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冻土降温思路之变：棉被改冰箱
如何使长达550公里的冻土层保持稳定，成为青藏铁路建设成败的关键，通过传热三种方式的运用，工程建设者发明了天然“制冷机”，以及廉价的“土空调”。
9月21日中午，车行至海拔4636米的五道梁。
“吃了饭才有劲翻唐古拉山口。”饭店孙老板这句热心的广告词，拦住了不少过往的车辆和游客。
但一入门许多游客却不敢再进了：四面墙壁的裂缝能插进一个手掌，瓷砖地面也陷下去了四五个大坑，桌子用砖头垫脚才勉强站稳。
“都是冻土闹的。”孙老板很无奈，房子是一年前新盖的，半年后地面就开始下沉，墙壁也跟着开裂，多次修补也无济于事。
孙老板的饭店门前就是正在施工的青藏铁路。“铁路建起来，不也得成了大麻花？”孙老板一直很疑惑。
这个问题，他也曾抛给来饭店吃饭的青藏铁路施工人员。对方只笑笑：“到时你就信服了。”如今，他门前的路段已经修好一年有余，依旧平直如故。“我这才真服了。”
路基降温四方案
在冰块上修铁路
从来没有一条铁路会遇到这样的难题。
21年前，青藏铁路从西宁穿越高山、戈壁、盐湖、沼泽，修到了700公里外的格尔木，但工程不得不戛然而止。再往前行，就是绵延550公里的冻土世界。
“这就像要在一个大冰块上修铁路。”中科院“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目首席科学家吴柏青说，气温稍微上升，冻土层就要融化，上面的路也就塌了；而冬天温度降低，冻土膨胀，就会把建在上面的路基和钢轨顶起来，一降一升，火车很容易脱轨。
当时有西方专家称———这是无法攻克的世界性难题。
“我们最先想到的是，能不能把冻土挖去？”吴柏青说，最深的钻孔已伸入地下128米，依旧是冰，冻土问题难以回避。
“棉被”到“冰箱”的思路转换怎么能让对温度极为敏感的多年冻土，保持足够的稳定性？这成为青藏铁路成败的关键。
“夏天卖冰棍都装在木箱子里，怕化了拿棉被捂上，原来修路大概就是这个思路，但拿棉被捂冰棍早晚要化。”吴柏青说。
直到中国科学院兰州分院院长、冻土专家程国栋院士提出了“冷却路基”的思路，冻土难题才最终得到破解。
“冷却路基”就是通过技术手段将冻土层的温度降下来。“这就像把‘棉被’换成了‘冰箱’，变被动为主动。” 有了这一思路，青藏铁路才敢最终拍板决定上马。
9月17日，在吴柏青的办公室里，他拿出了两个烟盒，把一张白纸夹在了中间。
“上下两个烟盒分别代表季节性冻融层和多年冻土层，中间这张纸被科学界称为零点幕。”吴比画着说，所谓“零点幕”
就是个界面，在它之下，冻土较为稳定，基本不受外界影响。“零点幕”是不断变化的。比如夏季温度高，这个界面就会降低，反之在冬季就会升高。
在修建青藏铁路中，课题组要解决的问题是———如何将零点幕升高，把不稳定的季节性冻融层减薄，并让下界的“烟盒”更为稳定。
天然“制冷机”
“中学我们都学过热有三种传输方式：辐射、对流和传导，其实我们也就是通过这三种方式，达到降温的目的。”吴说。
进入西大滩冻土区，铁路路基两旁插有一排排碗口粗细、高约2米的铁棒。铁棒间相隔两米，一直向前延伸。
“我们叫它热棒。”吴柏青介绍说，热棒在路基下还埋有5米，整个棒体是中空的，里面灌有液氨。
热棒的工作原理很简单：当路基温度上升时，液态氨受热发生气化，上升到热棒的上端，通过散热片将热量传导给空气，气态氨由此冷却变成了液态氨，又沉入了棒底。
“这样，热棒就相当于一个永动的天然制冷机。”吴柏青说。
青藏铁路另一种制冷装置———通风管是水平插入路基里。在铁路沿线，路基护坡两端露出一排排空心塑料管，风一吹过，管子发出刺耳的呼叫声。
吴柏青说，路基受外界影响温度会发生变化，而通风管利用对流原理及时将这些热量进行交换，从而保证了下界冻土的稳定性。
另一降温的方式是给路基表面盖上一层遮光板。“试想，夏天的太阳光辐射在路基上，下面的冻土肯定会受不了。”吴柏青说，就像夏天外出要戴太阳帽一样。
廉价的“土空调”
在青藏铁路沿线，热棒、通风管、遮光板随处可见，但在路基内部，一种廉价而有效的“土空调”正悄无声息地运转着。
中铁建筑集团总公司的技术人员把它叫做“肉夹馍”的结构———在土层路基中间，填筑了一定厚度的碎石。
这种名叫抛石路基的国内首创做法来自一次野外的无意发现。在高原冻土区考察中，科研人员无意间扒开了一片碎石堆，在下面发现了冰雪，而附近的地面因升温都已翻浆。
科研人员把这个意外发现模拟进了铁路施工，实验证明：碎石间因有空隙，相当于一个半导体，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用。
“抛石路基能将路基温度降低0.5℃以上。”吴柏青说，由于成本更为低廉，目前青藏铁路已经建成的路基中，有80%以上采取了以抛石路基和抛石护坡为主的新结构。
“最后绝招”
青藏铁路沿线，给人印象最深的是桥多。
最高的三岔河大桥有50米高，最矮的旱桥只有一米高，而最长的清水河大桥则达到了11公里。青藏铁路全线“以桥代路”的桥梁达156.7公里。
“对于极不稳定的高含冰量冻土区，你用热棒、抛石路基等方法都是不管用的，而以桥代路是解决冻土问题的最后绝招。”吴说，桥墩打进冻土层30多米，桥墩与冻土层间的摩擦力足以支撑路基的稳固性，冻土的融化和膨胀对路基的影响这时已显得微乎其微。
2003年，国家青藏铁路建设领导小组对设计方案进行调整，“以桥代路”工程比原设计的70多公里增加一倍。
9月22日早上，唐古拉山口附近的青藏铁路段大雪弥漫，又一辆火车由东向西驶来。
“要是冻土问题没解决，坐在火车上就像坐过山车一样起起落落。”一位坐过这种试运火车的指挥人员说出了自己的乘坐感受———“很平稳！”
链接
高原冻土多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱是青藏铁路面临的三大难题。其中，冻土问题是修建青藏铁路最主要的技术难题。
青藏铁路全长1142公里，海拔4000米以上的地段有965公里，其中多年冻土地段550公里，是全球目前穿越高原、高寒、缺氧及连续性永久冻土地区的最长的铁路。
高原地质勘探人员通过钻孔提取的岩心表明冻土的结构：地表是薄薄的草皮，往下两米的范围是冻结的砂砾层，再往下便是混杂有泥土的冰块，甚至是纯冰块。
自五十年代开始，技术人员便对冻土地区的筑路技术开展科研与实践，现已基本掌握了青藏高原冻土的普遍性与特殊性，为修建青藏铁路奠定基础。（编辑：郑彦丹）
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