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冻土降温思路之变:棉被改冰箱
  

 

    青藏铁路风火山附近,一名当地村民看到铁路边上竖立的“热棒”,感到新奇。本报记者 倪华初 摄

 

 

 

 

    冻土降温思路之变:棉被改冰箱

    如何使长达550公里的冻土层保持稳定,成为青藏铁路建设成败的关键。通过传热三种方式的运用,工程建设者发明了天然“制冷机”,以及廉价的“土空调”

    9月21日中午,车行至海拔4636米的五道梁。

    “吃了饭才有劲翻唐古拉山口。”饭店孙老板这句热心的广告词,拦住了不少过往的车辆和游客。

    但一入门许多游客却不敢再进了:四面墙壁的裂缝能插进一个手掌,瓷砖地面也陷下去了四五个大坑,桌子用砖头垫脚才勉强站稳。

    “都是冻土闹的。”孙老板很无奈,房子是一年前新盖的,半年后地面就开始下沉,墙壁也跟着开裂,多次修补也无济于事。

    孙老板的饭店门前就是正在施工的青藏铁路。“铁路建起来,不也得成了大麻花?”孙老板一直很疑惑。

    这个问题,他也曾抛给来饭店吃饭的青藏铁路施工人员。对方只笑笑:“到时你就信服了。”如今,他门前的路段已经修好一年有余,依旧平直如故。“我这才真服了。”

    在冰块上修铁路

    从来没有一条铁路会遇到这样的难题。

    21年前,青藏铁路从西宁穿越高山、戈壁、盐湖、沼泽,修到了700公里外的格尔木,但工程不得不戛然而止。再往前行,就是绵延550公里的冻土世界。

    “这就像要在一个大冰块上修铁路。”中科院“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目首席科学家吴柏青说,气温稍微上升,冻土层就要融化,上面的路也就塌了;而冬天温度降低,冻土膨胀,就会把建在上面的路基和钢轨顶起来,一降一升,火车很容易脱轨。

    当时有西方专家称———这是无法攻克的世界性难题。

    “我们最先想到的是,能不能把冻土挖去?”吴柏青说,最深的钻孔已伸入地下128米,依旧是冰,冻土问题难以回避。

    “棉被”到“冰箱”的思路转换怎么能让对温度极为敏感的多年冻土,保持足够的稳定性?这成为青藏铁路成败的关键。

    “夏天卖冰棍都装在木箱子里,怕化了拿棉被捂上,原来修路大概就是这个思路,但拿棉被捂冰棍早晚要化。”吴柏青说。

    直到中国科学院兰州分院院长、冻土专家程国栋院士提出了“冷却路基”的思路,冻土难题才最终得到破解。

    “冷却路基”就是通过技术手段将冻土层的温度降下来。“这就像把‘棉被’换成了‘冰箱’,变被动为主动。” 有了这一思路,青藏铁路才敢最终拍板决定上马。

    9月17日,在吴柏青的办公室里,他拿出了两个烟盒,把一张白纸夹在了中间。

    “上下两个烟盒分别代表季节性冻融层和多年冻土层,中间这张纸被科学界称为零点幕。”吴比画着说,所谓“零点幕”

    就是个界面,在它之下,冻土较为稳定,基本不受外界影响。“零点幕”是不断变化的。比如夏季温度高,这个界面就会降低,反之在冬季就会升高。

    在修建青藏铁路中,课题组要解决的问题是———如何将零点幕升高,把不稳定的季节性冻融层减薄,并让下界的“烟盒”更为稳定。

  天然“制冷机”

