陕西省科学技术协会科普专栏 高原冻土上修建公路好比攀登公路工程的珠峰
修建高速公路是再平常不过的一件事，但如何在长年冻土区建设这看似普通的高速公路，是世界性技术难题。不久前，我国首条穿越青藏高原多年冻土区的高速公路青海省共和至玉树高速公路正式通车运营。这个项目就是位于西安的中交第一公路勘察设计研究院有限公司负责全线的总体设计并承担科研攻关任务。科研人员消化吸收多年冻土研究成果，反复试验，创新技术手段，攻克了冻土消融这一世界性技术难题。
世界首条高海拔冻土区高速公路通车
8月1日，经过近7年的建设，世界首条高海拔高寒多年冻土区高速公路，同时也是我国首条穿越青藏高原多年冻土区高速公路——青海省共和至玉树高速公路正式通车运营。共和至玉树（结古）公路为《国家公路网规划》（2013年至2030年）中，国家高速G0613西宁至丽江公路在青海境内的重要路段，也是通往玉树地区的“生命线”公路通道，公路全长634.8公里，平均海拔4100米以上。
修建高速公路看似普通，但这条公路其中穿越多年冻土区里程达227公里，占路线总长的36%。桥梁和隧道（单幅）长39.2公里，占路线总长的11%，鄂拉山隧道和姜路岭隧道是我国首次设计建设的多年冻土区公路隧道。而要在冻土区进行路基、隧道、桥涵施工，不可避免地会引发冻土消融，这在全国乃至世界都没有技术先例。这一“瓶颈”是共玉高速建设中的世界性技术难题。
修建相当于攀登公路工程的珠穆朗玛峰
多年冻土是指在天然条件下，冻结状态持续3年或3年以上的土体，主要分布在高纬度或高海拔寒冷地区。高原冻土对温度极为敏感，冬季结冰状态下的冻土，会随温度降低发生剧烈膨胀，在路面隆起一片片冰丘，叫冻胀；夏季又随着气温升高而融化，叫融沉，还易形成路面积水，造成翻浆。一次次的冻胀与融沉，导致路面塌陷、下沉、变形、破裂、翻浆，形成“搓板路”、“坑洼路”，不仅车辆颠簸难行，而且对路基的稳定性也造成不可估量的影响。
青藏高原地处高寒高海拔地区，被称为“世界屋脊”、“地球第三极”，分布着150万平方公里的高海拔、低纬度高温多年冻土。多年冻土的平均温度为-0.5至-3摄氏度，是全球多年冻土最不稳定区。由于冻土在工程热扰动下的融沉、开裂的高病害率难以控制，国际上至今没有在多年冻土区大面积修筑沥青路面的先例，唯有中国突破了这一世界工程禁区。
“在高原冻土上修建高速公路，相当于攀登公路工程的珠穆朗玛峰。”共和至玉树高速公路建设关键技术的项目负责人、中国交建副总工程师、中交一公院党委书记汪双杰这样告诉记者。在汪双杰看来，在高原冻土地区，建设高速公路比建设铁路难得多。虽然我国已经对冻土公路进行了50多年的研究和观测，但现有成果主要针对二级及以下等级公路和青藏铁路，并无应用于高速公路的直接经验。
高原冻土区建设高速公路难在哪里
建设共玉高速公路就需要穿越多年冻土区，在建设过程中，科研建设人员调研发现，共玉高速沿线大量分布全球独特的极不稳定高温多年冻土，工程地质和水文地质条件复杂。全线从鄂拉山至清水河，多年冻土路段累计227公里，占路线总长约36%。沿线因多年冻土复杂，高温高含冰量路段占比大，热稳定性差等特点，致使在其基础上建设道路结构尺度3倍于一般等级公路和铁路的大尺度公路面临着世界性理论和技术难题。
汪双杰说，与建设青藏铁路相比，青藏高速公路具有“宽、厚、黑”的特点。所谓宽，指路基。铁路的路基只有6至7米，而高速公路的路基是24至26米；厚，指结构，高速公路路面厚度是普通公路的3倍左右，路面越厚，越不容易散热，而铁路是道砟结构，较易散热；黑，指沥青面层，高速公路长距离铺筑沥青路面，高原强辐射条件下，路面强吸热、高储热、长时间热量导入路基下冻土层，加剧冻土升温退化甚至融化。“在这三大问题叠加环境下，很容易造成冻土区公路工程路基不稳定。”
