一、研究科學(xué)意義和國家需求

　　青藏高原是世界上面積最大、海拔最高的高原，地理位置獨特，自然環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復雜，素有“世界屋脊”、“地球第三極”之稱(chēng)。青藏鐵路格拉段將穿越約547km多年凍土地段，全線(xiàn)線(xiàn)路海拔高程大于4000m地段約960km，在唐古拉山越嶺地段，線(xiàn)路最高海拔為5072m，為世界鐵路海拔之最?！案咴焙汀皟鐾痢眴?wèn)題是本線(xiàn)的兩大難題，其特殊性和復雜性在世界上獨一無(wú)二。

　　在青藏高原多年凍土地區建設鐵路是從未實(shí)踐過(guò)的新的技術(shù)領(lǐng)域，隨著(zhù)幾十年來(lái)自然條件和氣候的變化、科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展、科研成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗的積累，我們對自然和凍土的認識也在不斷的加深。七十年代以前我們認為高原凍土是發(fā)育的，而目前現狀是隨著(zhù)全球氣溫升高，高原凍土呈退縮趨勢；七十年代以前研究重點(diǎn)側重于凍土腹部地帶的高含冰量?jì)鐾?，但青藏公路整治的情況表明，凍土區邊緣地帶及高溫凍土地帶各類(lèi)工程病害多于低溫凍土地帶；過(guò)去確定一個(gè)路基臨界高度來(lái)涵蓋全線(xiàn)，現在看來(lái)必須按不同地溫分區、土質(zhì)及氣候條件來(lái)考慮路基合理高度；現代科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展及新材料、新工藝的不斷出現，為防治各類(lèi)工程凍害提供了新的手段，有必要對其進(jìn)行應用研究。所以青藏線(xiàn)格拉段的修建仍帶有很強的探索性、科研性，為了盡快取得高原多年凍土區鐵路設計、施工經(jīng)驗，先行試驗段的建設具有不可替代的重要意義?！案咴嗄陜鐾羺^試驗工程”也充分體現了我們在高原多年凍土區的設計思想，是設計原則的檢驗，其各階段的觀(guān)測結果將分別是指導、調整設計和施工的依據，實(shí)現青藏線(xiàn)格拉段鐵路的動(dòng)態(tài)設計和施工。

　　二、立項科學(xué)依據

　　青藏鐵路修筑的兩大關(guān)鍵問(wèn)題：高原和凍土。青藏鐵路成功的關(guān)鍵在于路基工程，而路基工程的關(guān)鍵在凍土，凍土作為一個(gè)極為重要的關(guān)鍵因素，必須進(jìn)行深入的研究，以此來(lái)保證青藏鐵路工程的順利實(shí)施和正常高速運營(yíng)。

　　青藏鐵路路基穩定性要求。凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有豐富的地下冰，水分產(chǎn)生遷移并具有相變變化特征，因此，凍土具有流變性，其長(cháng)期強度遠低于瞬時(shí)強度特征，并具有融化下沉性和凍脹性。這些特性造成了凍土區修筑工程構筑物時(shí)，面臨的兩大工程問(wèn)題：凍脹和融沉。路基、橋涵、隧道等都會(huì )受到這兩大工程問(wèn)題的困擾。從路基角度來(lái)講，影響路基穩定性的核心問(wèn)題是多年凍土年平均地溫分區。多年青藏公路實(shí)踐經(jīng)驗表明，在多年凍土年平均地溫高于-1.5℃， 多年凍土路基僅采用加高路基的方法是不能保證路基穩定的，必須采取綜合治理的方法來(lái)解決該問(wèn)題，而低于-1.5℃采用加高路基方法就可保證路基穩定。另一個(gè)極為重要的核心問(wèn)題是青藏鐵路地下冰空間分布問(wèn)題。青藏公路的長(cháng)期研究和實(shí)踐經(jīng)驗表明，地下冰是影響凍土路基穩定的最為重要的影響之一，是產(chǎn)生凍融災害或者不良凍土現象的根本問(wèn)題。地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結果就會(huì )造成地下冰融化，導致路基產(chǎn)生融化下沉破壞。對于橋涵、路塹、高邊坡等工程建筑物，高含冰量?jì)鐾恋挠绊懙臉O為關(guān)鍵的問(wèn)題。

　　多年凍土區工程一般采取保護凍土、控制融化速率和允許融化三種設計原則，青藏鐵路試驗工程基本考慮了上述三種設計原則，這些設計原則合理性必須通過(guò)工程實(shí)踐來(lái)驗證。在低溫多年凍土區，采用保護凍土原則，必須通過(guò)路基穩定性變化驗證路基合理高度的設計標準和依據?？刂迫诨俾实墓こ探Y構措施更是須經(jīng)工程實(shí)踐的檢驗，才能推廣使用。因此根據不同的地層、地溫條件和凍土類(lèi)型確定具有典型性的試驗工程地段，針對設計、施工中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題組織試驗研究，對可能采用的新結構、新材料和新工藝進(jìn)行驗證性試驗研究，檢驗其在青藏高原多年凍土區的適應性和可靠性。

