东起青海西宁，西至西藏拉萨——全长1956千米的青藏铁路，就像一条在阳光下熠熠生辉的长龙，过草原、跨雪山、穿荒漠、越雅丹，途经辽阔壮丽的西部大地，蜿蜒攀向海拔4767米的昆仑山口、海拔5068米的唐古拉站……
这是世界上海拔最高的铁路，人们赠予它一个最浪漫的名字——天路。
即便是高入云端的“天路”，也要“脚踏实地”。而青藏铁路轨道下的土地，至少方圆550千米属于多年冻土区。
所谓冻土，是指零摄氏度及以下的含冰岩土。在这种土地上修路，最怕的就是冻土随温度变化反复冻融，导致路基变形、损毁。
小学生都能听懂的原理却困扰了全世界最优秀的工程技术专家百年之久。从俄罗斯的西伯利亚到美国的阿拉斯加，再到中国的大兴安岭，铺设着一条条颠簸不平的公路、铁路，展示着人类与自然环境抗争的艰难坎坷。
青藏高原一望无际的千年冻土，让修建铁路成了一项“几乎不可能完成的任务”，直到中国科学院的科学家提出了他们的大胆创想。
半个世纪，从布局到破局
“应该下决心尽快开工修建进藏铁路。这是我们进入新世纪应该作出的一个大决策。”
2000年11月10日，中央领导同志在原铁道部关于进藏铁路的报告上作出上述批示，预示着青藏铁路工程即将第三次上马。
近半个世纪里，青藏铁路工程走过了“两上两下”的曲折历程。1984年，客观条件较好的青藏铁路西格段（西宁至格尔木）正式投入运营。而由于经济实力不足，高原、冻土等筑路技术问题没有得到解决，青藏铁路格拉段（格尔木至拉萨）自1978年第二次暂停修建后，被搁置了20多年。
“青藏铁路成败的关键在路基，路基成败的关键在冻土。”这句话像紧箍咒一样，再次回响在每位科技工作者的耳畔。
这一次，能行吗？
刚担任中国科学院寒区旱区环境与工程研究所（以下简称“寒旱所”）第一任所长不久的中国科学院院士程国栋，就是在这种情况下接到了中国科学院领导的电话。
“院领导非常重视这件事情，让我赶紧写一份报告，论证冻土问题到底能不能解决、怎么解决。”他回忆道。
在此之前，中国科学家死磕青藏高原冻土，已经40多年了。
早在20世纪50年代，国家派遣一批年轻人留学苏联，其中就包括后来国内第一代冻土专家。青藏铁路工程第一次筹划开工时，在莫斯科大学冻土教研室学习的周幼吾和童伯良等人回到祖国，加入冻土研究队，开始了对青藏高原冻土的系统研究。
刚开始研究，大家就惊讶地发现：冻土，这个在教科书中只占据很少篇幅的所谓“特殊类土”，竟然是高原施工的最大“拦路虎”！
那是激情燃烧的岁月。在祁连山考察水资源的施雅风、在包兰铁路沿线对阵沙漠化的朱震达、在青藏铁路相关区域研究冻土的周幼吾等人，从一次次历经艰险的科学考察中认识到，地广人稀的中国西部是一座充满科学奥秘的宝库。他们一拍即合，联名向中国科学院打报告，申请在甘肃省兰州市建立专门机构长期探索西部特有的自然地理问题。中国科学院非常支持，很快就作出批复。
接下来几年，在原有研究队伍基础上，中国科学院分别成立了地理研究所冰川冻土研究室、地理研究所沙漠研究室。1965年，两个研究室合并成立了中国科学院兰州冰川冻土沙漠研究所，这就是寒旱所的前身，并于2016年以其为主体整合成立了中国科学院西北生态环境资源研究院（以下简称“西北研究院”）。与之相随的是一批批科学家怀揣青藏之梦，齐聚兰州，为中国的冻土事业奉献一生。
也是在1965年，程国栋的命运发生了转折。他告别上海老家，来到冰川冻土沙漠研究所冻土研究室，接着就被派往青藏高原调研，从此与这片满布冻土的广袤大地结下了不解之缘。
