中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土研究团队，以对国家高度的责任感挑战生命极限，坚持冻土研究40余年。他们的研究工作服务于国家战略需求，不断开花结果。特别是依托丰富的研究积累，在修建举世闻名的青藏铁路中发挥了独特的作用，为破解高原冻土难题，解决冻土区冻胀和融沉问题做出重要贡献。青藏铁路的建成使占中国八分之一土地的西藏结束了没有铁路的历史。在继青藏铁路通车后，他们在冻土研究方向上又开始了新的征程：启动了高原生态和冻土环境的研究。

 

 

说起冻土还要从青藏铁路说起，说起青藏铁路就要从我国第一代领导人说起。建国伊始，当时的第一代中央领导把修筑进藏铁路提上了议事日程，并于上世纪50年代开始就对从兰州到拉萨的2000余公里线路进行全面的勘测设计工作。于高温冻土、高原缺氧、生态环境等难题一时尚无法攻克，加之国力经济等问题，青藏铁路工程被迫几次下马。

 

为了全面掌握青藏铁路沿线冻土分布与特征，加快青藏铁路上马，上世纪60年代，中国科学院决定组织科研力量瞄准冻土研究方向进行攻关。自1961年起中科院就自己组织队伍，陆续对青藏公路沿线进行了冻土调查与勘探，并建立了观测站进行长期观测。40多年来，科研人员进行了冻土分布特征研究、冻土区筑路工程条件、青藏公路沿线不良冻土地质现象研究、青藏公路沿线冻土考察与测绘及青藏高原冻土区水源问题研究、昆仑山及楚玛尔河地区的冻土区域调查及公路冻土路基稳定性研究等大量工作，初步掌握了青藏高原多年冻土的分布与状态及青藏公路病害原因。自1978年青藏公路改建沥青路面起，中科院科研人员就协同交通部门进行了青藏公路修建的冻土科研工作，陆续进行了冻土工程地质评估研究、青藏公路沿线冻土退化与发展趋势研究、各种路面条件下不同地温带的路基设计高度、青藏道路工程设计原则研究、保温层通风管道在高温冻土段的应用、高海拔冻土隧道冻害防治技术研究等工作。这些研究成果在后来的青藏铁路建设中都给予了很好的应用。

 

20世纪90年代以后，由于青藏高原地质结构的变化和研究手段的创新，冻土研究人员又应用地质雷达新技术、地理信息系统新方法等对青藏公路沿线多年冻土与人类活动间的相互作用关系进行了研究，完善和系统化了青藏公路工程基础设计资料和冻土数据库资料，建立了公路沿线多年冻土与公路路基间相互作用的试验场长期监测体系，提出了高低温多年冻土的划分依据及在寒区公路工程设计中的作用，并编写了《青藏高原多年冻土区路基工程设计暂行规定》、《青藏高原多年冻土区涵洞工程设计暂行规定》、《青藏高原多年冻土区隧道工程设计暂行规定》、《冻土地区及建筑地基基础设计规范》、《冻土工程地质勘察规范》等。编著出版了《青藏公路沿线冻土考察》等报告，并向青藏铁路研究指挥部提交了12个研究专题报告。

 

研究冻土以来，科研成果层出不穷，其中“青藏铁路建设冻土问题研究”、“青藏铁路沿线冻土问题”等三项课题获得国家科学大会奖、中科院重大成果一等奖。这些成果对于寒区多年冻土工程具有极高的应用价值，也为青藏铁路建设过程中重大冻土技术难题的解决积累了极为宝贵的第一手资料，为青藏铁路建设提供了最为丰富的工程实践经验。

 

 

科学的灵魂在于创新。为了加快青藏铁路的上马，全面掌握青藏铁路沿线冻土分布与特征，从上世纪60年代始，我国科学家就决定与冻土打一场攻坚战。在不断进行冻土考察工作的同时，也在不断地积累与原始创新，“程氏假说”的问世就是一个我国科学家原始创新的实证。

 

在冻土学研究中，“近地面厚层地下冰的成因”一直以来被国际界认为是冻土学研究中的一个重大的理论难题，长期以来国内外学者提出过多种见解，但均未能如愿。

 

