青藏鐵路高溫多年凍土區典型路基的長期熱穩定性研究

徐岳震， 申明德， 周志偉， 馬 巍， 李國玉

（1.中國科學院 西北生態環境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

青藏鐵路是全球海拔最高和里程最長的高原高寒地區鐵路，全線運營里程約1 925 km，格爾木-拉薩段約1 118 km，其中在海拔4 000 m 以上約965 km。青藏鐵路穿越高原多年凍土區達到632 km，包括：島狀、片狀不連續多年凍土區約82 km，大區域連續多年凍土區約550 km，其中高溫高含冰量多年凍土區約為355 km［1-4］。青藏鐵路在多年凍土區的安全運行首要解決的問題是保證高溫高含冰量凍土路基的融沉變形在可控的安全范圍內，相關“主動冷卻路基”工程措施的目的就是確保多年凍土熱穩定性，使得多年凍土上限不發生明顯下移，控制凍土地溫的升溫速率，避免多年凍土區路基產生過大的融化沉降變形和高溫凍土的蠕變沉降變形［5-9］。

青藏鐵路采用“主動冷卻路基”思路積極保護多年凍土，利用塊碎石材料、通風管、遮陽棚（板）、熱棒等工程措施，通過調整和控制熱對流、太陽輻射或熱傳導的思路，降低傳入路基內部的熱量，避免路基下多年凍土溫度的升高［10-14］。其中，通過調控熱傳導換熱機制的塊石基底路基、塊石護坡路基、U型塊石路基在不同的路段被大量采用，三種類型的塊石路基結構在青藏鐵路多年凍土區運營里程中占到了60%以上［15-17］：（1）塊石基底路基結構是不同高度的路基填料層下鋪設一定厚度的塊石層基底；（2）塊石護坡路基結構是指路基邊坡鋪設一定厚度的塊石層護坡；（3）U型路基結構是綜合上述兩種路基結構，在路基填料層下鋪設塊石層，在邊坡再鋪設一定厚度的塊石層護坡。塊石路基主動降溫的原理主要是由于塊石層內存在的強制對流和自然對流，基于冬季的空氣對流換熱作用和夏季的隔熱作用，可以有效地主動冷卻塊石路基下的多年凍土層［18-20］。但也有研究表明，塊石路基在低溫凍土區的降溫效果較好，而在高溫多年凍土區降溫效果不太理想［21-23］。此外，青藏高原多年凍土區對近年來全球氣候變暖的響應極其敏感，青藏高原凍土工程走廊內線性工程的修筑和運營，又進一步疊加了人類活動對多年凍土地區溫度場的影響，并引起了廣大多年凍土區的漸進退化，威脅到多年凍土區內的青藏鐵路路基熱穩定，尤其是位于高溫、富冰區的路基地段［4，24-28］。到目前為止，多年凍土區內的青藏鐵路已建成并安全運行了16 年以上。在長期的運營過程中，多年凍土區內未采取冷卻措施的某些普通路基路段，已出現路基下多年凍土加速退化的趨勢，特別是在高溫及富冰的多年凍土區［29-31］。對普通路基的維修補強措施主要以塊石護坡、護道為主，并在個別地段增設了熱棒，對路基下的多年凍土取得了一定的主動降溫效果［32-34］。在青藏鐵路穿越的個別沙漠化較為嚴重的多年凍土區段，風積沙堵塞了塊石路基的孔隙，降低了塊石結構的孔隙率，影響了塊石結構調節多年凍土溫度的能力［35-37］。此前已有大量文獻通過現場監測資料，分析了不同路基結構的熱狀況［9，12，14，21-23］，但這些研究大多基于短期的現場監測數據，長期運營后路基熱穩定狀態的相關研究仍然較少，考慮到高溫凍土區內的多年凍土對溫度變化的敏感性更高，因此，對于青藏鐵路高溫多年凍土區內的不同路基結構，其在長周期條件下的多年凍土路基熱穩定性是迫切值得關注的問題。

本文基于青藏鐵路長期監測系統所獲取的長達15年完整周期的地溫監測資料（2006—2020年），分別選取了高溫多年凍土區內三個典型路基結構斷面（普通路基、U型塊石路基、塊石護坡路基）的地溫監測數據，分析和討論了15年間三個監測斷面的溫度場、年平均地層溫度和年最高地層溫度的長期演化規律以及引起相應變化的主要原因，旨在加深對高溫多年凍土區內這幾類路基長期熱穩定性的認識，為青藏鐵路多年凍土區路基的維護與補強提供科學依據及指導意見。

