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文 ｜ 《中國科學報》 記者 李晨陽 見習記者 王兆昱
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。
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凍融，導致路基變形、損毀。
小學生都能聽懂的原理卻困擾了全世界最優秀的工程技術專家百年之久。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，鋪設著一條條顛簸不平的公路、鐵路，展示著人類與自然環境抗爭的艱難坎坷。
青藏高原一望無際的千年凍土，讓修建鐵路成了一項“幾乎不可能完成的任務”，直到中國科學院的科學家提出了他們的大膽創想。
半個世紀，從布局到破局
青藏鐵路。 本文圖片均由西北研究院提供
“應該下決心盡快開工修建進藏鐵路。這是我們進入新世紀應該作出的一個大決策。”
2000年11月10日，中央領導同志在原鐵道部關于進藏鐵路的報告上作出上述批示，預示著青藏鐵路工程即將第三次上馬。
近半個世紀里，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）正式投入運營。而由于經濟實力不足，高原、凍土等筑路技術問題沒有得到解決，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。
“青藏鐵路成敗的關鍵在路基，路基成敗的關鍵在凍土。”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？
剛擔任中國科學院寒區旱區環境與工程研究所（以下簡稱寒旱所）第一任所長不久的中國科學院院士程國棟，就是在這種情況下接到了中國科學院領導的電話。
“院領導非常重視這件事情，讓我趕緊寫一份報告，論證凍土問題到底能不能解決、怎么解決。”他回憶道。
在此之前，中國科學家死磕青藏高原凍土，已經40多年了。
早在20世紀50年代，國家派遣一批年輕人留學蘇聯，其中就包括后來國內第一代凍土專家。青藏鐵路工程第一次籌劃開工時，在莫斯科大學凍土教研室學習的周幼吾和童伯良等人回到祖國，加入凍土研究隊，開始了對青藏高原凍土的系統研究。
剛開始研究，大家就驚訝地發現：凍土，這個在教科書中只占據很少篇幅的所謂“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、在包蘭鐵路沿線對陣沙漠化的朱震達、在青藏鐵路相關區域研究凍土的周幼吾等人，從一次次歷經艱險的科學考察中認識到，地廣人稀的中國西部是一座充滿科學奧秘的寶庫。他們一拍即合，聯名向中國科學院打報告，申請在甘肅省蘭州市建立專門機構長期探索西部特有的自然地理問題。中國科學院非常支持，很快就作出批復。
接下來幾年，在原有研究隊伍基礎上，中國科學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院西北生態環境資源研究院（以下簡稱西北研究院）。與之相隨的是一批批科學家懷揣青藏之夢，齊聚蘭州，為中國的凍土事業奉獻終生。
也是在1965年，程國棟的命運發生了轉折。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研，從此與這片滿布凍土的廣袤大地結下了不解之緣。
“從一開始，我們所有的研究就是與青藏鐵路緊密相連的。”程國棟說。
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。中國科學院等科研單位一直堅守在這個領域，積累了豐富的基礎研究成果。特別是程國棟于1983年發表的“程氏假說”——多年凍土上限附近會發育厚層分凝冰，這種作用年復一年，讓多年凍土上限附近形成了厚層地下冰——被國際同行譽為凍土學中的“相對論”，為破解凍土工程技術難題提供了重要的理論依據。
上世紀80年代末90年代初，中國科學院又依托冰川凍土研究所，積極組建了凍土工程國家重點實驗室，搭建了世界先進的凍土研究平臺，凝聚了重要的人才團隊，積累了寶貴的研究成果。
養兵千日，用兵一時。當國家決定第三次啟動青藏鐵路工程時，那些漫長歲月中的堅守、準備和布局，終于迸發出巨大的力量。
接到任務的那一刻，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面臨的凍土和路基問題，他們已經想了很久。
師法自然，化被動為主動
程國棟院士（右二）帶領團隊進行凍土試驗研究。
2001年10月2日，中國科學院舉行了重大項目答辯會。
“主動冷卻路基技術”是程國棟在此次答辯中的最大亮點。
這一技術的精髓，就在于“主動”。
在此之前，人們面對凍土這個“攔路虎”，已經“被動”了太久。國內外采用的傳統方法主要是加高路堤或鋪設保溫材料，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：干脆把“棉被”換成“冰箱”，實現長期、穩定、可持續的路基降溫。
