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  多年冻土青藏公路建设和养护技术研究  
  日期:2010-12-20    来源:  
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——2008年国家科学技术进步奖一等奖

    

    雪域高原,千古梦幻。 

    半个世纪前,筑路将军慕生忠在这里完成了一次历史性的悲壮跨越。 

    此后,为探索冻土区筑路的科学规律,中交一公院30多年前赴后继。在通向制高点的路上,三代人挥洒生命热情,谱写。 

    ——题记

现场测试

     历史影像的闪回

    人们在描述青藏高原这一片广袤大地的时候,总是特别偏爱一个字:“神”——神奇的,神秘的,神圣的…… 

    壮美的山川,险峻的天路。在这片土地上记录过多少交通人刻骨铭心的经历? 

    上个世纪50年代初,筑路将军慕生忠率领数千军民,靠中央政府特批的30万银元,3000公斤炸药,几千把铁镐,开始修筑青藏路。这是人类筑路史上最为悲壮的工程:从青海省格尔木市出发,翻越昆仑山、风火山、唐古拉山和念青唐古拉山4座大山,跨过楚玛尔河、沱沱河和通天河3条大河,穿过藏北羌塘草原,穿越永冻层到达拉萨。这是一条名副其实的“天路”,平均海拔4500米以上。 

    1954年,从格尔木到拉萨,全长1160公里的青藏线修通了。沿途,留下了战士带血的足迹和慕生忠命名的一长串新鲜的地名。同时,也留下了一座巍峨的精神丰碑。 

    青藏公路的通车,结束了西藏原始的人背畜驮的运输方式,开辟了西藏交通的新纪元,成为联系西藏与祖国内地的大动脉,承载着西藏85%以上进藏物资的运输任务,是西藏经济发展和社会稳定的生命线,被西藏各族人民称为“彩虹”和“金桥”。 

    青藏高原独特的地质地貌素有“科学迷宫”之称。1954年在青康公路修建中,曾经遭遇多年冻土融化,迫使公路改线。1956年,青藏公路在第一次改建时发现了相同的状况:冬季,在零下的温度中冻土急剧膨胀,路面上隆起一片片冰丘;夏季,冻土融化,路面积水、塌陷,路基下沉。这些现象引起了交通系统科技工作者的关注。 

    1972年,中央政府决定改建青藏公路:铺筑沥青路面,修建永久性桥涵。在高原多年冻土地带铺筑沥青路面,在世界筑路史上没有先例可循,技术上存在着诸多未知领域。因为沥青强烈的吸热性,等于在冻土上面加了一个吸热器,使冻土在夏天加速融化,导致公路病害更加严重。 

    世界上冻土并不少见。美国阿拉斯加、俄罗斯西伯利亚等地都有。但它们属于低海拔高纬度地区冻土,稳定性尚好。而青藏高原的冻土则处在高海拔低纬度当中,在700多公里范围内,冰峰、雪山、风暴、强烈的太阳光辐射和严重缺氧,使青藏高原冻土温差大、地温高,加上高原特有的冰堆、冰丘、热融湖塘,给公路建设和养护提出了一系列严峻的课题。 

    因此,中科院一些专家建议,改建青藏公路应考虑把穿越多年冻土地带的路段修成砂石路。但是,由于砂石路保通养护工作量巨大,加上使用性能受限,西藏的同志对于黑色路面情有独钟。他们对设计师说:“你就是用油漆涂刷,也要把青藏路全程搞成黑色。” 

    1973年,为了探索和把握青藏高原多年冻土对于公路工程的影响和规律,交通部成立青藏公路多年冻土科学研究组,拨专款研究青藏高原多年冻土地区沥青路面公路修筑的技术问题。科研组第一任组长是交通部公路科研所高级工程师朱学文,副组长是交通部第一公路勘察设计院高级工程师武憼民。 

