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原文传递动态设计与信息化施工技术在青藏铁路建设中的应用研究

论文题名：	动态设计与信息化施工技术在青藏铁路建设中的应用研究
关键词：	青藏铁路;动态设计;信息化施工;病害整治
摘要：	在青藏高原多年冻土地区修建铁路是一项全新的新技术领域，几十年来自然条件的变化，尤其是气候变化，使冻土的生存环境在发生着巨大变化，而科学技术的发展、研究成果和工程实践经验的积累，使我们对自然条件变化和冻土的认识在逐渐深入。科学技术的发展以及新材料新技术新工艺的涌现，为防止各类工程病害提供了新的手段。在这种情况下，青藏铁路格拉段的建设就带有某种探索性和科学性，因此，要想建设成高原一流的冻土铁路，必须进行有别于其它非寒区工程建设的举措一动态设计。只有通过动态设计和信息化反馈施工，才能有力的保证青藏铁路的可靠、稳定、安全。动态设计和信息化施工是目前国内外日益兴起的新技术。由于青藏铁路建设的特殊性与复杂性，尝试性的采用了动态设计与信息化施工技术。本论文基于青藏铁路建设过程，从动态设计思路以及具体应用进行了讨论分析，并针对设计施工中出现的问题给出了现阶段补强和加强措施的原则以及建议。虽然目前建设、设计工作正在进行之中，但已取得良好的效果。通过本论文的论证，我们可以得到以下结论： 1、动态设计技术包含两个组成部分，即动态设计和信息化施工。其基本思路是：在设计方案优化后，通过动态计算模型，按施工过程对铁路路基进行逐次分析，预测冻土路基在施工过程和在气候升温、工程活动影响下的热状况和变形，并通过现场监测系统所得到的信息，经处理后与预测结果比较，作出工程危险程度和可靠性评估，提出合理的控制和管理建议，用于反馈修改设计。如此反复循环，螺旋上升，不断采集信息，不断修改设计并指导施工，将设计置于动态过程中，使设计及施工逐渐逼近实际。动态设计的最终目标是：建成覆盖整个青藏铁路沿线的信息网络，全面完成信息平台的建设，建成青藏铁路的长期监测系统、可靠性评价系统、专家预测分析系统、管理决策支持系统和病害整治数据库，在青藏铁路的建设以及运营中基本实现信息化，基本实现“数字铁路”的宏伟构想。 2、实测资料和数值计算表明，合理高度路基和保温材料路基都具有一定的局限性，只有满足一定条件才可以应用。合理高度路基在年平均地温-0．4～-1.0℃区时，合理的路堤高度应为2.5～5．0米。数值计算结果表明，路堤临界高度存在的年平均气温临界值约为-3.1℃(相应的年平均地温值约为-0．6℃)。对于保温材料路基，当年平均气温在-4.0℃～-5．20℃之间时，可以采用保温材料保证青藏高原多年冻土区铁路路基的热稳定性。当年平均气温在-4.2℃～-5.90℃之间时，可以采用保温材料保证青藏公路多年冻土区路基的热稳定性。针对被动保护冻土路基的局限性，采用“主动保护”冻土的设计原则，变“被动保温”为“主动冷却”，动态设计的思路得到良好体现，发挥重要作用。 3、给出了几种主动保护冻土的路基结构及其工作原理，这对青藏铁路的动态设计以及信息化施工具有指导性意义，实测数据表明，主动保护冻土路基工作效果良好。分析这些主动保护冻土的工程措施我们可以看出，它们都比普通路基更能保护路基下多年冻土，冻土上限抬升，确保路基稳定性。但是从目前的实测资料分析，一个不容忽视的问题直接摆在我们面前，那就是地温曲线左右不对称性，因此，对于目前的工程措施，我们还需要继续改进，不断地动态设计下去。青藏铁路块石路基具有代表性(占60﹪左右)，在不同的冻土分区中，无论是何种形式的块石路基结构，其降温趋势是不同的。年平均地温越低降温趋势越显著，多年冻土上限附近“冷量”积累最大，随着年平均地温升高，多年冻土上限附近“冷量”基本无积累过程，也就是说Ⅰ区的冻土降温效果最弱。Ⅰ和Ⅱ区中块石路基结构的弱降温趋势难于抵御未来气候的升温影响，建议设计部门要尽早考虑其它强化措施(如：热棒+保温材料路基)。 4、分析这些综合工程措施，左右不对称型片、碎石护坡路基以及“U”型路堤和热棒+保温材料路基我们可以看出，在全球气温变暖的条件下，它们都比普通路基更能保护路基下多年冻土，抬升冻土上限，确保路基稳定性，而且能够更进一步的消弱了或者整治了地温曲线不对称性问题，动态设计技术在青藏铁路的建设中显示出了良好的效果。通过实测资料和数值计算可以看出，热棒+保温材料路基作为铁路运营过程中可以作为补强措施，能够保证铁路未来的安全稳定，从能量的角度分析来看，为了确保路基的稳定，一定要以预防为主。通过以上3次动态设计循环，给出相应的预测结果，并提出一些加强措施、原则及合理化建议，符合青藏铁路客观事实，切实可行，建议相关部门采纳。5、冻土的“冻胀”和“融沉”，尤其是不均匀的“冻胀”和“融沉”，以及冻土温度状态的反复变化是造成高原多年冻土区工程建筑物破坏的主要原因，也是青藏铁路建成后影响其安全运营的主要问题。多年冻土地区几乎所有的路基病害都是由于冻土的冻胀、融沉等不良冻土现象引起的。因此，应该建立长期观测站，建立线路定期巡检制度，主要检查线路的平整度和有无异常变化，制定路基突发病害的救急方案和措施，防患于未然。应用动态设计和信息化施工技术，在青藏铁路的建设中已取得了很好的成效，对于其后运营过程中的病害整治也将具有重要的指导意义。相信在这样的设计思路指导下，一定会建设成世界一流的高原铁路，彻底保证这项伟大的世纪工程安全稳定。
作者：	周成林
专业：	自然地理学(冻土工程)
导师：	马巍
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
学位年度：	2006
正文语种：	中文