为世纪工程解世纪难题――中国科学院打通青藏铁路建设冻土关
2004年6月21日，记者随中国科学院办公厅和京区党委组织的由新闻记者和党务干部近２０人组成的考察团深入高原腹地，实地见到了中国科学院的科学家们为解决青藏铁路建设中遇到的高原冻土这个世纪难题付出的艰苦努力。
铁路入藏，是孙中山先生在其《建国方略》中早就描述过的梦想。新中国成立，入藏公路修了好几条，青藏铁路也修到了青海省格尔木市３０多公里以外的南山口，但此后直到２００１年铁轨再没有向前延伸，而最大的“拦路虎”就是冻土。
实施西部大开发战略的标志性工程之一――青藏铁路格尔木至拉萨段（格拉段）是目前全球海拔最高、线路最长、穿越永久性冻土地带最长的高原铁路，全长１１１８公里，由北向南纵贯青藏高原，海拔高度在４０００米以上的地段有９６５公里，其中５５０公里经过连续多年冻土地段，另外还有８２公里穿越岛状不连续多年冻土区。
冻土是低于０℃且含有冰的各种岩石和土壤，含有丰富的地下冰，有季节冻土、隔年冻土和多年冻土（又称永久冻土）。我国多年冻土区面积约２１５万平方公里，占国土面积的２２．３％，仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位。
多年冻土是高原铁路建设的一项世界性难题。火车飞驰需要有地基稳固的铁轨，而冻土却给铁轨的稳定带来了麻烦。用我国权威的冻土学家、中科院兰州分院院长程国栋院士的话来说就是：“青藏铁路成败的关键在路基，路基成败的关键在冻土。”冻土是地―气之间热量交换的产物，对温度极为敏感，随着温度升降会产生“胖”“瘦”变化。冬季温度降低，冻土在冻结的状态下体积膨胀，建在其上的路基和钢轨就会被它顶起来。到了夏季，冻土融化体积缩小，钢轨也就随之降下去。结冰的冻土硬如顽石，但融化后即成一滩烂泥，毫无承载力。这种冻结和融化随季节变化交替出现，就会造成路基翻浆、冒泥、不稳定，整个钢轨出现高低不平，甚至扭绞成麻花，影响正常通车。
冻土工程并不是新课题。世界上在多年冻土区修筑铁路已有百年以上的历史，但因难度大，很多问题都没有解决。世界上最成功的冻土工程是美国阿拉斯加输油管道。有钱的美国人采取了“奢侈”的办法，打热桩把整条管线架高，并辅以冬季热桩的制冷，以尽可能减少冻土融化的影响。俄罗斯、加拿大、美国，还有我国东北，全世界已有冻土铁路两万余公里。然而，这些铁路都处于高纬度、低海拔多年冻土地区，冻土比较稳定。即使这样，这些铁路的运营情况仍不令人满意。据１９９４年俄罗斯调查，２０世纪７０年代建成的第二条西伯利亚铁路，线路病害率达２７．５％。运营了近百年的第一条西伯利亚铁路，１９９６年调查线路的病害率达４５％。俄罗斯等国家的冻土区铁路由于冻土病害，列车时速一般只能达到５０公里左右。我国１９９０年进行的调查，青藏铁路线路病害率达３１．７％，东北多年冻土区铁路病害率达４０％。
全球气候变化极易引起多年冻土温度升高，导致多年冻土融化，青藏高原多年冻土地处中低纬度、高海拔地区，具有冻土厚度薄、地温高和日照强烈等特点，而太阳辐射对冻土有着非同寻常的影响。青藏高原是全球变化的“启动器”和“放大器”，其升温更早于和高于全球平均值，冻土受环境温度的“刺激”活动更加频繁，对青藏铁路的威胁也更大。加上青藏高原年轻，构造运动频繁，其复杂性和独特性举世无双。高温高含冰量多年冻土加上气候变化，使青藏铁路修建面临前所未有的严峻挑战。
中科院寒区旱区环境工程研究所副所长、“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目首席科学家马巍研究员介绍说，目前青藏铁路冻土路基建设面临的三大难题是：冻土路基病害率高达３０％；路基多年冻土属于高温高含冰量冻土；气候变化对青藏铁路路基建设影响巨大，因此，青藏铁路冻土保护工作难度极大。
为利用综合优势，解决青藏铁路建设的重大科学技术问题，中科院２００１年１０月８日启动了知识创新工程重大项目“青藏铁路工程与多年冻土研究相互作用及环境效应”。
在多年研究工作的基础上，项目主管程国栋院士和他领导的科研团队在世界上首次提出改变以往单纯依赖增加热阻保护多年冻土的方法，采用冷却路基、主动保护多年冻土工程的措施，即主动降温、减少传入地基土的热量、保证多年冻土的热量稳定性，从而保证工程稳定性。这为解决高温、高含冰量路基稳定性技术难题提供了科学途径。试验结果证实，保温材料只能够延缓多年冻土融化，在高温高含冰量条件和气候转暖条件下根本无法确保路基稳定。