    1973年4月,朱学文等20多位工程师在青海格尔木集结,原交通部公路科研所所长陈国靖参加了第一期科研工作。5月初,他们走上青藏高原。 

    5月的高原空气稀薄,含氧量不到平原的一半。这一群来自北京、西安、兰州、重庆、西宁和拉萨的工程师们,就在五道梁兵站住下来,在楚玛尔河、五道梁和可可西里修建了3个试验路段,科研工作就在这样超常的困难中起步了。 

    陈国靖回忆说:五道梁兵站是青藏公路沿线气候最恶劣的地方,素有“鬼门关”之称。所有人都出现了高原反应:剧烈的头痛、血压升高,气喘,全身无力,有人浮肿得脸都变了形。组长朱学文一天吃不下一两饭,只能靠一点炼乳和巧克力维持,1976年,他患胃溃疡大口大口地吐血,曾送格尔木医院急救。 

    高原的气候是“一年四季分不清,一天四季倒分明”,一会儿骄阳似火,一会儿狂风大作,一会儿阴雨绵绵,一会儿飞雪漫天。有民谣称:“天上无飞鸟,风吹石头跑;四季穿棉袄,氧气吃不饱。”“上了五道梁,难见爹和娘”。 

    在青藏高原漫长的公路线上,荒凉和寂寞是一种最为令人痛苦的折磨。在路上观测,连个人影也碰不到。偶尔看见一辆运油汽车,那就是高原最美的风景了;在山上,收音机收不到信号,看到的报纸是一个月之前的;因为怕感冒,几个月不能洗澡。 

    就这样,科研组在青藏高原连续观测了5年,为多年冻土地带修筑公路的科研问题积累了第一批宝贵的原始数据,形成了第一期科研成果《青藏公路多年冻土地区沥青路面修筑技术》。此成果获交通部重大科技成果奖。 

    后来,交通部决定:由第一公路勘察设计院牵头组成科研组。从1979年到1984年的第二期科研组组长是一公院高级工程师武憼民。这一期主要研究青藏公路地下冰分布规律、路基稳定、桥涵基础等课题。 

    第二期研究成果《青藏公路多年冻土地区黑色路面修筑技术》获1987年国家科技进步一等奖、《青藏公路多年冻土地区路基路面研究》获交通部科技进步一等奖。 

    从1985年到1999年的第三期科研组,武憼民继续担任组长。研究成果《高原多年冻土地区公路修筑技术研究》获陕西省科学技术二等奖。 

    从1972年开展冻土问题研究以来,科研组经历了青藏公路的两期整治、两期改建,针对青藏公路出现的新问题坚持科研工作,取得了累累硕果。他们完成了高原多年冻土地区公路工程的冻土分布、分区及分类,冻土路基设计原则,路基变形规律,路基稳定性模拟等重大课题;开发了工程科研数据库系统;总结了青藏公路26年连续观测的研究资料;进行了两次改建、两期整治工程的设计,形成了公路修筑技术阶段成果,满足了工程需求。 

    文献检索证明:交通部提出的这个课题在世界有关冻土的科研领域里是首次出现。1985年我国翻译出版的《简明不列颠百科全书》中还只有“冻原”一个词条,文中提到北极冻原和高山冻原,其中对于高山冻原的描述比较接近青藏高原的特征。此外,没有任何与公路工程有关的论述。这就从一个侧面印证了:多年冻土地区公路修筑技术的研究具有开创性、唯一性和先进性。 

    2002年至2007年,是多年冻土地区公路修筑成套技术研究项目的第四期。这是硕果累累的5年,30多年青藏公路科研成果在工程中得到大规模应用,创造了世界多年冻土地区公路建设的新纪录。 

    在前述四期研究的基础之上,中交第一公路勘察设计研究院一方面继续组织青藏公路多年冻土的科研工作。另一方面集成了《多年冻土青藏公路建设和养护技术》:依托青藏公路53年建、管、养、治所开发的多年冻土区公路工程数据库和科研平台,建立了多年冻土上限动态变化和路基变形预测、预报体系;提出了多年冻土区沥青路面使用年限、病害预防、整治及机械化养护技术,集成创新多年冻土区公路建设养护体系;创建了冻土工程研究方法与测试技术,丰富和发展了冻土工程理论;突破了国际工程界多年冻土地区不能修筑沥青路面公路的惯例,攻克了一系列特殊大技术难题;解决了多年冻土区桥梁设计与施工关键技术难题。 

