行業(yè)資訊中國交通報(bào)：凍土上的高速夢——國家科技支撐計(jì)劃“高海拔高寒地區(qū)高速公路建設(shè)技術(shù)”項(xiàng)目創(chuàng)新紀(jì)實(shí)
去年12月，國家科技支撐計(jì)劃“高海拔高寒地區(qū)高速公路建設(shè)技術(shù)”項(xiàng)目正式啟動(dòng)，距今已將近一年。記者近日在青海走訪時(shí)感受到，這個(gè)以建設(shè)青藏高速公路為目標(biāo)的科研項(xiàng)目，攻關(guān)已到關(guān)鍵階段，一些難題正在被攻克，一批成果已落地開花，一種精神依然在延續(xù)，在終年被白雪覆蓋的青藏高原上，科技的熱流正在涌動(dòng)。
緣起凍土區(qū)修建高速公路帶來新挑戰(zhàn)
1954年建成通車的青藏公路，由于當(dāng)年缺乏保護(hù)凍土的技術(shù)措施，所以在它服役的60多年里病害頻發(fā)，雖經(jīng)多次整治改建，但凍土路基融沉問題仍無法根治。先天不足、飽經(jīng)風(fēng)雨的青藏公路在承擔(dān)青藏走廊越來越大的公路運(yùn)輸需求上已經(jīng)力不從心，在青藏走廊修建高速公路逐漸成為業(yè)內(nèi)共識。
“《國家公路網(wǎng)規(guī)劃》中以北京為中心的7條高速公路射線，5條已經(jīng)建成，京新高速公路已經(jīng)全面施工，只有京藏高速公路格爾木至拉薩段懸而待建，其原因就是高原凍土。”國家勘察設(shè)計(jì)大師、多年凍土區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司黨委書記汪雙杰告訴記者，從國家戰(zhàn)略高度來看，西藏是祖國的西南門戶，也是我國唯一沒有省際高速公路的地區(qū)，事實(shí)上已成為國家高速公路網(wǎng)中的“孤島”。另外，被世界自然基金會(huì)列為“全球生物多樣性保護(hù)”最優(yōu)先地區(qū)的青藏高原，有著珍稀而脆弱的生態(tài)環(huán)境，封閉的高速公路相比現(xiàn)在的青藏公路更有利于保護(hù)環(huán)境不受外界侵?jǐn)_。
但是，在高寒高海拔的凍土地區(qū)建設(shè)高速公路絕對是世界難題。相比普通公路，在凍土上建高速公路的技術(shù)難度成倍增加。汪雙杰解釋說，相比普通公路，高速公路的路面尺度更大，吸熱量會(huì)大幅增加，而原有的導(dǎo)冷阻熱措施效果會(huì)大打折扣。一增一減，傳入凍土的熱量會(huì)成倍增長，對路基穩(wěn)定性造成不可估量的影響。此外，雖然以中交一公院幾代凍土科研專家為代表的科研工作者已經(jīng)對凍土公路進(jìn)行了50多年的研究和觀測，但現(xiàn)有成果主要針對二級及以下等級公路和青藏鐵路，并無應(yīng)用于高速公路的直接經(jīng)驗(yàn)。而且現(xiàn)有成果是基于多年凍土區(qū)已有舊路（二級及以下公路）整治改建和病害治理等開展的，研究出發(fā)點(diǎn)是“治理”而非“預(yù)防”公路病害，也沒有綜合考慮整個(gè)路線范圍內(nèi)凍土環(huán)境等全局影響及公路整個(gè)運(yùn)營期的全壽命問題。
量變帶來質(zhì)變，在青藏凍土高原修建高速公路需要通盤考慮，深入研究。為此，由交通運(yùn)輸部組織實(shí)施的2014年度國家科技支撐計(jì)劃“高海拔高寒地區(qū)高速公路建設(shè)技術(shù)”項(xiàng)目（簡稱“三高”項(xiàng)目）應(yīng)運(yùn)而生。該項(xiàng)目由7個(gè)課題組成，中交一公院牽頭，13家單位參與，以青藏高速公路建設(shè)為研究對象，從選線規(guī)劃、建設(shè)模式、安全設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、路基變形控制、環(huán)境保護(hù)和凍土監(jiān)測預(yù)警等多個(gè)方面開展聯(lián)合攻關(guān)、協(xié)同創(chuàng)新。
