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東起青海西寧，西至西藏拉薩——全長1956千米的青藏鐵路，就像一條在陽光下熠熠生輝的長龍，過草原、跨雪山、穿荒漠、越雅丹，途經(jīng)遼闊壯麗的西部大地，蜿蜒攀向海拔4767米的昆侖山口、海拔5068米的唐古拉站……

這是世界上海拔最高的鐵路，人們贈予它一個最浪漫的名字——天路。

即便是高入云端的“天路”，也要“腳踏實(shí)地”。而青藏鐵路軌道下的土地，至少方圓550千米屬于多年凍土區(qū)。

所謂凍土，是指零攝氏度及以下的含冰巖土。在這種土地上修路，最怕的就是凍土隨溫度變化反復(fù)凍融，導(dǎo)致路基變形、損毀。

小學(xué)生都能聽懂的原理卻困擾了全世界最優(yōu)秀的工程技術(shù)專家百年之久。從俄羅斯的西伯利亞到美國的阿拉斯加，再到中國的大興安嶺，鋪設(shè)著一條條顛簸不平的公路、鐵路，展示著人類與自然環(huán)境抗?fàn)幍钠D難坎坷。

青藏高原一望無際的千年凍土，讓修建鐵路成了一項(xiàng)“幾乎不可能完成的任務(wù)”，直到中國科學(xué)院的科學(xué)家提出了他們的大膽創(chuàng)想。

1 半個世紀(jì)，從布局到破局

青藏鐵路。本文圖片均由西北研究院提供

“應(yīng)該下決心盡快開工修建進(jìn)藏鐵路。這是我們進(jìn)入新世紀(jì)應(yīng)該作出的一個大決策?！?/p>

2000年11月10日，中央領(lǐng)導(dǎo)同志在原鐵道部關(guān)于進(jìn)藏鐵路的報(bào)告上作出上述批示，預(yù)示著青藏鐵路工程即將第三次上馬。

近半個世紀(jì)里，青藏鐵路工程走過了“兩上兩下”的曲折歷程。1984年，客觀條件較好的青藏鐵路西格段（西寧至格爾木）正式投入運(yùn)營。而由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力不足，高原、凍土等筑路技術(shù)問題沒有得到解決，青藏鐵路格拉段（格爾木至拉薩）自1978年第二次暫停修建后，被擱置了20多年。

“青藏鐵路成敗的關(guān)鍵在路基，路基成敗的關(guān)鍵在凍土。”這句話像緊箍咒一樣，再次回響在每位科技工作者的耳畔。

這一次，能行嗎？

剛擔(dān)任中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所（以下簡稱寒旱所）第一任所長不久的中國科學(xué)院院士程國棟，就是在這種情況下接到了中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的電話。

“院領(lǐng)導(dǎo)非常重視這件事情，讓我趕緊寫一份報(bào)告，論證凍土問題到底能不能解決、怎么解決?！彼貞浀馈?/p>

在此之前，中國科學(xué)家死磕青藏高原凍土，已經(jīng)40多年了。

早在20世紀(jì)50年代，國家派遣一批年輕人留學(xué)蘇聯(lián)，其中就包括后來國內(nèi)第一代凍土專家。青藏鐵路工程第一次籌劃開工時(shí)，在莫斯科大學(xué)凍土教研室學(xué)習(xí)的周幼吾和童伯良等人回到祖國，加入凍土研究隊(duì)，開始了對青藏高原凍土的系統(tǒng)研究。

剛開始研究，大家就驚訝地發(fā)現(xiàn)：凍土，這個在教科書中只占據(jù)很少篇幅的所謂“特殊類土”，竟然是高原施工的最大“攔路虎”！

那是激情燃燒的歲月。在祁連山考察水資源的施雅風(fēng)、在包蘭鐵路沿線對陣沙漠化的朱震達(dá)、在青藏鐵路相關(guān)區(qū)域研究凍土的周幼吾等人，從一次次歷經(jīng)艱險(xiǎn)的科學(xué)考察中認(rèn)識到，地廣人稀的中國西部是一座充滿科學(xué)奧秘的寶庫。他們一拍即合，聯(lián)名向中國科學(xué)院打報(bào)告，申請?jiān)诟拭C省蘭州市建立專門機(jī)構(gòu)長期探索西部特有的自然地理問題。中國科學(xué)院非常支持，很快就作出批復(fù)。

