青藏铁路的冻土「解决青藏铁路冻土的教授」

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来源:中国新闻网

中新网兰州12月24日电 (潘博)中国高原铁路建设辉煌历史的幕后“英雄”之一的中铁西北科学研究院(以下简称“中铁西北院”)，致力于我国高原铁路特种路基基础的科研与创新工作，为解决青藏铁路“冻土难题”，埋头苦干了六十年。

2021年，恰好是这条被世人称为“通天之路”“东方哈达”的世界最长且海拔最高的高原铁路——青藏铁路开工建设二十周年，通车并安全运营十五周年，亦是中铁西北科学研究院成立六十周年。

图为20世纪70年代风火山观测站科学城。(资料图) 中铁西北科学研究院供图

之所以会出现冻土，是因为土壤里或多或少都含有水分，当温度降到零度或零度以下，土壤里的水分就会凝结成冰将土壤冻结。冻土对温度变化很敏感，会随着温度的升降“发胖”和“变瘦”。

就如兰州人爱吃的“软儿梨”，当梨被冻得硬邦邦时，因果肉内的水分冻结而膨胀，牙口再好也是“无处下嘴”。但随着温度升高，冻梨融化后就变得软塌塌，只需轻轻吮吸就可品味到清甜的梨汁。

为什么冻土会成为修筑青藏铁路的拦路虎？

中铁西北院科技工作者在风火山观测站收集仪表数据。(资料图) 中铁西北科学研究院供图

因为列车需要翻越5000多米的高山，跨越十几公里的山谷，最重要的是还有数百公里的多年冻土挡在那里。在平原地区克服这些困难已是不易，更何况还是空气稀薄的青藏高原，人们在稍动一下就需要氧气瓶的情况下，还怎么铺设铁轨、架设桥梁？

此外，冰在融化成水的时候体积要缩小，水在冻结成冰的时候体积要膨胀。自然界这个通俗的原理，造成冻土区在冬夏两季形成了冻胀隆起和融化下沉，这种不稳定的地质变化直接导致难以在冻土地区修筑公路、铁路、桥梁、房屋。克服这种冻胀和融沉给冻土区工程建设带来的巨大困难，成为在青藏高原冻土区修建铁路的核心技术难题。

中铁西北院科技工作者肩挑手扛运送地质钻机。(资料图) 中铁西北科学研究院供图

青藏铁路穿越了连续多年冻土区545公里，是目前世界上穿越多年冻土里程最长的高原铁路。(年平均地温低于-1.0℃多年冻土区160公里，年平均地温高于-1.0℃多年冻土区275公里，融区110公里。)因此，青藏铁路的修建面临着分布更为广泛的高温和高含冰量冻土问题，而且必须充分考虑全球气温升高以及运营期间的人为活动、环境变化所形成的地质病害等不良影响。因此，冻土问题是修建青藏铁路所面临的最大难关，也是确保青藏铁路工程质量稳定和安全运营最关键的问题。

图为中铁西北院清水河桩基试验场。(资料图) 中铁西北科学研究院供图

在这个挑战“不可能”的过程中，中铁西北院完成了两项工作：一是以科学研究为目的，建起了青藏高原上惟一一个全年有人值守的风火山冻土观测站(海拔4750米)，积累了科研大数据；二是以攻克筑路难题为目的，修建了第一条(长483米)冻土试验路基，开展了一系列工程试验。

风火山(又名隆青吉布山)，因其山体呈红褐色，十分醒目，好像被烈火焚烧了无数次，故而得名。风火山地区气候环境极为恶劣，年平均气温-5~7℃，最低气温达-41℃，空气中氧气含量只有平原地区的50%左右，被喻为“生命禁区”。

图为热棒技术在青藏铁路冻土区的应用。(资料图) 中铁西北科学研究院供图

风火山地区集中了修建青藏铁路“高寒缺氧、生态脆弱、多年冻土”三大世界级科技难题，也被前来考察的国外专家们断言过，“青藏铁路不可能通过风火山”。

但早在1961年，中铁西北院的科技人员就在青藏高原多年冻土腹地，建立了我国第一座海拔最高、观测项目最多、全年值守的高原冻土定位观测站，也是国内最早进行冻土观测和研究的科研机构，先后开展了区域冻土、冻土力学、热学、路基、桥涵、房建、给排水、建筑材料、生态环保等9个专业领域36个科研课题的研究，取得了29项重大科研成果，连续测取了1500万组数据，为破解多年冻土这一世界性难题奠定了坚实基础，为决策修建青藏铁路提供了技术支撑。

图为青藏铁路通车后列车经过中铁西北院风火山观测站。(资料图) 中铁西北科学研究院供图

1976年，中铁西北院科研人员在被称为世界屋脊的青藏高原风火山，修建了第一条(长483米)试验路基，被称为“没有铺钢轨的铁路”。科研人员采用不同的路基断面形式和防护措施，把试验路基分为了23个试验段。包括路堤、路堑、L形柔性挡土墙、试验涵洞。

同时，科研人员采取了多种防护形式，在边坡或基底铺设了草皮、粘土、沥青膨胀珍珠岩、酚醛树脂板、加气混凝土、泡沫塑料、水泥珍珠岩板共七种保温材料，采用不同的边坡坡率和防排水措施进行观察试验。并提出了厚层地下冰地段路基工程的设计原则、断面形式和防护措施，路基工程保温的防排水措施，进而掌握了冻土路基人为上限和冻胀变化规律，取得了厚层地下冰地段路基工程设计和施工经验。

中铁西北院已故冻土专家刘铁良，在对风火山483米试验路基的长期观测和研究的基础上，总结出了一套在高原冻土地区通过铺设草皮，植被来保护铁路路基的办法，其所运用的数据和计算方法，能准确计算出青藏高原冻土地区路堑边坡保温层的最佳厚度，开创性地解决了青藏铁路路基保护问题。他的这一理论成果被国内高原冻土学术界称为“铁良公式”。

图为青藏铁路成功穿越冻土区。(资料图) 中铁西北科学研究院供图

“实践是检验真理的唯一标准”。从中铁西北院挑战冻土“不可能”的任务，反观这一段青藏铁路冻土研究的过程，可以说风火山冻土科研基地具有极其重要的地位，它系统地承载了冻土区筑路核心关键技术的机理研究任务，开创性地破解了冻土路基难题，强有力地支撑青藏铁路成功穿越多年冻土区，实现了青藏铁路设计时提出的“冻土区行车速度达到100公里／小时，非冻土区行车速度达到120公里／小时”的高标准。

如今，风火山冻土科研基地仍然像一座灯塔坚守在青藏高原上，通过在路基埋设物联网元件，实现了实时、自动、持续测取冻土数据，并将监测数据同步发往格尔木冻土工程试验室，通过冻土路基预警监测系统软件分析数据做出判断或发出预警，从而为青藏铁路今后的安全运营保驾护航。

中铁西北院三代科技工作者薪火相传，挑战了世界级的“不可能”，获得了中组部“全国优秀基层党组织”，中华全国总工会颁发的全国五一劳动奖等殊荣，留下了“以苦为荣，勇于创新，孜孜以求，献身科学”的风火山精神。(完)