高寒高海拔多年冻土大尺度公路建设技术与应用

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1、2018年国家科技进步奖提名项目公示、项目名称高寒高海拔多年冻土区大尺度公路建设技术与应用二、提名者及提名意见提名者：交通运输部提名意见：我国是全球高海拔多年冻土唯一集中连片分布地区，青藏高原多年冻土分 布面积达150万平方公里。长期以来，受制于冻土融沉冻胀这一世界工程难 题，自20世纪50年代，青藏高原首条冻土公路一青藏公路等4条进藏国道通车 以来，交通行业再未上马重大道路工程建设项目。面对国防和区域经济社会发 展的迫切需要和青藏两省区广大人民群众对提升交通基础设施服务能力和水平 的强烈呼声，国家十二五、十三五高速公路网规划中均列入进藏高速公路通 道。为保证青藏高原多年冻土区大尺度公路能落地

2、、建得成，近十年来国家科 技部、交通运输部及青藏两省区先后投入研究经费1.5亿元，设立14项课题， 由13家设计、科研、高校、建设等单位，在高寒高海拔多年冻土大尺度高等级 公路建设急需的工程理论、设计方法和冻融控制关键技术联合攻关，取得重大 突破。首次创建冻土工程尺度效应理论，提出冻土工程能量平衡设计方法，攻 克大尺度冻土路基冻融变形控制、大断面桥隧构造物抗冻防融等关键技术，系 统创立我国独有的高寒高海拔多年冻土区大尺度公路建设技术，支撑建成全球 第一条多年冻土高速公路，有效控制冻土工程病害率 6%。该项目系原始创 新，研究环境艰苦，技术难度大，涉及专业领域广，经科技部、中国公路学会 组织成果

3、评价鉴定，项目成果达国际领先水平。项目提出的冻土工程尺度效应理论奠定了大尺度公路冻融灾害防控理论基 础，提出的设计方法和关键技术应用于我国多年冻土区公路升级改造3500km， 新建共玉、花大高速公路1100km，推广应用于中巴公路建设。项目成果是近40年来我国交通领域公路冻土工程技术的升级与突破，大幅 提升我国冻土工程的国际影响力，经济和社会效益特别显著。交通运输部同意推荐该项目申报2018年度国家科学技术进步一等奖。三、项目简介本项目研究属交通运输领域。多年冻土占全球陆地总面积的1/5，我国约 1/4国土分布多年冻土。冻土融沉、冻胀是公认的国际工程难题，国际上冻土工 程病害率高达35%以上，

4、至今未在多年冻土区大面积修筑沥青路面公路，无成 熟经验借鉴。20世纪50年代青藏、青康、新藏通车后，由于出现严重的工程病 害，50多年间青藏高原多年冻土区未新建公路，严重制约国防及区域经济社会 发展。如何保障多年冻土区大尺度公路特别是高速公路能落地、建得成，亟需攻 克三大难题：破解新建大尺度公路热能量聚积耗散风险的工程理论；控制 冻土与工程间相互强烈热作用的设计方法；预防大尺度公路路基、桥、隧道 工程灾变的技术措施。在国家及部委支持下，历经近十年理论技术创新，形成 自主知识产权的多年冻土区大尺度公路灾变防控理论及设计技术体系。创新点 如下：1. 深度挖掘40年海量监测数据，揭示了公路与其他工程

5、间的热干扰效应， 发现了路基路面尺度与路基病害的关系，揭示了基于时间维度的热能变化引发 冻土病害的非线性效应。国际首创公路冻土尺度效应理论，解决了多年冻土公 路病/灾害演化普遍规律深度认知的世界性难题。2. 创建考虑冻土退化趋势的多年冻土路基热平衡计算模型，在国内外首次建立了公路冻土温度、冻土上限双控的能量平衡设计方法及参数体系，突破了 多年冻土区新建公路缺乏路基科学设计的技术瓶颈，路基平均高度从6m降至 3m，成功应用于全球第一条高原多年冻土高速公路共和至玉树公路建设。3针对大尺度路基冻融变形问题，研发了具有自主知识产权的多年冻土公 路多尺度路基能量智能调控技术与装备，创立弥散式通风路基设计