1 監測斷面介紹

選用青藏鐵路沿線多年凍土區內的三個長期監測斷面進行分析，三個監測斷面（圖1 中P17、P30、P43）均位于高溫多年凍土區，年平均地溫高于 -1 ℃，且含冰豐富，為飽冰、富冰凍土（以體積含冰量iv劃分，20%＜iv≤30%，富冰凍土；30%＜iv≤50%，飽冰凍土［38］）。其中P17 斷面位于二道溝西段谷地坡腳，P30 斷面位于布曲河西岸階地，P43 斷面位于多年凍土南界附近的托居谷地西側斜坡，監測斷面具體信息如表1。監測斷面的路基結構是青藏鐵路最常見的三種典型路基結構形式，即普通路基（P17 斷面）、U 型塊石路基（P30 斷面）以及塊石護坡路基（P43斷面）。從3個監測斷面的路基走向來看，路基左側對應陽坡側，右側對應陰坡側（路基左右側是以格爾木到拉薩的方向定義）。U型塊石路基斷面，基底為厚度1.0 m、粒徑25～30 cm的塊石層，左右兩側護坡厚度分別為1.2 m、0.7 m，碎石粒徑10～15 cm。塊石護坡路基斷面，左右兩側護坡厚度分別為1.0 m、0.8 m，碎石粒徑10～15 cm。路基邊坡坡率為1∶1.5，在歷年維修中，U 型塊石路基及塊石護坡路基的左右側補強了寬度2～3 m、粒徑25～30 cm 的塊石護道，具體維修時間不詳，由于未發現補強塊石護道導致的左、右路肩地溫變化規律的異常，故在分析這三個監測斷面時，仍按原路基結構分析各孔的地溫變化規律。

表1 監測斷面信息Table 1 The information of the observation profiles

圖1 青藏鐵路及三個監測斷面位置Fig.1 Qinghai-Tibet Railway and the selected observation profiles

三個監測斷面均布設了天然場地、左路肩和右路肩3 個測溫孔，其測溫孔布設位置如圖2 所示，其中天然場地測溫孔距路基左坡腳的垂直距離為20 m，天然場地測溫孔深度為18 m，左、右路肩測溫孔深度均為20 m。三個測溫孔的溫度探頭自地表到10 m 深度每隔0.5 m 布設一個，10 m 深度以下每隔1.0 m 布設一個，溫度探頭采用凍土工程國家重點實驗室研制的熱敏電阻，測量精度為±0.05 ℃，溫度數據的記錄采用DT500 型自動數據采集儀，測溫頻率為每日1 次。目前已積累了2005 年10 月—2021 年1 月總計15 年完整周期的長期連續地溫監測資料。

圖2 監測斷面地溫孔布設示意圖Fig.2 Layout of the ground temperature boreholes at observation profile

2 監測結果與分析

2.1 地溫整體變化

圖3分別為三個監測斷面左右路肩及天然孔的地溫等溫線圖，路基左右路肩地溫孔深度自路基表面算起，天然地溫孔深度自天然地表算起，以下各圖的孔深計算點無特殊說明的均依照此規定。

如圖3（a）所示，普通路基左路肩孔的年最大融化深度在2014 年之前增速較為緩慢，自4.8 m 增加至5.6 m，在2015 年后由于年最大凍結深度不能到達年最大融化深度位置，該深度土層出現融化夾層［39-42］，隨著融化夾層的出現，導致其下的多年凍土加速退化，截至2020年，6年時間內最大融化深度自5.6 m 增加至6.8 m。右路肩孔的年最大融化深度在2014 年之前變化與左路肩基本一致，自4.4 m 增加至5.6 m，在2014 年之后融化速率增大，至2020年，6 年時間內最大融化深度自5.6 m 增加至6.4 m，增大速率略低于左路肩孔。天然孔的年最大融化深度在2016 年前基本保持在4.0 m 深，在2016 年之后逐漸增加，至2020 年約4.8 m 深，同時4.0～6.0 m 深度的地溫相對之前的年份有升高的趨勢。分析認為2014 年之后左右路肩孔融化速率增大的原因與融化夾層的出現有關?？紤]到該路基斷面高度僅為0.9 m，這表明由于路基工程及運營的熱擾動影響，普通路基斷面下的多年凍土人為上限已略低于原天然凍土上限，這不利于路基的長期熱穩定。值得注意的是，左路肩的融化深度始終大于右路肩的融化深度，其差值除了鐵路運營第一年（2006 年）達到1.0 m 以外，其他年份均小于0.5 m，陰陽坡效應［43-47］對左右路肩融深差異的影響不顯著。