記者在項(xiàng)目可研報(bào)告中看到，此次研究對象從關(guān)注單一公路工程本身，轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注整個(gè)工程走廊及其內(nèi)部多工程所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)；研究理念從短期工程災(zāi)害處治提升為全壽命周期內(nèi)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防與控制；研究要素也從單純考慮凍土問題擴(kuò)充為綜合考慮凍土、生態(tài)環(huán)境及人類工程活動(dòng)的相互作用。
“該項(xiàng)目要回答三個(gè)問題：青藏高速公路能不能建？怎么建？以什么標(biāo)準(zhǔn)建？”汪雙杰介紹說，凍土研究經(jīng)過幾代人的傳承走到了今天，該項(xiàng)目的實(shí)施標(biāo)志著凍土研究開啟了新的篇章和征程。最終，當(dāng)國家決定修建青藏高速公路時(shí)，我們科研工作者可以自信地說，技術(shù)都準(zhǔn)備好了。
合作從部到省鼎力支撐
“研究不到一年，項(xiàng)目能取得眾多成果以及關(guān)鍵性的突破，主要靠部里和兄弟單位的長期支持以及凍土科研的深厚積累。”
據(jù)汪雙杰介紹，近10年來，交通運(yùn)輸部已先后組織或支持開展了20多項(xiàng)有關(guān)高海拔地區(qū)公路修筑技術(shù)項(xiàng)目的研究。2002年立項(xiàng)的“多年凍土地區(qū)道路修筑成套技術(shù)”項(xiàng)目，依托青藏二級公路整治改建工程，對多年凍土地質(zhì)勘察與分類、凍土區(qū)公路病害與機(jī)理、路基穩(wěn)定性技術(shù)、路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)、橋涵工程技術(shù)、公路生態(tài)環(huán)境保護(hù)評價(jià)技術(shù)、公路養(yǎng)護(hù)與維修技術(shù)等開展了全面研究。2006年立項(xiàng)的“青藏公路改建技術(shù)研究及應(yīng)用示范”項(xiàng)目，進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用路基、路面、橋涵、環(huán)境等技術(shù)成果。2007年立項(xiàng)的“青藏高原凍土地區(qū)公路修筑技術(shù)基礎(chǔ)平臺研究”項(xiàng)目，匯總分析了青藏公路多年研究數(shù)據(jù)與成果，建立了科研數(shù)據(jù)庫與分析平臺。從2011年至今，交通運(yùn)輸部針對多年凍土區(qū)高等級公路的科學(xué)建設(shè)問題，支持開展了“多年凍土尺度效應(yīng)研究”、“青藏高原工程活動(dòng)與自然地理環(huán)境相互作用研究”、“青藏高原高等級公路凍土環(huán)境效應(yīng)及建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究”等相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)性、前瞻性預(yù)研究工作，有計(jì)劃、有步驟地為高海拔高寒地區(qū)高速公路建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究提供了支撐。
“從科技示范路的選取、確定到技術(shù)成果示范應(yīng)用再到科研合作，對于凍土高速公路技術(shù)研究，青海省交通運(yùn)輸廳的支持可以說是不遺余力。”汪雙杰回憶說，時(shí)任青海省交通運(yùn)輸廳廳長的韓建華副省長多次親自聽取項(xiàng)目組的匯報(bào)、批示落實(shí)依托工程及配套資金，在科技示范路的確定上給予了大力支持。共和至玉樹（結(jié)古）高速公路示范段既穿越凍土區(qū)，又是高速公路，為凍土技術(shù)提供了絕佳的示范場所。此外，韓建華還支持加強(qiáng)建設(shè)多年凍土技術(shù)青海試驗(yàn)觀測基地。時(shí)任青海省交通運(yùn)輸廳副廳長的胡濱、王廷棟也為推進(jìn)科技示范路方案的落實(shí)不遺余力。