厚层地下冰为什么会引起国际冻土界的如此关注，自然会有其独特的重要性。因为厚层地下冰常常是各类工程建筑物遭受破坏的根源。厚层地下冰大多存在于多年冻土上限附近富含细粒的土中，其厚度不等(0.3~6.0米)，冰中含有土粒或土块，土块看起来好像悬浮在其中，形成斑杂状冷生构造。这种厚层地下冰在国内外均有文献报道。由于它埋藏浅、厚度大，对冻土区地表层的生物、化学、地质、地貌过程有重大影响，并且常常是各类工程建筑物遭受破坏的根源。正是由于它的重要性，引起了人们的高度重视，不遗余力地去探索它的成因，提出过分凝、胶结、重力下渗等各种假设。但通过实践检验最终以失败告终。

 

中国科学院院士、国际著名冻土学家程国栋在总结大量资料的基础上，验证了当时还鲜为人知或被常识所不易接受的新思想，如正融土中的水分迁移和成冰，同时发现了温度波动条件下未冻水的不等量迁移规律，并将这些新思想、新发现有机地结合在一起，创造性地提出了“厚层地下冰形成的重复分凝机制”，圆满地解释了厚层地下冰的分布、组构和性状等特点，同时也将冻融过程中的一些重要理论提升到了一个新水平。该理论问世以来，在国内外引起很大的震动，被国际冻土界誉为“程氏假说”，得到国际公认，并被广泛引用，在国际上曾引起厚层地下冰研究高潮。近年来，“程氏假说”中揭示的一些规律和理论又被推广用于解释许多其他的冰缘和水文现象。一些国外学者还进一步发展了程国栋院士的理论，将他发现的未冻水的不等量迁移规律用于地下冰中的颗粒迁移，提出了冻土中冰自净作用的数学模型。程国栋院士的这一“假说”为解决冻土工程技术难题提供了理论依据，为发展正冻和已冻土物理学及开拓一个新的研究领域——正融土物理学起到了极大的推动作用，也为我国后来青藏铁路上马奠定了重要的理论基础。

 

 

2001年，青藏铁路终于要上马了，这对我国从事冻土研究的科学家来说是一生难求的机遇。青藏铁路中新修的格尔木至拉萨段，全长1118公里，包括长度为632公里的多年冻土区，全线海拔4000米以上地段的长度约为965公里。格拉段铁路的大部分路段在高海拔、多冻土地区，如何解决青藏铁路冻土路基稳定性难题，成了青藏铁路建设的关键问题。高原冻土区富含大量的地下冰，由于温度作用，对冻土区地表层的地质、地貌过程会产生重大影响，极易使工程建筑物遭受破坏。青藏铁路也不例外。在冻土区修筑铁路遇到的主要问题是冻胀（由于温度降低，地下冰冻结之后体积增大，使地面路基顶高产生变形）和融沉（由于温度升高，地下冰融化之后体积变小，使地面路基塌陷产生变形）问题。青藏高原的多年冻土大多属高温冻土，极易受工程的影响产生融化下沉。因此，高温冻土及全球变暖使青藏高原铁路的修筑面临着严峻的挑战。

 

中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室以程国栋院士、马巍和吴青柏研究员为主要学术带头人的科研团队，针对青藏铁路建设的难题，在大量观测、模拟的基础上，通过总结以往科研积累，创造性地提出了“冷却路基、降低多年冻土温度”的保护多年冻土设计新思路，这一思路成为青藏铁路建设的主导思想。在此基础上，又创造性地提出了通过调控热的传导、对流和辐射来保护青藏铁路路基的工程措施，为全面解决高温、高含冰量青藏铁路冻土路基的工程稳定性提供了科学和技术途径，走出了我国在高原多年冻土区修建铁路的一条自主创新之路。这些设计思路已成为青藏铁路建设的依据，贯穿于青藏铁路设计、施工和维护的全过程。

 

同时，在青藏铁路上马之时，中科院科研人员通过多年的研究明确回答了修建青藏铁路的可行性问题，指出铁路修建的关键核心问题是高温、高含冰量多年冻土路段路基稳定性问题。这为铁路建设部门吃了一颗定心丸。青藏铁路建设以来，中科院先后向铁道部门提交研究报告48份，许多建议已被青藏铁路建设工程采纳。中科院专家通过试验提出，在冻土区设计青藏铁路路基高度一般大于2.5米，才能保证路基冻土的稳定性，但在全线设计中路基总体设计是随路段的不同而不同。这为青藏铁路工程明确回答了高温多年冻土区确实存在合理路基高度的问题，为全线路基设计提供了依据。通过试验发现，保温材料可在低温多年冻土路段适当采用，但高温冻土区易受气候和工程的影响，比较敏感，冻土上限容易下降，地下冰容易融化，高温路段应尽量避免；通风管路基结构能有效地保护冻土、维护冻土路堤稳定性，工程措施的实效明显。充分验证了碎石护坡具有极佳的保护多年冻土作用，可以全线推广；遮阳棚能有效减少太阳辐射对多年冻土的影响，建议将遮阳板措施广泛用于高路基边坡。这些建议部分已被应用于青藏铁路中，极大地改变了原来的被动设计思路。考虑到气候变化和工程作用下多年冻土变化的特征，建议铁路建设部门在高温冻土区的高含冰量路段，采取“以桥改路”的补强措施。

