作者:李晨阳 王兆昱 来源:中国科学报 发布时间:2024/3/4 8:54:08
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筑梦高原 情牵天路——青藏铁路工程冻土路基筑路技术攻关纪实

 

文 | 《中国科学报》 记者 李晨阳  见习记者 王兆昱

东起青海西宁,西至西藏拉萨——全长1956千米的青藏铁路,就像一条在阳光下熠熠生辉的长龙,过草原、跨雪山、穿荒漠、越雅丹,途经辽阔壮丽的西部大地,蜿蜒攀向海拔4767米的昆仑山口、海拔5068米的唐古拉站……

这是世界上海拔最高的铁路,人们赠予它一个最浪漫的名字——天路。

即便是高入云端的“天路”,也要“脚踏实地”。而青藏铁路轨道下的土地,至少方圆550千米属于多年冻土区。

所谓冻土,是指零摄氏度及以下的含冰岩土。在这种土地上修路,最怕的就是冻土随温度变化反复冻融,导致路基变形、损毁。

小学生都能听懂的原理却困扰了全世界最优秀的工程技术专家百年之久。从俄罗斯的西伯利亚到美国的阿拉斯加,再到中国的大兴安岭,铺设着一条条颠簸不平的公路、铁路,展示着人类与自然环境抗争的艰难坎坷。

青藏高原一望无际的千年冻土,让修建铁路成了一项“几乎不可能完成的任务”,直到中国科学院的科学家提出了他们的大胆创想。

半个世纪,从布局到破局

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青藏铁路。  本文图片均由西北研究院提供
“应该下决心尽快开工修建进藏铁路。这是我们进入新世纪应该作出的一个大决策。” 
2000年11月10日,中央领导同志在原铁道部关于进藏铁路的报告上作出上述批示,预示着青藏铁路工程即将第三次上马。
近半个世纪里,青藏铁路工程走过了“两上两下”的曲折历程。1984年,客观条件较好的青藏铁路西格段(西宁至格尔木)正式投入运营。而由于经济实力不足,高原、冻土等筑路技术问题没有得到解决,青藏铁路格拉段(格尔木至拉萨)自1978年第二次暂停修建后,被搁置了20多年。
“青藏铁路成败的关键在路基,路基成败的关键在冻土。”这句话像紧箍咒一样,再次回响在每位科技工作者的耳畔。
这一次,能行吗?
刚担任中国科学院寒区旱区环境与工程研究所(以下简称寒旱所)第一任所长不久的中国科学院院士程国栋,就是在这种情况下接到了中国科学院领导的电话。
“院领导非常重视这件事情,让我赶紧写一份报告,论证冻土问题到底能不能解决、怎么解决。”他回忆道。
在此之前,中国科学家死磕青藏高原冻土,已经40多年了。
早在20世纪50年代,国家派遣一批年轻人留学苏联,其中就包括后来国内第一代冻土专家。青藏铁路工程第一次筹划开工时,在莫斯科大学冻土教研室学习的周幼吾和童伯良等人回到祖国,加入冻土研究队,开始了对青藏高原冻土的系统研究。
刚开始研究,大家就惊讶地发现:冻土,这个在教科书中只占据很少篇幅的所谓“特殊类土”,竟然是高原施工的最大“拦路虎”!
那是激情燃烧的岁月。在祁连山考察水资源的施雅风、在包兰铁路沿线对阵沙漠化的朱震达、在青藏铁路相关区域研究冻土的周幼吾等人,从一次次历经艰险的科学考察中认识到,地广人稀的中国西部是一座充满科学奥秘的宝库。他们一拍即合,联名向中国科学院打报告,申请在甘肃省兰州市建立专门机构长期探索西部特有的自然地理问题。中国科学院非常支持,很快就作出批复。
接下来几年,在原有研究队伍基础上,中国科学院分别成立了地理研究所冰川冻土研究室、地理研究所沙漠研究室。1965年,两个研究室合并成立了中国科学院兰州冰川冻土沙漠研究所,这就是寒旱所的前身,并于2016年以其为主体整合成立了中国科学院西北生态环境资源研究院(以下简称西北研究院)。与之相随的是一批批科学家怀揣青藏之梦,齐聚兰州,为中国的冻土事业奉献终生。
也是在1965年,程国栋的命运发生了转折。他告别上海老家,来到冰川冻土沙漠研究所冻土研究室,接着就被派往青藏高原调研,从此与这片满布冻土的广袤大地结下了不解之缘。
“从一开始,我们所有的研究就是与青藏铁路紧密相连的。”程国栋说。
40多年间,尽管青藏铁路工程两度被迫搁浅,但科技工作者对冻土的研究从未中断。中国科学院等科研单位一直坚守在这个领域,积累了丰富的基础研究成果。特别是程国栋于1983年发表的“程氏假说”——多年冻土上限附近会发育厚层分凝冰,这种作用年复一年,让多年冻土上限附近形成了厚层地下冰——被国际同行誉为冻土学中的“相对论”,为破解冻土工程技术难题提供了重要的理论依据。
上世纪80年代末90年代初,中国科学院又依托冰川冻土研究所,积极组建了冻土工程国家重点实验室,搭建了世界先进的冻土研究平台,凝聚了重要的人才团队,积累了宝贵的研究成果。
养兵千日,用兵一时。当国家决定第三次启动青藏铁路工程时,那些漫长岁月中的坚守、准备和布局,终于迸发出巨大的力量。