即使回到了交通運(yùn)輸部公路局工作，胡濱依然掛懷凍土公路技術(shù)，無論是項(xiàng)目啟動(dòng)還是中期檢查，他都從北京跑回青海，和專家交流，了解研究的最新動(dòng)向。現(xiàn)任共玉高速公路建設(shè)指揮長的納啟財(cái)，以前在青海省公路設(shè)計(jì)院工作，對科研有著深刻的理解，但對施工方來說，他是個(gè)“苛刻”的指揮長。因?yàn)樵诳萍际痉抖危┕け仨殗?yán)格按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，否則就要返工重建，直到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為止。
“共玉高速公路9公里的示范段投資了6億元，而青海省交通運(yùn)輸廳為了科研又追加投入了1億多元。”汪雙杰說，這樣嚴(yán)格的科技示范和業(yè)主支持，以前沒遇到過。但也是這樣的嚴(yán)格和支持，讓凍土科技工作者們對研究充滿了信心。
今年6月，“青海省共和至玉樹（結(jié)古）高速公路建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)課題成果鑒定會(huì)”在西寧召開。鑒定專家組認(rèn)為，該項(xiàng)目成果總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平，應(yīng)用前景廣闊，為青藏高原高速公路建設(shè)提供技術(shù)儲(chǔ)備與工程示范的同時(shí)，可直接服務(wù)于共玉高速公路二期工程建設(shè)。
示范組合路基護(hù)凍土高原路側(cè)植草被
長達(dá)9公里的“三高”項(xiàng)目示范段，海拔4500米，年平均氣溫0℃至5℃，終年被積雪覆蓋。記者在示范現(xiàn)場看到，熱棒、通風(fēng)管和片塊石等典型路基結(jié)構(gòu)形式正在沿路建設(shè)和試驗(yàn)。
在建的共玉高速公路是214國道在青海境內(nèi)的重要路段，穿越凍土區(qū)，“三高”項(xiàng)目取得的階段性成果正在這條路上進(jìn)行技術(shù)示范。
來自中交一公院駐扎在試驗(yàn)工地的袁堃博士告訴記者，這三種路基對于保護(hù)凍土各有優(yōu)勢，都基于同一原理——阻止外界熱量傳入、增加外界冷量導(dǎo)入凍土中。為了驗(yàn)證哪種路基形式最為可靠，課題組分別對片塊石+單向?qū)岚濉⑼L(fēng)板+片塊石、片塊石、強(qiáng)制彌散式通風(fēng)路基及通風(fēng)管、熱棒+XPS板路基兩種特殊結(jié)構(gòu)路基進(jìn)行了工程示范和試驗(yàn)驗(yàn)證。
路基上布設(shè)了可以檢測路基溫度和沉降的多種傳感器，可通過無線信號將感知到的數(shù)據(jù)傳到后方數(shù)據(jù)庫。袁堃說，數(shù)據(jù)的采集和觀測將是個(gè)長期的過程，因?yàn)檎麄€(gè)青藏高原的外界氣候在不斷變化，所以路面沉降、溫度、凍土之間的變化規(guī)律也愈加復(fù)雜。
海拔4000米以上的高原由于寒冷缺氧，植物很難生長，一眼望去只有黃土和白雪的顏色，可記者在共玉高速公路路側(cè)卻看到大片綠油油的草被。“這是項(xiàng)目研發(fā)的路側(cè)植草技術(shù)起到的效果。”共玉高速公路指揮長納啟財(cái)介紹說，在建設(shè)過程中，他們把地表挖下的表土保存下來，用作后期路側(cè)生態(tài)恢復(fù)用土，把本地的草種種在上面。另外，指揮部還向當(dāng)?shù)氐哪撩褓徺I草皮，把表土和草一起移植到路側(cè)；牧民的草皮挖下來后，經(jīng)過改良恢復(fù)，草場新草皮不用多久就可以長起來。這使路側(cè)生態(tài)有了保證，牧民還有了收入，實(shí)現(xiàn)雙贏。
