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一根造价高达20万元!为什么青藏铁路两边,要插上1.5万根铁棒?

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当你乘坐火车前往青藏高原旅游时,一定会感到奇怪,为什么在青藏铁路两边插着许多高达2米的铁棒?

这些造价20万元的铁棒每隔一米就要插上一根,全程共计约有1.5万根。它们全部伫立在青藏铁路两侧,像无数名坚韧不拔的战士一样,坚守和保护着青藏铁路,从不动摇。



“热棒”

其实,这些铁棒有一个更加专业的名字,叫做“热棒”。从外形来看,热棒全身缠满了一圈圈像铁片和线圈一样的散热片,这是一种用碳素无缝钢管制作而成的高效导热装置,非常适合于青藏高原的环境。尤其是在解决高原冻土层融化这个世界问题上,热棒发挥了不可替代的作用。所以,无论是在青藏铁路还是青藏公路上,热棒几乎都是随处可见的。



那么,为什么在青藏高原地区修建道路一定要用热棒呢?这和青藏高原特殊的地形和气候条件有很大关系。

青藏高原又被称为“世界屋脊”,它是我国最大,也是世界上海拔最高的高原,平均海拔在4000米以上。高海拔导致青藏高原的平均气温很低,高原冻土层密布,冻土指的是土壤温度低于0℃且含有冰屑的特殊岩土体。



在冬季气温较低的时候,冻土层中的冰晶和土壤紧密结合在一起,让路基显得十分坚硬。但是一到夏天,由于高原上缺少云层遮挡,太阳直接照射到地面时,气温上升速度很快,就会导致部分冻土层内的冰屑融化,冰水与泥土变得异常柔软,不利于车辆在路面上行驶。



尤其是,冰融化成水的时候,体积会缩小,导致路基和钢轨随之产生凹陷;而等到冬天,这些泥泞的土地再次因为低温冻结时,体积又会膨胀,导致建在上面的路基和钢轨被膨胀的冻土顶起。在冻土的冻结和融化反复交替作用下,路基就会出现翻浆、冒泥、沉降变形现象,使得钢轨扭曲变形,用不了几年,花费几十上百亿元修建的铁路就会报废了。



据统计,青藏公路有85%的路基病害是冻土融化造成的;有15%是土壤冻结造成的;桥梁和涵洞的病害主要由冻胀引起。由此可见,青藏高原的道路问题几乎都是冻土导致的。如果不解决冻土问题,就想要修建好铁路无异于天方夜谭。



“热棒”破解半个世纪的铁路难题

自上世纪60年代以来,冻土工程问题就一直是一项世界性难题,而为了解决这个问题,科学家们才特意研制出了“热棒”。

别看“热棒”的外表好像就是一根普普通通的铁棒,但其实在它朴素的外表下,却蕴藏着常人不知道的精巧设计,它们凝聚了科学家半个世纪的心血。虽说名字叫热棒,但其实它更像是一个“冷冻器”,只要插入冻土层下,就能让冻土不再融化,在地表形成永冻层。



那么热棒是怎么做到这一点的呢?来看看它的内部结构你就清楚了。

热棒的整体构造分为三部分。

露出地表长约2米的部分叫散热段,它的外部缠绕着一圈散热片,可以让热棒内部的热量散发到空气中。埋在地底的部分长约5米,内部又分为吸热段和绝热段。

吸热段位于热棒的最底端,里面储存着大量液氨。由于液氨的沸点只有-33.5℃,所以即使身处永冻土层中,它也随时在吸收热量变成氨气上升,使得永冻土层全年都能保持在一个极低的温度下。



上升的氨气会经过中间的绝热段,进入到吸热段。冬季时,高原的气温比地底温度低,氨气在吸热段遇冷就会液化,在重力作用下流回最底部,不断循环保持地底的低温状态。

而到了夏天,虽然外界气温很高,但是由于中间有绝热层的存在,所以高温无法传递到热棒底部;同时,氨气到达热棒顶端也无法冷凝,那么热棒就陷入了停工状态。不过不用担心,因为此时热棒内部的氨气和液态氨已经达到了平衡状态,底部的气温依然很低,不至于让周围的冻土融化,也就能够确保青藏铁路的安全和稳定了。



另外,这些热棒在生产时进行了特殊的防腐处理,寿命可达30年以上。可以说,热棒埋设技术有效解决了冻土区路基夏季融沉问题,比曾经的以桥代路每公里可节省投资3000多万元,仅此一项就为青藏铁节省了10多亿元的资金。同时,埋设热棒还避免了地表开挖、铲除植被、修筑路堤取土等人为工程活动对生态环境和资源的破坏。



冻土的其他解决办法

由于冻土层对铁路的安全性影响太大,所以铁路局在对待这个问题的时候,也不得不多做几手准备。所以除了热棒以外,科学家们还想出了其他防止冻土融化的好办法。



这些办法大都是通过改变路基的结构,来实现冻土层的保温。比如,从路基温度上着手,工作人员会首先在路基内部,铺设一层具有单向导热能力的隔热层,以增大热阻,从而阻止热量进入到冻土层内。这种隔热层一般采用聚苯乙烯板或者聚胺脂板材料。

在路基修建完成以后,还可以在路基上铺设一层白色反光遮阳棚,避免太阳辐射对路基的直接照射,从而减少传入冻土地基的热量。



从通风角度来说,“基建狂魔”们也创造了两种有效的办法。第一种通风路基,这种方法通过在路基底部横向铺设通风管道,并在管道一端安装自动温控风门实现对热量的控制。具体的设计原理是,当温度较高时,风门就会自动关闭;温度较低时,风门自动打开。这样可以避免夏季热量进入通风管,对路基进行保温。



第二种是片石通风路基。这种办法是指在路基中间铺设大量石块,由于石块之间的空隙较大,通风效果很好,所以能起到调节温度的作用。

虽然夏季气温高,但是由于热空气的密度较小容易形成上升气流,因此热量很难进入路基内部,而碎石头之间的空气流动和地表水蒸发后又能带走热量,可以起到热屏蔽作用;

在冬季,由于冷空气密度较大,在自重和冬季风的作用下,冷空气会将碎石层中温度更高的热空气挤走,冷空气更容易进入路基底部,因而也能防止冻土融化。



这些凝聚了无数冻土专家几十年心血的“黑科技”付诸实践,最终让青藏铁路得以全线贯通。同时也因为解决了“多年冻土、高寒缺氧和生态脆弱”这三大世界性难题,青藏铁路的成功更让全世界更加信赖中国“基建狂魔”这块金字招牌。

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