青藏铁路如何穿越冻土

程国栋院士在基地吸氧

在青藏铁路线上，西藏自治区的安多是一个重要的地理分界点，由此往北上溯550公里，是青藏高原的连续多年冻土地带。多年冻土是建设高原铁路的一项世界性难题，冻土随着季节交替不断地冻结、融化，会造成路基冻胀、下沉，严重影响铁路通车。

6月22日，安多成为青藏铁路第二个铺轨点。此前，青藏铁路已从青海的格尔木铺过沱沱河，铺轨里程超过400公里。安多的加入，就形成由安多往拉萨、安多往沱沱河方向、沱沱河往安多方向的两地三向铺轨态势。这说明青藏铁路的建设进度大大加快了，同时也说明建设者们已初步解决了铁路穿越多年冻土地带的工程技术难题。

青藏铁路如何穿越多年冻土，是谁提出了解决问题的技术方案？6月下旬，记者带着这些问题，到海拔4600多米的冻土区，采访了中科院冻土工程国家重点实验室青藏高原研究基地的专家。

先看一组数字：世界上在冻土区修筑铁路已有近百年历史，但因难度大，很多问题尚未解决。在俄罗斯，20世纪70年代建成的第二条西伯利亚铁路1994年调查的线路病害率达27．5％，运营近百年的第一条西伯利亚铁路1996年调查的线路病害率为45％。在我国，青藏公路1990年调查的病害率为31．7％，东北地区多年冻土区铁路病害率达40％。

青藏铁路要穿越连续多年冻土区550公里，不连续多年冻土区82公里，其中平均地温高于－1．0℃的多年冻土区275公里，高含冰量多年冻土区221公里，高温高含冰重叠路段约134公里。在这一地区施工，至少要考虑两个因素，一方面，全球变暖带来的气温升高，会使冻土消融，另一方面，人类工程活动会改变冻土相对稳定的水热环境，使地下水位下降，土壤水分减小，导致植被死亡等，将涉及更大面积的冻土消融。

青藏铁路成败的关键在路基，路基成败的关键在冻土，冻土的关键问题在融沉。这是冻土研究专家的共识。

科研人员定期维护野外观测系统

已建成的穿越冻土区的旱桥

正在做试验的通风管路基

主动冷却路基

积极保护多年冻土

只有保护冻土，才能保证路基稳定。以往的办法是增加土体热阻，减少进入路基下部的热量，从而延缓多年冻土退化，在一定时间内起到保护冻土的作用。在全球气候变暖和工程扰动的大背景下，以中国科学院院士程国栋为代表的青藏铁路冻土攻关的科研工作者根据多年研究的成果，创造性地提出了主动冷却路基的思路，据此设计了多种工程技术措施保护多年冻土。

在铁路线上，记者看到很多路段采用的是块石路基和块石、碎石护坡路堤。程国栋介绍，这是保护冻土较为经济、方便、有效的方法。采用块石路基，块、碎石护坡，主要利用块石、碎石孔隙较大的特点，使它们在夏季产生热屏蔽作用，冬季产生空气对流，改变路基和路基边坡土体与大气的热交换过程，起到较好的地保护多年冻土的作用。按照设计，全线有117公里路段采用块石路基，31公里路段采用块石、碎石护坡路堤。

此外，在路基两旁埋设高效导热的热棒、热桩，可以将热量导出，同时吸收冷量并有效地传递贮存于地下。在路基中铺设通风管，可使土体温度明显降低，在通风管的一端设计、安装了自动温控风门，当温度较高时，风门会自动关闭，温度较低时，风门自动打开，这样可以避免夏季热量进入通风管。在路基顶部和路基边坡铺设遮阳棚、遮阳板，可以有效地减少太阳辐射，降低地表温度。这些措施在建设中也得到不同程度的运用。

路基中铺设保温材料，可以减缓路基下部多年冻土融化和升温作用，但它不能从根本上保护多年冻土，只能在冻土温度较低的路段适当采用。还有一种办法，就是直接在冻土上建桥，称为旱桥，可以做到铺架铁轨不惊扰冻土。穿越可可西里冻土区的清水河特大桥，就是典型的旱桥，长达11．7公里，气势恢宏。但是造旱桥每公里要花掉5000万元，相对于青藏铁路全线不到300亿的总投资来说，造价太高，未被广泛采用。