    此外,还集成多年冻土公路工程综合勘察技术,揭示了青藏公路沿线多年冻土工程地质基本特征;首次揭示了高原缺氧环境下筑养路职工生理生化指标、劳动能力衰减及其患病等的规律,建立了生命健康保障体系。 

    2007年2月13日,交通部组成由工程院5位院士及全国公路与冻土著名专家参加的鉴定验收委员会,经过严格评审,认为该项目研究成果“总体达到国际领先水平”。 

    前不久,中国工程院院士秦大河、葛修润、黄卫、郑颖人、郑皆连等联名推荐《多年冻土区青藏公路建设和养护技术》参加国家科学技术进步奖评选。他们认为:这个“项目具有大量实质性创新,不仅系统集成了多年冻土地区青藏公路建设养护技术,创建了诸多冻土工程理论研究和工程技术,研制了许多设备,揭示了多年冻土的变化等系列规律,在冻土工程理论方面取得突破性进展。”“项目大量研究成果大力发展、丰富了国际冻土工程理论,解决了多年冻土地区公路交通发展的关键技术问题,而且制定了国家和行业标准规范,对科技进步作用显著。” 

    院士们一致认为:基于公路特点提出的冻土工程基本理论、冻土工程分类与区划、冻土路基设计原则等居于国际领先水平。

    科学的魅力

    青藏高原冻土工程的研究并非一帆风顺。

    1999年,青藏公路科研组第三期成果鉴定之后,冻土科研组没有了经费,没有了编制,格尔木基地退租,科研组面临解散。这时候,在冻土科研领域滚打了10多年的工程师章金钊坐不住了,他给时任交通部长的黄镇东写信,要求部长关注冻土项目的研究;同时,武憼民又和汪双杰副院长、冻土办公室主任李祝龙直接找到交通部当时分管科技工作的张春贤副部长,慷慨陈词,申述冻土项目科研不能中断的理由。张春贤被这位老专家的执著深深感动了。他说:“交通部机关的同志就是勒紧裤腰带,也要支持你们把科研工作进行下去。” 

    今天,我们如何解释武憼民、章金钊的勇气呢? 

    使命感?责任感?肯定都是有的。然而,最根本的应该是科学奥秘本身的魅力。人,对于未知事物探索的激情,对于占领高峰的渴望是任何力量也阻拦不住的。 

    说起这段往事,一公院院长霍明感慨万千。他说:“青藏公路是我们的院魂,是企业精神的基础和支柱。一公院以青藏公路为依托收获了一批成果,培育了一种精神,形成了一支队伍。冻土研究项目虽然已经运作了几十年,但仍然不能说已经完全认识和把握了冻土工程的科学规律。这个时候放弃和中断就会功亏一篑,那岂不是留下了永久的遗憾?”霍明当机立断:一公院自己筹款90万元,保住这个项目,让观测和研究继续下去。 

    今天回首往事,人们由衷赞赏霍明的战略眼光。 

    霍明1995年就任一公院院长,第二年就上了青藏线。在那里,他看到现场科研人员工作、生活条件依然非常艰苦,在500多公里的试验路段收集数据,常常得搭乘路过的货车。他当时就把院里的丰田越野车留在了工地。 

    如今,霍明是这个项目的总负责人。他说:“多年冻土地区公路修筑技术研究的成果,为建设青藏高速公路提供了坚实的理论基础和技术准备,必将在青藏高速公路建设中发挥不可替代的作用,产生巨大的经济效益。” 

    2001年,即将开工建设的青藏铁路为青藏公路冻土研究提出了更高的要求。青藏铁路一旦开工,铁路建设的重型设备和物资都要通过青藏公路运输。为了支持青藏铁路建设,青藏公路必须保证畅通。时任交通部公路司副司长的王玉,要求一公院为配合青藏铁路建设,充分使用冻土研究成果,做好青藏公路的改建和养护。 

