凍土降溫思路之變.doc

凍土降溫思路之變高原凍土多年凍土、高寒缺氧、生態(tài)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(shù)難題。青藏鐵路全長1142公里，海拔4000米以上的地段有965公里，其中多年凍土地段550公里，是全球目前穿越高原、高寒、缺氧及連續(xù)性永久凍土地區(qū)的最長的鐵路。高原地質(zhì)勘探人員通過鉆孔提取的巖心表明凍土的結(jié)構(gòu)：地表是薄薄的草皮，往下兩米的范圍是凍結(jié)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(shù)人員便對(duì)凍土地區(qū)的筑路技術(shù)開展科研與實(shí)踐，現(xiàn)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(chǔ)。都采取了哪些措施來解決凍土問題呢？請看新京報(bào)記者的報(bào)道。青藏鐵路風(fēng)火山附近,一名當(dāng)?shù)卮迕窨吹借F路邊上豎立的“熱棒”，感到新奇。 路基降溫四方案凍土降溫思路之變：棉被改冰箱如何使長達(dá)550公里的凍土層保持穩(wěn)定，成為青藏鐵路建設(shè)成敗的關(guān)鍵，通過傳熱三種方式的運(yùn)用，工程建設(shè)者發(fā)明了天然“制冷機(jī)”，以及廉價(jià)的“土空調(diào)”9月21日中午，車行至海拔4636米的五道梁?！俺粤孙埐庞袆欧乒爬娇凇！憋埖陮O老板這句熱心的廣告詞，攔住了不少過往的車輛和游客。但一入門許多游客卻不敢再進(jìn)了：四面墻壁的裂縫能插進(jìn)一個(gè)手掌，瓷磚地面也陷下去了四五個(gè)大坑，桌子用磚頭墊腳才勉強(qiáng)站穩(wěn)。 “都是凍土鬧的?！睂O老板很無奈，房子是一年前新蓋的，半年后地面就開始下沉，墻壁也跟著開裂，多次修補(bǔ)也無濟(jì)于事。孫老板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？”孫老板一直很疑惑。這個(gè)問題，他也曾拋給來飯店吃飯的青藏鐵路施工人員。對(duì)方只笑笑：“到時(shí)你就信服了?！比缃瘢T前的路段已經(jīng)修好一年有余，依舊平直如故?！拔疫@才真服了。”在冰塊上修鐵路從來沒有一條鐵路會(huì)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公里外的格爾木，但工程不得不戛然而止。再往前行，就是綿延550公里的凍土世界。“這就像要在一個(gè)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(huán)境效應(yīng)”項(xiàng)目首席科學(xué)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(huì)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(dāng)時(shí)有西方專家稱這是無法攻克的世界性難題?！拔覀冏钕认氲降氖?，能不能把凍土挖去？”吳柏青說，最深的鉆孔已伸入地下128米，依舊是冰，凍土問題難以回避?！懊薇弧钡健氨洹钡乃悸忿D(zhuǎn)換怎么能讓對(duì)溫度極為敏感的多年凍土，保持足夠的穩(wěn)定性？這成為青藏鐵路成敗的關(guān)鍵?！跋奶熨u冰棍都裝在木箱子里，怕化了拿棉被捂上，原來修路大概就是這個(gè)思路，但拿棉被捂冰棍早晚要化。”吳柏青說。直到中國科學(xué)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?！袄鋮s路基”就是通過技術(shù)手段將凍土層的溫度降下來?！斑@就像把棉被換成了冰箱，變被動(dòng)為主動(dòng)?！庇辛诉@一思路，青藏鐵路才敢最終拍板決定上馬。9月17日，在吳柏青的辦公室里，他拿出了兩個(gè)煙盒，把一張白紙夾在了中間?！吧舷聝蓚€(gè)煙盒分別代表季節(jié)性凍融層和多年凍土層，中間這張紙被科學(xué)界稱為零點(diǎn)幕。”吳比畫著說，所謂“零點(diǎn)幕”就是個(gè)界面，在它之下，凍土較為穩(wěn)定，基本不受外界影響。“零點(diǎn)幕”是不斷變化的。