圖3 三個監測斷面的等溫線圖Fig.3 Isothermals of the three observation profiles：traditional embankment（a），U-shaped crushed rock embankment（b），crushed rock revetment embankment（c）

如圖3（b）所示，對于U 型塊石路基，左路肩在2015年之前其最大融化深度基本保持在5.6～6.0 m之間，2015 年之后最大融化深度略微減小，保持在4.4～5.5 m 之間。右路肩各年份的最大融化深度基本保持在約4.2～4.5 m 之間，相同年份下右路肩的最大融化深度始終小于左路肩。天然孔2006—2013 年的最大融化深度保持在2.4～4.0 m 之間，2012年后融化速度變快，2014年后的數據缺失?？紤]到該斷面路基高度為5.7 m，這表明U 型塊石路基對多年凍土溫度場的主動降溫效果明顯，人為多年凍土上限已提升至路基本體內，但是陰陽坡效應使得左右路肩下部地溫出現較為明顯的差值。

如圖3（c）所示，塊石護坡路基左路肩在2005—2012 年以及2015—2018 年兩個連續時間段出現了融化夾層，最大融化深度在7.2～8.2 m，最大凍結深度始終在多年凍土上限之上，且保持了1.0～2.0 m的深度差距。由于塊石護坡以及后期維修增加的塊石護道的存在，導致左路肩下多年凍土的融化速度沒有因為融化夾層的出現而變快，這與普通路基略有區別。而右路肩的最大融化深度保持在4.7～5.3 m 之間，且沒有出現融化夾層。天然孔的最大融化深度有逐年增加的趨勢，且這種趨勢在2016年之后較為明顯，最大融化深度維持在3.2～4.6 m?？紤]到該斷面路基高度為7.0 m，這表明塊石護坡路基下的人為多年凍土上限有一定程度提升，右路肩下的人為多年凍土上限已提升至路基本體內。綜合對比左右路肩和天然孔的地溫等溫線表明，塊石護坡路基對控制多年凍土上限的退化具有一定作用，但是陰陽坡效應降低了塊石護坡路基的降溫效果。

2.2 年平均地層溫度變化

圖4 分別為15 年間三個監測斷面左右路肩及天然孔不同深度的年平均地層溫度曲線，整體可以看出，淺部地層年平均溫度變化幅度較大，這里我們重點關注0 ℃年平均地層溫度在地層中的位置及不同地溫孔淺部地層的地溫狀態。

圖4 三個監測斷面年平均地層溫度Fig.4 Mean annual ground temperature of the three observation profiles：traditional embankment（a），U-shaped crushed rock embankment（b），crushed rock revetment embankment（c）

如圖4（a）所示，普通路基斷面左右路肩和天然孔的0 ℃年平均地層溫度分別在6.5 m、6.0 m 和4.0 m處，且三處0 ℃年平均地層溫度所對應的地層深度在15 年中基本沒有變化。左路肩和天然孔的年平均地層溫度最大值出現在0～1.5 m 深的近地表，該深度地層的年平均溫度在2006 年時最高，在2006—2008 年下降迅速，2008 年之后基本穩定。右路肩近地表層的年平均溫度在2006—2008 年下降迅速，在2008—2012 年趨于穩定，2012 年后出現波動上升，由于普通路基斷面高度僅0.9 m，右路肩年平均地層溫度最大值對應的地層深度約為1.0～1.5 m，再結合此路基的工程實際，右路肩近地表層的年平均溫度的異常波動可能與該側的側向水熱擾動有關，未來可通過獲取現場調查數據等方式進一步開展相關研究。對比來看，排除近地表3 m 內年平均地層溫度異常的情況，3 m 以下年平均地層溫度變化速率隨深度增加而減小，以3 m 深地層的年平均溫度為例，左路肩和天然孔年平均地層溫度差值最高不超過0.93 ℃，經歷了一個先減小后增大的過程，說明普通路基下的土層經歷了長時間的溫度調整后，并不能保持地溫的穩定性。左右路肩年平均地層溫度差值最高不超過0.8 ℃，經歷了一個先增加后穩定的過程，說明路基邊坡熱效應導致的陰、陽坡路肩淺層地溫差異不明顯，這或與該截面較低的路基高度有關。

