位于青藏高原海拔4750米的中鐵西北院風(fēng)火山定位觀測(cè)站。（資料圖）　中鐵西北科學(xué)研究院供圖

　　中國(guó)高原鐵路建設(shè)輝煌歷史的幕后“英雄”之一的中鐵西北科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱“中鐵西北院”)，致力于我國(guó)高原鐵路特種路基基礎(chǔ)的科研與創(chuàng)新工作，為解決青藏鐵路“凍土難題”，埋頭苦干了六十年。

　　2021年，恰好是這條被世人稱為“通天之路”“東方哈達(dá)”的世界最長(zhǎng)且海拔最高的高原鐵路——青藏鐵路開工建設(shè)二十周年，通車并安全運(yùn)營(yíng)十五周年，亦是中鐵西北科學(xué)研究院成立六十周年。

圖為20世紀(jì)70年代風(fēng)火山觀測(cè)站科學(xué)城。(資料圖) 中鐵西北科學(xué)研究院供圖

　　之所以會(huì)出現(xiàn)凍土，是因?yàn)橥寥览锘蚨嗷蛏俣己兴?，?dāng)溫度降到零度或零度以下，土壤里的水分就會(huì)凝結(jié)成冰將土壤凍結(jié)。凍土對(duì)溫度變化很敏感，會(huì)隨著溫度的升降“發(fā)胖”和“變瘦”。

　　就如蘭州人愛吃的“軟兒梨”，當(dāng)梨被凍得硬邦邦時(shí)，因果肉內(nèi)的水分凍結(jié)而膨脹，牙口再好也是“無(wú)處下嘴”。但隨著溫度升高，凍梨融化后就變得軟塌塌，只需輕輕吮吸就可品味到清甜的梨汁。

　　為什么凍土?xí)蔀樾拗嗖罔F路的攔路虎？

中鐵西北院科技工作者在風(fēng)火山觀測(cè)站收集儀表數(shù)據(jù)。(資料圖) 中鐵西北科學(xué)研究院供圖

　　因?yàn)榱熊囆枰?000多米的高山，跨越十幾公里的山谷，最重要的是還有數(shù)百公里的多年凍土擋在那里。在平原地區(qū)克服這些困難已是不易，更何況還是空氣稀薄的青藏高原，人們?cè)谏詣?dòng)一下就需要氧氣瓶的情況下，還怎么鋪設(shè)鐵軌、架設(shè)橋梁？

　　此外，冰在融化成水的時(shí)候體積要縮小，水在凍結(jié)成冰的時(shí)候體積要膨脹。自然界這個(gè)通俗的原理，造成凍土區(qū)在冬夏兩季形成了凍脹隆起和融化下沉，這種不穩(wěn)定的地質(zhì)變化直接導(dǎo)致難以在凍土地區(qū)修筑公路、鐵路、橋梁、房屋?？朔@種凍脹和融沉給凍土區(qū)工程建設(shè)帶來(lái)的巨大困難，成為在青藏高原凍土區(qū)修建鐵路的核心技術(shù)難題。

中鐵西北院科技工作者肩挑手扛運(yùn)送地質(zhì)鉆機(jī)。(資料圖) 中鐵西北科學(xué)研究院供圖

　　青藏鐵路穿越了連續(xù)多年凍土區(qū)545公里，是目前世界上穿越多年凍土里程最長(zhǎng)的高原鐵路。(年平均地溫低于-1.0℃多年凍土區(qū)160公里，年平均地溫高于-1.0℃多年凍土區(qū)275公里，融區(qū)110公里。)因此，青藏鐵路的修建面臨著分布更為廣泛的高溫和高含冰量?jī)鐾羻栴}，而且必須充分考慮全球氣溫升高以及運(yùn)營(yíng)期間的人為活動(dòng)、環(huán)境變化所形成的地質(zhì)病害等不良影響。因此，凍土問題是修建青藏鐵路所面臨的最大難關(guān)，也是確保青藏鐵路工程質(zhì)量穩(wěn)定和安全運(yùn)營(yíng)最關(guān)鍵的問題。

圖為中鐵西北院清水河樁基試驗(yàn)場(chǎng)。(資料圖) 中鐵西北科學(xué)研究院供圖

　　在這個(gè)挑戰(zhàn)“不可能”的過程中，中鐵西北院完成了兩項(xiàng)工作：一是以科學(xué)研究為目的，建起了青藏高原上惟一一個(gè)全年有人值守的風(fēng)火山凍土觀測(cè)站(海拔4750米)，積累了科研大數(shù)據(jù)；二是以攻克筑路難題為目的，修建了第一條(長(zhǎng)483米)凍土試驗(yàn)路基，開展了一系列工程試驗(yàn)。

　　風(fēng)火山(又名隆青吉布山)，因其山體呈紅褐色，十分醒目，好像被烈火焚燒了無(wú)數(shù)次，故而得名。風(fēng)火山地區(qū)氣候環(huán)境極為惡劣，年平均氣溫-5~7℃，最低氣溫達(dá)-41℃，空氣中氧氣含量只有平原地區(qū)的50%左右，被喻為“生命禁區(qū)”。