記者了解到，“三高”項(xiàng)目選擇“青藏公路格爾木至拉薩段”、“花石峽至大武公路”、“共和至玉樹（結(jié)古）高速公路”三項(xiàng)已建或在建公路工程作為項(xiàng)目的示范工程，目前項(xiàng)目已經(jīng)取得一系列成果，并在示范路上進(jìn)行了應(yīng)用。其中，課題一對青藏工程走廊多年凍土發(fā)育路段進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，初步擬定了青藏工程走廊內(nèi)高速公路線位布局方案；課題二完成了低氧環(huán)境下車輛性能測試試驗(yàn)方案與低氧環(huán)境下駕駛者反應(yīng)能力試驗(yàn)；課題三完成了多年凍土特殊結(jié)構(gòu)路基運(yùn)營情況和路基病害調(diào)查，為開展既有特殊結(jié)構(gòu)路基應(yīng)用評價(jià)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；課題四完成了特殊環(huán)境下材料成型技術(shù)與路面結(jié)構(gòu)行為方面的部分試驗(yàn)研究和理論分析工作，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)分析得出瀝青混合料的性能衰減規(guī)律；課題五得出了混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能隨凍融循環(huán)次數(shù)的劣化規(guī)律，為研究混凝土抗凍融耐久性技術(shù)提供了數(shù)據(jù)支持；課題六總結(jié)得出了適應(yīng)高原氣候的水環(huán)境保護(hù)措施，并進(jìn)一步完善了高海拔高寒地區(qū)生態(tài)型邊溝設(shè)計(jì)技術(shù)；課題七研發(fā)了光纖傳感試驗(yàn)系統(tǒng)。
前瞻施工工藝還要再研究
“修筑試驗(yàn)路可以像‘繡花’一樣做得很精細(xì)，但技術(shù)一旦大規(guī)模應(yīng)用，施工工藝就成為關(guān)鍵問題。”汪雙杰舉例說，比如路面攤鋪和碾壓，幾百米到幾千米的試驗(yàn)路段可以用合適的機(jī)械細(xì)致操作，在科研人員的監(jiān)督下，質(zhì)量能得到保證；但如果是幾十公里的路，就需要大量的混合料和大型機(jī)械。高原風(fēng)大，混合料中的熱量會(huì)很快被風(fēng)吹走，這種情況下，鋪筑質(zhì)量如何保證？所以下一階段要研究的，是建設(shè)凍土區(qū)高速公路中的大規(guī)模生產(chǎn)施工工藝。
此外，青藏高速公路一旦建成，還需要長期觀測和預(yù)警。由于全球氣溫在不斷升高，在環(huán)境的變化下，凍土路基的溫度發(fā)生了怎樣的變化，如何應(yīng)對，也需要進(jìn)一步研究。因此汪雙杰建議，目前的“三高”項(xiàng)目解決了凍土高速公路的設(shè)計(jì)問題，今后的施工和運(yùn)營問題，還需要設(shè)立二期或者三期科研項(xiàng)目進(jìn)行研究。
據(jù)了解，為了實(shí)現(xiàn)在青藏高原修建高速公路這個(gè)目標(biāo)，中交一公院在人才、技術(shù)、平臺和設(shè)備等方面一直積極準(zhǔn)備著。50多年來，經(jīng)過幾代人的傳承和積累，中交一公院兩次獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，奠定了我國凍土工程研究的國際地位，培養(yǎng)了一批凍土高速公路技術(shù)人才。2008年，交通運(yùn)輸部在中交一公院設(shè)立了多年凍土區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，依托該實(shí)驗(yàn)室建成的占地1000平方米，凈高20米的大型室內(nèi)模型試驗(yàn)體系，是國內(nèi)體量最大、功能最全的步入式模型試驗(yàn)系統(tǒng)，能模擬寒區(qū)凍土發(fā)育、土體凍融循環(huán)、凍脹、融沉、強(qiáng)紫外輻射、降雨侵蝕等自然現(xiàn)象。在青藏高原腹地花石峽建成的占地12000平方米的場地試驗(yàn)體系，涵蓋路基、路面、橋梁等13類足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ停袑?shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)38套，各類傳感器近萬個(gè)。