    “中学我们都学过热有三种传输方式:辐射、对流和传导,其实我们也就是通过这三种方式,达到降温的目的。”吴说。

    进入西大滩冻土区,铁路路基两旁插有一排排碗口粗细、高约2米的铁棒。铁棒间相隔两米,一直向前延伸。

    “我们叫它热棒。”吴柏青介绍说,热棒在路基下还埋有5米,整个棒体是中空的,里面灌有液氨。

    热棒的工作原理很简单:当路基温度上升时,液态氨受热发生气化,上升到热棒的上端,通过散热片将热量传导给空气,气态氨由此冷却变成了液态氨,又沉入了棒底。

    “这样,热棒就相当于一个永动的天然制冷机。”吴柏青说。

    青藏铁路另一种制冷装置———通风管是水平插入路基里。在铁路沿线,路基护坡两端露出一排排空心塑料管,风一吹过,管子发出刺耳的呼叫声。

    吴柏青说,路基受外界影响温度会发生变化,而通风管利用对流原理及时将这些热量进行交换,从而保证了下界冻土的稳定性。

    另一降温的方式是给路基表面盖上一层遮光板。“试想,夏天的太阳光辐射在路基上,下面的冻土肯定会受不了。”吴柏青说,就像夏天外出要戴太阳帽一样。

    廉价的“土空调”

    在青藏铁路沿线,热棒、通风管、遮光板随处可见,但在路基内部,一种廉价而有效的“土空调”正悄无声息地运转着。

    中铁建筑集团总公司的技术人员把它叫做“肉夹馍”的结构———在土层路基中间,填筑了一定厚度的碎石。

    这种名叫抛石路基的国内首创做法来自一次野外的无意发现。在高原冻土区考察中,科研人员无意间扒开了一片碎石堆,在下面发现了冰雪,而附近的地面因升温都已翻浆。

    科研人员把这个意外发现模拟进了铁路施工,实验证明:碎石间因有空隙,相当于一个半导体,冬季从路堤及地基中排除热量,夏季较少吸收热量,起到冷却作用。

    “抛石路基能将路基温度降低0.5℃以上。”吴柏青说,由于成本更为低廉,目前青藏铁路已经建成的路基中,有80%以上采取了以抛石路基和抛石护坡为主的新结构。

    “最后绝招”

    青藏铁路沿线,给人印象最深的是桥多。

    最高的三岔河大桥有50米高,最矮的旱桥只有一米高,而最长的清水河大桥则达到了11公里。青藏铁路全线“以桥代路”的桥梁达156.7公里。

    “对于极不稳定的高含冰量冻土区,你用热棒、抛石路基等方法都是不管用的,而以桥代路是解决冻土问题的最后绝招。”吴说,桥墩打进冻土层30多米,桥墩与冻土层间的摩擦力足以支撑路基的稳固性,冻土的融化和膨胀对路基的影响这时已显得微乎其微。

    2003年,国家青藏铁路建设领导小组对设计方案进行调整,“以桥代路”工程比原设计的70多公里增加一倍。

    9月22日早上,唐古拉山口附近的青藏铁路段大雪弥漫,又一辆火车由东向西驶来。

    “要是冻土问题没解决,坐在火车上就像坐过山车一样起起落落。”一位坐过这种试运火车的指挥人员说出了自己的乘坐感受———“很平稳!”

    链接

    高原冻土多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱是青藏铁路面临的三大难题。其中,冻土问题是修建青藏铁路最主要的技术难题。

    青藏铁路全长1142公里,海拔4000米以上的地段有965公里,其中多年冻土地段550公里,是全球目前穿越高原、高寒、缺氧及连续性永久冻土地区的最长的铁路。

    高原地质勘探人员通过钻孔提取的岩心表明冻土的结构:地表是薄薄的草皮,往下两米的范围是冻结的砂砾层,再往下便是混杂有泥土的冰块,甚至是纯冰块。

    自五十年代开始,技术人员便对冻土地区的筑路技术开展科研与实践,现已基本掌握了青藏高原冻土的普遍性与特殊性,为修建青藏铁路奠定基础。

    本报记者 高明 李武 兰州西宁格尔木拉萨青藏铁路沿线报道