玉树震后公路交通恢复重建用了哪些高科技？
2016-03-11
重建后的214国道为玉树打通了生命之路、幸福之路。
驱车飞驰在平坦的214国道青海共和至玉树公路上，很难想象6年前这里曾是满目疮痍。2010年4月14日，青海省玉树藏族自治州发生了7.1级强烈地震，道路阻断、房屋坍塌，给玉树的交通和经济带来重创。地震过后，重建工作刻不容缓，而道路的畅通是重建顺利进行的前提和保证。
地震发生以来，交通运输部高度重视，迅速启动交通系统抗震救灾和震后交通恢复重建及相关科研工作，通过交通科技管理中心设立专项，为抗震救灾和玉树地区公路基础设施建设提供坚实的技术支撑和保障。在交通运输部科技司的部署组织下，由交通运输部公路科学研究院、交通运输部科学研究院、中交公路规划设计院有限公司、招商局重庆交通科研设计院有限公司、中交第一公路勘察设计院有限公司、中交第二公路勘察设计院有限公司、四川省交通厅公路规划勘察设计研究院所等单位组成“科技支持玉树灾后恢复重建志愿服务团”，为玉树灾后交通恢复重建开展联合技术攻关。交通运输部还从项目、资金和技术方面给予大力支持，为公路恢复重建铺平道路。
在交通运输部、青海省交通运输厅的大力支持下，青海省交通科学研究院（简称青海省交科院）勇挑重担，申报了交通运输部交通科技项目《玉树地震灾区公路建设关键技术与工程示范》、《高海拔地区震后路基路面修复与建设技术研究》、《高海拔地区震后构造物维修与防冻害技术研究》项目，以科技为支撑，为玉树地震灾区打通生命之路、幸福之路，也给三江源地区道路运输、生态建设、经济及旅游发展打下坚实基矗目前，这三个项目已通过专家验收，成果得到肯定和好评。
防灾减灾抗震加固护生态
青海省地震灾害频繁，道路交通应对地震灾害的能力却十分薄弱，2010年发生在玉树的地震再次给青海省交通运输部门敲响警钟。在青海省道路交通网络快速发展与地震灾害频发的现实面前，青海省交科院联合中国科学院等单位开展了“玉树地震灾区公路建设关键技术与工程示范”研究，进行了震区高速公路路基稳定性、边坡预应力锚索抗震技术、道路交通应急反应机制、冻土工程地质条件及环境评估与恢复等技术研究，为提高青海道路交通地震应急反应能力作出了重要贡献。
遥感卫星确认受损道路
青海省震区道路交通系统灾害分布广、多点多次突发的特点给负责抢通的路政人员带来很大困难。研究人员指着一张遥感影像图告诉记者，图片上浅灰色的条带是214国道，条带上的黑色区域就是被埋路段。研究人员进一步解释说，从黑色区域的面积和位置来看，该路段被埋很可能是因为发生了滑坡、泥石流等大规模地质灾害。“运用遥感数据处理技术，对不同的遥感数据源采用不同的分析方法，对震后道路交通应急抢通很有帮助。”据介绍，项目组总结分析了道路、桥梁在遥感影像上的几何形状特征、光谱特征、上下文特征，已经可以从遥感影像上准确识别道路、桥梁在地震后的受损情况，甚至能快速提取被滑坡淹没路段的震害信息。根据这些信息，项目组提出了214国道青海段地震灾害损坏的评价方法，以后再发生地震灾害，路政人员就可以在第一时间掌握震区道路情况，采取相应抢通措施。
针对青海省道路交通地震应急反应在人员、机制、物资方面的不足，项目组提出了详细的地震交通应急策略，为震前加固、震中抢通、震后重建制定了切实可行的方案。该地震交通应急反应机制的建立，可主动缓解地震给青海省交通带来的影响，还使青海省交通运输系统对自身应急反应能力的现状有清楚、全面的认识，为青海省道路交通应急机制的发展指明了方向，最大限度减轻灾害造成的损失。
抗震锚索稳固边坡