如圖4（b）所示，在2006 年初，U 型塊石路基斷面左右路肩及天然孔的0 ℃年平均地層溫度分別在6.0 m、2.5 m 和1.5 m處，15年間各孔0 ℃年平均地層溫度變化差異較大。左路肩0 ℃年平均地層溫度所對應的地層深度，近15 年以來沒有明顯變化，基本保持在6 m 深度。左路肩年平均地層溫度大于0 ℃的深度范圍內，除2018 年和2020 年數據變化波動較大，其他年份6 m 深度范圍內的年平均地層溫度變化波動較小，均在0.5～2.5 ℃范圍內變化。對于右路肩0 ℃年平均地層溫度，對應的深度在0～2.5 m 之內，值得注意的是2006 年地表層年平均溫度在6.3 ℃，而其他年份的地表層平均溫度均在0～-4 ℃范圍內，這是由于青藏鐵路運營前的工程施工熱擾動對路基地表層的影響還較為顯著所致。對于天然孔，由于2014 年之后的數據缺失，圖中只給出了2006—2014 年的年平均地層溫度數據。2006 年的0 ℃年平均地層溫度對應深度為1.5 m，除了2007 年、2009 年和2014 年出現某一深度地層年平均溫度超過0 ℃以上，其他年份所有深度的年平均地層溫度均小于0 ℃。對比來看，盡管不同年份4 m 以上深度年平均地層溫度數據規律性不強，但是在4 m 以下深度的年平均地層溫度數據變化較有規律。對于4～8 m 深度土層，同等深度的年平均地層溫度，左路肩高于天然孔，天然孔高于右路肩，溫差隨深度增加而減小?？紤]該斷面的路基高度為5.7 m，以6 m 深度為例，左路肩和天然孔年平均地層溫度差值自2006 年的0.50 ℃逐漸降低至2014年的0.34 ℃，左右路肩年平均地層溫度差值自2006年的0.60 ℃逐漸增加至2020 年的0.91 ℃，這表明U型塊石路基結構對路基下的淺部土層主動降溫效果明顯，但對路基陰、陽坡路肩下的土體溫差調節效果較差，這可能與兩側塊碎石護坡的碎石粒徑及鋪設厚度等有關系。

如圖4（c）所示，在2006 年初，塊石護坡路基斷面左右路肩及天然孔的0 ℃年平均地層溫度分別在7.5 m、3.0 m和1.5 m處，15年間左路肩7.5 m以上深度的年平均地層溫度在-0.75～1.6 ℃之間波動，而7.5 m 以下深度的年平均地層溫度均在-0.75～0 ℃小范圍波動。右路肩在近地表1 m 深度范圍內不同年份的年平均地層溫度波動較大，特別是地表層從2006 年的-2.0 ℃升溫至2020 年的9.2 ℃。天然孔3.5 m 深度以下所有年份的年平均地層溫度均在0 ℃以下，而在3.5 m 深度以上2016—2020 年之間的年平均地層溫度明顯高于其他年份的年平均地層溫度，且在同一深度（約0.5 m）出現年平均地層溫度峰值，結合文獻［48］中的氣象數據，這或與近年來的氣候變暖有關?？紤]該斷面的路基高度為7.0 m，以7.0 m 深度地層的年平均溫度為例，左路肩和天然孔年平均地層溫度差值自2006 年的0.36 ℃逐漸降低至2020年的0.11 ℃，左右路肩年平均地層溫度差值自2006 年的0.12 ℃逐漸增加至2020 年的0.46 ℃，這表明塊石護坡路基結構對路基下淺部土層具有一定的降溫效果，但對陰陽坡效應造成的淺部土層溫差增大的情況同樣不能有效控制。