圖為熱棒技術(shù)在青藏鐵路凍土區(qū)的應(yīng)用。(資料圖) 中鐵西北科學(xué)研究院供圖

　　風(fēng)火山地區(qū)集中了修建青藏鐵路“高寒缺氧、生態(tài)脆弱、多年凍土”三大世界級(jí)科技難題，也被前來(lái)考察的國(guó)外專家們斷言過，“青藏鐵路不可能通過風(fēng)火山”。

　　但早在1961年，中鐵西北院的科技人員就在青藏高原多年凍土腹地，建立了我國(guó)第一座海拔最高、觀測(cè)項(xiàng)目最多、全年值守的高原凍土定位觀測(cè)站，也是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行凍土觀測(cè)和研究的科研機(jī)構(gòu)，先后開展了區(qū)域凍土、凍土力學(xué)、熱學(xué)、路基、橋涵、房建、給排水、建筑材料、生態(tài)環(huán)保等9個(gè)專業(yè)領(lǐng)域36個(gè)科研課題的研究，取得了29項(xiàng)重大科研成果，連續(xù)測(cè)取了1500萬(wàn)組數(shù)據(jù)，為破解多年凍土這一世界性難題奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為決策修建青藏鐵路提供了技術(shù)支撐。

圖為青藏鐵路通車后列車經(jīng)過中鐵西北院風(fēng)火山觀測(cè)站。(資料圖) 中鐵西北科學(xué)研究院供圖

　　1976年，中鐵西北院科研人員在被稱為世界屋脊的青藏高原風(fēng)火山，修建了第一條(長(zhǎng)483米)試驗(yàn)路基，被稱為“沒有鋪鋼軌的鐵路”。科研人員采用不同的路基斷面形式和防護(hù)措施，把試驗(yàn)路基分為了23個(gè)試驗(yàn)段。包括路堤、路塹、L形柔性擋土墻、試驗(yàn)涵洞。

　　同時(shí)，科研人員采取了多種防護(hù)形式，在邊坡或基底鋪設(shè)了草皮、粘土、瀝青膨脹珍珠巖、酚醛樹脂板、加氣混凝土、泡沫塑料、水泥珍珠巖板共七種保溫材料，采用不同的邊坡坡率和防排水措施進(jìn)行觀察試驗(yàn)。并提出了厚層地下冰地段路基工程的設(shè)計(jì)原則、斷面形式和防護(hù)措施，路基工程保溫的防排水措施，進(jìn)而掌握了凍土路基人為上限和凍脹變化規(guī)律，取得了厚層地下冰地段路基工程設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。

　　中鐵西北院已故凍土專家劉鐵良，在對(duì)風(fēng)火山483米試驗(yàn)路基的長(zhǎng)期觀測(cè)和研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了一套在高原凍土地區(qū)通過鋪設(shè)草皮，植被來(lái)保護(hù)鐵路路基的辦法，其所運(yùn)用的數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，能準(zhǔn)確計(jì)算出青藏高原凍土地區(qū)路塹邊坡保溫層的最佳厚度，開創(chuàng)性地解決了青藏鐵路路基保護(hù)問題。他的這一理論成果被國(guó)內(nèi)高原凍土學(xué)術(shù)界稱為“鐵良公式”。

圖為青藏鐵路成功穿越凍土區(qū)。(資料圖) 中鐵西北科學(xué)研究院供圖

　　“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。從中鐵西北院挑戰(zhàn)凍土“不可能”的任務(wù)，反觀這一段青藏鐵路凍土研究的過程，可以說風(fēng)火山凍土科研基地具有極其重要的地位，它系統(tǒng)地承載了凍土區(qū)筑路核心關(guān)鍵技術(shù)的機(jī)理研究任務(wù)，開創(chuàng)性地破解了凍土路基難題，強(qiáng)有力地支撐青藏鐵路成功穿越多年凍土區(qū)，實(shí)現(xiàn)了青藏鐵路設(shè)計(jì)時(shí)提出的“凍土區(qū)行車速度達(dá)到100公里／小時(shí)，非凍土區(qū)行車速度達(dá)到120公里／小時(shí)”的高標(biāo)準(zhǔn)。

　　如今，風(fēng)火山凍土科研基地仍然像一座燈塔堅(jiān)守在青藏高原上，通過在路基埋設(shè)物聯(lián)網(wǎng)元件，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、自動(dòng)、持續(xù)測(cè)取凍土數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步發(fā)往格爾木凍土工程試驗(yàn)室，通過凍土路基預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件分析數(shù)據(jù)做出判斷或發(fā)出預(yù)警，從而為青藏鐵路今后的安全運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。

　　中鐵西北院三代科技工作者薪火相傳，挑戰(zhàn)了世界級(jí)的“不可能”，獲得了中組部“全國(guó)優(yōu)秀基層黨組織”，中華全國(guó)總工會(huì)頒發(fā)的全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)等殊榮，留下了“以苦為榮，勇于創(chuàng)新，孜孜以求，獻(xiàn)身科學(xué)”的風(fēng)火山精神。