地震发生时会产生巨大的的冲击能量，现有边坡锚索往往难以承受这种冲击，容易发生变形甚至被拉断。地震过后边坡会形成永久性变形，现有锚索的锚固结构无法适应这种变形，导致道路坍塌。因此，项目组开发出一种新型预应力锚固结构，具备出色的抗震性能，就算在9度及以上的高烈度震区依然能保证边坡稳定。据了解，该锚索以现有压力型锚索为基础，采用抗震锚固体系，可缓冲地震瞬间冲击力，避免锚固体系发生毁灭性破坏。同时，该锚索最大变形量超过30厘米，即使边坡在地震中发生大的变形，锚索也能与之协调，保证边坡的安全稳定。值得一提的是，项目组还将抗震锚索发展为新型的安全锚索，可用于爆破与震动环境下的岩土锚固、大变形滑坡及超高边坡治理、大断面与大变形地下工程支护等，有效延长了高寒地区高等级公路使用寿命，既保证多年冻土区高等级公路的建设质量和抗震性能，又大大降低了养护维修费用，节约了人力、物力和财力。
固氮引流保护路域植被
沿着214国道从玉树一路向北，随着海拔的不断降低，公路两旁的植被却越来越少。据介绍，人类活动的扰动和土壤肥力的不足导致青海低海拔区的植被退化更为严重。此外，共和至玉树段路域土壤中的氮素不足且土壤呈盐碱化，也是限制植被恢复和物种多样性的重要原因。因此，研究人员在重建震区公路时在公路两旁增施氮肥、种植固氮植物，借此改善土壤肥力。由于该地区土壤盐分主要来自路面径流，所以项目组通过加强路面排水来减轻土壤盐碱化，保护植被。另外，项目组还组合使用热棒与XPS板，采用L形热棒，通过对设计及施工方法的优化，避免工程对高寒区脆弱的生态环境造成严重影响。
震后维修加固涵洞防冻害
目前在我国多年冻土地区的公路支挡结构和桥涵工程病害较为普遍，极大地影响了构造物的使用性能，严重影响车辆行驶的舒适性和安全性。传统的重力式挡土墙适应变形力较差，无法负荷多年冻土区土压力、冻胀力在暖季和寒季的交替循环作用，经过几次冻融循环就会遭到破坏。然而，在现有的技术标准和细则中都没有关于多年冻土地区支挡结构、桥涵设计与施工的相关规定。为了解决这一难题，青海省交科院会同长安大学、青海地方铁路建设投资有限公司开展了“高海拔地区震后构造物维修与防冻害技术研究”。
改性沥青防地基冻胀
高海拔地区涵洞破坏的主要原因是地基冻胀。影响地基冻胀的关键在于水，地基含水量越高或水分补给越充足冻胀就越严重。除了水，地基土的冻胀敏感性和地基的温度波动也会影响冻胀程度。因此，实现涵洞稳定要做好涵洞防渗漏和涵洞地基温度调控。
为减缓冻土在施工中的融化速度，降低地基中的含水量，项目组在洞口边坡上支起遮阳网，在洞顶插入热棒，在洞内修筑水沟、泄水洞；为预防地基冻害，项目组为洞口设计了防雪棚，精心配置了防冻性能强的混凝土，在拌和、浇筑、养护时都小心地做好保温措施，还计算出保温层最为经济的厚度和铺设方法。
在共玉高速公路鄂拉山隧道涵洞外，涂抹有改性沥青的橡胶管整齐地堆放着，几名工人正在拌制砂砾；涵洞内，工人们正在用专用的界面剂处理变形缝。项目研究人员告诉记者，不久后那些橡胶管将被填塞到变形缝中，这是经过多次试验才找到的修复涵洞变形、预防渗漏的好办法。工人们正在拌制的是经过项目组改良的聚合物改良砂，不但具有较好的防渗透性能，还可以起到“热半导体”效应，在减少涵洞含水量的同时降低地基温度，使地基保持冻结状态，防止冻胀对涵洞造成破坏。
柔性支挡加固涵洞洞口
在214国道玉树受灾段，有的涵洞洞口的支挡结构呈倒U形，顺势斜建在边坡上；有的洞口支挡结构像是在地面上垂直树起了一座石头墙，立在边坡前。据了解，这分别是项目组独创的护坡式石笼和墙式石笼，可以有效避免涵洞“塌腰”和洞口落土。
