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凍土降溫思路之變高原凍土多年凍土、高寒缺氧、生態(tài)脆弱是青藏鐵路面臨的三大難題。其中,凍土問題是修建青藏鐵路最主要的技術難題。青藏鐵路全長1142公里,海拔4000米以上的地段有965公里,其中多年凍土地段550公里,是全球目前穿越高原、高寒、缺氧及連續(xù)性永久凍土地區(qū)的最長的鐵路。高原地質勘探人員通過鉆孔提取的巖心表明凍土的結構:地表是薄薄的草皮,往下兩米的范圍是凍結的砂礫層,再往下便是混雜有泥土的冰塊,甚至是純冰塊。自五十年代開始,技術人員便對凍土地區(qū)的筑路技術開展科研與實踐,現(xiàn)已基本掌握了青藏高原凍土的普遍性與特殊性,為修建青藏鐵路奠定基礎。都采取了哪些措施來解決凍土問題呢?請看新京報記者的報道。青藏鐵路風火山附近,一名當?shù)卮迕窨吹借F路邊上豎立的“熱棒”,感到新奇。 路基降溫四方案凍土降溫思路之變:棉被改冰箱如何使長達550公里的凍土層保持穩(wěn)定,成為青藏鐵路建設成敗的關鍵,通過傳熱三種方式的運用,工程建設者發(fā)明了天然“制冷機”,以及廉價的“土空調”9月21日中午,車行至海拔4636米的五道梁?!俺粤孙埐庞袆欧乒爬娇??!憋埖陮O老板這句熱心的廣告詞,攔住了不少過往的車輛和游客。但一入門許多游客卻不敢再進了:四面墻壁的裂縫能插進一個手掌,瓷磚地面也陷下去了四五個大坑,桌子用磚頭墊腳才勉強站穩(wěn)。 “都是凍土鬧的?!睂O老板很無奈,房子是一年前新蓋的,半年后地面就開始下沉,墻壁也跟著開裂,多次修補也無濟于事。孫老板的飯店門前就是正在施工的青藏鐵路。“鐵路建起來,不也得成了大麻花?”孫老板一直很疑惑。這個問題,他也曾拋給來飯店吃飯的青藏鐵路施工人員。對方只笑笑:“到時你就信服了?!比缃瘢T前的路段已經修好一年有余,依舊平直如故。“我這才真服了。”在冰塊上修鐵路從來沒有一條鐵路會遇到這樣的難題21年前,青藏鐵路從西寧穿越高山、戈壁、鹽湖、沼澤,修到了700公里外的格爾木,但工程不得不戛然而止。再往前行,就是綿延550公里的凍土世界?!斑@就像要在一個大冰塊上修鐵路?!敝锌圃骸扒嗖罔F路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應”項目首席科學家吳柏青說,氣溫稍微上升,凍土層就要融化,上面的路也就塌了;而冬天溫度降低,凍土膨脹,就會把建在上面的路基和鋼軌頂起來,一降一升,火車很容易脫軌。當時有西方專家稱這是無法攻克的世界性難題?!拔覀冏钕认氲降氖?,能不能把凍土挖去?”吳柏青說,最深的鉆孔已伸入地下128米,依舊是冰,凍土問題難以回避?!懊薇弧钡健氨洹钡乃悸忿D換怎么能讓對溫度極為敏感的多年凍土,保持足夠的穩(wěn)定性?這成為青藏鐵路成敗的關鍵?!跋奶熨u冰棍都裝在木箱子里,怕化了拿棉被捂上,原來修路大概就是這個思路,但拿棉被捂冰棍早晚要化?!眳前厍嗾f。直到中國科學院蘭州分院院長、凍土專家程國棟院士提出了“冷卻路基”的思路,凍土難題才最終得到破解?!袄鋮s路基”就是通過技術手段將凍土層的溫度降下來?!斑@就像把棉被換成了冰箱,變被動為主動?!庇辛诉@一思路,青藏鐵路才敢最終拍板決定上馬。9月17日,在吳柏青的辦公室里,他拿出了兩個煙盒,把一張白紙夾在了中間?!吧舷聝蓚€煙盒分別代表季節(jié)性凍融層和多年凍土層,中間這張紙被科學界稱為零點幕?!眳潜犬嬛f,所謂“零點幕”就是個界面,在它之下,凍土較為穩(wěn)定,基本不受外界影響?!