 

目前，中科院的这些建议和研究成果已被广泛地应用于青藏铁路工程设计、施工和补强措施中，为青藏铁路起到了保驾护航作用。

 

 

青藏铁路建成通车，人们在欢呼庆祝的同时，另一个问题又引起人们的关注，就是青藏高原的生态建设。由于青藏铁路建成通车，大批的游客涌进西藏，人类活动加剧，加之全球气温升高，冰冻圈环境变化异常，也为青藏高原生态环境保护提出了挑战。

 

青藏铁路沿线是我国和东南亚地区的“江河源”和“生态源”，在可可西里、羌塘等国家级自然保护区里，栖息有藏羚羊、野牦牛、藏野驴等珍稀野生动物。据统计，西藏有哺乳动物142种、鸟类488种、爬行动物55种、两栖动物45种、昆虫2300多种，其中包括国家一级保护动物41种，二级保护动物84种。如何使这些人类的伙伴的繁衍、生活、栖息不受影响，又是一个重大的研究课题。在青藏铁路建设中，中科院科研人员在科学考察和大量分析、研究的基础上，提出在青藏铁路路基上修建野生动物通道，或将路基的坡度修缓、使动物能够自由迁徙的方案，得到了设计部门的一致认可。从格尔木到拉萨，按野生动物的分布范围，规划设置了33处野生动物通道。按照野生动物的不同习性，33处通道又有桥梁下方、隧道上方及路基缓坡3种形式，顺利地解决了野生动物迁徙通道问题。但由于青藏铁路的通车，人类活动的加剧，对高原野生动物的繁衍、生活、栖息也带来较大影响，使它们原来安静的家园受到了人类的干扰。如何尽可能地减少人为的影响，让它们在安静祥和的环境中自由繁衍生息，成为中科院专家关注的另一研究课题。

 

与此同时，青藏高原冻土区生态脆弱，极易受外界的干扰破坏。青藏铁路的修建通过大片高原冻土，也对冻土区的生态造成了极大影响。这也是中科院科研人员关注的课题之一。在铁路建设之初，为建立植被恢复示范点，给青藏铁路干扰地段植被恢复提供技术支持，推动青藏铁路的“绿色长廊”建设，中科院专家提出采用“分段施工、植被移植”的方法，先将施工区的草皮切成块，然后用铲车将草皮连同土壤一起搬到草皮移植区，由专人负责养护。路基成型后，再把草皮移植恢复到路基边坡上。对昆仑山以南自然条件较好的地段，精选适合高原生长的草种，辅以喷播、覆膜等技术，尽力恢复地表植被。在沱沱河、安多、当雄等高海拔地段，进行种植和移植草皮试验，获得成功后在全线推广，开创了世界高原、高寒地区人工植草试验成功的先例，推动了青藏铁路“绿色长廊”的建设。

 

目前，青藏铁路已建成通车，但由于进藏人员的增多，加之全球变暖，高原生态也受到极大影响。在青藏铁路周边冻土地区出现了大量的冻胀、融沉塌方现象，也有的地方出现了泥石流灾害，对工程建设和人民生命财产安全造成了重大威胁。有的冻土地区出现了大片的植被枯死变黄，一些地方还出现了沙漠化现象，对高原生态安全造成了威胁。如何保护高原生态植被，减少高原冻土生态灾害，成了继青藏铁路工程之后的又一重大课题。据悉，中科院科研人员现已积极组织力量关注青藏高原生态建设，已启动有关课题，投入专项经费，组织科技攻关，力争早日在高原冻土区植物群落的培育、泥石流和高原冻土区沙漠化的防治等方面取得突破，为青藏高原生态安全、冻土区重大工程建设和灾害预防再做贡献。