“从一开始，我们所有的研究就是与青藏铁路紧密相连的。”程国栋说。
40多年间，尽管青藏铁路工程两度被迫搁浅，但科技工作者对冻土的研究从未中断。中国科学院等科研单位一直坚守在这个领域，积累了丰富的基础研究成果。特别是程国栋于1983年发表的“程氏假说”——多年冻土上限附近会发育厚层分凝冰，这种作用年复一年，让多年冻土上限附近形成了厚层地下冰——被国际同行誉为冻土学中的“相对论”，为破解冻土工程技术难题提供了重要的理论依据。
20世纪80年代末90年代初，中国科学院又依托冰川冻土研究所，积极组建了冻土工程国家重点实验室，搭建了世界先进的冻土研究平台，凝聚了重要的人才团队，积累了宝贵的研究成果。
养兵千日，用兵一时。当国家决定第三次启动青藏铁路工程时，那些漫长岁月中的坚守、准备和布局，终于迸发出巨大的力量。
接到任务的那一刻，程国栋虽然情绪上有些紧张，但早已成竹在胸。如何解决青藏铁路建设面临的冻土和路基问题，他们已经想了很久。
师法自然，化被动为主动
2001年10月2日，中国科学院举行了重大项目答辩会。
“主动冷却路基技术”是程国栋在此次答辩中的最大亮点。
这一技术的精髓，就在于“主动”。
在此之前，人们面对冻土这个“拦路虎”，已经“被动”了太久。国内外采用的传统方法主要是加高路堤或铺设保温材料，就像过去老太太卖冰棍，为了防止冰棍融化，总是在冰棍箱上盖一层被子。但这种方法只能延缓冻土融化，无法从根本上解决问题。
程国栋的思路则直截了当：干脆把“棉被”换成“冰箱”，实现长期、稳定、可持续的路基降温。
但是，究竟如何给绵延千里的路基量身打造“小冰箱”呢？这时候，程国栋在冻土领域积累多年的基础理论研究派上了用场。
我国是全球第三冻土大国，多年冻土区占国土面积的1/5。与很多人想象的不同，多年冻土并不仅仅分布在人迹罕至、气候严寒的边远地区，河北、山西等年平均气温较高的地方，在特殊环境条件下，也能形成多年冻土。
程国栋团队见过一种很有意思的现象：在河北农村的一些小山坡，地表和不足1米深的土层下，温差竟然能达到30摄氏度。盛夏时期，当地人都跑到这些地方乘凉，扒开土层把西瓜放进去，不一会儿就成了清凉爽口的冰西瓜。
经过研究，团队发现河北冻土的奥秘在于藏在土层下的碎石层。碎石之间的空气对流形成“热半导体”效应，在夏天阻挡地表热气，在冬天又从地下排出热量，是真正的纯天然“冰箱”。
大自然精妙奇绝的设计让程国栋兴奋不已：既然夏日炎炎的华北地区都存在不融的冻土，那么青藏高原上的冻土应该也有办法保住！
程国栋关于“主动冷却路基”的设想，得到了中国科学院的认可。中国科学院设立重大专项，拿出2300万元基础研究经费支持他们开展工作。铁道部则出了一道考题，让他们各种措施先行，在14千米的铁路正线上试行。
这14千米路堤特意选址在自然条件最不利的地区。青藏铁路先期开工建设3个试验段——清水河段、沱沱河段和北麓河段，其中北麓河段的条件最为苛刻。这里的冻土层含冰量最大，土壤温度又相对较高，很多时候接近零摄氏度，施工稍有不慎就会导致冻土融化。
科学家在实验室里钻研出的方案，在铁面无情的大自然面前，真能行得通吗？
此时，没人知道答案。（记者李晨阳 见习记者王兆昱 本文图片均由西北研究院提供）
原标题：筑梦高原 情牵天路——青藏铁路工程冻土路基筑路技术攻关纪实（上）