今年，科技部批準(zhǔn)在中交一公院設(shè)立企業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
“凍土工程研究是艱難而緩慢的，雖然已經(jīng)研究了幾十年，但現(xiàn)在仍不能說已經(jīng)掌握了凍土的變化規(guī)律，要在青藏高原修建高速公路仍需要深入研究和觀測。凍土研究對于中交一公院來說，是傳承也是責(zé)任，我們正孜孜不倦地探索著，今后還將繼續(xù)走下去。”汪雙杰說。
□特寫
古稀耄耋情系凍土
一個(gè)72歲、一個(gè)81歲，在隨行考察共玉高速公路科技示范段的隊(duì)伍中，原交通部副總工王玉和長安大學(xué)原校長王秉綱兩位老專家尤其引人注目。進(jìn)藏對于一般人來說可能都是件謹(jǐn)慎而又遙遠(yuǎn)的事，但對王玉來說卻像家常便飯。王玉在退休前就曾多次進(jìn)藏，退休后，她對青藏公路的感情并沒有衰減，每年都要走上一到兩趟，沒有別的目的，就為了解凍土公路病害的發(fā)展和治理情況。
王秉綱教授第一次走共玉高速公路，興奮得像個(gè)孩子，連聲說：“太美了！有生之年來一次，真值！”他說走在這條路上，中國人應(yīng)該很自豪，因?yàn)樵趪馊缍砹_斯和加拿大都有凍土，但他們修的都是砂石路，沒敢修高速公路，而我們中國人把這件事做成了。等青藏高速公路建成時(shí)，又將是震驚世界的壯舉。
“試驗(yàn)一定要抓緊做，天氣越來越冷，高原很快就上不去了，數(shù)據(jù)采集來得及嗎？”在此次項(xiàng)目中期檢查會(huì)上，兩位老專家的發(fā)言總是能切中要害。記者發(fā)現(xiàn)，一有凍土相關(guān)科研的驗(yàn)收會(huì)和研討會(huì)，總能看到這兩位老專家的身影。古稀之年，心系凍土，銀發(fā)天路，成為高原上的一道亮麗的景色。
堅(jiān)持已成為信仰
對于凍土公路科研工作者來說，凍土是最熟悉的陌生人。熟悉是因?yàn)閺纳蟼€(gè)世紀(jì)60年代到現(xiàn)在，50多年，幾代人都在青藏高原上研究凍土，了解凍土。他們的足跡遍布青藏走廊，他們清楚高原上的山脈、河流、地質(zhì)和氣候，說起凍土給筑路帶來的技術(shù)難題，信手拈來，如數(shù)家珍。
陌生是因?yàn)殡m然已經(jīng)研究了幾十年的凍土，但凍土演變規(guī)律的特性依然有待發(fā)現(xiàn)。這注定是一個(gè)跨越時(shí)代的浩大研究工程，摸到了頭緒，還要繼續(xù)探索，何況在凍土上修建高速公路，很多研究甚至要從零開始。凍土公路科研工作者們?nèi)缤诳床灰姳M頭的長河中跋涉，湍流不定，亦步亦趨。
另一種陌生是雖然已經(jīng)如此親近，但凍土和高原依然是那么嚴(yán)肅而保持距離，高原上的嚴(yán)寒、缺氧和寂寞從不因?yàn)槟愕挠H近和專注而消減。常年在觀測站的科技工作者們說，即使來了很長時(shí)間，每次上高原依然頭痛，枯燥的觀測工作之余，想看些書學(xué)習(xí)一下都不行，因?yàn)橄”〉难鯕鉄o法供大腦長時(shí)間思考，打開的書每次都是停留在第一頁，而高原上的各種急性、慢性病也在時(shí)刻威脅著他們的身體健康。中交一公院多年凍土交通建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任陳建兵，才30多歲，但由于常年在高原從事凍土研究，頭發(fā)已經(jīng)掉得差不多了。老一代的專家如武憼民、章金釗、胡長順等人更是由于凍土而魂歸高原。
即使這樣，面對凍土，這些人依然沒有絲毫退縮，在遇到技術(shù)難題時(shí)，他們甚至還有些興奮。在他們的腦子里永遠(yuǎn)在想哪種路基組合對散熱更有效果，施工中需要哪些工藝，運(yùn)營中還可能存在哪些問題，下一步還要做哪些課題、研究什么問題。
中交一公院副院長王佐說，凍土并不是簡單的冰上蓋著土，而是冰土混含、重疊覆蓋逐漸累積起來的。我想凍土的這種結(jié)構(gòu)和我們的凍土科研有共通之處，幾代人前仆后繼，抽絲剝繭，一層層揭開凍土神秘的面紗，只為找到最終的真相。
支撐他們這樣做的，不只有堅(jiān)持和奉獻(xiàn)，凍土科研，已經(jīng)成為一種信仰。