傲泓c幕”是不斷變化的。比如夏季溫度高,這個界面就會降低,反之在冬季就會升高。在修建青藏鐵路中,課題組要解決的問題是如何將零點幕升高,把不穩(wěn)定的季節(jié)性凍融層減薄,并讓下界的“煙盒”更為穩(wěn)定。天然“制冷機”“中學我們都學過熱有三種傳輸方式:輻射、對流和傳導,其實我們也就是通過這三種方式,達到降溫的目的?!眳钦f。進入西大灘凍土區(qū),鐵路路基兩旁插有一排排碗口粗細、高約2米的鐵棒。鐵棒間相隔兩米,一直向前延伸?!拔覀兘兴鼰岚??!眳前厍嘟榻B說,熱棒在路基下還埋有5米,整個棒體是中空的,里面灌有液氨。熱棒的工作原理很簡單:當路基溫度上升時,液態(tài)氨受熱發(fā)生氣化,上升到熱棒的上端,通過散熱片將熱量傳導給空氣,氣態(tài)氨由此冷卻變成了液態(tài)氨,又沉入了棒底?!斑@樣,熱棒就相當于一個永動的天然制冷機?!眳前厍嗾f。青藏鐵路另一種制冷裝置通風管是水平插入路基里。在鐵路沿線,路基護坡兩端露出一排排空心塑料管,風一吹過,管子發(fā)出刺耳的呼叫聲。吳柏青說,路基受外界影響溫度會發(fā)生變化,而通風管利用對流原理及時將這些熱量進行交換,從而保證了下界凍土的穩(wěn)定性。另一降溫的方式是給路基表面蓋上一層遮光板?!霸囅?,夏天的太陽光輻射在路基上,下面的凍土肯定會受不了?!眳前厍嗾f,就像夏天外出要戴太陽帽一樣。廉價的“土空調”在青藏鐵路沿線,熱棒、通風管、遮光板隨處可見,但在路基內部,一種廉價而有效的“土空調”正悄無聲息地運轉著。中鐵建筑集團總公司的技術人員把它叫做“肉夾饃”的結構在土層路基中間,填筑了一定厚度的碎石。這種名叫拋石路基的國內首創(chuàng)做法來自一次野外的無意發(fā)現(xiàn)。在高原凍土區(qū)考察中,科研人員無意間扒開了一片碎石堆,在下面發(fā)現(xiàn)了冰雪,而附近的地面因升溫都已翻漿??蒲腥藛T把這個意外發(fā)現(xiàn)模擬進了鐵路施工,實驗證明:碎石間因有空隙,相當于一個半導體,冬季從路堤及地基中排除熱量,夏季較少吸收熱量,起到冷卻作用?!皰伿坊軐⒙坊鶞囟冉档?.5以上?!眳前厍嗾f,由于成本更為低廉,目前青藏鐵路已經建成的路基中,有80%以上采取了以拋石路基和拋石護坡為主的新結構。“最后絕招”青藏鐵路沿線,給人印象最深的是橋多。最高的三岔河大橋有50米高,最矮的旱橋只有一米高,而最長的清水河大橋則達到了11公里。青藏鐵路全線“以橋代路”的橋梁達156.7公里?!皩τ跇O不穩(wěn)定的高含冰量凍土區(qū),你用熱棒、拋石路基等方法都是不管用的,而以橋代路是解決凍土問題的最后絕招?!眳钦f,橋墩打進凍土層30多米,橋墩與凍土層間的摩擦力足以支撐路基的穩(wěn)固性,凍土的融化和膨脹對路基的影響這時已顯得微乎其微。2003年,國家青藏鐵路建設領導小組對設計方案進行調整,“以橋代路”工程比原設計的70多公里增加一倍。9月22日早上,唐古拉山口附近的青藏鐵路段大雪彌漫,又一輛火車由東向西駛來?!耙莾鐾羻栴}沒解決,坐在火車上就像坐過山車一樣起起落落?!币晃蛔^這種試運火車的指揮人員說出了自己的乘坐感受“很平穩(wěn)!”“以橋代路”主要是為解決高原凍土地帶路基穩(wěn)定問題,其另外的作用呢?在可可西里保護區(qū)有青藏鐵路線上最長的“以橋代路”工程清水河特大橋。該橋位于
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