气候变化影响下多年冻土区铁路路基热稳定性分析

Analysis of Thermal Stability of Railway Subgrade in Permafrost Regions Affected by Climate Change

摘要

全球气候变暖加剧了青藏高原气候暖湿化，威胁着高原铁路路基及下伏多年冻土的热稳定性，但以往研究缺乏综合考虑铁路沿线气候、多年冻土及路基稳定性的系统分析。针对这一研究的不足，基于铁路沿线气象和多年冻土路基地温监测数据，分析铁路沿线多年冻土区气温降水、天然场地年平均地温与天然上限、路基人为上限及路基左右路肩沉降变化，揭示气候暖湿化背景下铁路多年冻土路基热稳定性变化，为多年冻土区铁路建设和维护提供参考。结果表明：近20年来，铁路沿线年均气温和年均降水量的平均值分别增加了1.2 ℃和80 mm；相较于2007年，2020年铁路沿线天然场地多年冻土年均地温平均升高0.1 ℃，多年冻土天然上限平均下降0.58 m，路基人为上限平均抬升2.34 m，路基左路肩平均沉降大于右路肩，存在阴阳坡效应。整体而言，铁路多年冻土路基状态稳定，运行状态良好，建设运营期间采取的一系列工程措施有效，但面向未来气候加剧变化趋势，应提前谋划多年冻土保护新技术。

Abstract

Influenced by global climate warming, the Qinghai-Tibet Plateau has experienced intensifying warm and humid trend, leading to an increase in annual average temperature and precipitation along the railway route. Consequently, the underlying permafrost beneath the railway subgrade has undergone changes. However, previous studies have lacked a comprehensive systematic analysis that integrates climate, permafrost, and subgrade stability along the railway route. To address this gap, utilizing meteorological station data and monitored ground temperature data from permafrost regions along the railway, this study analyzes the variations in temperature and precipitation, the annual average ground temperature and natural upper limit of permafrost, the artificial upper limit of the embankment, and the lateral settlement of the embankment shoulder. The results indicate that over the past two decades, the annual average temperature and precipitation along the railway route have increased in average values of 1.2 °C and 80 mm, respectively. Compared to 2007, the annual average ground temperature of the natural permafrost sites along the railway route increased by 0.1 °C in 2020. The natural upper limit of permafrost decreased by an average of 0.58 m, while the artificial upper limit of permafrost in the embankment increased by an average of 2.34 m. Moreover, the left embankment shoulder experienced greater settlement compared to the right shoulder, indicating a distinct southern and northern slopes effect. Overall, the permafrost subgrade of the railway remains stable, and in good operating condition, affirming the effectiveness of engineering measures implemented during construction and operation. However, in anticipation of further climate change in the future, it is recommended to proactively plan for new permafrost protection technology.

Graphical abstract

关键词

高原铁路 / 气候变化 / 多年冻土 / 冻土上限 / 阴阳坡效应 / 地温监测

Key words

Plateau railway / Climate change / Permafrost / Permafrost upper limit / Southern and northern slopes effect / Ground temperature monitoring

青藏高原具有独特的气候和地质环境，在平均海拔4 500 m以上区域广泛分布着约1.06×10⁶ km²多年冻土^［1］，是全球气候变化的“放大器”和“驱动器”^［2］。受全球气候变暖的影响，青藏高原变暖变湿的趋势加剧^［3-4］。《中国西部环境演变评估》报告预测，到2050年青藏高原气温将升高2.2~2.6 ℃^［5］，高于全球平均值（1.5 ℃）^［6］。过去50年间观测数据也证实，青藏高原年平均气温呈升高趋势，升温幅度明显高于北半球同纬度地区^［7］，年平均降水量呈增加趋势^［8-9］。1998年至2014年的年平均地表温度相较于1980年至1997年上升1.15 ℃^［10-11］。上述气候暖湿化趋势将导致多年冻土发生显著变化^［12］，多年冻土地温升高^［13-14］、冻土层厚度减小^［15-16］以及冻土退化将引起一系列热融灾害，威胁着高原铁路路基的热稳定性。

