中國怎樣破解青藏鐵路高原凍土這一世界性難題?

為解決融沉凍脹等對鐵路路基造成的形變，就要依靠材料或結構增大熱阻，減少熱量，冷卻凍土層，保持凍土地基的穩定。

出品| 網易新聞學院

作者| 王麟，鐵道第三勘察設計院工程師

　　青藏高原海拔高，緯度低，高山險灘，地形險要，分布著大面積的高原凍土，植被稀少，環境脆弱，成為地球上幾乎不可逾越的第三極。歷史上青藏高原因為交通落後，嚴重製約了當地經濟的發展，所以將鐵路修到青藏高原上，是中國延續了百餘年的宏願。經過幾代人半個多世紀的努力，青藏鐵路終於在2006年建成通車。

青藏鐵路

　　在青藏高原上修建鐵路極為困難，除了惡劣的氣候和脆弱的環境，最難解決的技術難題就是高原多年凍土。凍土指的是土體溫度低於0℃且含有冰的特殊岩土體，可分為短時凍土、季節凍土以及多年凍土。

高原凍土

凍脹和融沉是路基病害的主要原因

　　普通土壤的性質主要由其顆粒的礦物成分、密度和含水量決定，這些因素一旦確定，土的基本性質就基本穩定，土的性質多表現為靜態特性。而凍土的物理性質和工程性質則和普通土質有所不同。

　　眾所周知，水的密度比冰要大，自然而然的，水在凝結成冰的過程中，體積會增大。所以，在寒冷的冬季，凍土會像冰一樣凍結，隨著溫度的降低，體積發生膨脹，建在上面的路基和鋼軌就會被膨脹的凍土頂起，這種現象被稱為凍脹。

　　而反過來，到了夏季，溫度升高，凍土融化體積縮小，路基和鋼軌又會隨之凹陷，這是熱融沉陷。在凍土的凍結和融化反覆交替作用下，路基就會出現翻漿、冒泥、沉降變形現象，使得鋼軌扭曲變形，變得高低起伏，會給路基造成嚴重破壞，給鐵路行車帶來嚴重威脅。

　　以青藏公路為例，85%的路基病害是融沉造成的；15%為凍脹和翻漿所致；橋樑和涵洞的病害主要由凍脹引起；在高溫凍土區的路堤上，由於陰、陽坡下的融沉不同，因而在向陽面的公路左側產生縱向裂縫……

　　所以，在高原凍土區修建鐵路，如果不能解決凍土融塌、沉降以及膨脹變形等難題，修建鐵路只是空談。

「破解」過程長達半個世紀

　　青藏鐵路自昆崙山北坡西大灘至唐古拉山南麓的安多河谷，通過多年凍土區約550公里，分布面積約2.45萬平方公里，海拔大部分在4400m以上，屬中緯度多年凍土，具有地溫高、厚度薄等特點，其複雜性和獨特性舉世無雙。

　　如果讓青藏鐵路的路基穩定，就必須保持凍土的熱穩定性，而凍土的熱穩定性有一個溫度閾值（臨界值），超過這個溫度，凍土就會融化。因此，解決凍土熱穩定性的最好辦法就是給路基降溫保溫，將溫度保持在融化溫度閾值之下。

　　凍土工程問題一直是一項世界性難題，為解決青藏鐵路建設的凍土工程問題，自1960年開始，鐵道第一勘察設計院、中鐵西北科學研究院、中國科學院寒區旱區環境與工程研究所等單位就著手在以風火山地區為中心的高原多年凍土區，開展長期、不間斷地對凍土區氣象、地溫、太陽輻射等項目的觀測研究，並進行了凍土熱學、力學性質試驗，積累了長達40餘年的不可替代的基礎數據資料，為青藏鐵路建設實踐提供經驗。

　　經過近半個世紀艱辛探索，中國的凍土專家們終於找到了解決高原多年凍土築路問題的辦法。

守護天路的「被動措施」

　　給路基保溫有兩個辦法，一個是主動措施，一個是被動措施。主動措施是指能夠主動冷卻地基多年凍土的技術，被動措施是依靠材料或結構增大熱阻，減少傳入多年凍土熱量的技術。

　　被動措施的原理就是充分利用熱能的輻射、對流和傳導等熱傳導的三種方式，具體而言分為以下幾種：選擇合理的路基高度、路基鋪設隔熱層、片石路基結構、熱棒路基結構、通風管路基結構、遮陽棚以及以橋代路等多種模式。

