”。

多年凍土，是青藏高原建設(shè)高速公路面臨的最大技術(shù)難題。與鐵路道砟散熱相比，凍土公路為全斷面吸熱。長期監(jiān)測表明，高速公路寬厚瀝青路面吸儲熱更是倍增，占全斷面總吸熱90%以上。

青藏高原，平均海拔4000米以上，這片被稱為“世界屋脊”的土地，高海拔多年凍土區(qū)域面積達150萬平方公里。

要想在青藏高原建設(shè)高速公路，必須攻克多年凍土。不久前，“青藏高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”項目，獲國家科技進步二等獎。

把“寬厚黑熱毯”與凍土隔離開

穿越青藏高原150萬平方公里高海拔多年凍土，實現(xiàn)西藏與祖國內(nèi)地高速公路直通，對“一帶一路”南亞大通道建設(shè)、“交通強國”及穩(wěn)邊固疆有著重要的意義。

“在青藏高原新建高速公路，將面臨寬幅路基、厚黑瀝青路面強熱邊界對凍土的‘寬厚黑熱毯’作用，大斷面橋隧對凍土的強熱擾動，工程災(zāi)變風(fēng)險是普通公路的3倍以上。”項目第一完成人、全國工程勘察設(shè)計大師、高寒道路國家重點實驗室主任、高原凍土國家野外站負責(zé)人汪雙杰說，青藏高原高海拔多年凍土溫度高、熱敏感性強、升溫退化劇烈，凍土融沉及惡劣環(huán)境導(dǎo)致沉陷、失穩(wěn)、開裂等工程病災(zāi)害，呈現(xiàn)隱蔽性、長期性、突發(fā)性。

在青藏高原建設(shè)高速公路，突破凍土高速公路融沉防控理論與方法，攻克大尺度工程構(gòu)筑物融沉防控、高原大溫差厚層瀝青路面建養(yǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，這在全國乃至世界都沒有技術(shù)先列，是世界性技術(shù)難題。

“已有青藏二級公路及鐵路，采用的被動保護與主動冷卻結(jié)構(gòu)，在高速公路直接應(yīng)用面臨失效的風(fēng)險。”項目完成人之一、中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司(以下簡稱中交一公院)副總工程師、高寒道路國家重點實驗室常務(wù)副主任陳建兵說，傳統(tǒng)保溫和冷卻技術(shù)的作用范圍與強度，難以控制大尺度高速公路強熱邊界下的均勻?qū)Ю浜蛢鐾恋鼗w升溫。

如何把寬幅路基對凍土的擾動、厚黑瀝青路面加給凍土的熱量隔離開，不讓凍土吸熱?2008年起，國家先后投資1.5億元，設(shè)立14項課題，13家單位歷時12年聯(lián)合攻關(guān)，自主創(chuàng)新研究高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)。

換氣、遮蓋、傳導(dǎo)攻克凍土消融

2010年，青海省玉樹藏族自治州震后生命線——共玉高速公路緊急上馬。“尺度效應(yīng)理論證實，普通公路病害整治技術(shù)已無法滿足大尺度高速公路工程結(jié)構(gòu)50年設(shè)計要求。”陳建兵說，高速公路全線穿越凍土區(qū)占路線總長的36%;橋梁和隧道(單幅)長39.2公里，占路線總長的11%，鄂拉山隧道和姜路嶺隧道是我國首次設(shè)計建設(shè)的多年凍土區(qū)公路隧道。

中交一公院寒區(qū)中心副主任劉戈介紹說，凍土路基橫斷面吸熱是造成多年凍土能量失衡、引發(fā)融沉的主因。二級公路因窄幅路面及邊坡吸熱在多年凍土層發(fā)育“融化盤”;鐵路因道砟散熱及邊坡吸熱在路基內(nèi)發(fā)育“融化夾層”。而高速公路則因路基、路面結(jié)構(gòu)尺度的加大，引發(fā)規(guī)模遠大于前兩者的“融沉盆地”。

共玉高速沿線大量分布全球獨特的極不穩(wěn)定高溫多年凍土，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜。沿線因多年凍土復(fù)雜，高溫高含冰量路段占比大，熱穩(wěn)定性差等特點，致使在其基礎(chǔ)上建設(shè)道路結(jié)構(gòu)尺度3—5倍于一般等級公路和鐵路時面臨著極大的凍土熱融風(fēng)險。

如何避免建設(shè)引發(fā)的凍土消融?