6、方法与施工 技术，攻克了冻土分布不均匀高风险路段融沉病害防控难题；自主研发了具有 梯度热导率向下递减的路面结构、材料与施工技术，有效解决了沥青路面强吸 热诱发路基冻胀融沉的这一世界难题；发明阻热导冷路基结构，实现路基热量 定向诱导，消除了整体式宽幅路基中心能量聚集产生中心融化盘致灾风险。4.针对大断面桥隧结构灾变防控问题，首次揭示桥梁纵、横向群桩在水热 化叠加效应下桩周融化影响规律，提出群桩回冻时间及施工合理周期；首次提 出大断面隧道冻融圈影响范围及能量平衡关系，创新分阶段防控技术体系，解 决了大断面隧道热融灾变防控难题，取得了多年冻土隧道设计方法的重大突 破，建成世界上海拔最高的多年冻土区长

7、大隧道花大高速雪山一号隧道。项目申报专利126项，授权发明专利35项，软件著作权7项；发表论文280 篇（SCI/EI收录116篇），出版专著11部；制定行业、地方标准9部，纳入国 家、行业标准4项；获省部特等奖3项、一等奖5项。系列成果在青海、西藏、 新疆等省区及中巴公路推广应用3500km，实现高原冻土二级公路大修年限延长 35年，新建高速公路施工平衡期病害率6%。经济效益41.78亿元。开创了高 温冻土区修建高速公路的国际先河，创造了青藏公路建成60年仍全天候通车冻 土工程界的世界奇迹，有力提升了冻土工程技术的国际影响力。四、客观评价1.评审意见2017年2月至5月，科技部、交通运输部和

8、中国公路学会分别组织8位院 士和6位行业内专家对国家科技支撑计划项目“高海拔高寒地区高速公路建设技 术”及5个课题进行成果评价，评审意见如下：“本项目创立公路冻土工程尺度 效应理论；构建了高原多年冻土地区高速公路冻土工程设计方法；建立了高海 拔高寒地区满足运行安全的高速公路安全设计技术体系；系统集成大尺度冻土 工程防融、抗冻、耐久的技术体系，攻克了高寒高海拔地区高速公路路基、路 面、桥梁桩基、隧道及环境保护等关键技术；攻克咼海拔咼寒地区咼速公路长 距离、大范围、实时自动监测的技术难题。项目成果填补了国际高速公路多年 冻土工程研究空白，总体达到国际领先水平”。2. 获奖情况(1) 项目成果“青藏

9、高原冻土地区公路修筑技术基础平台”获2012年度中国 公路学会科学技术特等奖；(2) 项目成果“高原多年冻土地区高速公路建设新技术研究”获2013年度中 国公路学会科学技术一等奖；(3) 项目成果“共和至玉树高速公路建设关键技术”获2015年度中国公路学 会科学技术特等奖；(4) 项目成果“公路安全风险识别、防控技术及装备”获2016年陕西省科学 技术一等奖；(5) 项目成果“高原多年冻土区公路隧道设计与施工关键技术”获2016年中 国公路学会科学技术一等奖。(6) 项目成果“高原多年冻土高速公路建设关键技术”获2017年度中国公路 学会科学技术特等奖；(7) 项目成果“高寒地区公路运行状态监

10、测体系及灾害预警关键技术”获 2017年度陕西省科学技术一等奖；3. 媒体报道截止目前，国内专业媒体针对本项目研究成果累计进行了 10余次报道， 新华网、科技日报、中华人民共和国交通运输部网站、中国交通 报、青海日报等相继报道了高寒高海拔高速公路建设技术研究进展，产生 巨大的反响。(1) 2014年10月8日，新华网刊发报道“五问青藏高速公路修建：高 速公路何时通拉萨”，报道指出：本项目成果“将为成功建设高海拔高寒地区高 速公路扫除技术障碍，提升高海拔高寒地区高速公路交通安全和服务水平”。(2) 2016年4月5日科技日报报道，在服务重大工程项目上，针对共 和至玉树公路建设中的路基、桥涵、隧道

