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交给青藏高原的答卷 | 科学人

原创 柳泽兴等 科学大院

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“那是一条神奇的天路，把人间的温暖送到边疆。从此山不再高路不再漫长，各族儿女欢聚一堂。”2005年，一首《天路》得到广泛传唱，一年后，东起西宁，南至拉萨，全长1956公里的青藏铁路全线通车，从此结束了西藏没有铁路、不通火车的历史。

 

但在这背后，却鲜有人知，从1956年进行线路全面的勘测设计工作开始，到2006年青藏铁路全线通车，为了摘下这颗位于世界铁路建设高峰上的明珠，众多科研人员和铁路工人进行了50年艰苦卓绝的接力建设。为了破解青藏铁路修建中面临的头号世界级难题——多年冻土“保冷”难题，一位来自中科院的科学家以“不破楼兰誓不还”的精神一头扎入了冻土研究当中，最终交出了一份满意的答卷，他就是中科院院士、中科院西北生态环境资源研究院院长赖远明。

 

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“冻土已成为我生命的一部分”

 

1962年8月，赖远明出生于江西省龙南县一个偏远安静的客家山村，家境贫苦，兄妹五人中他排行老大。都说穷人的孩子早当家，赖远明从小到大一直很懂事。平常主动帮助父母干一些捡柴、喂猪的家务活。在别的孩子还在享受着嬉笑打闹的童年生活之时，少年赖远明却要挣钱补贴家用。

 

到了初中，赖远明每周都带上一个星期的米和菜，从临塘乡徒步走上4个小时才能赶到县城学校。有的同学卖掉从家里带来的大米，只为换成钱到校外买豆腐吃，但赖远明从来没这样做过，他只吃自己带的干菜。

 

就像宋濂在《送东阳马生序》中所写：余则缊袍敝衣处其间，略无慕艳意。以中有足乐者，不知口体之奉不若人也。是啊，因为有学到知识的乐趣，那么外在物质条件如何自然也就不在乎了。就是在这样艰苦的环境中，赖远明在一天天地充实自己，为以后的科研工作打下了坚实的基础。上了高中，赖远明连买书包的钱也没有，只得从生产队借钱。靠着省吃俭用，在生产队挣工分，艰难读完了高中。

 

博观而约取，厚积而薄发。1979年，赖远明考入江西冶金学院（现江西理工大学），成为全乡第一个大学生。大学期间的赖远明更加发奋，抓住一切可以利用的时间来学习。“从小就喜欢物理和数学，记得上大学时做了4000多道数学题，理论力学写完了十几个练习本；”赖远明说。除了起早贪黑地学习，连上一趟街买点生活必需品，赖远明都要严格控制时间，“就花10分钟，恨不得争分夺秒地学习。”

 

爱钻研，勤思考，这是当年老师们对赖远明的评价。有一次，有一道数学题大家的解题思路都一样，唯独赖远明和大家不一样，老师当即表扬了他，结果赖远明当晚又想出了几种不同的解题方法。

 

在赖远明的一本日记的扉页上曾写着这样一句话：读书心存“四化”，实践志为真知。或许这句话就是赖远明在读书期间内心的信念和执着吧，也正是这句话，使这位“小山沟”里走出来的院士能够忍受各种不利的外在条件，踏实地在学术道路上走好每一步。

 

行之力则知愈进，知之深则行愈达。本科毕业后，赖远明考入兰州交通大学土木系读研究生。硕士毕业后，赖远明还是留在了兰州，没想到这一待就是36年。本科读矿山机械，硕士学位是土木工程。因为机缘巧合，赖远明的博士学位又一次跨行到了冻土科学。1999年，赖远明在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所获得博士学位后，在次年被任命为冻土工程国家重点实验室副主任。从此，赖远明这个南方人与高原冻土结下了不解之缘。

 

“我国冻土面积居世界第三，高海拔多年冻土面积更是位居世界之最。”赖远明第一次听到“冻土”，是在很多年前一次出差的火车上，“与一位搞冻土研究的人聊天，听到这个词的时候，感觉浑身一冷，鸡皮疙瘩都起来了。”

 

冻土一般是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。在我国，多年冻土、季节性冻土分布面积约占国土面积的21.5%和53.5%。冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。青藏铁路所创造的9项“世界纪录”中，有关冻土难题的占了4个：冻土里程最长的高原铁路、海拔最高和最长的冻土隧道、最长的高原冻土隧道、最长的高原冻土铁路桥。

