程国栋：从青藏铁路看基础研究的重要性
专题：科技创新助力青藏铁路
世界上海拔最高、线路最长的青藏铁路将于7月1日正式通车。冻土问题是青藏铁路建设中的最大难题。中国科学院寒区旱区与环境工程研究所在国际上首次创造性地提出了冷却路基、降低多年冻土温度的设计新思路，并进行了工程技术措施集成研究和示范工程建设，为铁路建设提供了科学依据和设计参数；提出动态反馈设计理念，逐步推进成果应用；参编青藏铁路多年冻土区工程勘察和设计暂行规定，成为铁路主导设计原则和规范；研究成果为青藏铁路工程建设提供了有效的科技保障，为青藏铁路建设作出了历史性的贡献。
西藏自治区地处祖国西南边陲的青藏高原，面积120多万平方公里，平均海拔4000米以上，是目前我国惟一不通铁路的省级行政区。交通运输设施的落后，已经严重制约了这一地区经济、社会的发展，成为我国主要的贫困地区之一。随着西部大开发的实施，西藏原有的以公路为主体的运输通道已远远不能满足经济发展的要求，修建青藏铁路势在必行。
修建青藏铁路不仅具有重要的政治意义，同时从发展旅游、促进西藏地区与内地的经济文化交流方面具有深远的意义，受到历代党和国家领导人的关怀和重视。然而由于国家经济实力和高原、冻土条件下的筑路技术尚未成熟等原因，青藏铁路的全线建设工作一直没有付诸实施。建国伊始，大局初定，当时的第一代中央领导便把修筑进藏铁路提上了议事日程。并于上世纪50年代开始，就对从兰州到拉萨的2000余公里线路进行全面的勘测设计工作。1973年，毛泽东主席在与尼泊尔国王比兰德拉会谈时指出，要加紧修建青藏铁路。1994年7月，党中央、国务院召开第三次西藏工作座谈会，会上再次提出修建进藏铁路，并得到了江泽民总书记的肯定和关注。2000年11月，江泽民总书记对建设青藏铁路做出了重要批示，指出：修建青藏铁路是十分必要的，对发展交通旅游、促进西藏地区与内地的经济文化交流是非常有利的，我们应该下决心尽快开工修建，这是我们进入新世纪应该做出的一个大决策，必将给包括西藏广大干部群众在内的全国各族人民带来很大鼓舞。青藏铁路的修建是党中央、国务院做出的一项重大决策，对加快西藏经济社会发展、促进西藏自治区同全国其他地区的经济文化交流，增强民族团结具有重要意义。
青藏铁路沿线自然条件恶劣，人烟稀少。海拔4000米以上地区，空气稀薄、气压较低，历年平均气压620mb～544mb，为海平面的60%～70%。空气中含氧量少，比海拔平面减少38%～46%。高原生态环境脆弱，工程建设中的环境保护问题更为突出。如何建设青藏铁路本来就是一道世界级难题。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，线路病害率达40.5%。我国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%。我国东北冻土区铁路的运营情况更差一些，估计线路病害率在40%以上。在如此高海拔、多冻土的区域修建青藏铁路，是一项前无古人的巨大工程，没有任何经验可借鉴，如何高质量完成青藏铁路建设，就是难上加难。
青藏铁路以青海省省会西宁为起点，西至西藏自治区的拉萨，全长约2000公里，2001年2月8日，党中央、国务院做出重大战略决策，批准建设青藏铁路二期工程格尔木至拉萨段。格拉段北起格尔木市，经纳赤台、五道梁、沱沱河、雁石苹，翻越唐古拉山，再经西藏安多、那曲、当雄、羊八井，南至拉萨。全长1118公里，其中青海省境内564公里，西藏自治区境内554公里。格拉段铁路的大部分路段在高海拔、多冻土地区，如何解决青藏铁路冻土路基稳定性难题，成了青藏铁路建设的关键问题。