多年冻土区铁路基础设施稳定性受多年冻土状态变化影响显著，某高原铁路建设运营期间，采取了一系列工程措施保护多年冻土，提高了冻土工程稳定性。现有研究主要通过调控热辐射、热对流及热传导方式来冷却地基多年冻土，采取的工程措施主要有片石气冷、碎石护坡、热棒、通风管等。片石气冷路基能有效冷却多年冻土地基，抬升多年冻土上限^［17-18］。文献［19］基于北麓河试验段实测地温数据，对比分析了封闭块石护坡、块石护坡加厚、碎石护坡路基的降温效果，其中碎石护坡的降温效果最佳，其路基中心下原多年冻土上限附近降温速率达0.047 ℃ · a^-1。文献［20-22］对碎（块）石护坡路基的降温机制及温度场分布特征进行了研究，发现碎（块）石护坡路基结构的自然对流及保温作用降低了冻土温度，提高路基工程稳定性，并改善了阴阳坡效应。文献［23-25］进行了热棒路基现场试验，研究了升温条件下不同布置间距的普通热棒对冻土路基冷却效果，结果表明热棒布设间距越小，对路基下伏多年冻土的降温效果越明显，更有效提升路基的稳定性。此外，多年冻土路基人为上限与路基填筑时间、填料状态、路基几何等密切相关，多年冻土路基人为上限变化影响路基稳定性^［26］。

尽管相关研究人员围绕高原铁路多年冻土路基进行了现场试验及地温监测，但大多数监测数据都为铁路沿线局部监测断面或监测点的短期监测，缺乏铁路沿线多年冻土及路基状态变化的系统分析，且很少有对气候变化、多年冻土变化与基础设施稳定性进行综合分析的研究。

本文基于某高原铁路多年冻土路基2007年和2020年沿线地温及变形监测数据，分析了气候变化背景下铁路沿线多年冻土年平均地温、多年冻土上限及冻土路基沉降等变化特征，揭示了气候暖湿化背景下铁路多年冻土路基热稳定性变化，为多年冻土区铁路建设和维护提供参考。

1 铁路沿线多年冻土分布特征及预测

保护多年冻土是高原铁路建设运营面临的最大挑战。某高原铁路格拉段全长1 142 km，海拔4 000 m以上的线路长达960 km，其中多年冻土地段北起西大滩断陷盆地，南至安多盆地，长约546.43 km，占格拉段总长的47.8%。铁路沿线高含冰量冻土十分发育，厚层地下冰、富冰、饱冰冻土地段长达223.16 km，占多年冻土区段长度的40.84%。根据铁路沿线多年冻土区的年平均地温T_cp，多年冻土分为4个分区，分别为高温极不稳定区（T_cp≥-0.5 ℃，Ⅰ区），高温不稳定区（-1.0 ℃≤T_cp<-0.5 ℃，Ⅱ区），低温基本稳定区（-2.0 ℃≤T_cp<-1.0 ℃，Ⅲ区）和低温稳定区（T_cp<-2.0 ℃，Ⅳ区）。其中，Ⅰ区和Ⅱ区属于高温多年冻土，高温冻土区段长达274.26 km，占多年冻土区段长度的50.19%。铁路沿线多年冻土区15个区段中多年冻土上限一般为1~5 m，高温多年冻土主要分布在高平原、河谷、盆地等，低温多年冻土主要分布在中高山地区^［27］。

高原铁路多年冻土区段建设之初已考虑气候变化对多年冻土工程的影响，预测了未来50年升温1.0，2.0和2.6 ℃条件下的多年冻土变化^［28］，工程设计考虑了未来50年升温1 ℃影响。图1为某高原铁路设计之初和未来50年不同升温条件下多年冻土区分布。

图1预测结果表明，未来50年铁路沿线气温升高1.0 ℃后，铁路沿线融区面积增加约1.68%，高温多年冻土区面积增加约11.81%，低温多年冻土区面积减小约13.49%；未来50年铁路沿线气温升高2.6 ℃后，将有大部分多年冻土演变成融区，少部分海拔相对较高地段的多年冻土将成为高温极不稳定型多年冻土。不同的升温条件下多年冻土热状态和空间分布存在较大的差异。

目前铁路沿线气象监测数据表明，近20年来气温升高了1.2 ℃，提前达到并超过了设计时考虑的未来50年升高1.0 ℃。铁路沿线气候暖湿化趋势加剧了多年冻土退化，主要表现在多年冻土温度升高、天然上限下降、活动层厚度增加等。相关研究预测表明在相对较低的社会经济发展路径（SSP126）、中等强度的社会经济发展路径（SSP245）和高强度的社会经济发展路径（SSP585）情景下，到21世纪末，青藏高原多年冻土分布面积可能会分别减少26.9%，26.9%和80.1%^［29-30］。到2060年，青藏工程走廊将有12.0%~20.2%的多年冻土发生退化，年平均地温平均升高0.4~2.3 ℃，活动层厚度平均增加0.4~7.3 m^［31］。气候暖湿化影响下铁路沿线多年冻土会因其所在工点地貌特征、环境水热条件、工程措施类型等影响因素不同，导致实际发生退化程度与预测结果存在局部差异，但预测整体趋势相对准确，可为工程实践提供参考。

