程国栋
青藏铁路是“十五”期间西部大开发四大标志性工程之一，具有重大的政治、经济、军事和社会意义。在世界屋脊上修筑一条海拔最高、线路最长的高原铁路，是人类铁路建设史上前所未有的伟大创举。青藏铁路的建设面临三大难题：高原、环保和冻土。本文将主要讨论青藏铁路修筑中遇到的冻土问题。
一、冻土区修筑铁路的历史
世界上在多年冻土区修筑铁路已有百年以上的历史。俄罗斯早在1895年就开始修建第一条西伯利亚大铁路（后贝加尔铁路）。该线全长944．6km，穿越多年冻土2200km。20世纪70年代末，又开始修建第二条西伯利亚大铁路（贝阿铁路），该线全长3500km，通过多年冻土2500km。目前正在建设的别尔卡基特一托莫特一雅库茨克铁路全长818km，几乎全部位于多年冻土区。1984—1995年已完成别尔卡基特一托莫特375km的路基工程。另外有一条秋明一鄂毕湾的冻土区铁路也正在修建中。美国于1904年修建阿拉斯加铁路，线路长756km，通过多年冻土378km。加拿大在多年冻土区建有5条铁路。最早的哈德逊湾铁路建于1910年，全长820 km，穿越多年冻土611 km。
在中国，多年冻土区兴建的道路工程有大、小兴安岭地区的两条主要干线：牙林线和嫩林线，穿越多年冻土800 km左右。西北地区有两条铁路遇到多年冻土：其一是青海海西热水专用线；其二是穿越天山的南疆铁路。高原多年冻土区修筑的青藏公路（跨越多年冻土550 km）和青康公路（跨越多年冻土330 km）已有40多年连续通车运营的历史。
多年冻土区由于反复的冻融作用，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。多年冻土区常见的道路工程病害是融沉和冻胀，以青藏公路为例，85％的路基病害是融沉造成的，15％为冻胀和翻浆所致。桥梁和涵洞的病害主要由冻胀引起。在高温冻土区的高路堤上，由于阴、阳坡下的融沉不同，因而在向阳面的公路左侧产生纵向裂缝。
铁路作为线型工程要跨越各种不同的地质地貌单元，遇到多种多样的不良冻土现象，所以修建的难度很大。尽管世界上在多年冻土区修筑铁路已有百年以上的历史，但回顾这些铁路的运营情况，却并不令人乐观。据1994．年俄罗斯贝阿铁路的统计，线路病害率为27．7％，1996年对后贝加尔铁路的调查表明，运营了一百多年后，线路的病害率仍达40．5％。我国在青藏公路改建工程完成后，在1999年进行了一次调查，报道的线路病害率也达31．7％。东北冻土区铁路运营的情况更差一些，估计线路病害率不会小于40％，运营早期还发生过路基突然大量下沉的事故。如1962年，牙林线潮乌段8km处曾发生5小时内路基下沉1．4m造成机车掉道的事故。牙林线K197处，也发生过一次下沉1．5m，迫使旅客列车停车4小时的事故。
二、青藏铁路面临的冻土问题
正在修建的青藏铁路格尔木至拉萨段全长1142km，新建1110km，将穿越多年冻土632 km。如果将年平均地温0～1．5℃的多年冻土定为高温冻土，则根据青藏公路的资料，线路将穿越的多年冻土中有76％为高温冻土，59％为高含冰量冻土。青藏铁路乃百年大计，在全球转暖的情况下，必须考虑50～100年的气候变化。IPCC在2001年发布的预测称“全球表面温度预计在1990—2100年间升高1．4～5．8℃”。青藏高原是气候变化的“启动器”，其升温要早于周围地区；青藏高原也是气候变化的“放大器”，其升温值要高于全球平均值。据最近发布的预测，2050年，青藏高原将升温2．2～2．6℃。冻土在冻结时强度很大，相当于次坚石，但含冰冻土融化后则完全丧失承载力。因此，能否防止路基下冻土融化，就成为青藏铁路成败的关键。
多年来，青藏和青康公路已积累了大量冻土区道路的观测资料。分析冻土区公路修筑的经验和教训，无疑会对青藏铁路的建设提供有益的启示。
对青藏和青康公路资料的分析可得到如下的重要结论：
（1）冻土区路基的稳定与地温关系密切。
青藏公路改建沥青面后，60％的路段下冻土在垂向上不衔接，形成融化夹层，而形成融化夹层的路段大多位于高温冻土区。
（2）对青藏公路沿线2组地温观测孔5年观测资料的分析发现：对已形成融化夹层的高温冻土区的路基，进入路基内活动层的热收支呈明显的热量积累状态，下伏多年冻土层的热收支处于持续不断的吸热状态。低温冻土区路基内的热收支也呈现出吸热明显大于放热的周期性变化。