比如夏季溫度高，這個(gè)界面就會(huì)降低，反之在冬季就會(huì)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(diǎn)幕升高，把不穩(wěn)定的季節(jié)性凍融層減薄，并讓下界的“煙盒”更為穩(wěn)定。天然“制冷機(jī)”“中學(xué)我們都學(xué)過熱有三種傳輸方式：輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)，其實(shí)我們也就是通過這三種方式，達(dá)到降溫的目的。”吳說。進(jìn)入西大灘凍土區(qū)，鐵路路基兩旁插有一排排碗口粗細(xì)、高約2米的鐵棒。鐵棒間相隔兩米，一直向前延伸?！拔覀兘兴鼰岚簟！眳前厍嘟榻B說，熱棒在路基下還埋有5米，整個(gè)棒體是中空的，里面灌有液氨。熱棒的工作原理很簡單：當(dāng)路基溫度上升時(shí)，液態(tài)氨受熱發(fā)生氣化，上升到熱棒的上端，通過散熱片將熱量傳導(dǎo)給空氣，氣態(tài)氨由此冷卻變成了液態(tài)氨，又沉入了棒底。“這樣，熱棒就相當(dāng)于一個(gè)永動(dòng)的天然制冷機(jī)。”吳柏青說。青藏鐵路另一種制冷裝置通風(fēng)管是水平插入路基里。在鐵路沿線，路基護(hù)坡兩端露出一排排空心塑料管，風(fēng)一吹過，管子發(fā)出刺耳的呼叫聲。吳柏青說，路基受外界影響溫度會(huì)發(fā)生變化，而通風(fēng)管利用對(duì)流原理及時(shí)將這些熱量進(jìn)行交換，從而保證了下界凍土的穩(wěn)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(huì)受不了。”吳柏青說，就像夏天外出要戴太陽帽一樣。廉價(jià)的“土空調(diào)”在青藏鐵路沿線，熱棒、通風(fēng)管、遮光板隨處可見，但在路基內(nèi)部，一種廉價(jià)而有效的“土空調(diào)”正悄無聲息地運(yùn)轉(zhuǎn)著。中鐵建筑集團(tuán)總公司的技術(shù)人員把它叫做“肉夾饃”的結(jié)構(gòu)在土層路基中間，填筑了一定厚度的碎石。這種名叫拋石路基的國內(nèi)首創(chuàng)做法來自一次野外的無意發(fā)現(xiàn)。在高原凍土區(qū)考察中，科研人員無意間扒開了一片碎石堆，在下面發(fā)現(xiàn)了冰雪，而附近的地面因升溫都已翻漿?？蒲腥藛T把這個(gè)意外發(fā)現(xiàn)模擬進(jìn)了鐵路施工，實(shí)驗(yàn)證明：碎石間因有空隙，相當(dāng)于一個(gè)半導(dǎo)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?！眳前厍嗾f，由于成本更為低廉，目前青藏鐵路已經(jīng)建成的路基中，有80%以上采取了以拋石路基和拋石護(hù)坡為主的新結(jié)構(gòu)?！白詈蠼^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(dá)到了11公里。青藏鐵路全線“以橋代路”的橋梁達(dá)156.7公里?！皩?duì)于極不穩(wěn)定的高含冰量凍土區(qū)，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后絕招。”吳說，橋墩打進(jìn)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(wěn)固性，凍土的融化和膨脹對(duì)路基的影響這時(shí)已顯得微乎其微。2003年，國家青藏鐵路建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，“以橋代路”工程比原設(shè)計(jì)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鐵路段大雪彌漫，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?！币晃蛔^這種試運(yùn)火車的指揮人員說出了自己的乘坐感受“很平穩(wěn)！”“以橋代路”主要是為解決高原凍土地帶路基穩(wěn)定問題，其另外的作用呢？在可可西里保護(hù)區(qū)有青藏鐵路線上最長的“以橋代路”工程清水河特大橋。該橋位于