2 铁路沿线气温和降水变化特征

2.1　年平均气温

图2为某高原铁路沿线风火山、五道梁、沱沱河气象站年平均气温变化曲线。由图2可知：1957年至2020年铁路沿线各站年平均气温呈波动上升趋势，且年际差异较大。分别分析2000年之前、之后的年平均气温变化，1957年至1999年3个气象站平均升温速率在0.008~0.026 ℃ · a^-1之间，2000年至2020年平均升温速率在0.042~0.045 ℃ · a^-1之间，说明近20年来，铁路沿线气温加快升高。相较上一个20年周期（1981年至2000年），3个气象站在近20年（2001年至2020年）年平均气温平均升高1.2 ℃。

2.2　年平均降水量

图3为某高原铁路沿线气象站年均降水量变化曲线。由图3可知：风火山、五道梁、沱沱河年平均降水量在1976年至1995年之间波动变化，无明显增大或减小趋势；在1995年以后，该铁路沿线年均降水量呈现显著的增大趋势。以1995年分界，将之前、之后的年平均降水量分别分析可得，相较1976年至1995年，1996年至2020年间铁路沿线年平均降水量的平均值增加了80 mm。

3 铁路沿线多年冻土热状态变化

某高原铁路开通运营以来，路基、桥梁、隧道等基础设施总体稳定、可靠，建设运营过程中采取的各项冻土工程措施是行之有效的。但第2节的分析表明，近年来该铁路沿线气温和降水量加速增大，在此背景下的多年冻土环境及其对某高原铁路热稳定性的影响需要引起重视。

3.1　年平均地温

将某高原铁路沿线地貌单元37个天然地表有效监测孔2007年和2020年的多年冻土年平均地温进行汇总，结果见表1。

由表1可知：铁路沿线昆仑山中高山区、楚玛尔河高平原、可可西里山区、尺曲谷地、唐古拉山区及山间盆地监测孔多年冻土年平均地温普遍低于-1.0 ℃，其他区段年平均地温基本在-1.0~0 ℃之间；铁路沿线不同地貌单元冻土年平均地温差异较大，山区年平均地温最低，高平原其次，谷地及盆地最高；2020年沿线的多年冻土年平均地温整体高于2007年，即年平均地温呈上升趋势，平均上升了0.1 ℃。

进一步统计铁路沿线天然孔在不同地温分区的数量及占比，结果见表2。由表2可知：2007年铁路沿线天然地温监测孔均处于多年冻土区，即年平均地温均低于0 ℃；截至2020年，融区监测孔数量占比提升至8%，而Ⅱ区监测孔数量占比减小3%，Ⅲ区监测孔数量占比减小2%，Ⅳ区监测孔数量占比减小3%，Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区监测孔数量占比减小值与融区监测孔数量占比增加值相当。

在铁路沿线气候暖湿化影响下，天然场地部分地段多年冻土开始融化，部分地段低温多年冻土开始退化，多年冻土呈现低温多年冻土向高温多年冻土转变、高温多年冻土向融区转变趋势。

3.2　多年冻土天然上限

表3为2020年铁路沿线不同地貌单元多年冻土天然上限变化值（相对于2007年），正值代表上限下降，负值代表上限抬升，数据源自55个天然地温有效监测孔。

由表3可知：55个有效监测孔的天然上限总体平均下降0.58 m，其中有50个孔的天然上限下降，平均下降0.65 m，最大下降2.45 m；天然上限上升的监测孔有5个，仅占9%，该部分监测孔基本位于山区高温冻土地段（Ⅰ区3个、Ⅱ区2个），冻土类型为富冰或饱冰冻土。整体来看，随着青藏高原气候的暖湿化，某高原铁路沿线多年冻土活动层厚度增加，天然上限普遍下降，下降幅值基本在0~1.1 m之间，多年冻土呈现明显的退化趋势。