接到任务的那一刻,程国栋虽然情绪上有些紧张,但早已成竹在胸。如何解决青藏铁路建设面临的冻土和路基问题,他们已经想了很久。

师法自然,化被动为主动

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程国栋院士(右二)带领团队进行冻土试验研究。
2001年10月2日,中国科学院举行了重大项目答辩会。
“主动冷却路基技术”是程国栋在此次答辩中的最大亮点。
这一技术的精髓,就在于“主动”。
在此之前,人们面对冻土这个“拦路虎”,已经“被动”了太久。国内外采用的传统方法主要是加高路堤或铺设保温材料,就像过去老太太卖冰棍,为了防止冰棍融化,总是在冰棍箱上盖一层被子。但这种方法只能延缓冻土融化,无法从根本上解决问题。
程国栋的思路则直截了当:干脆把“棉被”换成“冰箱”,实现长期、稳定、可持续的路基降温。
但是,究竟如何给绵延千里的路基量身打造“小冰箱”呢?这时候,程国栋在冻土领域积累多年的基础理论研究派上了用场。
我国是全球第三冻土大国,多年冻土区占国土面积的1/5。与很多人想象的不同,多年冻土并不仅仅分布在人迹罕至、气候严寒的边远地区,河北、山西等年平均气温较高的地方,在特殊环境条件下,也能形成多年冻土。
程国栋团队见过一种很有意思的现象:在河北农村的一些小山坡,地表和不足1米深的土层下,温差竟然能达到30摄氏度以上。盛夏时期,当地人都跑到这些地方乘凉,扒开土层把西瓜放进去,不一会儿就成了清凉爽口的冰西瓜。
经过研究,团队发现河北冻土的奥秘在于藏在土层下的碎石层。碎石之间的空气对流形成“热半导体”效应,在夏天阻挡地表热气,在冬天又从地下排出热量,是真正的纯天然“冰箱”。
大自然精妙奇绝的设计让程国栋兴奋不已:既然夏日炎炎的华北地区都存在不融的冻土,那么青藏高原上的冻土应该也有办法保住!
程国栋关于“主动冷却路基”的设想,得到了中国科学院的认可。中国科学院设立重大专项,拿出2300万元基础研究经费支持他们开展工作。铁道部则出了一道考题,让他们各种措施先行,在14千米的铁路正线上试行。
这14千米路堤特意选址在自然条件最不利的地区。青藏铁路先期开工建设3个试验段——清水河段、沱沱河段和北麓河段,其中北麓河段的条件最为苛刻。这里的冻土层含冰量最大,土壤温度又相对较高,很多时候接近零摄氏度,施工稍有不慎就会导致冻土融化。
科学家在实验室里钻研出的方案,在铁面无情的大自然面前,真能行得通吗?