11、、环境保护等设计、施工技术难题， 通过一系列的研究，项目成果基本解决了施工中的关键技术，并依托项目建设 了相应的试验示范工程，成为玉树灾后重建的重要部分。(3) 2016年5月27日中国交通报报道，共玉高速公路运用项目研究 提出的草皮边坡防护技术以后，“草皮边坡不仅保护了生态环境和冻土，提供施 工效率达5倍以上”，提出的退化草场草皮移植复垦技术，实现了 “公路边坡植被有了保障，草场起死回生，群众增加收入，一举多赢”。（4）2016年6月6日青海省人民政府网站报道，我国第一条在青藏高 原建设的冻土高速公路青海共和至玉树高速公路，经过广大交通建设者5 年的攻坚克难，即将于年内实现通车。这条集高寒、

12、高海拔、高速公路于一身 的“三高”公路，不仅最大程度地实现了集成创新，而且已取得技术进步与创新 成果15项以上，其中3项成果达到国际领先水平，2项达到国际先进水平。（5）2016年6月13日青海日报报道：项目成果为全球首条多年冻土 区高速公路共和至玉树公路提供了强有力的支撑，“通过管理理念创新、先进科 技手段推进以及日常精细化管理措施的落实，共玉指挥部共节约建设成本近5 亿元。在平均海拔4100米以上严峻的施工环境考验和建设难度下，5年多来安 全生产保持了零伤亡，环保工程成为高海拔高寒地区示范工程，取得了显著的 经济、社会、环保效益。”4.其他评价项目研发团队获2013年度感动交通十大年度人物

13、，获2016年中华总工会授 予的“工人先锋号”称号。五、推广应用情况研究成果直接服务于青海省共玉公路、花久公路建设，青藏公路等多年冻 土公路养护累计超过1200公里，推广应用于中巴喀喇昆仑公路、漠北公路、中 印边防公路等3500公里，并为待建的青藏高速公路提供技术支撑。本研究成果推广应用前景十分广阔，预计将直接应用于青藏高速公路、新 藏公路升级改造等3000公路的建设，而且还可为“一带一路”多年冻土区公路工 程建设与养护以及铁路、管线等其他行业提供经验借鉴。主要应用单位情况1表应用单位名称应用技术应用的起止时间应用情况青海省 交通运 输厅咼寒咼海拔多 年冻土区大尺 度公路建设技 术与应用201

14、1.5-2016.12成果直接应用于青海省共玉咼速 公路、花久公路、扁门公路等新 建公路和G214、S308、S309等 旧路整治工程，保障建成世界首 条咼海拔多年冻土区咼等级公 路，首次建成国际上海拔最高、 断面尺度最大的多年冻土隧道， 首次将多年冻土地区道路工程病 害率控制在10%以内。西藏自 治区父 通运输 厅咼寒咼海拔多 年冻土区大尺 度公路建设技 术与应用2010.3-2016.12成果推广应用于西藏自治区 1230km多年冻土区道路，道路服 务水平大幅提升，直接服务于青 藏公路（G109）的养护与维修， 目前车辆平均行驶速度达80km/ 小时，达到历史最好服务水平。并为青藏高速公路

15、工程可行性研究 和初步设计提供坚实的科学支 撑。新疆自 治区父 通运输 厅咼寒咼海拔多 年冻土区大尺 度公路建设技 术与应用2012.5-2015.12支撑新藏公路(G219)升级改造， 提供科研与技术咨询服务。建立 G219线长期冻土观测研究基地， 填补新疆咼山地区及青藏咼原西 北边界地区冻土工程长期监测的 空白。成功指导新藏公路(G219) 升级改造路基路面设计与施工。内蒙古 自治区 交通运 输厅咼寒咼海拔多 年冻土区大尺 度公路建设技 术与应用2014.6-2016.8成果直接指导国道322线阿里河 至库布春林场段一级公路工程， 有效提咼东北咼纬度多年冻土区 公路修筑质量，提高多年冻土区