实地多项试验

技术参数科学准确

从格尔木出发，沿青藏公路驱车320公里，爬上海拔4600多米的北麓河，山包上矗立的那幢红顶蓝墙的塑钢建筑，在蓝天白云绿草的映衬下格外醒目、漂亮，这就是中科院冻土工程国家重点实验室青藏高原研究基地，西边不远处便是青藏铁路。

1998年，冻土工程国家重点实验室的科研人员积极配合铁道部进行青藏铁路可行性研究，参与了《青藏铁路多年冻土区工程勘察暂行规定》和《青藏铁路多年冻土区工程设计暂行规定》的编制工作。2001年，他们开始从事“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”研究，程国栋为项目主管，马巍、吴青柏两位研究员为首席科学家。2002年在铁道部支持下建起了这个研究基地，并在青藏铁路线建设了14公里的冻土工程试验示范段。

马巍研究员告诉记者，青藏铁路全线有5个冻土工程试验段，北麓河试验段冻土条件最复杂、地下含冰量最高、温度场变化最大。这一试验段涵盖了除旱桥以外青藏铁路冻土施工的全部15项试验，有各种不同工程措施下多年冻土温度、变形监测断面约40个，温度监测全部采用自动化监测手段，随时可以获取第一手材料，据此验证分析所使用的各种工程结构和工程设计的合理性，提出拟在全线推广的典型工程结构、措施、技术，以及典型有效的路基结构形式。

试验段内的各个断面内有关变形、地温、水分、沉降等内容的观测点达9000多个，需进行全年不间断高精度的观测、分析，加上其他科研工作，一年四季至少有七八个人得常住在基地。

6月的高原，氧气相对多一些，记者还有点头晕脑胀，走几步就喘得厉害，可想而知每到高寒缺氧之时，这里的科研人员要忍受多大的痛苦！问及感受，副研究员俞祁浩说，在这里只要吃得下饭，睡得着觉，就是最大的享受。吴青柏研究员则实话实说：“上来就不想下去，下去就不想上来！”意思是经常往返于高海拔地区与低海拔地区，身体的反应极为强烈。话虽这么说，科研人员该上来时绝没有一个人畏缩。53岁的刘永智研究员每年要在这里呆半年，脸都变成了酱紫色，在读博士生李国玉、武俊杰、孙志忠每年也要在此工作两三个月，嘴唇裂得爆起了一层白皮。

难题仍在破解

动态监测任重道远

在北麓河试验段，记者看到工人们正在修筑一段与铁路平行的路基。吴青柏说，已建成的试验路段主要是验证冻土工程措施的可行性，而在建的这段240米长的对比路基，是为了弄清楚各种工程措施以及冻土变化的科学机理。

吴青柏介绍，青藏高原多年冻土具有地温高、厚度薄等特点，其复杂性和独特性举世无双，加之全球气候变暖、工程扰动因素，势必对冻土产生长远影响。40多年前，中科院的科学家就开始研究这里的冻土，但在铁路线上全方位地开展研究和试验，也不过3年时间。这一研究是一项涉及面很广的系统工程，除了研究冻土工程结构稳定性之外，还要研究路基冻融病害形成机理及防治对策、沿线气候与多年冻土间的相互作用、铁路工程与多年冻土间的相互作用等问题，还需要破解许多难题。

在这种情况下，如何保证铁路工程的稳定性呢？马巍告诉记者，在青藏铁路上马之前，科学家们在青藏公路和青康公路（西宁至康定）沿线建立了多年冻土地温监测网，青藏铁路开工以后，他们以青康公路沿线多年冻土现状来分析青藏铁路沿线工程和气候变化下多年冻土变化趋势，提出了解决冻土问题的基本思路，达到了“以空间换时间”的效果。这3年来，他们在青藏铁路沿线系统地布设了29个监测段面和3个不同多年冻土温度区的块石路基监测场地，设立了10个多年冻土深孔监测点和13个活动层监测场地，构建了青藏铁路工程动态监测平台。

“通过动态监测和数据、模型平台的科学分析和预测，把青藏铁路试验段的工作和不断深入的科学研究结合起来，在逐步认识冻土的基础上修改设计，为决策层提供科学建议、补强工程措施，可以保证铁路工程的长期稳定。”看得出来，马巍对此很有信心。

高原环境

高温冻土