一、文献综述

1.1选题依据

中国铁路建设始于清朝末年，经过一个多世纪的建设和发展，截至2016年年底，中国铁路营业总里程达12.4万公里，规模居世界第二。随着我国经济建设的快速发展，铁路交通的需求不断增加，特别是加强中小城市、中西部及边远地区的铁路建设并提高铁路覆盖率是一个必然的趋势。冻土地区铁路建设也成为了铁路建设过程中会面临到的一大困难。

自青藏铁路格拉段正式开通运营以来，虽然青藏铁路线路的运营状况良好，但是国内外冻土区道路工程实践告诉我们，冻土和冻土路基工程之间是一个相互作用、相互影响的热力平衡体系。这个体系受外部环境条件变化的影响，极易打破原有的平衡，处于不稳定的热力变化状态。而形成新的平衡体系需要极其漫长而复杂的过程，这对于冻土区铁路路基设计提出了更大的要求，特别是高温多年冻土地区。20世纪80年代后期开始，有关研究机构和学者认真研讨了由温室效应引起的全球气候变暖的发展趋势及其对多年冻土生存环境的影响。随着时间的推移，全球变暖的影响越来越大，这对于多年冻土铁路路基的运营稳定也产生了巨大的影响。

作为一名轨道交通的学生，本次毕业设计是对4年大学知识的升华和运用，并且让我们更加熟练的掌握铁路路基的设计，理论与实践相结合，培养我们独立进行研究的能力。

1.2国内外研究现状

从多年冻土和铁路路基的工程特性来看，多年冻土地区的铁路路基工程将面临许多技术难题。首先是多年冻土在季节变化影响下的冻胀和融沉问题；其次是多年冻土受到工程建设的热干扰；最后是工程建设导致周围水热环境的变化以及各种次生不良冻土现象的影响。随着全球气候变暖，多年冻土地基的生存条件随之变化，从而影响工程地基的稳定性。这在我国青藏高原和世界上其他多年冻土地区都展现出来，只是突出的程度和特点有所不同。

即使在修建冻土地区的铁路工程时面临大量的技术难题，世界上的多年冻土地区仍然修筑了多条铁路干线。20世纪20～30年代，俄罗斯开始在多年冻土地区修筑铁路；20世纪60～70年代则迎来了冻土地区铁路修筑的高潮，当时已建成投入使用并超过1800km的铁路干线共有7条。其中最著名的当属西伯利亚大铁路，它是目前世界上最长的铁路，总长9332km，穿越多年冻土区超过2200km。20世纪70年代末，新西伯利亚贝加尔#8212;阿穆尔铁路（简称贝阿铁路）穿越了超过3500km的多年冻土区^[1]。我国在多年冻土区修建完成的公路和铁路均超过千余公里。东北地区大小兴安岭地区的牙林线和嫩林线穿越了800km以上的多年冻土区^[2]。2012年12月建成通车的哈大铁路客运专线，全长921km，全线穿越深部#8212;中部季节冻土区^[3]。青海海西热水线和穿越天山的南疆铁路则是西部地区穿越冻土区的主要铁路干线。近年来，我国还在青藏高原上建成了世界上最长的多年冻土区的沥青路面公路^[4]。2005年10月15日，经过近4年多建设的青藏铁路格拉段实现了全线贯通。为了保证青藏铁路路基的长期运营安全，在全长546km的多年冻土区采用了多种保护多年冻土的路基结构形式^[5]。

1927年，苏联冻土学家M.I.苏姆金的《苏联境内永久冻结土》一书问世^[6]，标志着冻土学成为一门独立学科。1958年，H.A.崔托维奇最先提出多年冻土区地基与基础的设计原则与方法，并对其应用范围做了说明^[7]。1974年，苏联出版的《北方公路路基》比较系统地阐述了多年冻土地区的路基设计原则^[8]。近年来，有学者提出了将季节融化层用作路基基底的三个原则。第I原则：保证多年冻土上限上升至路堤坡脚，并在公路运营的整个时期使冻层保持在这一位置；第II原则：控制地基土的融化深度，当土融化所产生的变形不致超过允许变形时，按这一原则设计；第III原则：保证路基下面的土融化和疏干，在高温冻土区，含水量小于液限的易疏干的沉陷土中，按这一原则设计 ^[9] 。后来，结合第II原则和第III原则，形成了新的第II原则：线性建筑物在路线的不同地段采用不同的多年冻土地基原则进行设计时，应预先考虑从一种地段过渡到另一地段的过渡线性建筑结构对地基不均匀变形的适应性^[10]。

1958年，国内最早提出关于多年冻土区的路基设计基本上遵循着”保护冻土”的原则，同时认为某些特殊条件下，可以采用融化的方案^[11]。1975～1978年青藏线高原冻土区科研会中，科研人员第一次明确提出了高原冻土区铁路路基设计的两种方法及其适用条件：一是保持冻结法（即换填保温，建成保温法），它一般适用于含冰量较大的连续多年冻土发育的腹部地带；二是融化法（即局部融化或限制融化速度），它一般适用于多年冻土层厚度薄、温度高且不稳定的多年冻土边缘地带^[12]。以过去几十年低温冻土区的风火山工程试验为基础，青藏铁路建设初期设计基本按照”保护冻土在冻结状态，控制融化速率在容许范围内”的设计思路 ^[13]。由于多年冻土退化趋势具有不可逆转性、持续性以及不可确定性，又因为工程现状和理论研究都展现出冻土工程的稳定是一个冻土和冻土工程间相互作用、相互影响的复杂多变的过程，所以在青藏铁路冻土区工程设计中建立了一套全新的动态设计理念 ^[14]。青藏铁路建设初期对铁路经过地区多年冻土的平面分布特征进行勘察和分析，把青藏铁路冻土区多年冻土分为高温极不稳定区、高温不稳定区、低温基本稳定区和低温稳定区四个不同地温分区^[15]。再根据工程建设的特点，针对铁路线路运行对工程结构物变形的控制要求，以及冻土含冰量的特征，完善了我国对于青藏铁路沿线多年冻土的认识，这是我国能利用动态设计理论克服解决青藏铁路沿线冻土问题的基础。在2002年末进行的初步设计审查中，块石层路基结构的大量使用、综合补强措施的全面采用、”以桥代路”，以及以后出现的路改桥等一些重大举措，都体现了设计思想和理念的转变^{[16][17][18] [19]}。对工程调查和观测结果的分析证明，冻土工程修建首先改变的是冻土生存环境，其次改变冻土自身环境，设计理论的核心是改善冻土环境使其向着有利于冻土热稳定性，保证工程稳定性的方向发展。这种设计理念的内涵不只是本着”具体情况具体分析”的原则使设计符合动态变化的工程现场，更主要的是这种设计理念复合叠加了冻土未来变化、环境未来变化及其对未来工程稳定性影响这些不确定性变化的研究和对设计思想的深化与校正^[20]。