普通熱棒如何給路基降溫？

　　在上述措施裡面，熱棒路基結構無疑是最令人矚目的一種。想想看，將一排排鋼棒斜插在鐵路路基兩側，無論春夏秋冬，都能讓路基下面的永久凍土層在火車重壓之下保持冷凍狀態，是不是非常神奇。

　　那麼，看起來很普通的熱棒是如何給路基降溫的呢？

　　其實採用熱棒降溫並非新技術，在國外早有應用先例，在1974年美國阿拉斯加輸油管道基礎中就採用了112000根熱棒，前蘇聯在公路和水庫的建設中也採用熱棒保溫。而熱棒在鐵路中的首次應用是在1987年，在加拿大哈德遜灣的多年凍土鐵路上，有4公里的路基通過熱棒來保持凍土穩定。

　　中國研發並嘗試應用熱棒技術是在1980年代，時間並不算晚，而全世界首次大規模應用熱棒技術則是在青藏鐵路上面。

液態氣態的不斷轉換，帶走路基熱量

　　熱棒也叫無芯重力熱管和兩相封閉式虹吸管。通過這兩個名字，我們也能一窺端倪，也就是說，熱棒通過重力和氣液兩相的互相轉變的物理原理來為路基降溫。

　　熱棒是一根密封的管子，裡面填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物質，管子的上段是冷凝器，下端為蒸發器，中間為絕熱段，通俗講就是「吸熱段、絕熱段和散熱段」三部分。當熱樁下端吸收熱量後，液態物質會轉化為氣態，然後上升至冷凝器，熱量通過冷凝器發散。氣態物質再液化為液態，在重力的作用下流回熱樁下端。

　　熱棒里的物質在氣態和液態之間不斷進行轉換，依靠熱棒的單嚮導熱性和高效的傳熱和散熱效率，從而源源不斷帶走路基的熱量，保持路基的穩定。

　　熱棒的長度短則幾米，長則幾十米，直徑從幾厘米到幾十厘米，一般斜插著埋入路基兩側，吸熱段和絕熱段埋入地面以下約5米，散熱段露出地面約2米，其中最關鍵的吸熱段則深入到永久凍土最大融化深度之下。

熱棒埋設示意圖

　　在寒冷的冬季，空氣的溫度低於凍土層的溫度，熱量就會源源不斷被吸走。到了暖季，情況正好相反，外面空氣的溫度大於凍土層的溫度，氣態物質無法散熱進行冷凝，吸熱段的液體物質停止蒸發，管內達到氣液兩相平衡，熱棒停止工作，使得外界的熱空氣無法反向進入路基凍土層，從而起到了保溫作用。

其餘「守護神」

　　其餘的路基降溫技術，也充分體現了科技人員的智慧。

選擇合適的路基高度，這等於是給路基基底的凍土層覆蓋一層保溫層，防止太陽輻射和季節氣候變化對多年凍土層帶來的影響。

鋪設隔熱層的路基結構，是指在路基的底部或路基表面以下某一深度鋪設具有單嚮導熱能力的隔熱層，增大熱阻，以減小大氣和人為熱源的熱量進入到凍土層內，防止多年凍土地下冰融化。一般採用聚苯乙烯板或聚胺脂板作為隔熱保溫層。

片石通風路基，就是向路堤覆蓋碎石塊，千萬別小看了這些碎石，它們能起到熱調節作用。在暖季，由於熱空氣密度較小，因此熱量很難進入路基基地，而碎石頭之間的空氣流動和地表水蒸發後又能帶走熱量，可以起到熱屏蔽作用；在寒季，由於冷空氣密度較大，在自重和風的作用下將片石層中的熱空氣擠走，冷空氣更容易進入路基基底，因而能對凍土層起到保護作用。

清水河大橋段的片石通風路基

通風管路基是在路基底部以上一定高度橫向鋪設一定孔徑的通風管，與路堤填築材料組成複合式通風路堤。在通風管的一端安裝了自動溫控風門，當溫度較高時，風門會自動關閉，溫度較低時，風門自動打開，這樣可以避免夏季熱量進入通風管，能夠主動對路基進行保溫。

青藏鐵路通風管路基

遮陽棚措施是在路基上部或邊坡設置遮陽棚，可有效減少太陽輻射對路基的影響，減少傳入凍土地基的熱量。而橋樑的基礎可以深入凍土層30米之下，通過凍土層與基礎的摩擦力就能保證橋樑的穩定性。

　　保持青藏鐵路的凍土路基的穩定性和耐久性，是青藏高原天路上面採用的多項「黑技術」，這些技術凝結著中國多位凍土專家幾十年的智慧和心血。

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編輯| 於冉帝