16、 公路的服务水平，有效提升内蒙 古自治区多年冻土地区道路设计 与施工技术水平。黑龙江 省交通 运输厅咼寒咼海拔多 年冻土区大尺 度公路建设技 术与应用2008.9-2012.5东北多年冻土区面积约39万 km2,黑北公路、漠北公路、伊哈 公路等大于300km多年冻土路段 工程建设应用到本研究成果。为 东北岛状多年冻土区公路建设与 管理提供科学依据，有效降低黑 龙江省多年冻土区公路工程风 险、加快施工进度、降低管理成 本、节省工程投资。六、主要知识产权证明目录主要知识产权证明目录(不超过10件)知识产权 类别知识产权具体名称国家(地区)授权号授权 日期证书编号权利人发明人发明专利 有效状态发明专

17、利用于冷却 20m以上大 尺度冻土 路基的阻 热导冷结 构中国ZL201410758866.92016.09.072232359中父第 一公路 勘察设 计研究 院有限 公司汪双 杰；陈 建兵； 朱东 鹏；符 进；李 金平； 董元 宏；金 龙；穆 柯有权发明专利Method and pavement structure for protecting highway subgrade in frozen soil area美国US8303211B22012.11.6US008303211B2中父第 一公路 勘察设 计研究 院有限 公司汪双 杰；王 声乐； 陈建 兵；周 晓峰； 张娟； 朱启洋有权发

18、明专利一种冻土中国ZL2002012.1034284中父第汪双未缴年费区公路路98010109.05一公路杰；王专利权终基保护方079勘察设声乐；止法及路面计研究陈建结构院有限兵；周公司晓峰； 张娟； 朱启洋发明专利一种热管-中国ZL2002011.764555中国科赖远有权块碎石护91002004.20学院寒明；董坡降温隔926.6区旱区元宏；热复合路环境与郭宏基在宽幅工程研新；张道路中的 应用究所明义发明专利大尺度冻中国ZL2012016.2133755中父第陈建有权土路基强41075707.06一公路兵；汪制弥散式858.2勘察设双杰；冷却通风计研究穆柯；管道系统院有限朱东及施工方公司鹏

19、；金法龙；董 元宏； 袁堃; 陈冬根发明专利多年冻土中国ZL2012017.中父第汪双有权地区公路61022210.27一公路杰；张三维导向635.5勘察设驰；杨线选定方计研究坤；陈法院有限建兵；公司金龙； 邵广 军；闫 晓敏； 熊丽发明专利一种防止 寒区道路 翻浆的新 型路基结 构中国ZL201010272125 .12012.05.23954615中国科 学院寒 区旱区 环境与 工程研 究所赖远 明；董 元宏； 张世民有权发明专利多年冻土中国ZL202016.2194734中父第陈建有权地区集水、1410708.24一公路兵；汪导水和渗59273勘察设双杰；水的路基.4计研究袁堃；边坡排水

20、院有限金龙；系统公司朱东鹏；符进；李金平；彭慧发明专利穿越多年中国ZL2012015.中父第韩常有权冻土区与21016703.18一公路领；夏非冻土区742.4勘察设才初；的隧道排计研究纳启水系统及院有限财；王其设置方公司掌军；法王宇 顺；陈 红伟发明专利多年冻土中国ZL202015.1758609中父第韩常有权隧道边仰1310008.19一公路领；夏坡及路堑94170勘察设才初；边坡截排.6计研究王掌水系统及院有限军；纳其施工方公司启财；法陆蒙； 史彦文七、主要完成人情况第1完成人：汪双杰，主持国家科技支撑计划项目“高寒高海拔高速公路 建设技术”，总体负责项目实施、研究方案与大纲制定，审查各

21、专项成果，总 体质量把关。总体规划创新点1、2、3的研究工作。创立了公路冻土工程尺度 效应理论，并提出基于能量平衡的冻土工程设计方法，发明阻热导冷路基新结 构，单向导热路面新结构等新型大尺度路基冻融变形防控技术。第2完成人：赖远明，审查专项成果，总体质量把关。参与创新点3的研究 工作。发明了 L型热管-块碎石护坡保温板结构，解决整体式宽幅路基中心热量 聚集产生融化盘致灾风险难题。第3完成人：陈建兵，主要参与创新点1、2、3的研究工作。主持国家科技 支撑计划课题“大尺度冻土路基变形控制与稳定技术研究”，发明了大尺度冻 土路基强制弥散式冷却通风管道系统及施工方法。第4完成人：张娟，主要参与创新点1

