凍土降溫思路之變：棉被改冰箱
●如何使長達550公裡的凍土層保持穩定，成為青藏鐵路建設成敗的關鍵●通過傳熱三種方式的運用，工程建設者發明了天然「制冷機」，以及廉價的「土空調」
9月21日中午，車行至海拔4636米的五道梁。
「吃了飯才有勁翻唐古拉山口。」飯店孫老闆這句熱心的廣告詞，攔住了不少過往的車輛和遊客。
但一入門許多遊客卻不敢再進了：四面牆壁的裂縫能插進一個手掌，瓷磚地面也陷下去了四五個大坑，桌子用磚頭墊腳才勉強站穩。
「都是凍土鬧的。」孫老闆很無奈，房子是一年前新蓋的，半年後地面就開始下沉，牆壁也跟著開裂，多次修補也無濟於事。
孫老闆的飯店門前就是正在施工的青藏鐵路。「鐵路建起來，不也得成了大麻花？」孫老闆一直很疑惑。
這個問題，他也曾拋給來飯店吃飯的青藏鐵路施工人員。對方只笑笑：「到時你就信服了。」如今，他門前的路段已經修好一年有餘，依舊平直如故。「我這才真服了。」
在冰塊上修鐵路
從來沒有一條鐵路會遇到這樣的難題。
21年前，青藏鐵路從西寧穿越高山、戈壁、鹽湖、沼澤，修到了700公裡外的格爾木，但工程不得不戛然而止。再往前行，就是綿延550公裡的凍土世界。
「這就像要在一個大冰塊上修鐵路。」中科院「青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環境效應」項目首席科學家吳柏青說，氣溫稍微上升，凍土層就要融化，上面的路也就塌了；而冬天溫度降低，凍土膨脹，就會把建在上面的路基和鋼軌頂起來，一降一升，火車很容易脫軌。
當時有西方專家稱———這是無法攻克的世界性難題。
「我們最先想到的是，能不能把凍土挖去？」吳柏青說，最深的鑽孔已伸入地下128米，依舊是冰，凍土問題難以迴避。
「棉被」到「冰箱」的思路轉換怎麼能讓對溫度極為敏感的多年凍土，保持足夠的穩定性？這成為青藏鐵路成敗的關鍵。
「夏天賣冰棍都裝在木箱子裡，怕化了拿棉被捂上，原來修路大概就是這個思路，但拿棉被捂冰棍早晚要化。」吳柏青說。
直到中國科學院蘭州分院院長、凍土專家程國棟院士提出了「冷卻路基」的思路，凍土難題才最終得到破解。
「冷卻路基」就是通過技術手段將凍土層的溫度降下來。「這就像把『棉被』換成了『冰箱』，變被動為主動。」 有了這一思路，青藏鐵路才敢最終拍板決定上馬。
9月17日，在吳柏青的辦公室裡，他拿出了兩個煙盒，把一張白紙夾在了中間。
「上下兩個煙盒分別代表季節性凍融層和多年凍土層，中間這張紙被科學界稱為零點幕。」吳比畫著說，所謂「零點幕」
就是個界面，在它之下，凍土較為穩定，基本不受外界影響。「零點幕」是不斷變化的。比如夏季溫度高，這個界面就會降低，反之在冬季就會升高。
在修建青藏鐵路中，課題組要解決的問題是———如何將零點幕升高，把不穩定的季節性凍融層減薄，並讓下界的「煙盒」更為穩定。
天然「制冷機」
「中學我們都學過熱有三種傳輸方式：輻射、對流和傳導，其實我們也就是通過這三種方式，達到降溫的目的。」吳說。
進入西大灘凍土區，鐵路路基兩旁插有一排排碗口粗細、高約2米的鐵棒。鐵棒間相隔兩米，一直向前延伸。
「我們叫它熱棒。」吳柏青介紹說，熱棒在路基下還埋有5米，整個棒體是中空的，裡面灌有液氨。
