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——记为青藏铁路奉献才智的两位上海籍科学家
本报特派记者 洪崇恩
程国栋——撑起路基“保护伞”
在青藏铁路边经过，好奇的人们会看到，路基旁竖着一排排银色细柱，像在为来往列车站岗；又不时会发现路基下的土石层中，伸出一个个小圆筒，像在帮经受重压的路基透气儿；有时还会发现，铁路线旁张开了长长的棚子，像在为它掩蔽烈日。
这些青藏铁路特有的设施，都是根据中科院院士、国际著名冻土专家程国栋及以他为首的中科院冻土国家重点实验室的项目组的提议，专门用来卫护青藏铁路路基的重要“保护伞”。
程国栋1960年离开上海到北京地质学院学习，1965年毕业分配到兰州中科院冰川冻土所，在大西北一干就是40多年。他提出的著名的“程氏学说”和“冷却路基”新思路，为青藏铁路攻克最大难关——跨越550千米长年冻土层提供了基本理论保障；同时又通过多层次实际试验，为铁路建设工程施工提供了许多切实可行的具体方案，取得了显著的效果。
铁道工程界百年难题
程国栋漫长的学术生涯中，主要从事的是一门名副其实的“冷门”科学：冻土。冻土现在已成为“热土”。因为，1142公里长的青藏铁路格(格尔木)拉(拉萨)段，有近一半要从长年冻土层上面通过。正是这道国际铁道工程界百年未解的重大难题，引起了各国人士的密切关注。
冻土，严格说应该叫“含冰土壤”，或者叫“温度低于零摄氏度的土壤或岩石”。这是一种奇怪的物质：在冻结时，它的强度很大，哪怕再重的负担都能承载；但是一旦温度上升，土中的冰发生融化，那就会使原先的承载力丧失殆尽。
青藏高原的冻土区，是世界各种冻土中脾性最坏的一类。它所处地区的纬度其实并不高，只是由于地势高而使气温降低、土壤冰冻。但是这里“离太阳最近”，日照非常强烈，造成了一年四季，甚至一日之内的强烈温差。因此，哪怕是多年的冻土区，也会出现反复的冻-融拉锯，又连带产生许多特殊的自然地质现象，如冻胀、融沉、冻拔、冻裂、冰椎、冻融分选、融冻泥流等，对工程建筑有极大的影响。
因此，能否防止青藏铁路从高原冻土地带上穿过的路基，不致因冻土丧失荷载力而遭受损害，就成为整个工程能否顺利建设的关键。1979年，青藏铁路由西宁铺轨到了格尔木，被迫“半途而止”，在昆仑山前下马。其中一大原因，就是当时对铁路如何安全穿越高原冻土区没有把握。
从“程氏学说”到“冷却路基”
这一“止”，止了足足20年。但是程国栋深信，无论从哪个角度考虑，青藏铁路迟早要建，多年冻土层这道难关，非先从理论上取得突破不可。
这些年来他一刻也没有停止对冻土的关注。经过多年研究，程国栋率先提出“高海拔多年冻土分布的三向地带性理论”，已被国内外冻土界同行用作分析、界定各种此类冻土区的标准。
他又系统地分析了高原地区地下冰的成因和分布规律，提出了“近地厚层地下冰形成的重复分凝机制”，解释了冻土学中一个长期悬而未解的疑问，被国际冻土界公认为“程氏假说”，成为“程氏学说”中的核心。
在作了大量铺垫性研究的基础上，程国栋受命作为项目主管，与马巍、吴青柏两位中年首席科学家一起，主持了中科院知识创新工程重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”研究和铁道部委托的“青藏铁路多年冻土地区路基修筑技术研究”。针对气候变化和高温、高含冰量冻土对工程稳定性产生的影响，他和课题组首次提出青藏铁路的设计应该改变单纯依靠增加热阻(增加路堤高度，使用保温材料)的消极保护冻土，全面采用“降低地温”方法以积极保护多年冻土的“冷却路基”新思路，为解决青藏线冻土区域高温、高含冰量路段路基稳定性提供了科学依据。
新思路助铁路建设顺利推进
“程氏学说”和“冷却路基”新思路，已转化为青藏铁路工程建设的重要设计理念。冻土实验室和两个课题组提出的在铁路堤身两侧设置热管和热桩以加快自然对流换热阻隔热量向路基传递，在堤身中预设通风管带走堤身的热量、自动温控路堤温度，利用遮阳板减少路基接收的太阳辐射并降低地温，利用块石路堤、块石护坡、碎石护坡降低路基温度等等保护铁路冻土路基的具体建议，都已为青藏铁路建设指挥部采纳并积极付诸实践，有力地支持了铁路工程建设的顺利推进。