 

1956年开始，中国铁道部组织了多次对青藏铁路沿线的勘探设计工作，1984年西宁至格尔木段建成通车，格尔木到拉萨市的铁路却因为冻土难题难以攻克就此搁置。青藏铁路修建过程中，要穿越连续多年冻土区550公里，其中高温冻土区275公里。如何保证修建中冻土不融沉、路基保持稳定？西方人士曾判断“这是无法攻克的世界性难题”。一如其名，冻土研究便也成了冷门专业，面对这座大山，许多科学家都选择了绕道而走，而赖远明却义无反顾地选择扎根西北，用他的勤奋与执着攻克这座大山。

 

“在旁人眼中，‘冻土’只是一个冰冷遥远的字眼，但它已融入我的血液，成为我生命的一部分。”回想自己多年冻土研究的生涯，赖远明满脸笑意。

 

在很多人看来，冻土工程学既是一门繁琐枯燥的学科，又需要常年与野外严酷的自然环境打交道，相关研究比较少，科研难度极大。但赖远明却不这样看，他对冻土研究怀着无限的激情，“自从青藏铁路建成后，冻土成了热门”，“就是每天不断去做，把搞科研当乐趣。”

 

“希望我可以一直为国家科技事业冲锋陷阵”

 

因为学习成绩优异，赖远明于1998年9月被国家派往加拿大Laval University留学一年。虽然在国外留学的时间只有一年，但是对赖远明来说却是终生难忘的。

 

赖远明始终牢记：国家投入这么大财力物力支持他出国留学，是对他寄予厚望，希望他能早日学成归国，用自己的科研知识为国家建设服务。带着这个念头，他坐上了前往异国他乡的飞机，一年后，他将用自己的拳拳爱国之心和精湛的学术能力开创“不可能的事业”。

 

在加拿大，赖远明甚至比在中国还要刻苦努力。国家的支持、老师的希望、家人的期盼，都是激励他努力学习的不竭动力。他夜以继日地学习、废寝忘食地钻研，一点时间也不肯浪费，连周六、周日都是在图书馆和学校度过的。加拿大丰富的冻土研究文献是一个巨大的宝库，赖远明一头扎了进去，他学习了很多专业领域的经典专著。

 

1999 年9 月，他学成回国，立即奔赴雪域高原广袤的冻土地带，在那里，青藏铁路工程亟待上马。在青藏线“第一长隧”昆仑山隧道和世界最高海拔铁路隧道“风火山”隧道的修建过程中，由于资料匮乏，赖远明经常带领实验室的科研人员克服高寒缺氧的困难，一次次去施工现场，采样本，测数据。有一次，赖远明和同事们在海拔4600米的昆仑山隧道采岩样，高海拔地区本身缺氧，加上隧道没打通，通风条件差，缺氧更加严重，深入隧道的赖远明顿感头痛剧烈，呼吸异常困难，坚持了两小时后，被同行人员送下山，一路呕吐不止。“当时高原反应很严重，但是想着进来一次不容易，还是坚持把样本采完。那次回来后，落下了后脑勺疼的病根，治了两三年才好转。”赖远明说。

 

经过多次的实地勘探和细致的试验研究，赖远明根据冻土物理学和冻土力学基本理论，反复研究了冻害对隧道的破坏机理，建立了冻土隧道气—固—水分迁移耦合问题的对流换热与围岩相变传热模型，攻克了沿隧道不同进深洞内气温及围岩冻融变化特征的计算难题，解决了青藏铁路风火山隧道、昆仑山隧道衬砌和保温措施的参数优化设计问题，消除了冻胀和融化对这两座冻土隧道的破坏作用。自2002年胜利贯通以来，这两个隧道目前已经服役18年，没出现任何问题。2005年，该成果和其团队完成的宁张公路大坂山隧道的成果一起获国家科技进步二等奖。

 

凡此种种困难都无法阻止赖远明继续做科研的决心，高原冻土研究是一块必须啃下来的硬骨头！赖远明经常说是青藏铁路给了他报效祖国的机会，他说：“我们刚好是赶上了修青藏铁路的机会，为国家做一点微薄的贡献，我们跟学生说要把SCI论文发到国际一流的杂志上，但是我们更要解决工程中的实际问题，把我们的SCI写到祖国的大地上。”

 