变被动保护为主动保护的思路得到了建设部门的认可，青藏铁路的设计思路从以被动保护多年冻土措施，延缓多年冻土融化为主导，逐步转变为主动积极保护多年冻土、冷却路基的原则和思路，块石路基、碎石护坡、以桥代路等冷却路基的工程设计措施得到普遍采用。
未来气候变化的预测存在着极大的不确定性，并且长时间内难以解决预报准确性问题，而工程不可能以目前对气候变化所作出的各种预报为依据进行设计。不确定的问题必须用不确定的方法来解决，项目组采用“概率预测”的方法开展了气温升高预测研究，并引入工程可靠性来评价冻土路基的稳定性，结合工程投资进行工程可靠性评价。
冻土研究有许多无法明确的问题尚未得到解决，结合青藏铁路边勘测、边设计、边施工和边研究的“四边”工程建设状态，项目组采用“动态设计”理念，在逐步认识冻土的基本规律性的前提下修正设计来补强工程处理措施，以监测、评价和预测、修改设计，然后再监测、再评价和预测、再修改设计这样一个螺旋上升的不断反馈设计、施工的思路，确保工程稳定性。
项目组还提出了“空间换时间”的概念。位于青藏高原东部的青康公路（２１４国道）条件与未来的青藏铁路类似，项目组以这里为试验场，把一些设计方法应用于这里的改建工程，取得了良好的效果，从而成功地应用于青藏铁路的建设。
北麓河“中科院冻土工程国家重点实验室青藏高原研究基地”坐落在一片平缓的山坡上，这里距格尔木３２０公里，海拔４６２８米，是青藏高原腹地唯一的集冻土、气候、寒区道路工程、生态环境和植被恢复于一体的综合性研究基地，也是中科院为青藏铁路建设、运营和维护提供的一个科学试验平台。
这个基地的建设得到了铁道部的支持。铁道部安排了昆仑山、风火山隧道和清水河、北麓河、沱沱河等５个冻土试验段，将全线多年冻土温度最高、地下冰含量最大，同时也是地质特征最为复杂的北麓河试验段交给了中国科学院，负责完成包括块石路基，通风管路基，块石、碎石护坡等几乎所有工程措施的实体工程试验，并要求做成全线的样板，同时还要求就勘察、设计、施工中的问题提出咨询意见。而这来自于对中国科学院多年来在冻土研究领域的学术积累的信任。
４０多年来，中科院原兰州冰川冻土研究所（现已并入中科院寒区旱区环境与工程研究所）参与了我国在冻土区几乎所有全部的重大工程建设，积累了极为宝贵的第一手资料和充分的技术储备。１９８９年，在中国科学院和原国家计委的支持下，成立了冻土工程国家重点实验室。作为唯一的国家级冻土工程研究与应用单位，他们开展了大量的冻土力学、冻土热物理学、冻土工程学方面的基础和应用基础性研究，为青藏铁路建设提供了大量的试验设计参数。
１９９８年，原冰川冻土研究所主动配合铁道部门进行了青藏铁路预可研工作，明确回答了修建青藏铁路的可行性问题，指出铁路修建的核心问题是高温、高含冰量多年冻土地区路基稳定性问题，并提出了解决此问题的途径，为青藏铁路的正式立项奠定了良好基础。
由于大多数工程单位没有在冻土区工作的经验，冻土工程国家重点实验室的同志为他们开课，讲解有关冻土知识。同时还参与编制了《青藏铁路多年冻土区工程勘察暂行规定》和《青藏铁路多年冻土区工程设计暂行规定》，详细地指出了在冻土工程中设计、勘测、施工所必须遵守的原则。如今，这两个“暂规”已全面应用于青藏铁路工程实践之中。
现在，几乎所有有关青藏铁路的勘测、设计、施工、研究方面的讨论会、审查会都会邀请寒旱所研究人员参加和把关，各工程施工单位也时常会就一些冻土工程问题进行咨询。
青藏铁路的建设可以说是对我国冻土研究水平的一次检验，而中科院的学者交出了一份出色的答卷。不仅在指导思想上首次提出主动冷却路基，而且在工程措施方面，根据冻土状况的不同采用“以桥代路”和片石路基、碎石护坡、热棒等措施，这些措施在世界冻土工程建设上得以第一次大规模成功运用。有专家指出，中国无论是在宏观冻土学研究还是微观冻土学研究方面，都已居世界领先地位。
2004年项目组在北麓河投资１５０万元修了一段２４０米长的新的实验路基，最主要的目的就是开展青藏铁路沿线最主要的工程措施的机理部分的研究。在北麓河基地，记者见到了“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目另一位首席科学家吴青柏研究员。“我们正在努力做到科学研究马上转化为生产力，这是我们做项目很重要的一个出发点，能让我们所做的一些工作尽快地传给设计部门。”他说。