交給青藏高原的答卷 | 科學(xué)人

作者：柳澤興、王晶、宋華龍

審核：張懷剛、肖國青、馮起

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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“那是一條神奇的天路，把人間的溫暖送到邊疆。從此山不再高路不再漫長，各族兒女歡聚一堂?！?005年，一首《天路》得到廣泛傳唱，一年后，東起西寧，南至拉薩，全長1956公里的青藏鐵路全線通車，從此結(jié)束了西藏沒有鐵路、不通火車的歷史。

但在這背后，卻鮮有人知，從1956年進(jìn)行線路全面的勘測設(shè)計(jì)工作開始，到2006年青藏鐵路全線通車，為了摘下這顆位于世界鐵路建設(shè)高峰上的明珠，眾多科研人員和鐵路工人進(jìn)行了50年艱苦卓絕的接力建設(shè)。為了破解青藏鐵路修建中面臨的頭號世界級難題——多年凍土“保冷”難題，一位來自中科院的科學(xué)家以“不破樓蘭誓不還”的精神一頭扎入了凍土研究當(dāng)中，最終交出了一份滿意的答卷，他就是中科院院士、中科院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院院長賴遠(yuǎn)明。

“凍土已成為我生命的一部分”

1962年8月，賴遠(yuǎn)明出生于江西省龍南縣一個偏遠(yuǎn)安靜的客家山村，家境貧苦，兄妹五人中他排行老大。都說窮人的孩子早當(dāng)家，賴遠(yuǎn)明從小到大一直很懂事。平常主動幫助父母干一些撿柴、喂豬的家務(wù)活。在別的孩子還在享受著嬉笑打鬧的童年生活之時，少年賴遠(yuǎn)明卻要掙錢補(bǔ)貼家用。

到了初中，賴遠(yuǎn)明每周都帶上一個星期的米和菜，從臨塘鄉(xiāng)徒步走上4個小時才能趕到縣城學(xué)校。有的同學(xué)賣掉從家里帶來的大米，只為換成錢到校外買豆腐吃，但賴遠(yuǎn)明從來沒這樣做過，他只吃自己帶的干菜。

就像宋濂在《送東陽馬生序》中所寫：余則缊袍敝衣處其間，略無慕艷意。以中有足樂者，不知口體之奉不若人也。是啊，因?yàn)橛袑W(xué)到知識的樂趣，那么外在物質(zhì)條件如何自然也就不在乎了。就是在這樣艱苦的環(huán)境中，賴遠(yuǎn)明在一天天地充實(shí)自己，為以后的科研工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。上了高中，賴遠(yuǎn)明連買書包的錢也沒有，只得從生產(chǎn)隊(duì)借錢?？恐〕詢€用，在生產(chǎn)隊(duì)掙工分，艱難讀完了高中。

博觀而約取，厚積而薄發(fā)。1979年，賴遠(yuǎn)明考入江西冶金學(xué)院（現(xiàn)江西理工大學(xué)），成為全鄉(xiāng)第一個大學(xué)生。大學(xué)期間的賴遠(yuǎn)明更加發(fā)奮，抓住一切可以利用的時間來學(xué)習(xí)?！皬男【拖矚g物理和數(shù)學(xué)，記得上大學(xué)時做了4000多道數(shù)學(xué)題，理論力學(xué)寫完了十幾個練習(xí)本；”賴遠(yuǎn)明說。除了起早貪黑地學(xué)習(xí)，連上一趟街買點(diǎn)生活必需品，賴遠(yuǎn)明都要嚴(yán)格控制時間，“就花10分鐘，恨不得爭分奪秒地學(xué)習(xí)?！?/p>

愛鉆研，勤思考，這是當(dāng)年老師們對賴遠(yuǎn)明的評價。有一次，有一道數(shù)學(xué)題大家的解題思路都一樣，唯獨(dú)賴遠(yuǎn)明和大家不一樣，老師當(dāng)即表揚(yáng)了他，結(jié)果賴遠(yuǎn)明當(dāng)晚又想出了幾種不同的解題方法。

在賴遠(yuǎn)明的一本日記的扉頁上曾寫著這樣一句話：讀書心存“四化”，實(shí)踐志為真知。或許這句話就是賴遠(yuǎn)明在讀書期間內(nèi)心的信念和執(zhí)著吧，也正是這句話，使這位“小山溝”里走出來的院士能夠忍受各種不利的外在條件，踏實(shí)地在學(xué)術(shù)道路上走好每一步。

行之力則知愈進(jìn)，知之深則行愈達(dá)。本科畢業(yè)后，賴遠(yuǎn)明考入蘭州交通大學(xué)土木系讀研究生。碩士畢業(yè)后，賴遠(yuǎn)明還是留在了蘭州，沒想到這一待就是36年。本科讀礦山機(jī)械，碩士學(xué)位是土木工程。因?yàn)闄C(jī)緣巧合，賴遠(yuǎn)明的博士學(xué)位又一次跨行到了凍土科學(xué)。1999年，賴遠(yuǎn)明在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所獲得博士學(xué)位后，在次年被任命為凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。從此，賴遠(yuǎn)明這個南方人與高原凍土結(jié)下了不解之緣。

“我國凍土面積居世界第三，高海拔多年凍土面積更是位居世界之最。”賴遠(yuǎn)明第一次聽到“凍土”，是在很多年前一次出差的火車上，“與一位搞凍土研究的人聊天，聽到這個詞的時候，感覺渾身一冷，雞皮疙瘩都起來了?！?/p>