石笼维护了涵洞的稳定性，如何保护石笼呢？原来，在石笼和边坡之间藏着EPS重力式挡墙。EPS材料可以起到明显的双向隔热效果，防止边坡冻土随温度变化发生体积变化，导致石笼遭受推顶和沉降。和传统的重力式挡土墙相比，EPS材料具有更强的适应变形能力，弥补了传统的重力式挡墙无法负荷冻胀力在暖季和寒季的交替循环作用的缺陷。
想要涵洞牢固，还必须保证边坡稳定。在姜路岭隧道、雁口山隧道等多个隧道洞口都矗立着一根根热棒。据了解，在高原冻土区，冻融交界面在暖季易发生滑坡，将热棒埋入边坡后，地面大气中的低温可通过热棒传入地基，使热棒周围的土体冻结形成“冻结桩”。“冻结桩”能够起到类似抗滑桩的作用，有利于减小活动面的水平位移及活动层的下滑力。
路面修复新材料新工艺提升质量
青藏高原孕育着厚厚的多年冻土，给震后公路建设和维护带来极大困难。同时，高海拔地区复杂恶劣的水文、地质及气候环境给震后路基路面修复与建设提出了极大挑战和更高要求。因此，青海省交科院联合交通运输部公路科学研究院、青海地方铁路建设投资有限公司、长安大学，开展了“高海拔地区震后路基路面修复与建设技术研究”，完成了214国道8个路段的路基检测工作，找到了冻土路基年度稳定性的变化规律，分析了高填方路基的抗震性能，为震后路基路面的修复与建设提供了技术支持。
新材料维修水泥路
在青海省214国道姜路岭至清水河段，以前常常可以看见裂缝如疤痕一样蜿蜒在路面上。和传统的沥青路面相比，水泥混凝土路面可以对太阳辐射起到良好的反射作用，从而减少热量吸收，缓解冻土的融化，还能有效降低路堤填土高度，减少公路建设对青藏高原生态环境的破坏。但是，目前水泥混凝土路面在青藏高原地区应用时病害较多，特别是在玉树地震灾区，水泥混凝土路面断板、开裂病害严重。因此，找到震后水泥混凝土路面的维修方法，提高水泥混凝土路面对青海省多年冻土地区的适应能力成为亟待解决的问题。
“路面裂缝修补材料必须能承受高海拔地区严酷的自然条件，为此我们开发了水泥混凝土路面早期修补剂。”据项目负责人介绍，环氧树脂裂缝快速修补材料和硅灰改性超细水泥裂缝快速修补材料具有强度高、耐腐蚀性好等优势，较好地解决了原有材料与旧混凝土不相容的问题。
214国道石头山段有更为严重的路面病害——断板，最宽达到7厘米，严重影响了公路使用。在修复现场，施工人员先将破碎板凿除，然后将基层冲洗干净并浇筑新的混凝土。研究人员告诉记者，根据断板程度的由轻到重，可采用裂缝修补、局部修补和整块板更换三种方法。另外，项目组还开发了水泥混凝土路面早期修补剂，解决了震后水泥混凝土断板更换周期长和耐久性差等问题。
为了更有针对性地进行路面修复，项目组将路面裂缝分为轻度、中度和重度三个等级。对于宽度小于3毫米的轻度裂缝，采用扩缝灌浆法；对于宽度介于3毫米至15毫米之间的中度裂缝，采用直接灌浆法或条带罩面补法；对于宽度大于15毫米的重度裂缝，采用全深度补块法。通过分级处理，快速、准确地对裂缝进行修复。
温拌沥青延长施工季
温拌沥青技术的节能减排效果得到了业界公认，对于低温时间较长的青海来说，温拌还意味着更多的时间可以施工。
10月的青海已是天寒地冻，如果采用普通热拌沥青混合料，路面很难压实。在此背景下，项目组决定改用温拌沥青技术，把施工温度降低了30摄氏度，使施工可以在较低的气温条件下进行，显著延长了道路施工季节。如今已过去了3年多，试验路段依然保持着良好的服务水平，路面性能与热拌沥青混合料不相上下。
同时，项目组研发的沥青混凝土路面结构，增强了路面对冻土变形的适应能力，从而延长了高寒地区公路使用寿命，为今后我国类似高海拔地区公路，特别是高速公路的建设提供了宝贵的理论参数与科学依据。
组合路基降温护冻土