2008年，南方有所大学招聘副校长，他们向赖远明许诺，只要他愿意回去，即使没有招聘上，也会给他安排同等待遇的职位。就此回去吗？回到南方？不但离家近，而且待遇也提高了不止一个档次，这意味着能够得到更雄厚的资源支持和更美好的发展前景……

 

这种机会一生可能就只有这么一次。当时，“孔雀东南飞”的趋势正盛，离开大西北，转向东南经济发达地区成为不少科研人员的选择。可是，赖远明却做了一个令人意想不到的决定：留下来！继续做冻土研究。“南方没有冻土，一旦去了那里，我的学术研究将不完整、不系统”，赖远明坚定地说，“学术方面的成绩要有系统性，东一榔头西一棒槌不是系统的成果，如果要成功还是要坚持。”

 

回首科研之路，赖远明始终没有忘记国家给予过他的各种帮助：“上大学时，免除了我所有学费和医疗费用，国家每个月还给我21元助学金，读研究生时每个月能领到57元助学金。”何以报国？赖远明用他的实际行动书写着爱国情怀，“养兵千日用兵一时，希望我可以一直为国家科技事业冲锋陷阵。”

 

“即便天上掉馅饼，也会砸到早起的人头上”

 

2006年，青藏铁路全线建成通车，茫茫的雪域高原上，火车像一条巨龙般飞驰在世界的第三极，吸引了全世界的目光。当年8月，一次国际冻土学术会议在兰州召开，赖远明作为青藏铁路冻土工程研究的主要参与者，带领外国专家乘车体验青藏铁路。

 

当列车员介绍工程克服冻土难题的情况时，赖远明再也抑制不住自己的泪水，“听到这些成果，我很自豪！”

 

没有人知道赖远明为青藏铁路的顺利修建付出了多少努力。

 

在冻土区修建铁路，传统保护冻土的方法是设置保温材料，“就好像为了保证冰棍儿不融化，给它盖上一层棉被保冷。”赖远明解释说，但用这种方法保温的冰棍儿早晚还是要化掉。而且青藏高原的多年冻土大多属高温冻土，极易受工程的影响产生融化下沉。因此，青藏铁路的设计思路要从“被动保温”转为“主动降温”。时任国际冻土协会主席的程国栋院士提出“主动冷却路基”的方法，但主动冷却路基如何修建？从理论分析到试验数据在国内外冻土工程学研究中都是空白。这意味着一切都要从零开始，赖远明则主动承担起了填补这一空白的使命。

 

“降低冻土层温度，就能解决冻土冻胀和融化难题。”沿着这一思路，2002年起，赖远明带领团队开始技术攻关。为了解决青藏铁路路基温度场的计算问题，赖远明应用伽辽金法导出了多孔介质对流换热的有限元公式，分析出在年平均天然地表温度大于-1℃的地区，传统道渣路基以下5米内的冻土将会融化，路基将产生较大的融沉。而抛石路基除了能抵消气候变暖的影响外，还能对路基下的冻土制冷，保证冻土路基的热稳定，不至于使冻土融化。以该种路基作为青藏铁路高温冻区的路基结构，将能最大限度地保护冻土区的铁路路基。

 

这些前期研究证明了碎石层有降温的效果，但是碎石层的降温机理是怎么样子的，什么样的粒径降温效果最好，路基结构是怎么样子的？并没有明确答案。之前道路工程的碎石粒径在0.5到30厘米之间，施工随意性和降温误差都比较大。有没有一个粒径拐点，降温效果能否达到最佳匹配？只有通过实验数据才能解答。

 

一共16组样品，从5厘米到30厘米分组测试，一组一组地筛查，持续的模型试验……日拱一卒无有尽，功不唐捐终入海。从2003年开始，经过200多天的模拟试验，赖远明终于找到了理想的碎石粒径——22厘米。

 

不仅如此，赖远明还通过在传统土方路基上填筑块碎石路基再铺以土方路基的“肉夹馍”结构的方法，在两侧铺上块碎石护坡形成U形路基，成功解决了冻土保冷问题，这一措施还能确保未来50年青藏高原气温在上升2.6摄氏度情况下，路基依然能保持稳定。如果不用这种结构，而选择架桥铺设铁路的话，每铺设1公里铁路，就要多付出2000多万元的成本。

 

在多年的冻土研究中，赖远明逐渐向科学界展现出了一派生机勃勃的未来图景，他和团队已经在冻土领域掌握了20多项的专利，节约投资20多亿元。这些技术和工程措施已经应用在寒区的公路和水库施工中。坚持不懈，冻土研究终于也成为了科研热土。

