本報(bào)記者 杜 英 實(shí)習(xí)生 唐 琴

　　■科星燦爛

　　青藏鐵路所創(chuàng)造的9項(xiàng)“世界紀(jì)錄”中，有關(guān)凍土難題的占了4個(gè)：凍土里程最長(zhǎng)的高原鐵路、海拔最高和最長(zhǎng)的凍土隧道、最長(zhǎng)的高原凍土隧道、最長(zhǎng)的高原凍土鐵路橋。

　　多年凍土區(qū)筑路技術(shù)核心難題的徹底解決，使這條鐵路有了“世界凍土工程博物館”的美譽(yù)。我國在該領(lǐng)域的研究也因此挺身于凍土科研的“世界屋脊”。國際凍土協(xié)會(huì)主席杰里·布朗深有感慨地說：“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。”

　　實(shí)現(xiàn)這一切的是中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，賴遠(yuǎn)明是其學(xué)科帶頭人之一。數(shù)十年來，賴遠(yuǎn)明率領(lǐng)他的凍土與寒區(qū)工程研究室團(tuán)隊(duì)，在偏隅西部的蘭州潛心研究，取得了驕人的成就，被譽(yù)為天路“精算師”。

　　-1℃，領(lǐng)先世界水平

　　青藏鐵路要穿越連續(xù)多年凍土區(qū)550公里，其中高溫凍土區(qū)275公里。

　　“一般來說，地表以下15米，年平均溫度高于-1℃的凍土屬于高溫凍土。”賴遠(yuǎn)明解釋道，高溫凍土具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，由于季節(jié)變化和人類活動(dòng)，特別容易產(chǎn)生凍融危險(xiǎn)，造成土地沉陷、道路開裂、橋梁坍塌、鋼軌扭曲，“就像冰袋，冷凍使水體積增大9%，冰溶化后體積會(huì)縮小?！?/p>

　　俄羅斯修建的西伯利亞鐵路也曾穿越凍土區(qū)，但因?yàn)榫暥雀?，其地溫?2.5℃以下，屬于低溫凍土區(qū)，相對(duì)穩(wěn)定。青藏鐵路建設(shè)所面臨的是世界凍土科研前所未有的難題。

　　直擊-1℃的高溫凍土，賴遠(yuǎn)明和他的團(tuán)隊(duì)展開系統(tǒng)研究的“第一站”是寒區(qū)工程的凍害機(jī)理，“改善凍土計(jì)算理論長(zhǎng)期依賴國外的現(xiàn)狀，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)”。

　　在數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)十分有限的情況下，賴遠(yuǎn)明發(fā)揮工程數(shù)學(xué)和工程力學(xué)的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，提出了凍土工程溫度、滲流和應(yīng)力場(chǎng)耦合問題的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，導(dǎo)出了有限元計(jì)算公式，并對(duì)寒區(qū)隧道凍脹荷載作用下的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，解決了路基溫度計(jì)量難題，填補(bǔ)了寒區(qū)隧道計(jì)算理論方面的空白，為世界凍土工程提供了公認(rèn)的計(jì)算模型。

　　“我們還對(duì)未來50年青藏高原氣溫上升2℃的路基溫度變化進(jìn)行了預(yù)報(bào)分析，結(jié)果表明拋石路基能夠保證凍土路基的熱穩(wěn)定?！辟囘h(yuǎn)明說，這項(xiàng)延伸研究解決了鐵路建設(shè)中的氣候變暖的影響問題。

　　在揭示路基降溫機(jī)理和效果的基礎(chǔ)上，賴遠(yuǎn)明團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“凹”字狀的U形復(fù)合拋石路基和無能耗自動(dòng)溫控通風(fēng)路基等物理結(jié)構(gòu)，成功應(yīng)用在青藏鐵路、公路建設(shè)中。青藏鐵路建設(shè)總指揮部的應(yīng)用文件特別提出，這種結(jié)構(gòu)“減少修建旱橋30公里，補(bǔ)強(qiáng)路基約100公里，成功避免了路基融沉、道路縱裂等潛在病害的發(fā)生，節(jié)約路基長(zhǎng)期整治經(jīng)費(fèi)?！?/p>