冬季，冻土在负温状态下就像冰块，随温度的降低体积发生剧烈膨胀，推顶上层路基、路面；夏季，冻土随温度的升高而融化，体积缩小后使路基发生沉降。这种周期性的变化很容易导致路基和路面的膨胀、隆起、沉陷、变形、断裂、破碎。事实上，冻土的融沉变形正是青藏高原地区路面破坏的主要原因。
如果路基能主动降温就可大大减少冻土的融化，也就能减轻路面变形。以往常采用在路基中加铺保温材料的方法来增加路基的隔热性能，减少传入冻土的热量。项目组对几种常用的保温材料进行了检测研究，发现块石路基可以起到“热半导体”作用，但用于高等级公路时降温性能受到影响。热棒维护路基热稳定性的效果虽好，但造价和后期维护费用都较高。通风管路基在高寒冰冷的冻土区具有优势，但仅适用于不冻胀或弱冻胀的多年冻土区。也就是说，综合利用各种保温材料，找到最为经济有效的设计才能满足青海高原冻土区公路建设的需要。因此，项目组根据共和至玉树结古镇公路沿线典型的气候和地质特点，在试验路段上综合利用XPS板路基、片块石通风路基、通风管路基和热棒路基四种形式。应用结果表明片块石路基的片块石层平均粒径为20厘米至30厘米时降温效果较好，XPS板路基在暖季的隔热效果明显，通风管路基在冷季发挥出明显的冷却效果，热棒路基的热管纵向间距为2米时最为经济有效。
另外，碎石层对路基的变形具有很好的调节作用，为了更好发挥碎石层的作用，项目组经过大量实验找到路堤高度、含水量、碎石层厚度对碎石层路基的影响，绘制出了碎石层发挥变形调节能力的厚度设计诺莫曲线，今后施工时只要确定了路基高度就可以快速计算出适合的最小碎石层厚度。
持续研究在实体工程中改进成果
在项目进行中，研究人员又发现一些可继续研究的课题。例如围岩水分场迁移是隧道冻害中的难题，准确模拟水分场的迁移、总结水分场的迁移规律对隧道冻害机理的研究有很大帮助，青海省交科院的科研人员正在为此而努力。
“我们在实验室中做了大量理论分析和数值试验，这些成果需要在实体工程中进行验证和改进。”项目组负责人举例说，宽幅路基的研究工作主要集中在数值模拟分析，虽然已应用在清水河路段，但高原局地因素多变，对宽幅路基的影响十分复杂，所以项目组将持续监测清水河试验工程、收集相关数据，进一步研究宽幅路基的稳定技术，制定更加详细、全面的技术规范。另外，缓冲材料对挡土墙具有减载效能，但目前还难以准确量化，项目组将积极寻找合适时机，把理论成果应用于实体工程，通过观测得到准确数据，为高原冻土区高速公路建设提供更加有力的技术支撑。
对于已经应用于实际工程的科研成果，有些需要更长时间才能进行判定。一是由于依托工程进度原因，工程措施在施工完成后才能开始监测，所以持续监测时间只有一两年，结果主要反映前期效果。二是对于多年冻土区植被恢复和重建，尤其是当公路建设从大规模、高强度的人为养护变成运营后的低强度养护后，现有植被能否更好地生长发育需要进一步观察。因此，项目组将对试验路段的使用状况、植被的变化趋势和演替规律进行长期跟踪观测，并把科研成果应用到更多的公路建设中，进一步检测验证科研结论。
“受限于当时的现实情况，研究中还有一些需要改进的地方。”研究人员介绍说，基于成本、材料用量及使用习惯等方面的考虑，高寒区隧道防冻害研究主要针对沥青改性开展。目前，水利、建筑和市政行业采用的变形缝止水、填塞材料已呈现多样化趋势，所以有必要进一步通过实验，引入一些符合寒区低温大变形使用要求、性价比较高的涵洞防水材料。另外，高寒地区隧道防冻害措施日益成熟，而防冻害材料、外加剂方面的研究尚有不足，未来可以研制掺加掺和料的高性能混凝土，以提高隧道的抗冻性、抗渗性。
联合攻关七家单位志愿服务