接下來幾年，在原有研究隊(duì)伍基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院分別成立了地理研究所冰川凍土研究室、地理研究所沙漠研究室。1965年，兩個研究室合并成立了中國科學(xué)院蘭州冰川凍土沙漠研究所，這就是寒旱所的前身，并于2016年以其為主體整合成立了中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院（以下簡稱西北研究院）。與之相隨的是一批批科學(xué)家懷揣青藏之夢，齊聚蘭州，為中國的凍土事業(yè)奉獻(xiàn)終生。

也是在1965年，程國棟的命運(yùn)發(fā)生了轉(zhuǎn)折。他告別上海老家，來到冰川凍土沙漠研究所凍土研究室，接著就被派往青藏高原調(diào)研，從此與這片滿布凍土的廣袤大地結(jié)下了不解之緣。

“從一開始，我們所有的研究就是與青藏鐵路緊密相連的?！背虈鴹澱f。

40多年間，盡管青藏鐵路工程兩度被迫擱淺，但科技工作者對凍土的研究從未中斷。中國科學(xué)院等科研單位一直堅(jiān)守在這個領(lǐng)域，積累了豐富的基礎(chǔ)研究成果。特別是程國棟于1983年發(fā)表的“程氏假說”——多年凍土上限附近會發(fā)育厚層分凝冰，這種作用年復(fù)一年，讓多年凍土上限附近形成了厚層地下冰——被國際同行譽(yù)為凍土學(xué)中的“相對論”，為破解凍土工程技術(shù)難題提供了重要的理論依據(jù)。

上世紀(jì)80年代末90年代初，中國科學(xué)院又依托冰川凍土研究所，積極組建了凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，搭建了世界先進(jìn)的凍土研究平臺，凝聚了重要的人才團(tuán)隊(duì)，積累了寶貴的研究成果。

養(yǎng)兵千日，用兵一時(shí)。當(dāng)國家決定第三次啟動青藏鐵路工程時(shí)，那些漫長歲月中的堅(jiān)守、準(zhǔn)備和布局，終于迸發(fā)出巨大的力量。

接到任務(wù)的那一刻，程國棟雖然情緒上有些緊張，但早已成竹在胸。如何解決青藏鐵路建設(shè)面臨的凍土和路基問題，他們已經(jīng)想了很久。

2 師法自然，化被動為主動

程國棟院士（右二）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行凍土試驗(yàn)研究。

2001年10月2日，中國科學(xué)院舉行了重大項(xiàng)目答辯會。

“主動冷卻路基技術(shù)”是程國棟在此次答辯中的最大亮點(diǎn)。

這一技術(shù)的精髓，就在于“主動”。

在此之前，人們面對凍土這個“攔路虎”，已經(jīng)“被動”了太久。國內(nèi)外采用的傳統(tǒng)方法主要是加高路堤或鋪設(shè)保溫材料，就像過去老太太賣冰棍，為了防止冰棍融化，總是在冰棍箱上蓋一層被子。但這種方法只能延緩凍土融化，無法從根本上解決問題。

程國棟的思路則直截了當(dāng)：干脆把“棉被”換成“冰箱”，實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定、可持續(xù)的路基降溫。

但是，究竟如何給綿延千里的路基量身打造“小冰箱”呢？這時(shí)候，程國棟在凍土領(lǐng)域積累多年的基礎(chǔ)理論研究派上了用場。

我國是全球第三凍土大國，多年凍土區(qū)占國土面積的1/5。與很多人想象的不同，多年凍土并不僅僅分布在人跡罕至、氣候嚴(yán)寒的邊遠(yuǎn)地區(qū)，河北、山西等年平均氣溫較高的地方，在特殊環(huán)境條件下，也能形成多年凍土。

程國棟團(tuán)隊(duì)見過一種很有意思的現(xiàn)象：在河北農(nóng)村的一些小山坡，地表和不足1米深的土層下，溫差竟然能達(dá)到30攝氏度以上。盛夏時(shí)期，當(dāng)?shù)厝硕寂艿竭@些地方乘涼，扒開土層把西瓜放進(jìn)去，不一會兒就成了清涼爽口的冰西瓜。

經(jīng)過研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)河北凍土的奧秘在于藏在土層下的碎石層。碎石之間的空氣對流形成“熱半導(dǎo)體”效應(yīng)，在夏天阻擋地表熱氣，在冬天又從地下排出熱量，是真正的純天然“冰箱”。

大自然精妙奇絕的設(shè)計(jì)讓程國棟興奮不已：既然夏日炎炎的華北地區(qū)都存在不融的凍土，那么青藏高原上的凍土應(yīng)該也有辦法保?。?/p>