    2002年7月,《多年冻土地区公路修筑成套技术研究》在交通部西部交通建设科技项目中正式立项,执行负责人是一公院副院长汪双杰。任务是由中交第一公路勘察设计研究院牵头,有长安大学、交通部科学研究院、青海省公路科研勘测设计院等28家单位参加,对10个分项65个子课题进行全面攻关。 

    汪双杰受命于公路冻土工程研究的关键阶段,他迅速进人角色,几年中奔波于西安和青藏高原之间,和大家一道经受高原艰苦环境的洗礼,将数百名科技工作者历经34年、为之付出心血的科研成果,加以集中和升华,形成了《多年冻土青藏公路建设和养护技术》。同时,为应对全球气候变暖对多年冻土的影响、为青藏高速公路建设提供了前瞻性的技术储备。 

    回首往事,汪双杰认为:一个行业、一个单位能够长期坚守一个研究领域,体现了科技工作者对于科学理想的追求。他说:“这个团队依托青藏公路冻土研究多年的业绩创建了交通行业重点实验室,设立了博士后科研工作站,并先后通过了交通部、人事部的评估。” 

    汪双杰在多种核心刊物上发表学术论文近30篇,组织出版公路冻土工程专著2部,主编了第一本公路冻土工程规范,并人选人事部、科技部等部门评选的国家级“新世纪百千万人才”,成为博士生导师和公路冻土工程领域的领军人物。 

    15年前,我曾经采访过汪双杰。那时他是一公院总工程师办公室副主任。他当过测量队长,测量新藏公路时曾经住在5400米的喀喇昆仑山上,他也曾吊在大山的悬崖绝壁上测量。记得他当时说过一句话:“我们的前一辈就是这么干的,我们这么干好像理所当然。” 

    这是一个血脉一般的精神传承!几代人的心血凝聚成了一公院“特别能吃苦、特别能战斗、特别能忍耐、特别能奉献”的企业精神。 

    冻土工程研究不是一个容易出成果的项目,它需要时间的积累。多年冻土变化相对较慢,一组数据的收集和比较往往需要几年甚至十几年,研究周期很长。也许,一个人倾其一生,也只是参与了其中一个积累的过程。 

    35年来,一公院等单位参加过冻土工程研究的科研工作者近300人,他们每个人都有自己的故事和精彩。这些故事淋漓尽致地诠释着科学的魅力:她像一块巨大的磁石,吸引着有志之士为她倾倒,为她献身……

    武憼民:魂归高原

    我在西安采访,人们不约而同地提到一个名字:武憼民。他们说:今天,当冻土研究取得成果的时候,最应该告慰的人是武老总。 

    这位被尊称为武老总的人就是武憼民,中交第一公路勘察设计研究院国家级专家。他1953年从重庆交通大学道路桥梁专业毕业后被分配到中交第一公路勘察设计院,第一项工作就是参加青藏公路的勘测和设计。 

    在海拔4500米以上的世界屋脊上,武憼民和同事们忍受着强烈的高山反应,经常身背几十斤重的仪器设备跋涉在青藏高原上,在山上作一次测量就像在平原上跑步一样。然而为了选出比较理想的路线,他们宁愿多爬几座山,多跑几里路。最后,青藏公路的新线比旧线缩短了47公里。 

    此后,武憼民同青藏高原结下了不解之缘。

    1973年,从他作为第一期“青藏公路多年冻土科研组”的副组长开始,为了高原冻土工程研究,他一生中有了近百次在青藏高原的跋涉。 

    其实,冻土项目的科研就是一场悲壮的战斗。来自西安、北京、兰州、重庆等地的300多名科技工作者,就像被激越的集结号声召唤而来的战士,在“世界屋脊”上,沿昆仑山、唐古拉山脉,搭起帐篷,砌好锅灶,安起了新家。 

