剖解青藏鐵路三大難題之謎

    路基降溫四方案

    凍土降溫思路之變：棉被改冰箱

    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?！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?！拌F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。對方只笑笑：“到時(shí)你就信服了。”

    在冰塊上修鐵路

    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。

    從來沒有一條鐵路會(huì)遇到這樣的難題。

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    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?！敝锌圃骸扒嗖罔F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。

    “我們最先想到的是，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。

    怎么能讓對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。

    “夏天賣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。

    “冷卻路基”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?！眳钦f。

    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。

    “我們叫它熱棒?！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。

    熱捧的工作原理很簡單：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)?！眳前厍嗾f。

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    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。

   

 青藏鐵路的部分路段采取熱棒降溫等多種切實(shí)可行的工程措施解決凍土難題。

    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?！霸囅?，夏天的太陽光輻射在路基上，下面的凍土肯定會(huì)受不了?！眳前厍嗾f，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。

    科研人員把這個(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。”吳柏青說，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)。

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　   [方案1]橋梁下方,適宜藏羚羊、野牦牛、等動(dòng)物通過。

    青藏鐵路動(dòng)物三類遷徙通道示意圖

    “最后絕招”

    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(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。

    “對于極不穩(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?！眳钦f，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)！”

    遷徙通道就是藏羚羊的生命

    青藏鐵路面臨著生態(tài)脆弱的世界鐵路建設(shè)難題。這里是我國和東南亞地區(qū)的“江河源”和“生態(tài)源”，在可可西里、羌塘等國家級自然保護(hù)區(qū)里，棲息有藏羚羊、野牦牛、藏野驢等珍稀野生動(dòng)物，其中包括國家一級保護(hù)動(dòng)物41種，二級保護(hù)動(dòng)物84種。

    美麗的藏北草原是青藏鐵路全線水草最豐美的地段，也是西藏自治區(qū)面積最大的草原，青藏鐵路橫穿藏北草原300多公里。

    “1只、2只、3只……”9月16日，中科院動(dòng)物所楊奇森研究員趴在電腦前，用指頭戳著屏幕里成群的藏羚羊，默聲數(shù)著羊群從鐵路橋下通過的數(shù)量。

    這段數(shù)碼錄像攝于一個(gè)月前，成群的臧羚羊所穿過的大橋是青藏鐵路楚馬爾河大橋。大橋的西面是可可西里國家級自然保護(hù)區(qū)，東面是三江源國家級自然保護(hù)區(qū)。

    自青藏鐵路準(zhǔn)備動(dòng)工修建，楊奇森就成了和藏羚羊一起遷徙的人。

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    每年6月，大批藏羚羊跨越青藏鐵路一線，前往可可西里腹地產(chǎn)羔，楊奇森就會(huì)從北京來到高原，對藏羚羊進(jìn)行監(jiān)測。9月，藏羚羊回遷，他才下高原返京。

    今年回到北京，楊奇森顯得異常高興：錄像情況顯示，分布在可可西里地區(qū)的2500只藏羚羊全部順利回遷。

    [方案2]路基緩坡，適宜棕熊等善攀授的動(dòng)物通過。 [方案3]隧道上方，適宜棕熊、白唇鹿等善攀授的動(dòng)物通過。

  

  青藏鐵路動(dòng)物三類遷徙通道示意圖

    給藏羚羊留條路

    藏羚羊，國家一級保護(hù)動(dòng)物，僅分布在青藏高原及鄰近95萬平方公里區(qū)域內(nèi)。

    50年前，青藏公路建成通車，穿過可可西里，把青藏高原切成了兩個(gè)部分。從此，每年的產(chǎn)羔季節(jié)，青藏公路東側(cè)懷胎的藏羚羊要兩次跨越青藏公路往返，才能完成產(chǎn)羔的全過程。

    青藏鐵路與青藏公路走向基本平行。修建之初，就有專家憂慮，鐵路會(huì)破壞完整的自然環(huán)境，不僅會(huì)阻斷野生動(dòng)物的繁殖遷徙，還會(huì)影響它們正常的覓食活動(dòng)。