为攻克青藏铁路冻土难关，中科院以知识创新工程为契机，于2001年启动了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”。该项目得到铁道部及其青藏铁路公司、青藏铁路建设工程指挥部的大力支持，由我国冻土权威研究机构——中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室牵头，组织国内冻土工程研究的相关单位(包括中铁第一勘测设计院、中国铁科院西北分院、中国科学院武汉岩土力学研究所等)承担。项目主管为程国栋院士，首席科学家为马巍、吴青柏研究员。项目启动以来，注重发挥团队优势，大力倡导创新思维，积极营造优秀人才脱颖而出的环境，各项工作已经取得重要的创新性研究成果。科研人员以高度的历史使命感和民族自信心，无私奉献、挑战难关，在海拔近5000米的青藏高原北麓河试验站承受恶劣的气候、缺氧和高山反应等高原作业危险，解决了青藏铁路冻土路基稳定性等世界难题，得到了铁道部等有关部门的高度评价。
青藏铁路新修的格尔木至拉萨段，全长1118公里，包括多年冻土区长度为632公里(大片连续多年冻土区长度约550公里，岛状不连续多年冻土区长度82公里)，全线海拔4000米以上地段长度约为965公里。冻土区筑路遇到的主要问题是冻胀和融沉问题。在季节冻土区主要面临冻胀问题，在多年冻土区主要问题是融沉。青藏高原的多年冻土大多属高温冻土，极易受工程的影响产生融化下沉。因此，高温冻土及全球变化使青藏高原铁路的修筑面临着严峻的挑战，也就是说青藏铁路成败的关键在路基，路基成败的关键在冻土，冻土的关键问题在融沉。“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应研究”项目的成功，为青藏铁路建设做出了一系列重大创新贡献。
中国科学院冻土工程国家重点实验室的科研人员在近20年的研究积累基础上，通过创新研究，在国际上首次系统地提出了“主动冷却冻土路基，积极保护多年冻土”的新思路，为解决高温、高含冰量
(高温冻土是地表以下约15米的地方年平均地温大于—1℃的冻土，高含冰量冻土是占20%以上的土体的冻土)和路基稳定性等技术难题提供了新的科学途径。该思路已得到铁道建设部门的认可，所有的铁路工程问题都以此为依据进行设计和施工。
同时，明确回答了修建青藏铁路的可行性问题，指出铁路修建的关键核心问题是高温、高含冰量多年冻土路段路基稳定性问题。青藏铁路建设以来，先后向铁道部门提交研究报告48份，许多建议已被青藏铁路建设工程采纳，采取了如“通风管路基、抛石路基”等积极保护冻土的措施。考虑到气候变化和工程作用下多年冻土变化的特征，建议铁路建设部门在高温冻土区的高含冰量路段，采取了“以桥改路”的补强措施。通过对气候变化、多年冻土和工程三者相互关系的研究，提交了综合科学研究报告，这些建议和研究成果已被广泛地应用于青藏铁路工程设计的修正和措施补强。
在此基础上，通过试验研究发现，在冻土区设计青藏铁路路基高度一般大于2.5米，才能保证路基冻土的轻易扰动，但在全线设计中路基总体设计是随路段的不同而不同。这为工程明确回答了极高温多年冻土区确实存在合理路基高度的问题，为全线路基设计提供了依据。通过试验发现，保温材料可在低温多年冻土路段适当采用，但高温冻土区易受气候和工程的影响比较敏感，冻土上线容易下降，地下冰容易融化，高温路段应尽量避免；通风管路基结构能有效地保护冻土、维护冻土路堤稳定性，工程措施的实效明显。充分验证了抛、碎石护坡具有极佳保护多年冻土作用，可以全线推广；遮阳棚能有效减少太阳辐射对多年冻土影响，建议将遮阳板措施广泛用于高路基边坡。这些建议部分已被采纳，极大地改变了原来的被动设计思路。