此时,没人知道答案。

边研究边干,以动态应万变

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赖远明院士(中)在青藏铁路沿线试验现场。
在此之前,世界上最好的冻土工程是西伯利亚大铁路。这条铁路修好100年后,病害率已经达到30%。而世界各地的其他公路、铁路,病害率往往更高。
青藏铁路是百年大计,必须在全球气候变暖的大环境下,维持极低的病害率,保障列车以100千米/小时的速度长期稳定通行。要达到这个目标,没有任何前人的经验可以借鉴,从科研人员到工程人员,都得摸着石头过河。
为了让科研成果更快落地,项目组创造了一种全新的工作机制——动态设计理念。科学家提出方案后,项目牵头单位组织全国顶尖专家论证,论证通过后,再以发文的形式下发到设计院,开展后续设计工作,开始施工后,由科学家跟踪监测、实时完善设计方案。正是这种模式,创造了科技成果转化速度的奇迹,让“几乎不可能完成”的工程落地生根,一节节铁路如开枝散叶般在青藏高原上迅速延伸。“我们碰到了一帮干事的人!”回顾这段历史,西北研究院研究员马巍不由得感叹。
然而,意外还是发生了。2003年,国家有关部门的一份气候变化评估报告让人心头一紧。报告显示,未来50年青藏高原的升温预计会在2.2至2.6摄氏度之间。在这样的升温幅度下,原有的极高温多年冻土区路堤修筑方案无法有效保护高温、高含冰量冻土。科研人员经过研讨后,毫不迟疑地将已经做好的方案全部推翻,改路堤为旱桥。
“这是对整个青藏铁路修建方案的一次颠覆。”西北研究院研究员、冻土工程国家重点实验室主任吴青柏说。
但在其他路段,至少两三百千米的块石路基已经修好,相关设计方案却无法应对如此显著的气温变化。一部分人认为,只能废弃这些路基,重新选线,而这无疑会造成巨大的浪费。
程国栋觉得不能这样浪费国家经费。他找来所里一位优秀的青年人才一起讨论如何解决这个问题——他就是后来于2011年当选中国科学院院士的赖远明研究员。
由于没有任何先例,赖远明和学生喻文兵等人做了大量试验,证明粒径22厘米的块石降温效果最好。之后他们又做了多次风洞实验,提出开创性的“U形路基”方案,即在原有块石路基上再铺设一层块石护坡,大幅增强了路基冷却效果。
“这么一改,已经修好的两三百千米路基就可以用了。要是当时废弃重新选线,300多亿元的投入可能就白费了。”赖远明欣慰地说。在马巍看来,围绕青藏铁路的一切工作都是“动态”的。如今这种“动态”还在继续。从青藏铁路格拉段建成之初就设立的“青藏铁路冻土区工程长期观测系统”项目,一直密切关注着铁路沿线冻土的“体温”变化。
纵观整条青藏铁路,仿佛是一座流动的路基冷却技术博物馆:遮阳棚路基、遮阳板路基、块石路基、U形块石路基、通风管路基、热棒路基……各式各样不断升级换代的“冰箱”,展示着科研人员各个阶段的创新成果。
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马巍在野外安装相关试验仪器。
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吴青柏在路基旁钻取冻土岩芯样品。

牦牛精神,在艰苦中奋进

这个团队中的每一个人,都有一部属于自己的、惊心动魄的“高原求生录”。
工程早期,驻守北麓河的科学家只有两顶单帐篷可住。晚上睡觉时,外面的狂风仿佛贴在耳边呼啸,让人担心不知什么时候,自己就会和帐篷一起被大风刮跑。后来,工程主管部门特意送来两顶棉帐篷,大家的居住条件才有所改善。
再后来,这些科研人员干脆自己动手,在高原上盖起房子。但在这种环境下建房子并不容易,他们想起网上宣传过中国科学家在南极搭建的板房轻便又保暖,便联系同一个生产厂家提供建材。厂家一听来龙去脉,当即表示,就算赔钱也要做,“我们也想为青藏铁路作贡献”。
就这样,西北研究院青海北麓河高原冻土工程安全国家野外科学观测研究站一点点建立起来,成为科研人员驻扎在可可西里腹地的一叶“方舟”。
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北麓河站。
在高原上,原本日常生活中唾手可得的事物都变得异常难得。
比如吃饭——外出的时候,肉肠、鸡蛋、罐头总是被冻成冰疙瘩,只能放在汽车引擎盖子上,让散发出的热量一点点融化食物。此外,食物本身已经很简单了,再加上高原反应引起的味觉失灵,让人对“味同嚼蜡”4个字有了深切体会。
比如睡觉——沿路偶尔出现的旅社条件简陋,有些连火炉都没有,只能缩在脏兮兮的被子里熬上一夜。缺氧的环境让人头痛欲裂、辗转难眠,以至于高原上流行着一个笑话:“昨晚睡得好吗?”“好得很,一宿睡了30多觉。”
就连刮胡子,都因为机会难得而显得格外“隆重”。程国栋这个当年面目清秀的上海小伙儿,来到高原就成了赫赫有名的“程大胡子”。他得等一个天气最好的日子,对着暖融融的阳光,才敢把胡子打湿、再小心翼翼刮掉。
在青藏铁路昆仑山隧道还没被完全打通的时候,为了进一步研究隧道围岩冻土分布情况,赖远明直接走进去放置温度和应力等测试元件。那是在4500米的高海拔地区,空气本就稀薄缺氧,加上炸药爆破、毒气弥漫,赖远明回忆自己当时“反应很大,吐得一塌糊涂”。从那以后,他就落下了后脑勺疼的毛病,受不了的时候用温水或热水冲洗,才能有所缓解。
“‘冻土人’最大的特点就是能吃苦,常常在高原上披星戴月,真的是以云彩为被、以大地为床。在野外工作,我们每个人都把皮肤晒坏了,脱了一层皮。”说话间,赖远明笑着伸出手来——他手上星星点点的白色印记,是太阳赠与他的“勋章”。
有一个故事,很多人都会讲起,每次都令人心疼:在青藏铁路建设攻坚阶段,北麓河站第一任站长刘永智一年中有9个月都是在高原做试验、搞监测,后来下山体检时,由于长期缺氧,血液浓稠到抽都抽不出来。