    每天,不论天气多坏,路途多么艰难,武憼民和同事们都要忠实地记录下观测点的地温、冻胀、融沉等数据。为摸清公路的整体强度,他们利用运煤车测试路面弯沉。在往返于五道梁至昆仑山垭口200多公里的路段上,近千个观测点之间,大风一吹,测试人员满身煤屑。等回到帐篷,他们连擦洗一下的力气都没有了,夜间,狂风刮塌了帐篷,他们也没有力气再重新搭起来。 

    按规定,在高原上可以工作6个小时。实际上,他们的工作时间几乎天天加倍。生活的每一天,都是对于生命承受力的严酷挑战。当时,科研组只有一只高压锅,有时吃的饭不熟,有时却又把饭做糊了,大家只好啃那些冻成冰疙瘩的馒头。 

    这些走上青藏高原、一去几年十几年的人,说起那段经历,几乎每个人对于父母、妻子和儿女都有一种愧疚。武憼民大女儿出生的时侯,他正在唐古拉山顶勘测,一个多月后才知道自己已为人父。 

    熟悉青藏公路的人都说,青藏公路从低级到比较高级,武憼民功不可没。2001年,交通部在一份文件中对武憼民作出了这样的评价:“武憼民同志从事公路工程勘察设计及研究近50年来,特别是在青藏高原这一特殊的气候及工程地质条件下,从事多年冻土科学技术研究,积极探索,不断创新,结合青藏公路改建、整治工程解决了多年冻土区公路建设的许多重大技术难题,为我国高原多年冻土路基、路面结构设计条件充实了理论基础。” 

    武憼民生前最后的职务是铁路科学研究院的咨询专家和铁道部大桥局青藏铁路建设高级技术顾问。他多次给青藏铁路工程技术人员授课,把自己在高原奋斗一辈子所形成的关键技术理论倾囊相授。在多次参加青藏铁路建设技术咨询、科研评审会议上,他把自己在青藏公路多年冻土研究的大量基础资料和成功技术无私奉献,为青藏铁路建设提供了冻土方面的科学依据和理论借鉴。武憼民说:“我是党和国家培养出来的,为青藏铁路建设做些事,是我对党和国家的回报。” 

    2006年,他去世前不久,在医院里接受记者采访时还说:“等我身体好点,还要再上青藏高原看看。” 

    一个人,在他自己生命即将走到尽头的时候,念念不忘的依然是青藏高原。可见,他的血脉,他的神经,已经和这块神奇的土地连在了一起。活着,心之所向;死了,魂之所系。高原让他魂有所归,让他的人生画上了一个充满尊严的句号。

    向制高点冲刺

    在向冻土工程科研的制高点冲刺的梯队里,一公院寒区道路工程研究所所长章金钊算是第二代人了。 

    章金钊1984年大学毕业,他学的是桥梁工程专业,毕业后就分配到第一公路勘察设计院,根据工作需要,1986年起他当了院职工中专的教师。1989年,时任一公院院长的葛起华安排他参加青藏高原多年冻土研究。从此,他就开始了20多年的高原生涯。 

    20多年情系高原。如今,他成为了冻土项目的科研主力和带头人之一。 

    章金钊回忆说,他第一次出差上青藏线时,路上走了两天一夜。他走的时侯,女儿刚刚出生不到100天,回来时,孩子已经8个多月了。 

    有一年,他在格尔木休假,想给妻子打个电话,几天前就发电报跟妻子约好了:他在邮局挂电话。她在办公室等着。那一天,章金钊在邮局里用了好几个小时,好不容易把电话接通了,妻子却不能接——她的同事把有电话的房间锁住去吃饭了。 

    在青藏高原上,每前行一步都得付出加倍的体力。何况,还要在高路基上和涵洞中爬上爬下,钻进钻出,人的体能天天在挑战极限。 

    冬天野外观测,有时风力达到十一、二级,能见度不足20米,连野驴和黄羊都躲进了深山。为了取得第一手科研资料,大家冒着被狂风卷走的危险,把观测仪器的脚架放低,跪在地上读取数据,一米一米地测量沥青路面的变化。冰凉的金属仪器,粘住手能揭掉一层皮,他们只好用一块羊皮把手包住。