程國棟關(guān)于“主動冷卻路基”的設(shè)想，得到了中國科學(xué)院的認(rèn)可。中國科學(xué)院設(shè)立重大專項(xiàng)，拿出2300萬元基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)支持他們開展工作。鐵道部則出了一道考題，讓他們各種措施先行，在14千米的鐵路正線上試行。

這14千米路堤特意選址在自然條件最不利的地區(qū)。青藏鐵路先期開工建設(shè)3個試驗(yàn)段——清水河段、沱沱河段和北麓河段，其中北麓河段的條件最為苛刻。這里的凍土層含冰量最大，土壤溫度又相對較高，很多時(shí)候接近零攝氏度，施工稍有不慎就會導(dǎo)致凍土融化。

科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里鉆研出的方案，在鐵面無情的大自然面前，真能行得通嗎？

此時(shí)，沒人知道答案。

3 邊研究邊干，以動態(tài)應(yīng)萬變

賴遠(yuǎn)明院士（中）在青藏鐵路沿線試驗(yàn)現(xiàn)場。

在此之前，世界上最好的凍土工程是西伯利亞大鐵路。這條鐵路修好100年后，病害率已經(jīng)達(dá)到30%。而世界各地的其他公路、鐵路，病害率往往更高。

青藏鐵路是百年大計(jì)，必須在全球氣候變暖的大環(huán)境下，維持極低的病害率，保障列車以100千米/小時(shí)的速度長期穩(wěn)定通行。要達(dá)到這個目標(biāo)，沒有任何前人的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，從科研人員到工程人員，都得摸著石頭過河。

為了讓科研成果更快落地，項(xiàng)目組創(chuàng)造了一種全新的工作機(jī)制——動態(tài)設(shè)計(jì)理念?？茖W(xué)家提出方案后，項(xiàng)目牽頭單位組織全國頂尖專家論證，論證通過后，再以發(fā)文的形式下發(fā)到設(shè)計(jì)院，開展后續(xù)設(shè)計(jì)工作，開始施工后，由科學(xué)家跟蹤監(jiān)測、實(shí)時(shí)完善設(shè)計(jì)方案。正是這種模式，創(chuàng)造了科技成果轉(zhuǎn)化速度的奇跡，讓“幾乎不可能完成”的工程落地生根，一節(jié)節(jié)鐵路如開枝散葉般在青藏高原上迅速延伸?！拔覀兣龅搅艘粠透墒碌娜?！”回顧這段歷史，西北研究院研究員馬巍不由得感嘆。

然而，意外還是發(fā)生了。2003年，國家有關(guān)部門的一份氣候變化評估報(bào)告讓人心頭一緊。報(bào)告顯示，未來50年青藏高原的升溫預(yù)計(jì)會在2.2至2.6攝氏度之間。在這樣的升溫幅度下，原有的極高溫多年凍土區(qū)路堤修筑方案無法有效保護(hù)高溫、高含冰量凍土?？蒲腥藛T經(jīng)過研討后，毫不遲疑地將已經(jīng)做好的方案全部推翻，改路堤為旱橋。

“這是對整個青藏鐵路修建方案的一次顛覆?！蔽鞅毖芯吭貉芯繂T、凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任吳青柏說。

但在其他路段，至少兩三百千米的塊石路基已經(jīng)修好，相關(guān)設(shè)計(jì)方案卻無法應(yīng)對如此顯著的氣溫變化。一部分人認(rèn)為，只能廢棄這些路基，重新選線，而這無疑會造成巨大的浪費(fèi)。

程國棟覺得不能這樣浪費(fèi)國家經(jīng)費(fèi)。他找來所里一位優(yōu)秀的青年人才一起討論如何解決這個問題——他就是后來于2011年當(dāng)選中國科學(xué)院院士的賴遠(yuǎn)明研究員。

由于沒有任何先例，賴遠(yuǎn)明和學(xué)生喻文兵等人做了大量試驗(yàn)，證明粒徑22厘米的塊石降溫效果最好。之后他們又做了多次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，提出開創(chuàng)性的“U形路基”方案，即在原有塊石路基上再鋪設(shè)一層塊石護(hù)坡，大幅增強(qiáng)了路基冷卻效果。

“這么一改，已經(jīng)修好的兩三百千米路基就可以用了。要是當(dāng)時(shí)廢棄重新選線，300多億元的投入可能就白費(fèi)了?！辟囘h(yuǎn)明欣慰地說。在馬巍看來，圍繞青藏鐵路的一切工作都是“動態(tài)”的。如今這種“動態(tài)”還在繼續(xù)。從青藏鐵路格拉段建成之初就設(shè)立的“青藏鐵路凍土區(qū)工程長期觀測系統(tǒng)”項(xiàng)目，一直密切關(guān)注著鐵路沿線凍土的“體溫”變化。