同时，中国科学院科研人员还积极建设试验平台和监测系统，为铁路建设提供支撑保障。在2002年完成了北麓河试验段的野外试验平台与示范工程的建设，以及工程稳定性监测系统的建设，在青藏铁路建设的试验、实施和监测等方面发挥积极作用。在海拔4700米的青藏高原北麓河建成了总投资达1000多万元的“中科院冻土工程国家重点实验室青藏高原研究基地”，为青藏铁路建设、运营和维护提供了一个科学试验平台。并承担了北麓河试验段工程，在此进行了青藏铁路全部试验工程措施，如块石路基、碎石护坡路基、遮阳板、热棒和保温材料的综合使用试验以及通风管路基、保温材料、合理路基高度等工程试验。这些试验、研究成果为青藏铁路建设、运营、维护提供了重要的技术支撑，夯实了多年冻土区筑路技术的基础。工程对寒区生态、冻土环境影响和盐渍化及动荷载对冻土影响等部分研究结果已被青藏铁路设计应用。
初步搭建了气候和工程作用下多年冻土的监测平台。监测平台在青藏铁路没线主要由三个气象站和43个冻土监测段面构成，主要监测冻土路基的变形，冻土温度变化等。国外冻土区工程的监测平台也比较完善，比较典型的有俄罗斯的冻土区的铁路和输油管线监测，已经有十多年的历史。我国青藏公路也有40多个监测段面。为全面综合监测、评价和预测气候和工程作用下多年冻土变化特征打下了坚实的基础。在青藏铁路沿线系统地布设了29个监测断面，3个不同多年冻土温度区的块石路基监测场地。初步监测结果表明，块石路基下部多年冻土得到了较好的保护，路堤下多年冻土上限得到了较好的抬升，避免了上限附近的地下冰融化，保证了路基稳定性。
初步建成数字路基平台和项目管理平台知识库。为配合青藏铁路建设，已建立了青藏铁路各种工程措施的室内模拟实验平台，建立了通风管路基、块石路基数值仿真模型平台以及青藏铁路路基优化设计平台，为青藏铁路维护和寒区工程建设奠定了理论基础。开发了拥有自主知识产权的青藏铁路信息系统和数字路基平台，为实现青藏铁路信息化决策系统建立了坚实的基础。
在青藏铁路建设中，生态保护也是建议的一大难题。青藏铁路沿线是是我国和东南亚地区的“江河源”和“生态源”，在可可西里、羌塘等国家级自然保护区里，栖息有藏羚羊、野牦牛、藏野驴等珍稀野生动物。据统计，西藏有哺乳动物142种、鸟类488种、爬行动物55种、两栖动物45种、鱼类68种、昆虫2300多种，其中包括国家一级保护动物41种，二级保护动物84种。如何使野生动物的繁衍不受影响，通过科学家大量的分析和研究，决定在青藏铁路路基上修建野生动物通道或将路基的坡度修缓，使动物能够可以过去。从格尔木到拉萨，按野生动物的分布范围，杨奇森规划设置了33处野生动物通道。按照野生动物口味，33处通道又有桥梁下方、隧道上方及路基缓坡3种形式，顺利地解决了野生动物迁移通道问题。
平均海拔4000米以上的青藏高原上分布着由冰川形成的众多天然固体水库，成为长江、黄河、澜沧江等数十条江河的主要补给水源，也是维系整个江河流域水资源平衡的调节器，对亚洲乃至世界的水量平衡以及气候变化起着巨大的调控作用，因此，人们形象地称之为“亚洲水塔”。如何保护江河水系成为青藏铁路建设面临的巨大难题。青藏铁路在建设过程中克服各种环保难题，采取各种措施保护“亚洲水塔”不受污染。建设者们为了保护湿地，在建设路基时采取土工隔栅的环保新工艺，有效地减少占地面积，将施工中产生的泥浆进行严格的二次沉淀处理，严禁将泥浆直接排入河中；沉淀池析出的水用于路基施工和便道洒水。
在修建青藏铁路的过程中，如何保护青藏铁路沿线生态环境一直为建设各方所关注。中科院科研人员针对这一问题积极建立植被恢复示范点，为青藏铁路干扰地段植被恢复提供技术支持，推动青藏铁路的“绿色长廊”建设。为保护植被主要采用分段施工、植被移植的方法，先将施工区的草皮切成块，然后用铲车将草皮连同土壤一起搬到草皮移植区，专人负责养护。路基成型后，再把草皮移植恢复到路基边坡上。对昆仑山以南自然条件较好的地段，精选适合高原生长的草种，辅以适合的喷播、覆膜等技术，尽力恢复地表植被。在沱沱河、安多、当雄等高海拔地段，进行种植和移植草皮试验，获得成功后在全线推广，开创了世界高原、高寒地区人工植草试验成功的先例。