熱棒的工作原理很簡單：當路基溫度上升時，液態氨受熱發生氣化，上升到熱棒的上端，通過散熱片將熱量傳導給空氣，氣態氨由此冷卻變成了液態氨，又沉入了棒底。
「這樣，熱棒就相當於一個永動的天然制冷機。」吳柏青說。
青藏鐵路另一種製冷裝置———通風管是水平插入路基裡。在鐵路沿線，路基護坡兩端露出一排排空心塑料管，風一吹過，管子發出刺耳的呼叫聲。
吳柏青說，路基受外界影響溫度會發生變化，而通風管利用對流原理及時將這些熱量進行交換，從而保證了下界凍土的穩定性。
另一降溫的方式是給路基表面蓋上一層遮光板。「試想，夏天的太陽光輻射在路基上，下面的凍土肯定會受不了。」吳柏青說，就像夏天外出要戴太陽帽一樣。
廉價的「土空調」
在青藏鐵路沿線，熱棒、通風管、遮光板隨處可見，但在路基內部，一種廉價而有效的「土空調」正悄無聲息地運轉著。
中鐵建築集團總公司的技術人員把它叫做「肉夾饃」的結構———在土層路基中間，填築了一定厚度的碎石。
這種名叫拋石路基的國內首創做法來自一次野外的無意發現。在高原凍土區考察中，科研人員無意間扒開了一片碎石堆，在下面發現了冰雪，而附近的地面因升溫都已翻漿。
科研人員把這個意外發現模擬進了鐵路施工，實驗證明：碎石間因有空隙，相當於一個半導體，冬季從路堤及地基中排除熱量，夏季較少吸收熱量，起到冷卻作用。
「拋石路基能將路基溫度降低0.5℃以上。」吳柏青說，由於成本更為低廉，目前青藏鐵路已經建成的路基中，有80%以上採取了以拋石路基和拋石護坡為主的新結構。
「最後絕招」
青藏鐵路沿線，給人印象最深的是橋多。
最高的三岔河大橋有50米高，最矮的旱橋只有一米高，而最長的清水河大橋則達到了11公裡。青藏鐵路全線「以橋代路」的橋梁達156.7公裡。
「對於極不穩定的高含冰量凍土區，你用熱棒、拋石路基等方法都是不管用的，而以橋代路是解決凍土問題的最後絕招。」吳說，橋墩打進凍土層30多米，橋墩與凍土層間的摩擦力足以支撐路基的穩固性，凍土的融化和膨脹對路基的影響這時已顯得微乎其微。
2003年，國家青藏鐵路建設領導小組對設計方案進行調整，「以橋代路」工程比原設計的70多公裡增加一倍。
9月22日早上，唐古拉山口附近的青藏鐵路段大雪瀰漫，又一輛火車由東向西駛來。
「要是凍土問題沒解決，坐在火車上就像坐過山車一樣起起落落。」一位坐過這種試運火車的指揮人員說出了自己的乘坐感受———「很平穩！」
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高原凍土多年凍土、高寒缺氧、生態脆弱是青藏鐵路面臨的三大難題。其中，凍土問題是修建青藏鐵路最主要的技術難題。
青藏鐵路全長1142公裡，海拔4000米以上的地段有965公裡，其中多年凍土地段550公裡，是全球目前穿越高原、高寒、缺氧及連續性永久凍土地區的最長的鐵路。
高原地質勘探人員通過鑽孔提取的巖心表明凍土的結構：地表是薄薄的草皮，往下兩米的範圍是凍結的砂礫層，再往下便是混雜有泥土的冰塊，甚至是純冰塊。
自五十年代開始，技術人員便對凍土地區的築路技術開展科研與實踐，現已基本掌握了青藏高原凍土的普遍性與特殊性，為修建青藏鐵路奠定基礎。
□本報記者 高明 李武 蘭州西寧格爾木拉薩青藏鐵路沿線報導