　　2008年，“青藏鐵路工程”榮獲國家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，賴遠(yuǎn)明作為主要完成人榜上有名。

　　22cm，體現(xiàn)精準(zhǔn)理念

　　對(duì)于科研試驗(yàn)，賴遠(yuǎn)明幾乎到了苛刻的程度。

　　“凍脹量小于1%，降溫效果4.27度，陰陽坡溫差0度左右，降低坡面溫度4—5度，通風(fēng)散熱效果提高1倍?！睙善燎暗馁囘h(yuǎn)明解釋著他的凍土路基標(biāo)準(zhǔn)，“經(jīng)過翔實(shí)的計(jì)算得來，還有提高的空間。”

　　從機(jī)械工程，到結(jié)構(gòu)工程，再到寒區(qū)巖土工程和土木工程，賴遠(yuǎn)明接受的教育一直沿著力學(xué)展開?！傲W(xué)的邏輯基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)，我的工作得益于比較扎實(shí)的數(shù)學(xué)根基?！辟囘h(yuǎn)明說。

　　“主動(dòng)冷卻路基”是一種低成本、長(zhǎng)壽命、高質(zhì)量的凍土路基設(shè)計(jì)理念，由程國棟院士提出。但如何建模、采用什么結(jié)構(gòu)，卻是空白?！俺虈鴹澰菏坑谖乙鄮熞嘤?，確立研究課題后，從計(jì)算理論到數(shù)字模擬，一切都要白手起家?！狈浅Ｗ鹬爻虈鴹澋馁囘h(yuǎn)明主動(dòng)挑起了填補(bǔ)空白的重任。

　　封閉邊界的碎石層具有很好的熱半導(dǎo)體特性，風(fēng)力的自然對(duì)流換熱對(duì)降溫效果有較大影響，碎石的粒徑和結(jié)構(gòu)孔隙就成為決定因素。

　　之前道路工程的碎石粒徑在0.5到30厘米之間，施工隨意性和降溫誤差都比較大。有沒有一個(gè)粒徑拐點(diǎn)，降溫效果能否達(dá)到最佳匹配？賴遠(yuǎn)明決定尋找這個(gè)重要的參數(shù)。

　　16組樣品，持續(xù)的模型試驗(yàn)，從5厘米到30厘米分組測(cè)試，一組一組地篩查……200多天后，22厘米這個(gè)數(shù)字首次進(jìn)入賴遠(yuǎn)明的視野。

　　“粒徑不是越大調(diào)溫效果就越好，需要統(tǒng)籌考慮四季氣溫變化?！辟囘h(yuǎn)明在綜合各種影響因素后，把22厘米確定為青藏高原道路路基最佳塊碎石粒徑……

　　一路走到巔峰，賴遠(yuǎn)明與凍土發(fā)生交集，竟緣于一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)。他告訴記者，聽到凍土是1994年在長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院進(jìn)修時(shí)，與來自中鐵西北院同學(xué)的一次閑聊，“當(dāng)時(shí)感覺渾身都起雞皮疙瘩”。

　　從那以后，賴遠(yuǎn)明開始關(guān)注凍土世界。兩年后，他被凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室錄取為博士研究生?！八赃x擇寒區(qū)巖土工程方向，就是因?yàn)檫@個(gè)專業(yè)的理論基礎(chǔ)不成熟，可開墾的領(lǐng)域很多”。體驗(yàn)到凍土研究的迫切需求之后，賴遠(yuǎn)明更加一無反顧地埋頭其中，并在2000年獲得“百人計(jì)劃”項(xiàng)目資助，成就了科研的“第一桶金”。

　　2011年，賴遠(yuǎn)明當(dāng)選為中國科學(xué)院院士，成為這個(gè)令人矚目的群體中年輕的一位?！凹幢闾焐系麴W餅，也會(huì)砸到早起的人頭上”。這樸素的語言是奶奶教給他的。