梁文灏——打通青藏线“咽喉”
青藏铁路从格尔木出发不久，就正面切入“横空出世”的昆仑山。
在高山长年冻土层中修筑长隧道，是公认的“世界难题”，也是青藏铁路二期格萨段工程面临的第一重难关。
领军拿下其中两项最吃重的“活”——世界上海拔最高的两座冻土隧道昆仑山隧道和风火山隧道的勘察设计，使铁路顺利进入“世界屋脊”腹地的，是铁道第一勘察设计院副总工程师，中国工程院院士梁文灏。
厚实的“基础”
梁文灏1941年出生于上海。1964年，他怀揣铁道建筑专业毕业证书，走出上海同济大学校门，踏上西行列车，来到铁道第一勘察设计院。四十多年来，他的足迹踏遍西北山川和祖国其他地区的崇山峻岭、沟壑谷地，先后参与、主持了侯月、宝中、西康、西南、神延等几十条铁路线的数百座隧道。在中国现代隧道史上，梁文灏和他的同事、弟子们一起，在铁一院隧道勘测设计的号旗下，用智慧和勤劳写下了多项“第一”：国内最长的隧道——西康铁路秦岭隧道；国内最长公路隧道——终南山隧道……
巨大的挑战
2001年，举世瞩目的青藏铁路全线开工。梁文灏再担重任，负责指导青藏铁路的两个重点工程项目：昆仑山隧道和风火山隧道的勘察设计。
风火山隧道轨面标高4905米，是整条青藏铁路最高的路段，也是“世界屋脊”上海拔最高的铁路隧道；而全长1686米的昆仑山隧道不仅同样地处海拔4600米以上，且正面从多年冻土地区穿过，是迄今为止世界最长的高原冻土隧道。
这两座隧道，都是青藏铁路名副其实的“咽喉”，不先打通、筑好这两座隧道，后续的铺轨工程就根本无从谈起。
对于青藏铁路，对于高原冻土，梁文灏可谓是“冤家再聚首”。早在1970年，当时还很年轻的他就参加了青藏铁路西(西宁)格(格尔木)段的建设，并抱着“青藏铁路一定会再上马”的坚定信念和“锲而不舍、金石可镂”的精神，与其他科技人员一起，在高原上对冻土隧道展开了长期的系统研究，确立了“冻融圈”概念和要尽最大努力“保护冻土”的基本原则。
但是此番真刀真枪地面对昆仑山隧道和风火山隧道的设计与施工，仍然遇到了前所未有的尖锐矛盾和巨大挑战：
一方面必须“保护冻土”、稳定冻土，一方面却又不得不在“冻土身上动土”，而且还必须进行深度开挖。这是一对很难解决的矛盾。与此同时，这两条隧道在施工中还存在着另一对更现实的矛盾：一方面，众所周知施工中混凝土的灌注需要一定的温度，否则混凝土就达不到标准，难以保证隧道的工程质量；但是在高原、冻土施工中，最忌讳的就是温度高，它极易造成冻土层的融沉和融冻泥流，严重时甚至会毁掉整条隧道。
智慧的闪光
为找到这些尖锐对立矛盾的平衡点，妥善解决冻土、高寒隧洞在严重缺氧条件下施工产生的许多不利影响，梁文灏和他的同事们绞尽脑汁、反复苦思对策。
他们提出了加大埋深、加长隧道、穿行于永冻层、减少工作面的指导原则，以最大限度地降低对冻土环境和地下水的破坏，保护冻土的稳定性，不仅攻克了冻土隧道结构设计、施工难题，还为运营期隧道防排水和防冻害等作了预先安排。
为了保证冻土隧道施工的质量，他们提出了：冻土施工环境的最佳控制温度的思路，既可最小限度地扰动冻土环境，又可最大限度地保证混凝土的凝结耐久度，还保证了施工安全。
针对隧道施工中特别突出的高寒缺氧问题，在施工设计中提出了增压增氧以人工制氧保证工作效率的指导原则，为隧道的顺利进展奠定了基础。梁文灏还特别提出了一个“保温瓶构想”：对隧道采用双层结构中间夹保温层的设计，最大限度地保护永久冻土不被破坏，同时减少洞内气温与围岩的热交换，有效地防止隧道病害的发生，保证运营安全。
这一整套富有创造性的高原冻土隧道设计原则和方法，终于解开了高原冻土隧道设计施工这一世界性难题的许多“死结”，在不到一年的时间里，就完全“啃”下了这两座最难“啃”的“僵硬骨头”，使青藏线顺利贯通风火山口、穿越昆仑山。
部分路段采取热棒降温措施解决冻土难题。 新华社发
世界第一高隧——风火山隧道。 |
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