但是，究竟如何給綿延千里的路基量身打造“小冰箱”呢？這時候，程國棟在凍土領域積累多年的基礎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、氣候嚴寒的邊遠地區，河北、山西等年平均氣溫較高的地方，在特殊環境條件下，也能形成多年凍土。
程國棟團隊見過一種很有意思的現象：在河北農村的一些小山坡，地表和不足1米深的土層下，溫差竟然能達到30攝氏度以上。盛夏時期，當地人都跑到這些地方乘涼，扒開土層把西瓜放進去，不一會兒就成了清涼爽口的冰西瓜。
經過研究，團隊發現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“熱半導體”效應，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計讓程國棟興奮不已：既然夏日炎炎的華北地區都存在不融的凍土，那么青藏高原上的凍土應該也有辦法保住！
程國棟關于“主動冷卻路基”的設想，得到了中國科學院的認可。中國科學院設立重大專項，拿出2300萬元基礎研究經費支持他們開展工作。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。青藏鐵路先期開工建設3個試驗段——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，很多時候接近零攝氏度，施工稍有不慎就會導致凍土融化。
科學家在實驗室里鉆研出的方案，在鐵面無情的大自然面前，真能行得通嗎？
此時，沒人知道答案。
邊研究邊干，以動態應萬變
賴遠明院士（中）在青藏鐵路沿線試驗現場。
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，病害率已經達到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，必須在全球氣候變暖的大環境下，維持極低的病害率，保障列車以100千米/小時的速度長期穩定通行。要達到這個目標，沒有任何前人的經驗可以借鑒，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，項目組創造了一種全新的工作機制——動態設計理念。科學家提出方案后，項目牽頭單位組織全國頂尖專家論證，論證通過后，再以發文的形式下發到設計院，開展后續設計工作，開始施工后，由科學家跟蹤監測、實時完善設計方案。正是這種模式，創造了科技成果轉化速度的奇跡，讓“幾乎不可能完成”的工程落地生根，一節節鐵路如開枝散葉般在青藏高原上迅速延伸。“我們碰到了一幫干事的人！”回顧這段歷史，西北研究院研究員馬巍不由得感嘆。
然而，意外還是發生了。2003年，國家有關部門的一份氣候變化評估報告讓人心頭一緊。報告顯示，未來50年青藏高原的升溫預計會在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路堤修筑方案無法有效保護高溫、高含冰量凍土。科研人員經過研討后，毫不遲疑地將已經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。”西北研究院研究員、凍土工程國家重點實驗室主任吳青柏說。
但在其他路段，至少兩三百千米的塊石路基已經修好，相關設計方案卻無法應對如此顯著的氣溫變化。一部分人認為，只能廢棄這些路基，重新選線，而這無疑會造成巨大的浪費。
程國棟覺得不能這樣浪費國家經費。他找來所里一位優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年當選中國科學院院士的賴遠明研究員。
由于沒有任何先例，賴遠明和學生喻文兵等人做了大量試驗，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洞實驗，提出開創性的“U形路基”方案，即在原有塊石路基上再鋪設一層塊石護坡，大幅增強了路基冷卻效果。
“這么一改，已經修好的兩三百千米路基就可以用了。要是當時廢棄重新選線，300多億元的投入可能就白費了。”賴遠明欣慰地說。在馬巍看來，圍繞青藏鐵路的一切工作都是“動態”的。如今這種“動態”還在繼續。從青藏鐵路格拉段建成之初就設立的“青藏鐵路凍土區工程長期觀測系統”項目，一直密切關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新成果。
馬巍在野外安裝相關試驗儀器。
吳青柏在路基旁鉆取凍土巖芯樣品。
牦牛精神，在艱苦中奮進