　　每天半夜12點(diǎn)睡覺、早上6點(diǎn)起床，步行到公園晨練，8點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，是賴遠(yuǎn)明雷打不動(dòng)的生活習(xí)慣。“老師的很多靈感是在步行中思考成熟的。”他的學(xué)生裴萬勝告訴記者。

　　4905m，挑戰(zhàn)生命極限

　　對(duì)于賴遠(yuǎn)明而言，每年幾次的野外勘察極為重要。

　　“啃饅頭，吃咸菜，住帳篷。遇到極端天氣，幾個(gè)星期不洗澡是常有的事?！蓖掠魑谋f。

　　昆侖山隧道長(zhǎng)1686米，是世界多年凍土區(qū)第一長(zhǎng)隧。2001年，隧道工程完成500多米時(shí)，賴遠(yuǎn)明進(jìn)洞采取巖樣。在這里，他經(jīng)歷了命懸一線的危險(xiǎn)。

　　“隧道內(nèi)剛剛放完炮，含氧量大約只有平地的30%左右，巖土采樣的時(shí)間需要持續(xù)3個(gè)小時(shí)?！彼膶W(xué)生張明義回憶，剛開始的頭疼癥狀，賴遠(yuǎn)明并沒有在意。劇烈的頭痛和嘔吐后才被送往醫(yī)院。從那以后，賴遠(yuǎn)明的后腦時(shí)常會(huì)有莫名疼痛，對(duì)記憶力也有不小影響。

　　“帶回了珍貴的樣品，解決了隧道襯砌和保溫措施的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。”賴遠(yuǎn)明對(duì)那次的受傷細(xì)語輕描。

　　2002年，賴遠(yuǎn)明剛接到解決青藏鐵路寒區(qū)隧道凍土問題的任務(wù)時(shí)，他就將目光鎖定在風(fēng)火山隧道。

　　風(fēng)火山隧道位于可可西里保護(hù)區(qū)邊緣，海拔4905米，是目前世界上海拔最高的鐵路隧道。西方媒體曾預(yù)言：在這樣的地質(zhì)帶打隧道，是根本不可能的事。

　　“隧道的凍土層最厚達(dá)150米，覆蓋層最薄處僅有8米，施工稍有不慎，就會(huì)導(dǎo)致塌方”。賴遠(yuǎn)明快速組織隊(duì)伍，實(shí)地勘測(cè)，精準(zhǔn)計(jì)算，建立了對(duì)流換熱與圍巖相變傳熱模型，解決了風(fēng)火山隧道襯砌和保溫措施的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。與相關(guān)科研設(shè)計(jì)單位協(xié)同攻關(guān)，掌握了高原凍土路基和隧道施工的有效方法。如今，這兩個(gè)鐵路隧道已經(jīng)安全服役10多年，創(chuàng)造了奇跡。2005年，該成果獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

　　降溫機(jī)理與合理降溫參數(shù)、塊碎石路基場(chǎng)計(jì)算方法、流固耦合傳熱模型、U型塊碎石路基結(jié)構(gòu)、陰陽坡路基技術(shù)、復(fù)合通風(fēng)路基結(jié)構(gòu)、涎流冰防治、抗凍脹添加劑……賴遠(yuǎn)明和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在凍土領(lǐng)域掌握了20多項(xiàng)的專利，節(jié)約投資20多億元。這些技術(shù)和工程措施已經(jīng)應(yīng)用在寒區(qū)的公路和水庫施工中。

　　“繼續(xù)凍土地區(qū)修建高速公路和高速鐵路的研究課題，展開凍土水鹽熱力特性分析研究?！彼麘?yīng)記者要求介紹近期的工作時(shí)說，“科研一直在路上。”

　　“結(jié)緣凍土21載，這個(gè)學(xué)科已經(jīng)從門可羅雀變得炙手可熱，有很多與凍土密切的工程需要理論支持和解決方案?！辈稍L結(jié)束時(shí)，賴遠(yuǎn)明告訴記者，凍土終將變成許多研究人員的“熱土”。（科技日?qǐng)?bào)蘭州5月24日電）