縱觀整條青藏鐵路，仿佛是一座流動的路基冷卻技術(shù)博物館：遮陽棚路基、遮陽板路基、塊石路基、U形塊石路基、通風(fēng)管路基、熱棒路基……各式各樣不斷升級換代的“冰箱”，展示著科研人員各個階段的創(chuàng)新成果。

馬巍在野外安裝相關(guān)試驗(yàn)儀器。

吳青柏在路基旁鉆取凍土巖芯樣品。

4 牦牛精神，在艱苦中奮進(jìn)

這個團(tuán)隊(duì)中的每一個人，都有一部屬于自己的、驚心動魄的“高原求生錄”。

工程早期，駐守北麓河的科學(xué)家只有兩頂單帳篷可住。晚上睡覺時(shí)，外面的狂風(fēng)仿佛貼在耳邊呼嘯，讓人擔(dān)心不知什么時(shí)候，自己就會和帳篷一起被大風(fēng)刮跑。后來，工程主管部門特意送來兩頂棉帳篷，大家的居住條件才有所改善。

再后來，這些科研人員干脆自己動手，在高原上蓋起房子。但在這種環(huán)境下建房子并不容易，他們想起網(wǎng)上宣傳過中國科學(xué)家在南極搭建的板房輕便又保暖，便聯(lián)系同一個生產(chǎn)廠家提供建材。廠家一聽來龍去脈，當(dāng)即表示，就算賠錢也要做，“我們也想為青藏鐵路作貢獻(xiàn)”。

就這樣，西北研究院青海北麓河高原凍土工程安全國家野外科學(xué)觀測研究站一點(diǎn)點(diǎn)建立起來，成為科研人員駐扎在可可西里腹地的一葉“方舟”。

北麓河站。

在高原上，原本日常生活中唾手可得的事物都變得異常難得。

比如吃飯——外出的時(shí)候，肉腸、雞蛋、罐頭總是被凍成冰疙瘩，只能放在汽車引擎蓋子上，讓散發(fā)出的熱量一點(diǎn)點(diǎn)融化食物。此外，食物本身已經(jīng)很簡單了，再加上高原反應(yīng)引起的味覺失靈，讓人對“味同嚼蠟”4個字有了深切體會。

比如睡覺——沿路偶爾出現(xiàn)的旅社條件簡陋，有些連火爐都沒有，只能縮在臟兮兮的被子里熬上一夜。缺氧的環(huán)境讓人頭痛欲裂、輾轉(zhuǎn)難眠，以至于高原上流行著一個笑話：“昨晚睡得好嗎？”“好得很，一宿睡了30多覺。”

就連刮胡子，都因?yàn)闄C(jī)會難得而顯得格外“隆重”。程國棟這個當(dāng)年面目清秀的上海小伙兒，來到高原就成了赫赫有名的“程大胡子”。他得等一個天氣最好的日子，對著暖融融的陽光，才敢把胡子打濕、再小心翼翼刮掉。

在青藏鐵路昆侖山隧道還沒被完全打通的時(shí)候，為了進(jìn)一步研究隧道圍巖凍土分布情況，賴遠(yuǎn)明直接走進(jìn)去放置溫度和應(yīng)力等測試元件。那是在4500米的高海拔地區(qū)，空氣本就稀薄缺氧，加上炸藥爆破、毒氣彌漫，賴遠(yuǎn)明回憶自己當(dāng)時(shí)“反應(yīng)很大，吐得一塌糊涂”。從那以后，他就落下了后腦勺疼的毛病，受不了的時(shí)候用溫水或熱水沖洗，才能有所緩解。

“‘凍土人’最大的特點(diǎn)就是能吃苦，常常在高原上披星戴月，真的是以云彩為被、以大地為床。在野外工作，我們每個人都把皮膚曬壞了，脫了一層皮?！闭f話間，賴遠(yuǎn)明笑著伸出手來——他手上星星點(diǎn)點(diǎn)的白色印記，是太陽贈與他的“勛章”。

有一個故事，很多人都會講起，每次都令人心疼：在青藏鐵路建設(shè)攻堅(jiān)階段，北麓河站第一任站長劉永智一年中有9個月都是在高原做試驗(yàn)、搞監(jiān)測，后來下山體檢時(shí)，由于長期缺氧，血液濃稠到抽都抽不出來。