這個團隊中的每一個人，都有一部屬于自己的、驚心動魄的“高原求生錄”。 工程早期，駐守北麓河的科學家只有兩頂單帳篷可住。晚上睡覺時，外面的狂風仿佛貼在耳邊呼嘯，讓人擔心不知什么時候，自己就會和帳篷一起被大風刮跑。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。但在這種環境下建房子并不容易，他們想起網上宣傳過中國科學家在南極搭建的板房輕便又保暖，便聯系同一個生產廠家提供建材。廠家一聽來龍去脈，當即表示，就算賠錢也要做，“我們也想為青藏鐵路作貢獻”。 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觀測研究站一點點建立起來，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，讓散發出的熱量一點點融化食物。此外，食物本身已經很簡單了，再加上高原反應引起的味覺失靈，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。缺氧的環境讓人頭痛欲裂、輾轉難眠，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，都因為機會難得而顯得格外“隆重”。程國棟這個當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候，為了進一步研究隧道圍巖凍土分布情況，賴遠明直接走進去放置溫度和應力等測試元件。那是在4500米的高海拔地區，空氣本就稀薄缺氧，加上炸藥爆破、毒氣彌漫，賴遠明回憶自己當時“反應很大，吐得一塌糊涂”。從那以后，他就落下了后腦勺疼的毛病，受不了的時候用溫水或熱水沖洗，才能有所緩解。
“‘凍土人’最大的特點就是能吃苦，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。”說話間，賴遠明笑著伸出手來——他手上星星點點的白色印記，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：在青藏鐵路建設攻堅階段，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、搞監測，后來下山體檢時，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“老黃牛”，但在這里，大家更喜歡的一個詞是“牦牛精神”。中國科學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，堅韌不拔。
筑夢高原，戰極限創一流
2006年7月1日，青藏鐵路正式通車運營。 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、多年凍土區修建鐵路，在世界鐵路史上實屬罕見。中國科學院寒區旱區環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史上的難題……” 聽到這里，賴遠明不禁熱淚盈眶。他轉過頭，車窗外遠山起伏，雪峰聳立。 青藏鐵路創造了世界級奇跡。 國際凍土協會主席Jerry Brown如此評價：“青藏鐵路代表了凍土工程的最新進展，在這一領域，其他國家需要借鑒中國的成就。” 《自然》雜志在大篇幅報道中指出，青藏鐵路以環境友好方式破解了氣候變暖條件下凍土區筑路的世界性難題，具有重要的里程碑意義。 還有國外媒體評價青藏鐵路是“有史以來最困難的鐵路工程項目”“世界上最壯觀的鐵路之一”。 國內的榮譽也紛至沓來：2005年，青藏鐵路工程凍土路基筑路技術與示范工程建設研究集體獲得中國科學院杰出科技成就獎；2008年，青藏鐵路工程獲得了國家科技進步獎特等獎，凍土與寒區工程研究創新團隊是主要完成單位之一；2017年，這個團隊又獲得了國家科技進步獎創新團隊獎。 神州大地上，道路千萬條。如果說哪一條路能從時間到空間、從傳說到現實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峻；“有昆侖山脈在，鐵路就永遠到不了拉薩”——20世紀的美國旅行家曾如此斷言。 漢代遠征的將軍、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…… 1973年，毛澤東主席在會見尼泊爾國王比蘭德拉時說：“青藏鐵路修不通，我睡不著覺。”多少年來，青藏鐵路一直是黨和國家領導人念茲在茲的夙愿，更是西藏乃至全國人民的殷切期盼。 青藏鐵路的完工通車，使西藏地區徹底擺脫了和內地的時空阻隔，極大促進了民族團結、區域發展和經濟文化繁榮。 “挑戰極限、勇創一流”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伍中，中國科學院一代代“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。他們仍然駐守在青藏高原，長期監測鐵路沿線的凍土、環境變化和鐵路的運行狀態。 談到未來，西北研究院副院長張明義沒有豪言壯語。從老一輩科學家手中接過接力棒的他，堅定地說：“我們會傳承和發揚老一輩科學家的創新精神、求實精神、奉獻精神，會一直守護著青藏鐵路，全力保障其安全運行下去。”
張明義在開展凍土路基野外試驗測試。