　　三、國內外研究概況及發(fā)展趨勢

　　由于青藏高原特殊的自然地理環(huán)境和高原多年凍土凍融災害問(wèn)題， 使寒區工程修建具有復雜性和困難性。特別是青藏鐵路修建正在面臨著(zhù)凍土環(huán)境與工程間的相互作用問(wèn)題。盡管如此，世界上在多年凍土地區仍修筑了很多鐵路干線(xiàn)。俄羅斯曾在西伯利亞多年凍土地區修筑鐵路工程。本世紀20-30年代，俄羅斯在多年凍土地區修筑鐵路，60-70年代達到高潮，1800公里以上的鐵路干線(xiàn)有七條。其中最著(zhù)名的是第一條橫貫西伯利亞大鐵路。它是世界上最長(cháng)的連貫鐵路，全長(cháng)9446公里。從莫斯科到符拉迪沃斯托克，此線(xiàn)跨越多年凍土區2200公里以上。70年代末期建成的新西伯利亞鐵路則通過(guò)多年凍土帶3400公里以上。目前正在修建向北延伸的二條鐵路，幾乎全部是在多年凍土地區。北美國家在Manitoba 和Quebec多年凍土地區建立了干線(xiàn)， 開(kāi)發(fā)Lynn湖及Schefferville的礦業(yè)，并且保持Churchill港與南方鐵路聯(lián)系。加拿大有三條鐵路干線(xiàn)由南向北穿越凍土帶，運行歷史有20年。

　　我國在大小興安嶺地區：主要干線(xiàn)是牙林線(xiàn)和嫩林線(xiàn)穿越的多年凍土共有800公里左右。西北地區有兩條鐵路干線(xiàn)正在運營(yíng)，其一是青海海西熱水煤礦專(zhuān)線(xiàn)，其二是穿越天山的南疆鐵路工程。應該說(shuō)在多年凍土地區修筑鐵路工程由許多可以借鑒的設計和施工經(jīng)驗，但在高原多年凍土區修筑鐵路是首次。青藏高原多年凍土地處中、低緯度、高海拔地區，與中、高緯度、低海拔多年凍土相比，具有多年凍土厚度薄、地溫高和太陽(yáng)輻射強等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)導致了高原多年凍土變化的特殊性，因此，存在很多凍土問(wèn)題需要我們去研究。

　　為了早日推進(jìn)青藏鐵路項目的立項，于1998年中科院蘭州冰川凍土研究所積極主動(dòng)地配合鐵道部門(mén)進(jìn)行了青藏鐵路預可研工作，在此階段的主要核心問(wèn)題是回答在不穩定的高原凍土環(huán)境下是否能成功的修建鐵路？通過(guò)分析總結我們40多年來(lái)，特別是近20年來(lái)的關(guān)于青藏高原多年凍土工程問(wèn)題的研究成果，明確回答了修建青藏鐵路的可行性問(wèn)題，指出了鐵路修建的關(guān)鍵核心問(wèn)題是高溫多年凍土地區（100多公里）路基穩定性問(wèn)題，并給出了解決此問(wèn)題的途徑，為青藏鐵路的正式立項奠定了良好的基礎。提供了高原多年凍土區青藏鐵路凍土工程及其環(huán)境變化預測；提供了工程設計中凍土設計參數的綜合評價(jià)；提供了青藏鐵路建設中的雪害防治技術(shù)；提供了國內外多年凍土區鐵路工程修筑的情況與現狀報告。

　　為了建設“高水平的環(huán)保青藏鐵路”，中科院寒區旱區環(huán)境與工程研究所在整理分析現有凍土工程科研成果的基礎上，以創(chuàng )新工程為依托，緊密?chē)@青藏鐵路修建中尚待解決的重大技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行積極的準備，并于2000年初起開(kāi)展了新技術(shù)、新材料、工程對策、工程模擬等研究，以滿(mǎn)足工程設計和施工的急需。目前已開(kāi)展的主要科研項目有：進(jìn)藏公路鐵路典型路段工程災害成因及其減災理論與技術(shù)研究、工程技術(shù)影響下高原多年凍土環(huán)境變化預報模式、多年凍土區拋石路堤實(shí)驗研究、可變導熱性能結構材料研究、凍土路基凍脹融沉預報與復合地基優(yōu)化設計、高原多年凍土不穩定地段路基邊坡穩定性研究和寒區隧道工程襯砌結構理論與路基穩定性試驗研究等。這些科研項目的實(shí)施，將會(huì )對青藏鐵路的建設起到重要的作用。同時(shí)也為此項目的進(jìn)行奠定了良好的基礎。