本报记者 杜 英 实习生 唐 琴

    ■科星灿烂 

    青藏铁路所创造的9项“世界纪录”中，有关冻土难题的占了4个：冻土里程最长的高原铁路、海拔最高和最长的冻土隧道、最长的高原冻土隧道、最长的高原冻土铁路桥。

    多年冻土区筑路技术核心难题的彻底解决，使这条铁路有了“世界冻土工程博物馆”的美誉。我国在该领域的研究也因此挺身于冻土科研的“世界屋脊”。国际冻土协会主席杰里·布朗深有感慨地说：“青藏铁路代表了冻土工程的最新进展。在这一领域，其他国家需要借鉴中国的成就。”

    实现这一切的是中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，赖远明是其学科带头人之一。数十年来，赖远明率领他的冻土与寒区工程研究室团队，在偏隅西部的兰州潜心研究，取得了骄人的成就，被誉为天路“精算师”。

    -1℃，领先世界水平

    青藏铁路要穿越连续多年冻土区550公里，其中高温冻土区275公里。

    “一般来说，地表以下15米，年平均温度高于-1℃的冻土属于高温冻土。”赖远明解释道，高温冻土具有很强的不稳定性，由于季节变化和人类活动，特别容易产生冻融危险，造成土地沉陷、道路开裂、桥梁坍塌、钢轨扭曲，“就像冰袋，冷冻使水体积增大9%，冰溶化后体积会缩小。”

    俄罗斯修建的西伯利亚铁路也曾穿越冻土区，但因为纬度高，其地温在-2.5℃以下，属于低温冻土区，相对稳定。青藏铁路建设所面临的是世界冻土科研前所未有的难题。

    直击-1℃的高温冻土，赖远明和他的团队展开系统研究的“第一站”是寒区工程的冻害机理，“改善冻土计算理论长期依赖国外的现状，为设计提供理论依据”。

    在数据和文献十分有限的情况下，赖远明发挥工程数学和工程力学的专业优势，提出了冻土工程温度、渗流和应力场耦合问题的数学力学模型，导出了有限元计算公式，并对寒区隧道冻胀荷载作用下的应力场和温度场进行了数值模拟，解决了路基温度计量难题，填补了寒区隧道计算理论方面的空白，为世界冻土工程提供了公认的计算模型。

    “我们还对未来50年青藏高原气温上升2℃的路基温度变化进行了预报分析，结果表明抛石路基能够保证冻土路基的热稳定。”赖远明说，这项延伸研究解决了铁路建设中的气候变暖的影响问题。

    在揭示路基降温机理和效果的基础上，赖远明团队研发了“凹”字状的U形复合抛石路基和无能耗自动温控通风路基等物理结构，成功应用在青藏铁路、公路建设中。青藏铁路建设总指挥部的应用文件特别提出，这种结构“减少修建旱桥30公里，补强路基约100公里，成功避免了路基融沉、道路纵裂等潜在病害的发生，节约路基长期整治经费。”

    2008年，“青藏铁路工程”荣获国家科技进步特等奖，赖远明作为主要完成人榜上有名。

    22cm，体现精准理念

    对于科研试验，赖远明几乎到了苛刻的程度。

    “冻胀量小于1%，降温效果4.27度，阴阳坡温差0度左右，降低坡面温度4—5度，通风散热效果提高1倍。”荧屏前的赖远明解释着他的冻土路基标准，“经过翔实的计算得来，还有提高的空间。”

    从机械工程，到结构工程，再到寒区岩土工程和土木工程，赖远明接受的教育一直沿着力学展开。“力学的逻辑基础是数学，我的工作得益于比较扎实的数学根基。”赖远明说。

    “主动冷却路基”是一种低成本、长寿命、高质量的冻土路基设计理念，由程国栋院士提出。但如何建模、采用什么结构，却是空白。“程国栋院士于我亦师亦友，确立研究课题后，从计算理论到数字模拟，一切都要白手起家。”非常尊重程国栋的赖远明主动挑起了填补空白的重任。