為進一步對比和分析三個監測斷面深部土層年平均地層溫度的發展變化趨勢，圖5 給出了三個監測斷面左右路肩以及天然孔15 m 深度的年平均地溫變化曲線。如圖5（a）所示，普通路基左路肩年平均地溫在2006 年略低于右路肩0.025 ℃，隨運營時間的增加，左路肩年平均地溫增長速率高于右路肩，至2020 年左路肩年平均地溫略高于右路肩0.027 ℃。值得注意的是，到了2020 年左右路肩以及天然孔的年平均地溫值基本接近吻合，最大差值為0.028 ℃。一般而言，地溫梯度在凍土層上部為負，下部為正（規定地溫隨地層深度增加時為正，反之為負）［49］，即凍土地溫在某一深度的年平均地層溫度最小，在此深度以下的年平均地層溫度隨深度增加而增加，這里選取的路基左右路肩孔15.0 m 深度（深度起算點為路基表面）對應天然孔14.1 m深度（天然孔深度起算點為天然地表，路基高度0.9 m），因此，在2006 年初期，天然孔15.0 m 深度的年平均地溫要高于路基左右路肩孔15.0 m 深度的年平均地溫。鐵路的施工及運營給路基下的凍土帶來了新增熱擾動，隨運營時間的增加，這種熱擾動由路基淺部土層傳遞到深層凍土，表現為路基左右路肩孔15.0 m 深度年平均地溫的增長速率高于天然孔的增長速率，且左路肩增長速率高于右路肩。

圖5 三個監測斷面年平均地溫變化Fig.5 The variations of mean annual ground temperature in the three observation profiles：traditional embankment（a），U-shaped crushed rock embankment（b），crushed rock revetment embankment（c）

如圖5（b）所示，U 型塊石路基左右路肩的年平地溫均保持在-0.43～-0.67 ℃之間，而天然孔的年平均地溫始終保持較高水平，從2006 年的-0.33 ℃到2012年的-0.29 ℃。左路肩年平均地溫增速與天然孔的年平均地溫增速基本持平，而右路肩年平均地溫增速略小于左路肩，這表明地表陰陽坡效應對路基溫度場的影響在15 m 深處仍然有體現。盡管此斷面2012年之后的天然孔年平均地溫數據缺失，但是對比圖中三個地溫孔的年平均地溫數據，仍然可以看出U型塊石路基對于路基下多年凍土溫度場的控溫效果明顯，在青藏鐵路運營達15年后，U型塊石路基對路基下土層的降溫效果依然有效。

如圖5（c）所示，塊石護坡路基在運營的15 年中，左右路肩的年平均地溫差始終保持在0.03 ℃以上，其陰陽坡效應較為明顯。值得注意的是，從2007年到2016年，左右路肩年平均地溫均出現了先增大（2007—2011 年）后減?。?011—2016 年）的特征，兩階段左右路肩的年平均地溫差值規律基本與此保持相同趨勢，這表明深部土層受陰陽坡效應等外部環境的影響也是同步的。此外天然孔年平均地溫始終與左路肩的年平均地溫大體一致，表明在鐵路施工和運營的初期，塊石護坡路基就對凍土起到了保溫作用，且隨著運營時間的增加，塊石護坡路基與天然場地15 m 深度處地層的年平均地溫始終保持著大體一致，對路基下的多年凍土具有一定的保溫效果。

2.3 多年凍土上限變化

圖6 分別為三個監測斷面各地溫孔15 年來的年最高地層溫度曲線圖，選取地層每一深度每年出現的年最高溫度，作為反映多年凍土上限變化的參考。如圖6（a）所示，普通路基人為多年凍土上限深度變化情況為，左路肩從2006 年的5.7 m 下降到2020 年的6.5 m；右路肩從2006 年的4.7 m 下降到2020 年的6.3 m。與左路肩相比，盡管青藏鐵路運營的第一年（2006 年）人為多年凍土上限深度有1.0 m 的差距，但是在運營15 年以后人為多年凍土上限深度只有0.2 m 的差值。對于天然孔，在2006—2020 年之間，天然多年凍土上限由4.0 m 下降到4.7 m。對比來看，該斷面的左右路肩人為多年凍土上限深度已低于原天然上限0.7～0.9 m（路基高度0.9 m），且左路肩人為多年凍土上限以下土層的年最高地層溫度持續高于天然場地相同深度土層的年最高地層溫度，這再一次說明高溫多年凍土區內的普通路基不能保持路基下多年凍土的熱穩定性。

