冻土冻上不可怕，解冻才头疼

被称作世界屋脊的青藏高原，平均海拔在4千米以上，所以常年气温都很低，基本都在5℃以下。因此，青藏高原上形成了大面积的冻土层，这给青藏铁路的修建带来了很大问题。

可能很多人想象中的冻土就是像石头一样邦邦硬，所以难以打地基。其实要真的只是硬倒还省心了，毕竟基建狂魔多硬的岩石地面没凿过？令人头疼的是，冻土的“立场”不坚定，会随着气温的变化而反复横跳。

在最寒冷的季节，青藏高原土壤中的水分会结冰，冰晶和土壤紧密相连，土层因此发生“冻胀”，体积不断膨胀，同时路基也变得坚硬，深层的冻土也可以常年保持固态。

但是表面的一小层冻土会在相对温暖一点的季节，受到太阳辐射的直接照射而融化，这时土壤体积就会缩小，地基变得松软。这样反反复复的胀缩，会破坏土层的结构，导致土层发生沉降破裂。

这样带来的最直接影响就是，铁路轨道的路基会严重变形，钢轨像波浪一样高低起伏，火车在上面高速行驶有多危险可想而知。

冻土工程曾一度是世界性难题，比如俄罗斯的贝加尔铁路也深受其害，因为超过四分之一的线路都建在冻土层上，运行多年，冻土导致的路基病害率高达40%。

无独有偶，我国东北也曾在冻土层上修建铁路，同样遭受了类似困扰。在1962年，还曾发生过因冻土层融化，导致路基在4小时内迅速下沉1.4米的事故，造成了机车脱轨。

起初，各国能想到最理想的方法就是建架桥梁，然而，但凡路过冻土层都得架桥，这样的建设成本太高了。

以青藏铁路为例，其总长1956千米，为了给野生动物留出安全迁徙的空间，必须“以桥代路”的路段有160千米，仅仅不到全长的十分之一，但就是这样，整体造价都已经超过了330亿人民币，要是冻土区域再全部架桥，成本更是无法想象。

应对冻土绝招，干脆不让解冻

最终中国的施工团队经过无数次勘测，提出了一个全新的解决方案，既然问题出在反复化冻又解冻，那就干脆不让冻土有融化的机会。那具体要如何实现呢？答案就是热棒。

热棒是由碳素无缝钢管制成的，本质上就是一个高效的导热装置。而其最独特之处在于，具备了特殊的单向传热性能，只能将热量从地下传送至地上，而不能实现反向传导，这也是热棒设计上的重要挑战。

热棒其实应该叫做“热管”更合适，因为它内部是空心构造。我们肉眼能看见的热棒仅是它伸出地面的一小截，长达两米左右，安装了一圈又一圈的散热片，这一部分就叫做放热段。在地下长约5米的另一部分则是吸热段，里面装了液态氨等物质。

液氨的沸点很低，为零下33.5℃，所以很少的热量就足够使它沸腾成为气态。当表层冻土受到阳光直射，温度稍高一点的时候，液氨就会吸收它的热量，沸腾蒸发成为气态，然后沿着管壁上升到露出地面的散热段，再通过散热片逸散到空气当中。

散热后的蒸气又冷凝成为液态，受到重力作用重新回到吸热段。这样一来，即使是空气温度比冻土层高的时候，因为管内液体受重力的影响，完全聚集在靠近冻土层的管道内。所以不会吸收空气热量，进而避免了热量反向传导到冻土层，防止了冻土融化的情况发生。

这个过程循环往复，热棒周围的土壤就可以一直恒定保持低温，能够显著提高冻土的硬度和强度，从而形成坚固的“永冻层”。这种永冻层可以有效地防止以冻土为路基的铁路和公路在运行中出现道路塌陷或凸起的情况。土层结构变得稳定，路基也不会再出现沉降事故。

最重要的一点是，这样的热能传递装置，为冻土散热提供了一种全新的思路，不需要耗费任何如电之类的动力驱动，避免了能源的耗费，堪称不用电的“冰箱”。

此外，为了延长热棒的使用寿命，生产过程中都进行了防腐处理，确保其可持续使用30年以上。同时，热棒的应用避免了对脆弱生态资源的破坏，无需进行地表开挖、植被清除或路堤修建等人为工程活动，有效的保护了西藏的植被环境。

热棒在全世界多半都是用来制冷

其实放眼全世界，热棒的应用都十分广泛。早在20世纪70年代，美国就修建了阿拉斯加输油管线工程，该工程从北冰洋起，穿越阿拉斯加，最终抵达太平洋，堪称利用热桩技术解决多年冻土地区桩基础问题的典范。

管线全长1284公里，使用了112,000根热棒。经过运行状态的测试，结果显示安装热棒后，输油管线支撑排架桩柱壁面和深达6米的冻土温度迅速下降。这有效保证了桩基的承载力，成功地防止了冻拔的危害。

阿拉斯加输油管线工程中热棒的应用，在热桩技术的设计、施工以及后续的养护和使用寿命监测方面迈出了重要一步，同时也极大地推动了热桩在其他多年冻土地区国家的应用和相关研究。

20世纪90年代前后，可以说是热棒在全世界应用的巅峰时期，我国的青藏铁路也大概是在这个时期建设的。美国、加拿大等国凭借热棒技术在冻土上完成了许多大型建筑，瑞典、挪威以及芬兰等国的寒区工程也逐渐离不开热棒。

其中还有一个比较特殊的存在是日本。日本国土狭小，资源缺乏是人众皆知的事情，所以他们专注于能源回收、高效利用热管的研究与应用发展，很快成为了热管大国。但与大多数国家不同的是，日本的热管主要用于冷库和融雪防冻方面。

同时，热棒在其他领域法发挥着重要作用，比如矿山安全防治。地面煤堆和矸石山自燃一直是煤炭开采和储运过程中面临的重要问题之一。从无源冷却系统中，热棒展现出了强大的热量传输能力。利用热棒加速煤堆的热量散失速率，打破蓄热环境，实现深部热量转移，从而有效预防煤堆（或矸石山）的自燃。

热棒对煤堆自燃升温过程的抑制降温效果明显，距离热棒越近，煤体的降温效果就越显著；随着时间的增加，热棒的累积移热量和降温能力也在不断增强。

小小一根金属棒，是多少专家几十年心血汇聚成实践的“黑科技”，要登上世界建造的巅峰，永远需要依靠万千劳动者们的辛勤付出。

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