同时还建立了沱沱河植被恢复试验示范点和北麓河站场和路基边坡防护示范点，植被恢复技术取得了较大的进展，北麓河和沱沱河植被恢复试验示范点的建设必将推动青藏铁路的“绿色长廊”建设工作。主要针对工程对环境影响较大的路基边坡、取弃土场和站场工程，使试验示范工作具有更强的代表性。青藏铁路干扰地段的土壤环境更加贫瘠化，给植被恢复带来了一定的困难。目前所选用的植物种类生长发育和群落特征良好，在海拔4650米的高度可以正常生长并安全越冬，可以用来进行植被恢复，群落的稳定性的保护。
湿地被称为陆地上的天然蓄水库，在保持生物多样性和珍稀物种资源、蓄洪防旱、调节气候、控制水土流失和土壤侵蚀、促淤造陆、吸收二氧化碳等温室气体、调节大气湿度温度及提供旅游资源、降解环境污染等方面起着极其重要的作用。因而湿地被誉为“地球之肾”“生命的摇篮”和“物种基因库”。在青藏铁路建设中，为保护高原湿地，在施工中尽量绕避湿地，经过湿地时，一般采取“以桥代路”、多设涵洞、路基基底抛填片石等措施，避免路基下地下径流被切割，有效地防止了湿地萎缩，还大胆地进行人工湿地培育，使人工湿地已与自然湿地浑然一体，在世界上首次在高寒地带人造湿地获得成功。
青藏铁路百年大计。随着温室气体效应的增加，全球气温将进一步升高，这为青藏铁路冻土的稳定性提出了巨大挑战。为些，中科院科研人员开展了百年气候变化及多年冻土变化预测研究，就未来气温升高趋势，科学地回答了目前青藏铁路建设中极为迫切的问题。提出自然因素和人类活动综合起来，预计未来50年青藏铁路沿线平均年气温还将继续上升，但变暖的速度将明显比1990s年代减缓，变暖幅度在0.5℃左右。与1971～2000年的平均相比，增温幅度在1.0℃以内。7月平均最高气温升幅在0.2℃左右，1月平均最低气温升幅在0.4～1.1℃之间，气温变化的年较差将减小0.3～1.0℃。这一升温幅度的概率为0.64～0.73。
气候变化对多年冻土有较大的影响。未来50年气温升高1℃，多年冻土地温带的空间分布将发生相应的变化，少部分多年冻土将退化为季节冻土，季节冻土区面积比例将增加1.7%。在气温转暖影响下多年冻土将发生较大的变化，对青藏铁路建设和冻土研究都提出了很高的要求，在工程设计和施工中必须全面考虑。研究人员通过室内模拟研究发现，青藏高原气候在升高1℃的情况下，目前设计的路基没有变形，路基稳定性较好，设计方案支持外界条件的变化，冻土路基完全能应对气温的升高。再加上片石路基、碎石路基、遮阳板路基、热棒措施等各种措施的补强作用，在升高1℃的情况下，冻土变化也不强烈。冻土区病害率也不会有太大变化。
通过雷电和雷暴的研究，对青藏高原雷电、雷暴的时空分布特征有了比较清楚完整的了解，为铁路施工和运营中的通讯与雷电防护提供科学依据。研究发现，青藏铁路沿线闪电活动的频繁期发生在5~7月份，由于夏季印度西南季风和高原季风的影响，高原铁路沿线32oN以北地区闪电活动的最活跃期都在7月份，而在高原中南部地区，闪电活动的最活跃期出现在7月前。随着地面海拔高度的升高，明显增大的地面背景电场和降低的连接先导始发门限，使云地雷闪的闪击距离随海拔高度的升高明显增大，此结论对雷害机理及雷电防护的研究具有较强的指导意义，为青藏铁路通讯线路防护和站后工程的雷电防护提供科学依据。
青藏铁路修建是一项前无古人的伟大工程，全世界各族人民高度瞩目，党和国家领导人殷切关怀，经过几代人的努力，天堑变通途的梦想已经变为现实。青藏铁路通车在即，七月一日第一批客人将乘高原列车，走进广袤而神奇的雪域高原。青藏铁路的通车，将带来西藏地区的飞速发展，将进一步促进西藏与内地的政治、经济、文化等方面的交流，为西藏的发展注入新的活力。
为青藏铁路的通车欢呼吧!
为西藏自治区的发展呐喊吧!
为美丽的青藏高原歌唱吧!