    由于长期在青藏高原工作,章金钊满头青发变得稀疏了,并且得了高血压、心脏肥大等高原特有的疾病。但是,他从没有停下探究科学奥秘的脚步,没有动摇攻克科学难题的决心。20多年中,他主持完成了《高原多年冻土地区公路修筑技术研究》、《青藏公路高温高含冰量多年冻土区地基稳定性研究》、《青藏公路高温高含冰量多年冻土区地基稳定性研究》和《多年冻土地区公路路基稳定性技术研究》,填补了冻土工程科学研究的空白。 

    中交第一公路勘察设计研究院冻土研究执行办公室主任李祝龙,1998年5月硕士毕业到中交第一公路勘察设计研究院工作,5月27日报到当天,就预订了6月4日到青海格尔木的火车票。 

    李祝龙生长在东海之滨,到达格尔木后,遇到的第一个问题是高原反应和气候干燥:头晕、恶心、睡不着觉、掉头发,几乎天天流鼻血。一天深夜,他在睡梦中突然醒来,觉得喉咙堵塞,吐出后竟是一口鲜血!同事们赶紧把他送到医院,确认是由于高原气候干燥所致。此后,他每天都要往鼻子里涂抹药膏,缓解症状。

    1998年8月,为了摸清青藏公路的路况和冻土路基的病害分布及原因,李祝龙参加了科研组的路况调查工作。在唐古拉山垭口,正赶上暴风雪,为了按时顺利完成任务,他们顶着暴风雪坚持一步一步向前走,并且仍然将每个调查项目按规定仔细记录。当暴风雪过后,他们身上的大衣都湿透了。 

    在繁忙的工作之余,李祝龙攻读了国内外有关冻土的许多理论著作和科技论文,实地勘测调查到了青藏公路的许多第一手资料,为后来完成青藏公路科研工作打下了坚实的基础。 

    作为青藏公路第三期科研组的一员,在短短16个月中,他参加完成了青藏公路科研成果近70万字17个报告的报告集的撰写工作,负责并执笔完成了《公路冻土路基热学计算研究》、《冻土路基稳定性数学模拟研究》等子课题研究报告,执笔撰写了《钢纤维水泥混凝土路面在多年冻土地区应用研究》、《高原多年冻土地区公路路基稳定性研究》、《高原多年冻土地区波纹管涵应用研究》等研究报告。 

    李祝龙说:“在青藏高原的经历使我逐渐地认识到,公路沿线高原多年冻土是自然历史的产物,同时也与人类行为密切相关,因此研究青藏公路冻土地带应该考虑人类行为的影响。”他把这样的认识运用到自己的科研实践中,开阔了科研工作的视野和思路。 

    前不久,在北京召开的第四届全国公路科技创新高层论坛上,一公院副院长汪双杰宣布:“通过近5年的努力,我国工程技术人员已经完成了针对多年冻土地区公路建设成套技术的研究,在多年冻土工程、高原生命健康保障及高原生态环境保护等三大领域取得了多项重大研究成果。” 

    无疑,这些成果从根本上保障了多年冻土地区公路建设的可持续发展。 

    在西安采访这些科技人员的时候,我常常想起美国著名登山家乔治·马里洛一句话,他在回答别人“为什么要登山”的追问时说:“因为山在那里。”从此,这句话成为经典,广为流传。 

    这句话的全部诗意就在于它的质朴。它道尽了人们对于高峰的向往,它把所有的目光和全部想像力引向高处。 

    人在高峰,远离了喧嚣和琐屑。攀登途中,只剩下一个简单的愿望:向上,纯净地向上。 

    “因为山在那里。”一个科研工作者,就是一名登山者,前方,永远有新的高峰在召唤……

 

(转自2008年5月26日《中国交通报》) 

 

  
 
 
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