表4为铁路沿线不同地温分区的天然上限下降平均值。由表4可知：I区（24个监测孔）、Ⅱ区（14个监测孔）、Ⅲ区（10个监测孔）和Ⅳ区（7个监测孔）多年冻土天然上限下降平均值依次减小，说明初始地温越高，天然上限下降幅度越大。这一规律表明，在实际工程中应重点关注初始高地温分区的多年冻土退化情况。

3.3　多年冻土人为上限

表5为2007年和2020年某高原铁路路基人为上限变化情况（相对于2007年天然上限埋深，不含路堑），正值表示人为上限上升，负值表示人为上限下降。统计的路肩有效地温监测孔87个，其中左路肩45个，右路肩42个。

由表5可知：2007年与2020年人为上限均呈整体上升趋势，变化幅值基本上在0~4 m之间。相比2007年天然上限埋深，2020年87个有效监测孔中路基人为上限平均上升2.34 m，其中人为上限上升的有75个、占比86%，平均上升2.91 m，最大上升10.16 m；人为上限下降的有12个，最大下降4.28 m，平均下降1.19 m，仅占14%。人为上限下降监测孔基本位于高温冻土区（Ⅰ区8个、Ⅱ区4个）路基阳坡侧，所处地貌单元主要为河流谷地或山间盆地。

某高原铁路路基人为上限的上升态势及占比说明，某高原铁路开通运营以来，建设和运营期间采取片石气冷、片（碎）石护坡、片（碎）石护道、土护道、热棒等各种防护措施受铁路沿线地貌单元、地质条件、冻土地温及气候环境等因素综合影响，对路基人为上限抬升幅度有一定差异，但总体上起到了保护多年冻土的作用^［32］，保障了多年冻土路基的稳定性。

表6为2020年某高原铁路39个路基断面（左、右路肩监测孔均有效）路肩人为上限变化情况。由表可知，对于左路肩，对于2007年天然上限埋深，有31个监测孔相人为上限上升、占比79%，最大上升7.89 m，平均上升2.85m；在8个人为上限下降的监测孔中，最大下降4.28 m，平均下降1.64 m；对于右路肩，有37个监测孔人为上限上升、占比95%，最大上升10.16 m，平均上升3.05 m，仅有2个监测孔人为上限下降（分别下降0.49和0.20 m）。左、右路肩人为上限变化均以上升为主，且右路肩人为上限上升幅度及占比均大于左路肩。这主要是由于左、右路肩吸收太阳辐射不同引起的阴阳坡效应，对路基下伏多年冻土影响较为显著。

3.4　冻土上限与路基填高关系

为了进一步分析某高原铁路路基填高与人为上限变化的关系，将二者统计关系绘制于图4。由图可知，随着路基填筑高度增加，路基人为上限整体呈上升趋势。上述参与统计的路基大多数以片（碎）石路基为主，工程措施的主动冷却作用加强了路基填筑高度对冻土人为上限的抬升效果，相关研究表明^［33-34］，普通路基随着路基填筑高度的增大在一定程度上对路基下伏多年冻土热稳定性越不利。以2020年人为上限最大抬升断面为例，该断面路基填高9.1 m，工程措施为碎石护坡，在2007年的天然上限在地表以下2.5 m，2020年的人为上限在路基表面以下1.44 m。也就是说，由于路基的修筑，该断面冻土人为上限由原来的天然上限抬升了10.16 m。