（3）对采用保温材料的路基热状况的分析证明：保温材料的热阻效应可以减少其下地温的年变幅，起到延缓多年冻土融化的效果，但不能改变因修筑路基而引起的吸热趋势。保温材料在低温冻土区使用有一定的效果，但在高温冻土区保温处理措施的长期效果不佳。
上述结论说明了一个重要的概念：单纯依靠增加热阻（增加路堤高度、使用保温材料）保护冻土的方法是一种消极的方法。在气候转暖的背景下，这种方法难以保证青藏高原多年冻土区路堤的稳定性，特别在高温冻土区，大量的工程实践已证明，这种消极方法的成功率不高，因此今后的研究方向要探索积极的保护冻土的方法，即“冷却地基”的方法。
三、冷却路基方法
传热的基本形式有三种：辐射、对流和传导。可以通过改变路堤的结构和材料以调控辐射、调控对流和调控传导，达到冷却路基的目的。
（一）调控辐射的措施
增加表面的反射率可减少表面接收的太阳辐射，降低地温。公路部门曾采用白漆、无规聚苯烯、水泥等进行过试验，起到了降低地温的作用。铁路可考虑采用浅色或白色的道砟以减少表面的吸热。
俄罗斯科学家Kondratyev提出采用遮阳棚的方法遮蔽太阳辐射。根据“铁科院”西北分院在风火山的现场试验结果，遮阳棚内地表年平均温度比棚外地表的年平均温度低8℃，其降温效果是十分明显的。另一种更简便的方法是在坡面设置遮阳板。根据风火山的资料，1月份遮阳板下的地表温度比板外地表温度低6～15℃，效果也很明显，是一种很有应用前途的冷却路基的方法。
通风基础是多年冻土区房屋建筑行之有效的方法，已在世界各国冻土区普遍采用。可以把这一方法移植到冻土区的路基工程。青藏高原的气温通常比地表温度低3℃以上，所以可以利用路堤遮阳，在堤身中设置通风管，利用比路堤土温度低的空气的流通，带走堤身的热量。我们进行的室内模型试验，野外实体工程试验和数值模拟均证明这种方法是有效的。其缺点是由于通风管进、出口的温度不一样，可能造成路堤两侧上限深度的不一致。为了预防因路堤两肩上限位置不对称而引起的路面纵向开裂，可以考虑在护道上设置纵向通风系统，利用风压、烟囱效应和文丘里效应（Venturi effect）降低地温。
（二）调控对流的措施
1969—1970年，前全苏铁路运输研究院斯科沃罗丁冻土研究试验室根据实测资料提出：用大块碎石修筑的路堤较之用其他类型土修筑的路堤，其基底土的温度大大降低，并用Balch效应解释了这一现象。1973年原中国科学院冰川冻土所在青海省热水煤矿的厚层地下冰地段用直径0．3m的块石修筑了高2．7m的试验路堤。观测表明，块石路堤有明显的降低地温的效果。1996—2001年，阿拉斯加大学完成了块石路堤的数值模拟和实体工程试验，充分证明了块石路堤冷却路基的作用，并获得了专利。阿拉斯加公路部把这种路堤称为气冷路堤（Air cooled embankment，ACE）。
因此，块石路堤、抛石护坡和块石护道是冷却路基的有效措施，特别是抛石护坡，施工方便、成本低、应予推广。
利用自然对流换热的热管和热桩也是冷却路基的十分有效的措施，但成本较高，可考虑在特殊地段使用。
（三）调控传导的措施
自然界中泥炭具有保护多年冻土的功能，其主要作用机制之一是由于泥炭能充分饱水，而冰的导热系数是水的4倍，所以饱水泥炭冻结后其导热系数远大于融化时的值。这样在自然条件下，冬季通过冻结泥炭的放热，就要大于夏季通过融化泥炭的吸热。由于泥炭的这种“半导体”作用，年复一年，使其下的多年冻土易于保存。由此我们可以得到启示：可以寻找冻结时的导热系数远大于其融化时导热系数的“热半导体”材料。如果这种材料的承重能力足够，可用于堤身；如果承重能力不足，则可用于坡面，以冷却路基。
在坡面种草也不失为一种可选用的措施。这一措施既能改善路基的热状况，又能防止坡面的风蚀和水蚀，有利于美化和保护环境。
除了单项的调控措施，也可考虑综合利用上述原理，如设置旱桥，既能遮阳，又可通风，且有很高的承载能力。但这种措施的成本很高，可在特别困难的高温、高含冰量冻土段使用。
四、结论
面对青藏高原高温、高含冰量的多年冻土，以及气候转暖的事实，青藏铁路的建设必须改变单纯依靠增加热阻消极保护冻土的思路，全面采用“冷却路基”的积极的保护冻土原则，特别对高温、高含冰量地段应该如此。
可以通过改变路基的结构和材料，以调控辐射、调控对流和调控传导，达到“冷却路基”的目的。
本文选自《甘肃省2002年学术年会大会特邀报告汇编》
（作者为中国科学院院士、中国科学院兰州分院院长）