汪雙杰介紹，中交一公院采用“導(dǎo)冷”——熱棒路基，“阻熱”——黑色防護網(wǎng)遮蓋工藝、XPS隔熱板路基，“調(diào)溫”——通風(fēng)管路基、片(塊)石路基等技術(shù)手段，攻克工程作用下凍土消融這一世界性技術(shù)難題。

“項目建立的大尺度路基融沉防控能量平衡設(shè)計理論與方法，國際凍土工程專家認為是重大創(chuàng)新成果，只要措施得當、質(zhì)量控制到位，完全能夠?qū)崿F(xiàn)凍土融沉由國際100厘米以上降至20厘米以下。”陳建兵說，為有效平衡高速公路的“熱毯作用”，項目還發(fā)明了冷量智能調(diào)控的彌散式通風(fēng)路基等4類12種熱能量導(dǎo)、阻、調(diào)路基結(jié)構(gòu)。

項目創(chuàng)建了我國獨有的高海拔多年凍土公路建設(shè)養(yǎng)護技術(shù)體系，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)與施工方法自主創(chuàng)新，占領(lǐng)凍土高速公路建設(shè)技術(shù)國際前沿，使凍土高速公路瀝青路面吸熱減少12%、裂縫減少30%，并在海拔4300米青藏高原成功鋪筑830公里瀝青路面。

項目成果獲國際凍土協(xié)會高度評價，其2017年度報告指出“共玉高速公路成功建設(shè)，樹立了國際凍土工程新的里程碑”。

取得經(jīng)濟效益累計189.69億元

2011年5月，國務(wù)院提出構(gòu)建“一縱一橫兩聯(lián)”“生命線”公路通道，共玉高速公路開工建設(shè)，歷時6年建成通車，從西寧至玉樹通行時間從原來的16小時縮短至8小時。

共玉高速為國家高速G0613西寧至麗江公路在青海境內(nèi)的重要路段，是一條集歷史、地理、人文、生態(tài)為一體的絕美風(fēng)景線，更是青藏高原多年凍土區(qū)建設(shè)的首條高速公路，被稱為“三高”公路，即高海拔、高寒、高速。

“青藏高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”項目成果在這條“三高”公路建設(shè)中發(fā)揮重要作用。此外，項目成果還應(yīng)用于青藏高原多個高速公路建設(shè)、公路養(yǎng)護維修。據(jù)不完全統(tǒng)計，取得經(jīng)濟效益累計189.69億元。

東起青海省西寧市，西止西藏拉薩市的青藏公路，是5條進藏路線中最繁忙的公路。全長1937千米，為國家二級公路干線，路基寬10米，坡度小于7%，最小半徑125米，最大行車速度60公里/小時，全線平均海拔在4000米以上。

此前，由于凍土引發(fā)的病害，青藏公路5—10年需要大修一次。

應(yīng)用“青藏高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”成果維修養(yǎng)護后，2008年至今無大修,節(jié)約投資10億元。

“如今，行車速度提高近一倍，車輛周轉(zhuǎn)期縮短50%，減少燃油消耗10%以上，每年可節(jié)約燃油、車輛保修、大修及縮短車輛周轉(zhuǎn)時間等費用達19170萬元左右，并減少了事故的產(chǎn)生。”劉戈說。花大高速公路起于果洛藏族自治州瑪多縣花石峽，終點在該州大武鎮(zhèn)。為減少對高原多年凍土的侵擾，花大公路架設(shè)“金隧銀橋”避讓阿尼瑪卿生態(tài)脆弱區(qū)。位于青海果洛藏族自治州瑪沁縣的雪山一號隧道，雙洞總長9065米，平均海拔超過4400米，施工最高海拔達4800多米，是目前世界上海拔最高的高速公路隧道。

雪山一號隧道穿越大面積的季節(jié)性凍土層和永久凍土層，屬于冰川融化后石塊和泥土的堆積物。建設(shè)采用“青藏高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”相關(guān)技術(shù)，保持了凍土的穩(wěn)定，阻止了山體隨氣溫變化而融化或塌陷。“采用隧道三層襯砌結(jié)構(gòu)，取消系統(tǒng)錨桿，節(jié)省工程投入約176.4萬元;減少防寒泄水洞設(shè)置約695米，節(jié)省工程投入約868.8萬元。”

目前，這項成果正應(yīng)用于青藏高速公路規(guī)劃設(shè)計、東西部多年凍土公路升級改造，以及中巴喀喇昆侖公路建設(shè)。(矯陽)