4 多年冻土路基稳定性分析

4.1　沉降变化情况

表7为截至2020年某高原铁路45个路基断面（左、右路肩监测孔同时有效）路肩累计沉降变化情况。由表7可知：45个左路肩观测点有42个沉降，最大累计沉降为494 mm，平均累计沉降92 mm；45个右路肩观测点有38个沉降，最大累计沉降392 mm，平均累计沉降67 mm。某高原铁路多年冻土区路基总体呈沉降趋势，某高原铁路沿线气温和降水监测数据表明，近年来铁路沿线气候暖湿化趋势加剧，气温升高已超过建设时期考虑的升温1 ℃，气候变化引起的水热环境变化导致多年冻土出现不同程度退化，铁路沿线天然场地多年冻土年平均地温平均升高0.1 ℃，多年冻土天然上限平均下降0.58 m。路基下伏多年冻土退化导致融沉变形，进而产生沉降。沉降较大的2个断面为DK1161+625和DK1496+750，其中DK1161+625断面位于尺曲谷地，该断面工程措施为片石气冷+块石护坡，地势右高左低，冻土类型为低温高含冰量冻土，该断面沉降较大的原因是冻结层上水发育，水热侵蚀加剧了多年冻土退化，2020年最大累计沉降值为494 mm。DK1496+750断面位于唐古拉山区，该断面最初为普通路基，冻土类型为高温极不稳定高含冰量冻土（含部分厚层地下冰），随着路基融沉变形增大，先后增设了挡水埝、片石护坡、热棒等措施，2012年后该断面年沉降变形趋于稳定，2020年最大累计沉降值为458 mm。通过分析左路肩相对于右路肩沉降变化（左路肩沉降值减右路肩）可知：左路肩沉降值大于右路肩的有33个，占比73.3%；左路肩沉降值小于右路肩的有12个，占比26.7%；沉降变化差值平均值为25 mm。因线路走向导致的阴阳坡效应，导致路基左侧多年冻土退化程度大于右侧，其左路肩人为上限下降占比大于右路肩，使得左路肩沉降整体上大于右路肩（左路肩为线路阳坡侧）。

4.2　TQI变化情况

轨道质量指数（Track Quality Index，TQI）是对铁路轨道结构轨距、水平、高低、轨向等项目的综合评价，TQI越小，说明轨道越平直，列车行驶越平稳。对于一般的普速列车而言，TQI大都在7左右。图5为某高原铁路TQI。

由图5可知：某高原铁路全线TQI值整体呈减小趋势，并随季节的变化呈现一定的波动。通过分析2018年至2020年的TQI值，发现每年3月份前后TQI值较大，之后年内月份逐渐减小，满足规范要求。尽管运营期间多年冻土区段局部工点出现了沉降、开裂等病害，通过采取增设片（碎）石护坡、土护道、热棒、防排水等综合补强措施^［35］，加强线路维护，使线路设备质量良好，格拉段冻土区列车运营时速始终保持设计时速100 km · h^—1。

4.3　讨论与建议

即使路基内人为上限下降，但路基填料及地基土的压实度较好且含水量较低，不会引起较大沉降。全球气候变暖加剧了高原气候暖湿化，致使某高原铁路沿线年平均气温和降水量呈增大趋势，多年冻土对水热环境变化极为敏感，铁路沿线气候暖湿化会引起多年冻土退化，威胁着路基及下伏多年冻土的热稳定性。基于某高原铁路沿线气象和多年冻土路基地温监测数据，分析了某高原铁路沿线多年冻土区气温降水、天然场地年平均地温与天然上限、路基人为上限及路基左右路肩沉降变化。结果表明：近20年来，某高原铁路沿线年均气温和年均降水量平均增加了1.2 ℃和80 mm。相较于2007年，2020年铁路沿线天然场地多年冻土年均地温平均升高0.1 ℃，多年冻土天然上限平均下降0.58 m，多年冻土退化加上阴阳坡效应影响，导致路基左路肩平均累计沉降值（92 mm）大于右路肩（67 mm），除个别局部工点沉降较大外，某高原铁路多年冻土路基状态总体稳定，通过及时精准的系统维护，线路运行状态良好，证明建设运营期间采取的一系列工程措施是有效的，但面向青藏高原未来气候暖湿化加剧变化趋势，应提前谋划多年冻土保护新技术。

5 结论

（1）青藏高原气候暖湿化加剧，导致铁路沿线气温和降水变化速率加速增大。近20年来，年平均气温和年平均降水量分别增加了1.2 ℃和80 mm。

（2）某高原铁路沿线天然场地多年冻土呈现显著的退化趋势。其中，年平均地温呈上升趋势， 2020年冻土年平均地温比2007年平均升高了0.1 ℃；天然上限整体呈下降趋势，2020年冻土天然上限比2007年平均下降0.58 m。

（3）某高原铁路多年冻土路基热稳定性良好。路基人为上限整体呈抬升趋势，相较2007年天然上限埋深，2020年路基人为上限平均抬升2.34 m。路基沉降变形受阴阳坡效应影响显著，2020年多年冻土路基左路肩平均沉降92 mm，右路肩平均沉降67 mm。

（4）整体而言，在某高原铁路开通运营以来，多年冻土路基状态稳定，线路运行状态良好，一直保持设计时速运营，证明建设运营期间采取的一系列工程措施是有效的。但面向未来气候加剧变化趋势，应提前谋划多年冻土保护新技术。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(U2268216)

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(P2021G047)

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2020YJ082)