在高原冻土地区修建高速公路是世界性难题，单凭青海省交科院显然力不从心。在交通运输部科技司的领导下，交通运输部公路科学研究院、中交公路规划设计院有限公司、招商局重庆交通科研设计院有限公司等7家单位组成“科技支持玉树灾后恢复重建志愿服务团”（简称志愿服务团），派出37名骨干技术人员，历时3年，为玉树灾后重建工程提供现场指导和咨询服务，开展系列讲座，培训研究技术人员，为青海交通恢复重建提供了有力的科技援助。
重建初期，志愿服务团汇集各领域智慧，为玉树公路恢复重建开山铺路。根据214国道玉树多年冻土区路段受灾情况和勘察设计工作要求以及214国道青海段多年冻土的分布特点，志愿服务团编写了《国道214线公路勘察设计细则》，开展了《国道214线多年冻土区高速化公路设计技术》专题研究，提出了214国道共和至结古镇多年冻土区公路路基、路面、桥梁及隧道抗冻设计方案与多年冻土区环境保护设计应注意的问题，为玉树地区震后公路恢复重建奠定了基矗
重建中遇到难题，志愿服务团亲赴现场，专家们各展所长，开展联合攻关，充分发挥智囊团作用。2012年9月18日清晨，刚下过雨，户外气温只有几度，志愿服务团来到共玉高速公路通天河隧道。从隧道口进入洞体内1公里处，一道蔚为壮观的“瀑布”把掘进面阻断了。由于山体内出水量很大，水压又高，施工单位对水源、地质情况无法判断，不敢贸然行动，正焦急地等专家们想办法。顾不上洞内的阴冷和滴水，专家们聚拢到掌子面察看原因。从隧道工地回到第二合同段办公区，担任志愿服务团团长的交通运输部公路科学研究院时任副院长张劲泉和共玉公路建设指挥部负责人立即组织专家与各标段工程技术人员进行座谈，请专家给隧道建设提出锦囊妙计。针对通天河隧道出水严重的问题，专家们分析了水源和出水原因。招商局重庆交通科研设计院隧道所副所长秦峰提出先排水、再止水的具体措施，他已经先期在工地持续工作了几个月。听完他的分析论证，施工单位技术人员豁然开朗，表示立即按专家意见处理。中交公路规划设计院的专家赵君黎建议尽可能做好施工前的风险评估，在志愿服务团和青海省科研、技术人员的共同努力下，渗水问题最终得到了解决。
原共玉公路建设指挥部副指挥马清祥告诉记者，重建项目施工期间遇到不少困难，志愿服务团的专家随叫随到，他们提供的技术咨询对施工帮助巨大。“在玉树，因为海拔高，有的专家怕有高原反应，吃饭只吃六成饱。即使产生高原反应，呼吸急促、嘴唇发青，只要工程陷入僵局，专家们就二话不说赶往现场，帮我们解决问题。”马清祥充满感激地说。
志愿服务团秘书长、部公路院科教处处长牛开民介绍说，志愿服务团还在工闲时组织开展了几次技术培训，收效良好。2010年，志愿服务团先在北京举办了以“科技支持玉树震后重建”为主题的交通科技大讲堂，又赴青海西宁组织技术培训讲座，从地震对桥梁抗震的启示，到震后抢通重建的技术，再到建成后的路面养护方法，对青海省相关单位人员进行了系统培训。此后的四年间，志愿服务团还就桥梁养护、边坡路基抗震技术等开展了更具针对性的讲座和交流活动，把科技的清泉活水引入青海。
交通运输部除及时组建志愿服务团外，还从科技项目、资金和技术方面有力支撑玉树交通运输恢复重建工作。根据地震灾区对应急保通和恢复重建的技术需求，部科技司迅速组织筛选了一批具有良好应用效果的科研成果，整理编印成《交通基础设施震后重建实用技术》送往地震灾区，让重建工作少走弯路。