破解冻土区建设世界难题这些技术都领先
怎么攻克这些难题，成为萦绕在项目科研人员和建设者们心头的一块儿巨石，最终通过消化吸收多年冻土研究成果，反复试验，创新技术手段，这些难题迎刃而解。
汪双杰介绍，“通风换气”——通过采用通风管路基、片（块）石路基，加快空气流动速度，带走热量；“隔离遮盖”——通过采用黑色防护网遮盖工艺和XPS隔热板路基，将外界热量进行物理阻隔，减少热量吸收；“热量传导”——通过采用温热棒路基等技术手段，将吸收的热量通过热棒传导出去……这一系列技术手段的创新运用，攻克了冻土消融这一世界性技术难题。
科研项目“青海省共和至玉树（结古）公路建设关键技术”成果经鉴定达到国际先进水平，获得2015年度“中国公路学会科学技术奖”特等奖。此外，依托“青藏高原G214线干线公路升级改造科技示范工程”立项开展的“共和至玉树高速公路多年冻土路基工程关键技术研究”等5个科研项目研究，已通过鉴定验收，3项达到国际领先水平，2项达到国际先进水平。
修建共和至玉树高速公路时还有一个不可忽视的难题摆在建设者们面前，那就是生态保护。该项目不仅穿越连续多年冻土区，而且穿越三江源国家级自然保护区，这就要求要实现“高原生态环境不受破坏、江河源水质不受污染、野生动物迁徙不受阻断、自然景观不受影响”的环保目标。
中交一公院的科研人员通过综合调研试验段试验等，提出了“无痕化”施工理念，采用草皮移植养生、复植以及人工补种等多种措施恢复施工沿线植被。以“路基清表草皮移植技术”、“高海拔高寒地区植草技术”、“路基高边坡生态防护技术”为主要内容的高海拔高寒地区公路建设生态防护综合体系，将青藏高原宝贵资源草皮充分利用，以草皮移植边坡防护替代原设计窗孔式、菱形骨架防护，完成1000余万平方米，节约工程建设投资7亿元以上。
汪双杰介绍，中交一公院在创新三江源区高寒脆弱生态路基修筑无痕化施工技术过程中，还提出了适用于高寒地区植被恢复建设的植生袋技术，明确了最佳植物配比、腐殖土、保水剂、复合肥和专用肥用量比例，实现边坡绿化防护同步、同期，为生态保护提供了科学依据。
冻土科研为青藏高速提供技术支撑
汪双杰介绍，我国自1973年在青藏高原多年冻土地区修筑黑色沥青路面开始，40多年来冻土区公路修筑技术取得长足的进步。建成了世界上第一条跨越550km连续多年冻土的全天候通车二级青藏公路，其成就两次获得国家科技进步一等奖，使其成为国际冻土工程界最大的试验场与数据源，由此确立了我国在高原多年冻土研究领域的国际领先水平和地位。进入新世纪，我国西部大开发战略的标志性工程青藏铁路建设广泛吸收了青藏公路冻土工程经验教训，进一步发展了国际冻土工程技术水平。
青藏高原现代交通经过60多年的建设和发展，取得了举世瞩目的成就。然而，结束西藏唯一无高速公路通达内地的历史，建成早已规划的穿越青藏高原近700km多年冻土区的青藏高速公路是西藏人民的期盼。中交一公院的冻土科研为已建成的青藏公路、青藏铁路、共玉高速等国家重大工程提供支持，还将为青藏高速提供技术支撑。
日前，“多年冻土高速公路建设技术国际高层论坛”在西安召开，国内外23位知名专家，探讨交流“在高原多年冻土区修筑上千公里大尺度宽幅高速公路”这一世界难题，为青藏高速项目提供更多的理论和技术支撑。
本报记者王嘉
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