    封闭边界的碎石层具有很好的热半导体特性，风力的自然对流换热对降温效果有较大影响，碎石的粒径和结构孔隙就成为决定因素。

    之前道路工程的碎石粒径在0.5到30厘米之间，施工随意性和降温误差都比较大。有没有一个粒径拐点，降温效果能否达到最佳匹配？赖远明决定寻找这个重要的参数。

    16组样品，持续的模型试验，从5厘米到30厘米分组测试，一组一组地筛查……200多天后，22厘米这个数字首次进入赖远明的视野。

    “粒径不是越大调温效果就越好，需要统筹考虑四季气温变化。”赖远明在综合各种影响因素后，把22厘米确定为青藏高原道路路基最佳块碎石粒径……

    一路走到巅峰，赖远明与冻土发生交集，竟缘于一个偶然的机会。他告诉记者，听到冻土是1994年在长沙铁道学院进修时，与来自中铁西北院同学的一次闲聊，“当时感觉浑身都起鸡皮疙瘩”。

    从那以后，赖远明开始关注冻土世界。两年后，他被冻土工程国家重点实验室录取为博士研究生。“所以选择寒区岩土工程方向，就是因为这个专业的理论基础不成熟，可开垦的领域很多”。体验到冻土研究的迫切需求之后，赖远明更加一无反顾地埋头其中，并在2000年获得“百人计划”项目资助，成就了科研的“第一桶金”。

    2011年，赖远明当选为中国科学院院士，成为这个令人瞩目的群体中年轻的一位。“即便天上掉馅饼，也会砸到早起的人头上”。这朴素的语言是奶奶教给他的。

    每天半夜12点睡觉、早上6点起床，步行到公园晨练，8点准时进入实验室，是赖远明雷打不动的生活习惯。“老师的很多灵感是在步行中思考成熟的。”他的学生裴万胜告诉记者。

    4905m，挑战生命极限

    对于赖远明而言，每年几次的野外勘察极为重要。

    “啃馒头，吃咸菜，住帐篷。遇到极端天气，几个星期不洗澡是常有的事。”同事喻文兵说。

    昆仑山隧道长1686米，是世界多年冻土区第一长隧。2001年，隧道工程完成500多米时，赖远明进洞采取岩样。在这里，他经历了命悬一线的危险。

    “隧道内刚刚放完炮，含氧量大约只有平地的30%左右，岩土采样的时间需要持续3个小时。”他的学生张明义回忆，刚开始的头疼症状，赖远明并没有在意。剧烈的头痛和呕吐后才被送往医院。从那以后，赖远明的后脑时常会有莫名疼痛，对记忆力也有不小影响。

    “带回了珍贵的样品，解决了隧道衬砌和保温措施的参数优化设计问题。”赖远明对那次的受伤细语轻描。

    2002年，赖远明刚接到解决青藏铁路寒区隧道冻土问题的任务时，他就将目光锁定在风火山隧道。

    风火山隧道位于可可西里保护区边缘，海拔4905米，是目前世界上海拔最高的铁路隧道。西方媒体曾预言：在这样的地质带打隧道，是根本不可能的事。

    “隧道的冻土层最厚达150米，覆盖层最薄处仅有8米，施工稍有不慎，就会导致塌方”。赖远明快速组织队伍，实地勘测，精准计算，建立了对流换热与围岩相变传热模型，解决了风火山隧道衬砌和保温措施的参数优化设计。与相关科研设计单位协同攻关，掌握了高原冻土路基和隧道施工的有效方法。如今，这两个铁路隧道已经安全服役10多年，创造了奇迹。2005年，该成果获国家科技进步二等奖。

    降温机理与合理降温参数、块碎石路基场计算方法、流固耦合传热模型、U型块碎石路基结构、阴阳坡路基技术、复合通风路基结构、涎流冰防治、抗冻胀添加剂……赖远明和团队已经在冻土领域掌握了20多项的专利，节约投资20多亿元。这些技术和工程措施已经应用在寒区的公路和水库施工中。

    “继续冻土地区修建高速公路和高速铁路的研究课题，展开冻土水盐热力特性分析研究。”他应记者要求介绍近期的工作时说，“科研一直在路上。”

    “结缘冻土21载，这个学科已经从门可罗雀变得炙手可热，有很多与冻土密切的工程需要理论支持和解决方案。”采访结束时，赖远明告诉记者，冻土终将变成许多研究人员的“热土”。（科技日报兰州5月24日电）