    2001年2月，鐵道部和國家環(huán)保總局等5部委聯(lián)合主持了青藏鐵路環(huán)保研討會(huì)，90多位專家明確提出，要“對沿線重點(diǎn)保護(hù)的野生動(dòng)物采用工程和管理措施解決遷徙通道問題”。

    在中國鐵路建設(shè)史上，修建野生動(dòng)物通道青藏鐵路是首次。但通道修成什么樣子？修在哪里？負(fù)責(zé)此項(xiàng)任務(wù)的鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院（簡稱鐵一院）一頭霧水。

    很快，鐵一院找到了中科院動(dòng)物所著名動(dòng)物學(xué)家馮祚健教授。從上世紀(jì)70年代，馮祚健就在青藏公路沿線調(diào)查野生動(dòng)物分布情況。

    由于身體原因，馮將接力棒交給了他的學(xué)生——楊奇森研究員。

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    通道要符合動(dòng)物的“胃口”

    “高原野生動(dòng)物有幾十種，不同的動(dòng)物有各自的習(xí)性，設(shè)置通道自然也要符合它們的胃口?！睏钇嫔o記者舉起了例子。

    “棕熊、白唇鹿等高山山地動(dòng)物善于攀援而不適宜奔跑，它們喜歡沿山坡脊梁走，這樣鐵路通過的時(shí)候最好打隧道，保持山坡的原貌?！?/span>

    “而藏羚羊、野牦牛、藏野驢等野生動(dòng)物，機(jī)警并善于長距離快速奔跑，它們喜歡在寬谷和河灘活動(dòng)，鐵路最好架橋通過。如果考慮造價(jià)成本，將路基的坡度修緩，這些動(dòng)物也是可以過去的。”

    從格爾木到拉薩，按野生動(dòng)物的分布范圍，楊奇森規(guī)劃設(shè)置了33處野生動(dòng)物通道。按照野生動(dòng)物口味，33處通道又有橋梁下方、隧道上方及路基緩坡3種形式。

    三年之變

    楚馬爾河鐵路橋、五北鐵路橋，位于五道梁和不凍泉之間，是33處野生動(dòng)物通道中的最主要的兩個(gè)。根據(jù)楊奇森多年的調(diào)查，鐵路沿線90％以上的藏羚羊?qū)倪@兩點(diǎn)遷徙通過。

    2003年6月，通道相繼完工，又值藏羚羊開始遷徙的日子。但當(dāng)大群的藏羚羊來到橋邊時(shí)，楊奇森卻發(fā)急了。

    “藏羚羊根本不敢靠近大橋，有的甚至沿著鐵路路基一路狂奔?！睏钇嫔貞浾f。

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    此時(shí)正在該路段施工的中鐵十四局為了不打擾藏羚羊遷徙，下達(dá)了20天的停工通知?！盁嵝牡墓と藗兩踔羾亓缪蛉黑呞s，但無濟(jì)于事?！比绱饲樾卧?004年6月又再次上演。但讓楊奇森欣慰的是，2500只藏羚羊在通道附近徘徊了一周后，最終從橋下奔騰通過。

    “今年情況很好，藏羚羊幾乎沒有猶豫很快就過關(guān)了，速度很快?！睏钇嫔f，今年的監(jiān)測結(jié)果說明鐵路對藏羚羊的影響非常小了。

    9月21日，索南達(dá)杰自然保護(hù)站隊(duì)員尕瑪神情嚴(yán)肅。兩天前，一只藏羚羊在走過青藏公路時(shí)，被疾馳而來的汽車撞死。

    索南達(dá)杰自然保護(hù)站門前就是青藏公路，再向前1000米就是青藏鐵路。

    “藏羚羊穿越鐵路不需要我們費(fèi)心。”尕瑪指著遠(yuǎn)處的鐵路說，“那里有通道，通道就是藏羚羊的生命。”

    一群藏羚羊正穿越楚瑪爾河一帶的青藏鐵路動(dòng)物通道。

    （摘自《新特寫 新京報(bào)特稿精選》，南方日報(bào)出版社出版）