 

2008年，“青藏铁路工程”荣获国家科技进步特等奖，赖远明是获奖人之一。这便是对他和团队最好的奖励。这个和青藏高原一样纯净简单的人，用他的赤子之心表达着最为诚挚的爱国之情，一次次地向学术高峰发起冲击。

 

2011 年，赖远明当选为中国科学院院士。他语重心长地说：“我感到肩上责任更大了，能为国家的科技进步、人才培养及国家的建设尽自己的绵薄之力，是我作为科研工作者最大的心愿与永恒追求的目标。”

 

赖远明常说奶奶教给他一句话，“即便天上掉馅饼，也会砸到早起的人头上”。就是这朴素的话语激励着赖远明始终保持着旺盛的精力和高涨的科研热情，每天半夜12点睡觉、早上6点起床，步行到公园晨练，8点准时进入实验室成为了赖远明雷打不动的生活习惯。

 

从事冻土研究整整25个春秋，赖远明用他勤奋的求学精神、严谨的科研态度、热忱的报国情怀、崇高的个人品质，时时刻刻都在讲述着新时代下一个科学家的品格和根底。谈及未来，他说：“现在，我还在继续研究在冻土地区修高速公路、高速铁路的相关课题。将来能达到什么高度，并没有太多设想，不断地做就好。”

 

心系冻土，热血难凉，赖远明永远在路上。

 

赖远明，男，汉族，中共党员，博士，中国科学院院士。中国科学院西北生态环境资源研究院院长，研究员，博士生导师。

长期以来,赖远明院士在寒区工程理论研究和应用方面取得了一系列创新性成果。提出了冻土的强度准则，建立了冻土的多屈服面、非关联的广义弹塑性本构模型和冻土蠕变损伤统计本构模型；研究了块碎石层的降温效果及降温机理,建立了块碎石类路基流体-固体耦合传热温度特性分析的数学模型，研发了具有多级降温机制的U形块碎石路基和通风管－块碎石复合路基等“主动冷却路基”的结构新形式，为青藏铁路冻土区路基结构的设计提供了重要的科技支撑；建立了寒区隧道气-固-水分迁移耦合问题的对流换热与围岩相变传热模型，较好地解决了沿隧道不同进深洞内气温及围岩冻融变化特征的计算难题，提出了寒区隧道防冻害的综合技术措施，消除了冻胀和融化对隧道的破坏作用，为同类工程的修建提供了科学依据和成功范例。

他曾先后获“国家科技进步二等奖（2005），特等奖（2008）和 “创新团队奖”（2017）”，国家技术发明二等奖(2010)，“何梁何利基金科学与技术进步奖”(2014)。曾获“全国优秀科技工作者” （2005）和“全国先进工作者”（2010）等荣誉称号，享受国务院特殊津贴。

 

参考文献：

1. 张闻：《赖远明：青藏铁路给了我报效祖国的机会》，央广网，2015年5月25日；

2.李琛奇陈发明：《“挖山不止”的冻土专家——记中科院寒区旱区环境与工程研究所副所长赖远明》，《经济日报》，2015年5月25日 01版；

3.杜英唐琴：《赖远明：高原冻土不了情》，《科技日报》，2015年5月25日 04版；

4.赵展慧：《让钢轨在冻土上延伸》，《人民日报》，2015年5月25日 04版；

5.《与青藏高原冻土结缘20载》，《光明日报》，2015年5月24日 01版；

6.张文静：《解码高原冻土难题的“魔法师”——记中科院院士赖远明》，新华社，2015年5月24日；

7.刘晓倩王进东：《赖远明：破冻土难题创天路奇迹》，《中国科学报》，2015年6月26日第5版人物；

8.《赖远明：龙南客家山村走出的院士》，龙南县政府网

http://www.jxln.gov.cn/lngk/mrms/201211/t20121101_169542.html，

2012年10月29日；

9.刘小艳吴俊山：《从平凡中见证伟大———走近青年科学家赖远明》，《发展》，2004年第5期/总第163期，29-30；

10.《冻土弹粘塑性动力学理论的创造者——赖远明》，《科协论坛》，2005年；

11.李晓明：《赖远明：将生命融入“冻土”》，《科学新闻》，2014年8月刊，46-47

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撰稿：柳泽兴  王晶  宋华龙

审核：张怀刚  肖国青  冯起

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