人們常把辛勤工作的人稱作“老黃?！?，但在這里，大家更喜歡的一個詞是“牦牛精神”。中國科學(xué)院這些來自五湖四海的科研工作者，到了大西北就都是高原人，從肉體到心靈都鍛造得無比剛強(qiáng)，堅(jiān)韌不拔。

5 筑夢高原，戰(zhàn)極限創(chuàng)一流

2006年7月1日，青藏鐵路正式通車運(yùn)營。

這一天，寒旱所的科研人員連同60多名外國專家，坐上了開往拉薩的列車。

列車員向乘客講解：“（2001年后新建的）青藏鐵路北起格爾木、南至拉薩，全長1118千米，有960千米在海拔4000米以上。在如此高海拔、多年凍土區(qū)修建鐵路，在世界鐵路史上實(shí)屬罕見。中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的科研人員利用主動冷卻路基的方法，解決了多年凍土這個世界鐵路建設(shè)史上的難題……”

聽到這里，賴遠(yuǎn)明不禁熱淚盈眶。他轉(zhuǎn)過頭，車窗外遠(yuǎn)山起伏，雪峰聳立。

青藏鐵路創(chuàng)造了世界級奇跡。

國際凍土協(xié)會主席Jerry Brown如此評價(jià)：“青藏鐵路代表了凍土工程的最新進(jìn)展，在這一領(lǐng)域，其他國家需要借鑒中國的成就。”

《自然》雜志在大篇幅報(bào)道中指出，青藏鐵路以環(huán)境友好方式破解了氣候變暖條件下凍土區(qū)筑路的世界性難題，具有重要的里程碑意義。

還有國外媒體評價(jià)青藏鐵路是“有史以來最困難的鐵路工程項(xiàng)目”“世界上最壯觀的鐵路之一”。

國內(nèi)的榮譽(yù)也紛至沓來：2005年，青藏鐵路工程凍土路基筑路技術(shù)與示范工程建設(shè)研究集體獲得中國科學(xué)院杰出科技成就獎；2008年，青藏鐵路工程獲得了國家科技進(jìn)步獎特等獎，凍土與寒區(qū)工程研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)是主要完成單位之一；2017年，這個團(tuán)隊(duì)又獲得了國家科技進(jìn)步獎創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎。

神州大地上，道路千萬條。如果說哪一條路能從時(shí)間到空間、從傳說到現(xiàn)實(shí)連綴起最美的中國夢，則非青藏鐵路莫屬。

“黃河西來決昆侖，咆哮萬里觸龍門”——李白曾在詩歌中驚嘆這里的雄奇險(xiǎn)峻；“有昆侖山脈在，鐵路就永遠(yuǎn)到不了拉薩”——20世紀(jì)的美國旅行家曾如此斷言。

漢代遠(yuǎn)征的將軍、唐朝和親的公主，都曾在被死亡籠罩的漫漫長路上喟然長嘆；民國時(shí)期，孫中山先生在《建國方略》中勾勒出以昆明、成都、蘭州三城連接拉薩的鐵路巨網(wǎng)……

1973年，毛澤東主席在會見尼泊爾國王比蘭德拉時(shí)說：“青藏鐵路修不通，我睡不著覺?！倍嗌倌陙恚嗖罔F路一直是黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人念茲在茲的夙愿，更是西藏乃至全國人民的殷切期盼。

青藏鐵路的完工通車，使西藏地區(qū)徹底擺脫了和內(nèi)地的時(shí)空阻隔，極大促進(jìn)了民族團(tuán)結(jié)、區(qū)域發(fā)展和經(jīng)濟(jì)文化繁榮。

“挑戰(zhàn)極限、勇創(chuàng)一流”的青藏鐵路精神，在每一位工程參與者身上輝映。在這支燦若星辰的隊(duì)伍中，中國科學(xué)院一代代“凍土人”，用智慧和汗水寫下了不朽的篇章。

精神不滅，薪火相傳。直至今天，西北研究院的科研工作者從未有一刻懈怠。他們?nèi)匀获v守在青藏高原，長期監(jiān)測鐵路沿線的凍土、環(huán)境變化和鐵路的運(yùn)行狀態(tài)。

談到未來，西北研究院副院長張明義沒有豪言壯語。從老一輩科學(xué)家手中接過接力棒的他，堅(jiān)定地說：“我們會傳承和發(fā)揚(yáng)老一輩科學(xué)家的創(chuàng)新精神、求實(shí)精神、奉獻(xiàn)精神，會一直守護(hù)著青藏鐵路，全力保障其安全運(yùn)行下去?！?/p>

張明義在開展凍土路基野外試驗(yàn)測試。

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-03-04?第4版?專題）