在交通运输部和志愿服务团的帮助下，青海省交科院发挥了科研主力军的作用，在214国道青海多年冻土地区成功修筑了多条试验路，有力保障了道路畅通、公众安全舒适出行，为打造资源节约型、环境友好型交通运输行业提供了技术保障，提高了青海交通运输行业的公共服务能力、交通管理能力和可持续发展能力。与此同时，青海省交科院承担的《玉树地震灾区公路建设关键技术与工程示范》、《高海拔地区震后路基路面修复与建设技术研究》、《高海拔地区震后构造物维修与防冻害技术研究》项目于今年1月顺利通过验收，部分成果达到国际先进水平和国内领先水平，青海省交通运输科研实力得到显著提升，同时积累了大量监测数据，培养出新一批科研人才，为科研可持续发展打下了基矗
■专家寄语
交通运输部公路局副巡视员胡滨：
人才培养与实际应用相结合
青海省交通科学研究院承担的三个项目围绕玉树地震灾区公路建设进行，立足于多年冻土这一特殊地理条件，具有很强的针对性。
科研的目的在于获得社会效益和经济效益，这要依靠成果的推广应用。这批项目中温拌沥青项目就是一个推广应用的项目，项目组充分利用灾后公路恢复重建的依托工程，把科研成果转化为经济效益。这三个项目成果都适合在青海推广应用，这不仅有益于社会经济发展，还对科研的可持续发展有很大的作用。
科研队伍的成长可以促进当地技术进步，要把人才培养与实际应用结合起来。现在的施工队伍中都有大学生，如何让他们得到成长锻炼，把他们的技术发挥出来？有人说没有课题，其实像编订施工工法这种与工程联系紧密的研究就可以当作课题交给年轻人，既培养了科技人才，又推动了科技成果应用。这同时意味着科研院所要加强与企业的联系。
青海省公路学会高级工程师臧恩穆：
科研成果需要长期观测
青海省夏季气温低，年均气温也低，施工期的气温不高且时间较短，给公路建设造成困难。青海省交通科学研究院的三个项目都是针对青海高寒高海拔地区的特点，取得了不少成果，对应对自然灾害、抗震救灾、维护民族团结和国家安全非常重要。
对于公路科研来说，成果需要经过长期观测才能得出结论。公路是要承受自然和车流量考验的，所以对于研究成果，只考察两三年远远不够，至少要经过四、五年的使用，再进行观测检验，才能对成果进行判断。青海省的气候条件在全国都很特殊，所以公路科研成果更是需要长期观测。在长期使用中考虑路要怎么修、以前修的路为什么坏，通过不断鉴定来不断改进技术。
科研的可持续发展需要人才。从西部人才队伍建设长远考虑，青海省要加快建设人才梯队，给年轻的科研人员更多机会，使他们锻炼成为未来科研队伍的主力军。
■项目名片
项目名称：高海拔地区震后构造物维修与防冻害技术研究
牵头单位：青海省交通科学研究院
参与单位：长安大学、青海地方铁路建设投资有限公司
研究内容：震后高原多年冻土地区支挡结构和小桥涵维修加固技术、高寒地区隧道冻害预报与防治技术
项目名称：玉树地震灾区公路建设关键技术与工程示范
牵头单位：青海省交通科学研究院
参与单位：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、中交第一公路勘察设计研究院有限公司、长沙理工大学、招商局重庆交通科研设计院有限公司
研究内容：地震灾区214国道沿线多年冻土工程地质分类与评估、高海拔地震灾区高速公路路基稳定性与示范工程建设、地震灾区道路交通应急反应机制研究、高烈度地震灾区边坡预应力锚索抗震技术研究、玉树地震灾区公路建设生态环境评估和恢复技术示范工程
项目名称：高海拔地区震后路基路面修复与建设技术研究
牵头单位：青海省交通科学研究院
参与单位：交通运输部公路科学研究院、青海地方铁路建设投资有限公司、长安大学
研究内容：地震灾后高填方路基稳定性检测与维修技术研究、高寒地区低温环境下沥青混合料耐久性和施工技术研究、主动降温能力和水泥混凝土路面下碎石层综合应用技术研究、高寒地区水泥混凝土路面震后维修技术研究