22、、2的研究工作。主持国家科技支撑 计划课题“高海拔高寒地区工程构筑物灾变监控体系与预警预报技术”，研发 低温长距离分布式布里渊光纤传感技术，提出路基病害评价及预警技术。第5完成人：纳启财，负责实施共和至玉树公路试验示范工程总体设计， 指导野外试验工程实施以及质量控制。第6完成人：冯振中，参与创新点3的研究工作。负责青藏公路试验工程的 设计、审查与实施，负责冻土路基稳定技术与路面加铺技术在青藏公路的应用 示范。第7完成人：牛富俊，参与创新点3的研究工作。主持国家科技支撑计划课 题“多年冻土区大尺度桥隧构造物灾变风险与控制技术研究”，提出大断面冻 土桥梁桩基回冻规律及承载力影响范围。第8完成人：韩

23、常领，参与创新点3的研究工作。研发大断面冻土公路隧道 防冻融结构设计方法和支护体系。第9完成人：吴明先，参与创新点3的研究工作，负责项目试验示范工程的 设计与实施。第10完成人：王佐，主要参与创新点1、2的研究工作。负责青藏工程走廊 热融风险评估。第11完成人：房建宏，负责共和至玉树公路试验示范路段应用效果的监测 及数据平台构建。第12完成人：金龙，主要参与创新点1、2的研究工作。提出路基高度效 应，参与冻土工程尺度效应理论的建立，提出用能量指标评估冻土工程热效 应，参与建立冻土工程能量平衡设计方法。第13完成人：陈济丁，主要参与创新点3的研究工作。提出生态环保冻土 防护技术。第14完成人：陈

24、团结，主要参与创新点3的研究工作。参与研发单向导热 路面新结构。第15完成人：王声乐，主要参与创新点3的研究工作。参与研发单向导热 路面新结构。八、主要完成单位及创新推广贡献第1完成单位：中交第一公路勘察设计研究院有限公司，全面负责研究方 案的制定、研究报告撰写和鉴定验收，负责野外试验方案的设计与具体实施， 完成本项目创新点1、2、3、4的研究工作。（1）创立冻土工程尺度效应理论。（2）提出基于能量平衡的冻土工程设计方法。（3）研发大尺度冻土路基冻融变 形防控技术。（4）研发大断面桥隧构造物抗冻防融新技术。（5）示范工程设计 与现场技术控制。第2完成单位：青海地方铁路建设投资有限公司，（1）负

25、责开展共和至玉 树公路试验示范工程的建设。（2）负责试验示范工程监测数据的收集整理。第3完成单位：西藏自治区公路局，（1）收集整理青藏公路整治改建勘察、 设计及养护资料。（2）负责开展青藏公路沿线试验工程的实施和维护。（3）负 责研究成果在青藏公路实施应用。第4完成单位：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，提出L型热管-块 碎石护坡-保温板新型结构路基，主持大断面桥梁桩基回冻规律和承载力特征研 发。第5完成单位：青海省交通科学研究院，完成高寒地区公路构筑物状态监 测系统的现场实施、数据平台的构建，以及工程构筑物灾变技术现场示范工程 的建设。第6完成单位：交通运输部科学研究院，参与创新点4的研发

26、工作，提出生 态防护冻土保护技术。九、完成人合作关系说明第1完成人汪双杰，为本项目负责人，总体负责项目实施、研究方案与大 纲制定，审查各专项成果，总体质量把关。总体规划创新点1、2、3的研究工 作。与其他完成人共同完成项目立项、研发和技术集成创新，创立了公路冻土 工程尺度效应理论，并提出基于能量平衡的冻土工程设计方法，发明阻热导冷 路基新结构，单向导热路面新结构等新型大尺度路基冻融变形防控技术。第2完成人赖远明。负责本项目创新点3中新型大尺度冻土路基研发，发明 了 L型热管-块碎石护坡-保温板复合路基结构，提出冻土路基本构模型和变形计 算方法。第3完成人陈建兵，作为项目负责人完成国家科技支撑计

