热棒是什么？1.5万根排列到天际，充当青藏铁路的“禁卫军”

青藏铁路曾被认为是不可能建成的，美国有个火车旅行家就曾狂妄断言“铁路永远到不了拉萨”——要人命的缺氧高原病、地震高发区，最严重的是会融沉和冻胀的高原冻土，在当时被认为是不可破解的世界级建设难题……但就是这样一条铁路，在2006年时竣工，完成了颠覆世人眼光的奇迹。

现在我们欣赏青藏铁路两侧的美景时，也会注意到旁边的“金属棒”——比人还高，一直向前延伸，保守有1.5万根。它们就是“热棒”，看起来其貌不扬，其实解决了众多难题，是青藏铁路忠实的“护卫兵”。

青藏铁路的“铁卫兵”——热棒

“热棒”的用处和字面可不同，不是为了“发热”，而是为了“保冷”。我们知道，青藏铁路地处4000米以上的高原，其依赖的“根基”则是高原下的多年冻土。这里的冻土不像南极、北极的永久冻土一样不会融化，而是在夏天就融化成烂泥。这时候，如何阻止铁路“脚下”的土地软化，铁路形变下陷，成了青藏铁路维护的头号大事。

冻土融化沉降

直接从冻土做文章自然是不可能的，人类没有如此巨大的力量，亦无法冒着破坏当地生态的巨大风险去改造冻土，应运而生的就是集合了智慧的小小“热棒”。

热棒最大的功能就是“传冷不传热”，这意味着它在夏天可以把会导致冻土融化的热量吸收并排放，却不会将热量输送进土里。

热棒用碳素无缝钢管制成，总长约7米，露在地面上2米的部分叫做散热段，下部则是叫吸热段。内部是密闭空心的结构，装的液氨沸点很低，遇热就会气化升腾，将热量带到上部散热段，当热量被空气带走，液氨冷却，回到吸热段重新工作，如此往复，永不停歇。而在夏天的时候，空气热度维持在较高的水准，液氨就会完全变为气体浮在上部，减少了气体的对流，热量向底部传输得也很少。因为其效率之高，热棒也被叫作“魔棒。

热棒的最早应用并不是在中国，而是在美国的输油管道当中，那个时候谁也没能想到，这“不起眼”的技术居然能在一项世界级工程中得到大规模的妙用。

冻土难题有多难？

在热棒运用之前，我们国家已经针对冻土问题进行了二十多年的艰辛攻克。冻土相对于普通土壤来说有什么不同？要在它上面建设铁路为什么如此艰难？

普通土壤拥有的性质一般有三个指标决定：颗粒矿物成分、密度和含水量，这三点只要没有因为严重的环境破坏变成沙漠，一般都是静态的。而冻土中含有大量的冰，因此不同含冰量和不同温度状态，让冻土具有了“动态”的特性：

冰的密度比水小，同体积的水在结冰之后体积会增大，因此冻土在夏天吸热之后就会融化下沉，在冬天就会散热膨胀，这一降一升之下，铁路就被扭成“麻花”，变得无法使用。

虽然世界上早有在冻土上修建铁路的历史，但道路的“病害率”却居高不下：

在俄罗斯，20世纪70年代建成的第二条西伯利亚铁路1994年调查的线路病害率达27.5％，运营近百年的第一条西伯利亚铁路1996年调查的线路病害率为45％。在我国，青藏公路1990年调查的病害率为31.7％，东北地区多年冻土区铁路病害率达40％。【1】

在修建青藏铁路之前，还有技术要求更低一些的公路。在上世纪50年代，科研人员采用了加高路基，减少路面热度对冻土层造成影响的简易方法，解决了不少路况问题。

然而青藏铁路作为技术水平要求更高的工程，自然就没有那么顺利。从1958年铁路一期工程开始建设，直到2006年才完成全线通车，中间屡次因为冻土影响而停工。早期，人们对于冻土问题的解决思维还很被动：等冻土温度已经产生变化了，再考虑做出什么样的应对措施。

中国科工程研究所冻土工程国家重点实验室副主任的吴青柏说：“打个比方，夏天卖冰棍都装在木箱子里，怕化了拿棉被捂上，原来修路大概就是这个思路，但拿棉被捂冰棍早晚要化。”

后来有人提出了“冷却路基”的思路，冻土难题才最终得到破解。所谓冷却路基，就是变被动为主动，通过技术手段让冻土层的温度本身就维持在相对稳定的水平，可以说是将“棉被”换成“冰箱”，小小“热棒”，担任起的就是冰箱的角色。

实地考察冻土情况的技术人员

在设计思路问题和技术问题终于都解决之后，青藏铁路拍板上马，于2006年完成竣工，其中冻土问题的解决总共花费了长达42年。

青藏铁路的众多“守护神”

面对冻土的挑战，热棒是青藏铁路周围最为显眼的“护卫兵”，但其余的“守护神”也不可小觑。它们都是科技人员智慧的结晶。

• 片石通风路基

乍一看这所谓“路基”只是一些小碎石，但它们起到的可是热调节的作用。

碎石之间存在较大的缝隙，有利于空气流动，也方便地表水的蒸发运动。在热空气密度较小、呈现上浮趋势的夏季，这些碎石可以带走冻土中的热量，又可以屏蔽空气中的热量进入土地；而冬天则反过来，冷空气密度较大，呈现下沉的趋势，因为碎石的作用更容易进入路基，对冻土的凝结起到保护作用。

• 通风管路基

通风管路基主要由土体、道渣和通风管构成，是一种横向铺设的通风排热措施。

通风管路基的运行原理

最新的“自动温控通风管路基”利用了记忆合金，能在温度发生变化的时候自动控制管口挡板的开闭，冬季吸入冷风，夏季隔绝冷风进入，以保证冻土温度维持在一个较为稳定的范畴，不会过度变形，影响路基。

• 单向导热的路基结构

青藏铁路并不是直接就在冻土上铺设的，其实路基表面以下还铺设着周密的隔热层，这些隔热层埋在一定深度，只有单向的导热能力，聚苯乙烯板或是聚氨酯板都是较为常见的隔热保温层。

地下隔热工程

• “以桥代路”

提到青藏铁路，给人印象最深的就是桥多。全线共建设了桥梁675座，共有156.7公里的路段都是桥，相当于全线的1/7。这些桥的高低不相同，最低的一座旱桥仅高于地面1米，让人不禁思考这究竟有什么作用。

其实，桥梁是冻土问题的“最后绝招”，在冻土极其不稳定的某些路段，包括热棒在内的防热措施都难以起到保险作用，这时候只能将桥墩打入地层深处30多米的地方，利用摩擦力来稳固路基，尽可能减小冻土膨胀对路基抬升造成的影响。简单来说，就是在原本的地面上再建一层悬空“地面”，同时这种方法对保护生态也有帮助——高原野生动物可以从“桥梁下方”、“隧道上方”、“缓坡平交”的地方找到通道，从而自由迁徙。

总结

青藏铁路从上世纪五十年代修建起，虽已完工，但仍在不断维护和延伸，至今已有六七十年。有很多人终生奉献于此。

冻土，始终是开通青藏铁路绕不开的难题。既然绕不开，何不去直面它的挑战？我国科学家、研究员正是这样对着恒久的冻土难题发起一次次挑战，最终铸成了如今驶向未来的基建奇迹。

信息来源

【1】人民日报《青藏铁路如何穿越冻土》 2004年7月8日第十四版