圖6 三個監測斷面年最高地層溫度Fig.6 Maximum ground temperature of the three observation profiles：traditional embankment（a），U-shaped crushed rock embankment（b），crushed rock revetment embankment（c）

如圖6（b）所示，U 型塊石路基人為多年凍土上限深度變化情況為，左路肩由2006 年的6.3 m 下降到2020 年的6.5 m，15 年間僅下降了0.2 m；右路肩由2006 年的4.5 m 抬升至2020 年的4.3 m，15 年間上限保持穩定，甚至抬升了0.2 m，右路肩的人為多年凍土上限深度高于左路肩約2 m。天然孔多年凍土上限深度由2006 年的2.5 m 下降到2011 年的2.8 m，下降速度較為緩慢，但可以發現，2012—2013 年這兩年時間內，多年凍土上限由2.8 m 下降到3.9 m，結合文獻［48］中的氣象數據，這或與部分年份的外界氣溫偏高有關。對比來看，高溫多年凍土區內U 型塊石路基斷面對路基下多年凍土的主動降溫效果明顯，但左右路肩下的人為多年凍土上限差異過大的問題不容忽視。

如圖6（c）所示，塊石護坡路基人為多年凍土上限深度變化情況為，左路肩由2006 年的8.6 m 抬升至2020 年的6.8 m，這表明塊石護坡路基對多年凍土上限的抬升起到了積極作用；右路肩2006 年為5.5 m，2020 年抬升至5.2 m，值得注意的是該側地表年最高地層溫度從2006 年的10.5 ℃增長到2020年的27.5 ℃，但這17 ℃的溫度增加對該側人為多年凍土上限深度的影響并不大，同樣說明了塊石護坡路基對保護多年凍土的有效性。天然孔2006 年的多年凍土上限深度為3.4 m，至2020 年下降到4.4 m，這與左右路肩人為多年凍土上限深度的上升成相反的變化趨勢。對比來看，15 年間塊石護坡路基左路肩的人為多年凍土上限抬升顯著，右路肩略有上升，但天然孔卻有明顯下降，同時左右路肩的人為多年凍土上限深度差值減小。以上分析表明，塊石護坡路基對路基下凍土層起到了一定的主動控溫作用，且縮小了路基左右側人為多年凍土上限差值。

3 結論

本文對2006—2020 年青藏鐵路運營15 年中，高溫多年凍土區內的三種典型路基結構（普通路基結構、U 型塊石路基結構、塊石護坡路基結構）的溫度場數據進行分析和討論，得到以下主要結論：

（1）隨著運營年份的增加，普通路基的人為多年凍土上限略低于原天然凍土上限，左右路肩的融深差值不明顯。U型塊石路基和塊石護坡路基左右路肩的人為多年凍土上限均已抬升至路基本體內，左右路肩的融深差值在1.0～1.5 m。

（2）綜合三個監測斷面年平均地層溫度的長期變化情況可以看出，高溫多年凍土區內的普通路基左右路肩下凍土層的年平均地層溫度增長速率高于天然場地同深度凍土層的增長速率，普通路基下的多年凍土不能保持長期熱穩定性；U 型塊石路基對其下的多年凍土主動降溫效果明顯，但左右路肩下的地溫差異不可忽視；塊石護坡路基對其下的多年凍土具有一定的主動降溫效果，左右路肩下的地溫差異要小于U型塊石路基。

（3）整體來看，在全球氣候變暖的背景下，青藏高原高溫多年凍土區內的天然場地經歷了多年凍土上限下降和不同深度地層溫度上升的凍土退化過程，疊加可能出現的路基側向水熱擾動，高溫多年凍土區內的青藏鐵路普通路基需要采取增設塊石護坡等補強措施，才能保持路基下多年凍土的熱穩定性。同時，U 型塊石路基及塊石護坡路基雖然具有主動降溫效果，但其左右路肩下的地溫差異仍需引起重視，可在路基左右兩側增設不對稱的熱棒，以消除路基下地溫場左右不均勻分布的問題。