189.69億元
項目成果應用于青藏高原多個高速公路建設、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。
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，是青藏高原建設高速公路面臨的最大技術難題。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)關鍵技術及工程應用”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、“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，工程災變風險是普通公路的3倍以上�！表椖康谝煌瓿扇恕⑷珖こ炭辈煸O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)境導致沉陷、失穩(wěn)、開裂等工程病災害，呈現(xiàn)隱蔽性、長期性、突發(fā)性。
在青藏高原建設高速公路，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)等關鍵技術，這在全國乃至世界都沒有技術先例，是世界性技術難題。
“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)，在高速公路直接應用面臨失效的風險�！表椖客瓿扇酥�、中交第一公路勘察設計研究院有限公司(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副主任陳建兵說，傳統(tǒng)保溫和冷卻技術的作用范圍與強度，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，設立14項課題，13家單位歷時12年聯(lián)合攻關，自主創(chuàng)新研究高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關鍵技術。
換氣、遮蓋、傳導攻克凍土消融
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�！俺叨刃碚撟C實，普通公路病害整治技術已無法滿足大尺度高速公路工程結(jié)構(gòu)50年設計要求。”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計建設的多年凍土區(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)條件復雜。沿線因多年凍土復雜，高溫高含冰量路段占比大，熱穩(wěn)定性差等特點，致使在其基礎上建設道路結(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險。
如何避免建設引發(fā)的凍土消融？
汪雙杰介紹，中交一公院采用“導冷”——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”——通風管路基、片(塊)石路基等技術手段，攻克工程作用下凍土消融這一世界性技術難題。
“項目建立的大尺度路基融沉防控能量平衡設計理論與方法，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�！标惤ūf，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)控的彌散式通風路基等4類12種熱能量導、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養(yǎng)護技術體系，實現(xiàn)關鍵技術與施工方法自主創(chuàng)新，占領凍土高速公路建設技術國際前沿，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，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，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)為一體的絕美風景線，更是青藏高原多年凍土區(qū)建設的首條高速公路，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)關鍵技術及工程應用”項目成果在這條“三高”公路建設中發(fā)揮重要作用。此外，項目成果還應用于青藏高原多個高速公路建設、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。
應用“青藏高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關鍵技術及工程應用”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19170萬元左右，并減少了事故的產(chǎn)生。”劉戈說�；ù蟾咚俟菲鹩诠宀刈遄灾沃莠敹嗫h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“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，其凍土層屬于冰川融化后石塊和泥土的堆積物。建設采用“青藏高海拔多年凍土高速公路建養(yǎng)關鍵技術及工程應用”相關技術，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�！绊椖坎捎盟淼廊龑右r砌結(jié)構(gòu)，取消系統(tǒng)錨桿，節(jié)省工程投入約176.4萬元；減少防寒泄水洞設置約695米，節(jié)省工程投入約868.8萬元�！眲⒏暾f。
目前，這項成果正應用于青藏高速公路規(guī)劃設計、東西部多年凍土公路的升級改造，以及中巴喀喇昆侖公路建設。