27、划课题“大尺度冻 土路基变形控制与稳定技术研究”，与第1完成人共同提出冻土路基尺度效应理 论和能量平衡设计方法，参与研发了新型大尺度冻土路基结构，提出强制弥散式 通风路基结构，协助第1完成人发明了单向导热路面结构与阻热导冷新结构。第4完成人张娟，作为课题负责人与第1完成人完成国家科技支撑计划课题 “高海拔高寒地区工程构筑物灾变监控体系与预警预报技术”，共同申报陕西省科 技进步奖“高寒地区公路运行状态监测体系及灾害预警关键技术”第5完成人纳启财，本项目共和至玉树公路试验示范工程实施负责人，与第 1、3、4完成人共同完成试验示范工程的建设与跟踪观测，共同参与国家科技支 撑计划项目“高海拔高寒地区高

28、速公路建设技术”的组织管理工作。第6完成人冯振中，负责本项目青藏公路试验工程设计、审查与试验，与第 1、3、4等完成人共同参与国家科技支撑计划项目“高海拔高寒地区高速公路建 设技术”的组织管理工作，与第1、3完成人共同申报西藏科技进步奖“青藏高温 多年冻土区高速公路冻土路基尺度效应理论与变形控制技术”第7完成人牛富俊，作为课题负责人完成国家科技支撑计划课题“多年冻土 区大尺度桥隧构造物灾变风险与控制技术研究”，完成本项目创新点4中大尺度 桥梁桩基群桩回冻规律研究。协助第1完成人完成国家科技支撑计划课题“青藏 高原冻土高速公路布局及其冻土环境耦合作用研究”。第8完成人韩常领，协助第7完成人完成国

29、家科技支撑计划课题“多年冻土 区大尺度桥隧构造物灾变风险与控制技术研究”，完成本项目创新点4中大断面 隧道防融抗冻技术，与第5完成人共同发明专利“穿越多年冻土区与非冻土区的 隧道排水系统及其设置方法”第9完成人吴明先，协助第1、3完成人完成国家科技支撑计划课题“青藏高 原冻土高速公路布局及其冻土环境耦合作用研究”与“多年冻土区大尺度桥隧构 造物灾变风险与控制技术研究”;与第1、4完成人共同申报陕西省科技进步奖“高 寒地区公路运行状态监测体系及灾害预警关键技术”第10完成人王佐，协助第1完成人完成国家科技支撑计划课题“青藏高原冻 土高速公路布局及其冻土环境耦合作用研究”，与第1完成人共同完成青藏

30、公 路多年冻土地区公路工程地质研究回顾与展望论文的撰写。第11完成人房建宏，协助第1、3完成人完成国家科技支撑计划课题“大尺 度冻土路基变形控制与稳定技术研究”，协助第4完成人完成国家科技支撑计划 课题“高海拔高寒地区工程构筑物灾变监控体系与预警预报技术”。第12完成人金龙，协助第2完成人提出冻土路基本构模型与变形计算方法, 共同发表论文 “Yield Criterion and Elasto-plastic Constitutive Model for Frozen Sandy Soil”。协助第1、3完成人完成国家科技支撑计划课题“青藏高原冻土高速 公路布局及其冻土环境耦合作用研究”与“大尺度冻土路基变形控制与稳定技术 研究”。第13完成人陈济丁，与第1、3、4、5、6、7等完成人共同参与国家科技支 撑计划项目“高海拔高寒地区高速公路建设技术”的组织管理工作。第14完成人陈团结，与第1完成人共同发表论文硅藻土沥青混合料阻热 性能及其对冻土地基的影响。第15完成人王声乐，协助第1、3完成人完成国家科技支撑计划课题“大尺 度冻土路基变形控制与稳定技术研究”，共同提出创新点3中大尺度新型冻土路 基冻融变形控制技术，发明单向导热路面结构。