人们常把辛勤工作的人称作“老黄牛”,但在这里,大家更喜欢的一个词是“牦牛精神”。中国科学院这些来自五湖四海的科研工作者,到了大西北就都是高原人,从肉体到心灵都锻造得无比刚强,坚韧不拔。

筑梦高原,战极限创一流

2006年7月1日,青藏铁路正式通车运营。
这一天,寒旱所的科研人员连同60多名外国专家,坐上了开往拉萨的列车。
列车员向乘客讲解:“(2001年后新建的)青藏铁路北起格尔木、南至拉萨,全长1118千米,有960千米在海拔4000米以上。在如此高海拔、多年冻土区修建铁路,在世界铁路史上实属罕见。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的科研人员利用主动冷却路基的方法,解决了多年冻土这个世界铁路建设史上的难题……”
听到这里,赖远明不禁热泪盈眶。他转过头,车窗外远山起伏,雪峰耸立。 
青藏铁路创造了世界级奇迹。
国际冻土协会主席Jerry Brown如此评价:“青藏铁路代表了冻土工程的最新进展,在这一领域,其他国家需要借鉴中国的成就。”
《自然》杂志在大篇幅报道中指出,青藏铁路以环境友好方式破解了气候变暖条件下冻土区筑路的世界性难题,具有重要的里程碑意义。
还有国外媒体评价青藏铁路是“有史以来最困难的铁路工程项目”“世界上最壮观的铁路之一”。
国内的荣誉也纷至沓来:2005年,青藏铁路工程冻土路基筑路技术与示范工程建设研究集体获得中国科学院杰出科技成就奖;2008年,青藏铁路工程获得了国家科技进步奖特等奖,冻土与寒区工程研究创新团队是主要完成单位之一;2017年,这个团队又获得了国家科技进步奖创新团队奖。
神州大地上,道路千万条。如果说哪一条路能从时间到空间、从传说到现实连缀起最美的中国梦,则非青藏铁路莫属。
“黄河西来决昆仑,咆哮万里触龙门”——李白曾在诗歌中惊叹这里的雄奇险峻;“有昆仑山脉在,铁路就永远到不了拉萨”——20世纪的美国旅行家曾如此断言。
汉代远征的将军、唐朝和亲的公主,都曾在被死亡笼罩的漫漫长路上喟然长叹;民国时期,孙中山先生在《建国方略》中勾勒出以昆明、成都、兰州三城连接拉萨的铁路巨网……
1973年,毛泽东主席在会见尼泊尔国王比兰德拉时说:“青藏铁路修不通,我睡不着觉。”多少年来,青藏铁路一直是党和国家领导人念兹在兹的夙愿,更是西藏乃至全国人民的殷切期盼。
青藏铁路的完工通车,使西藏地区彻底摆脱了和内地的时空阻隔,极大促进了民族团结、区域发展和经济文化繁荣。
“挑战极限、勇创一流”的青藏铁路精神,在每一位工程参与者身上辉映。在这支灿若星辰的队伍中,中国科学院一代代“冻土人”,用智慧和汗水写下了不朽的篇章。
精神不灭,薪火相传。直至今天,西北研究院的科研工作者从未有一刻懈怠。他们仍然驻守在青藏高原,长期监测铁路沿线的冻土、环境变化和铁路的运行状态。
谈到未来,西北研究院副院长张明义没有豪言壮语。从老一辈科学家手中接过接力棒的他,坚定地说:“我们会传承和发扬老一辈科学家的创新精神、求实精神、奉献精神,会一直守护着青藏铁路,全力保障其安全运行下去。”
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张明义在开展冻土路基野外试验测试。

《中国科学报》 (2024-03-04 第4版 专题)
 
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