凍土一般是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤。在我國，多年凍土、季節(jié)性凍土分布面積約占國土面積的21.5%和53.5%。凍土具有流變性，其長期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時強(qiáng)度特征。正由于這些特征，在凍土區(qū)修筑工程構(gòu)筑物就必須面臨兩大危險：凍脹和融沉。青藏鐵路所創(chuàng)造的9項(xiàng)“世界紀(jì)錄”中，有關(guān)凍土難題的占了4個：凍土里程最長的高原鐵路、海拔最高和最長的凍土隧道、最長的高原凍土隧道、最長的高原凍土鐵路橋。

1956年開始，中國鐵道部組織了多次對青藏鐵路沿線的勘探設(shè)計(jì)工作，1984年西寧至格爾木段建成通車，格爾木到拉薩市的鐵路卻因?yàn)閮鐾岭y題難以攻克就此擱置。青藏鐵路修建過程中，要穿越連續(xù)多年凍土區(qū)550公里，其中高溫凍土區(qū)275公里。如何保證修建中凍土不融沉、路基保持穩(wěn)定？西方人士曾判斷“這是無法攻克的世界性難題”。一如其名，凍土研究便也成了冷門專業(yè)，面對這座大山，許多科學(xué)家都選擇了繞道而走，而賴遠(yuǎn)明卻義無反顧地選擇扎根西北，用他的勤奮與執(zhí)著攻克這座大山。

“在旁人眼中，‘凍土’只是一個冰冷遙遠(yuǎn)的字眼，但它已融入我的血液，成為我生命的一部分?！被叵胱约憾嗄陜鐾裂芯康纳?，賴遠(yuǎn)明滿臉笑意。

在很多人看來，凍土工程學(xué)既是一門繁瑣枯燥的學(xué)科，又需要常年與野外嚴(yán)酷的自然環(huán)境打交道，相關(guān)研究比較少，科研難度極大。但賴遠(yuǎn)明卻不這樣看，他對凍土研究懷著無限的激情，“自從青藏鐵路建成后，凍土成了熱門”，“就是每天不斷去做，把搞科研當(dāng)樂趣?！?/p>

“希望我可以一直為國家科技事業(yè)沖鋒陷陣”

因?yàn)閷W(xué)習(xí)成績優(yōu)異，賴遠(yuǎn)明于1998年9月被國家派往加拿大Laval University留學(xué)一年。雖然在國外留學(xué)的時間只有一年，但是對賴遠(yuǎn)明來說卻是終生難忘的。

賴遠(yuǎn)明始終牢記：國家投入這么大財(cái)力物力支持他出國留學(xué)，是對他寄予厚望，希望他能早日學(xué)成歸國，用自己的科研知識為國家建設(shè)服務(wù)。帶著這個念頭，他坐上了前往異國他鄉(xiāng)的飛機(jī)，一年后，他將用自己的拳拳愛國之心和精湛的學(xué)術(shù)能力開創(chuàng)“不可能的事業(yè)”。

在加拿大，賴遠(yuǎn)明甚至比在中國還要刻苦努力。國家的支持、老師的希望、家人的期盼，都是激勵他努力學(xué)習(xí)的不竭動力。他夜以繼日地學(xué)習(xí)、廢寢忘食地鉆研，一點(diǎn)時間也不肯浪費(fèi)，連周六、周日都是在圖書館和學(xué)校度過的。加拿大豐富的凍土研究文獻(xiàn)是一個巨大的寶庫，賴遠(yuǎn)明一頭扎了進(jìn)去，他學(xué)習(xí)了很多專業(yè)領(lǐng)域的經(jīng)典專著。

1999 年9 月，他學(xué)成回國，立即奔赴雪域高原廣袤的凍土地帶，在那里，青藏鐵路工程亟待上馬。在青藏線“第一長隧”昆侖山隧道和世界最高海拔鐵路隧道“風(fēng)火山”隧道的修建過程中，由于資料匱乏，賴遠(yuǎn)明經(jīng)常帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室的科研人員克服高寒缺氧的困難，一次次去施工現(xiàn)場，采樣本，測數(shù)據(jù)。有一次，賴遠(yuǎn)明和同事們在海拔4600米的昆侖山隧道采巖樣，高海拔地區(qū)本身缺氧，加上隧道沒打通，通風(fēng)條件差，缺氧更加嚴(yán)重，深入隧道的賴遠(yuǎn)明頓感頭痛劇烈，呼吸異常困難，堅(jiān)持了兩小時后，被同行人員送下山，一路嘔吐不止?！爱?dāng)時高原反應(yīng)很嚴(yán)重，但是想著進(jìn)來一次不容易，還是堅(jiān)持把樣本采完。那次回來后，落下了后腦勺疼的病根，治了兩三年才好轉(zhuǎn)。”賴遠(yuǎn)明說。

經(jīng)過多次的實(shí)地勘探和細(xì)致的試驗(yàn)研究，賴遠(yuǎn)明根據(jù)凍土物理學(xué)和凍土力學(xué)基本理論，反復(fù)研究了凍害對隧道的破壞機(jī)理，建立了凍土隧道氣—固—水分遷移耦合問題的對流換熱與圍巖相變傳熱模型，攻克了沿隧道不同進(jìn)深洞內(nèi)氣溫及圍巖凍融變化特征的計(jì)算難題，解決了青藏鐵路風(fēng)火山隧道、昆侖山隧道襯砌和保溫措施的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，消除了凍脹和融化對這兩座凍土隧道的破壞作用。自2002年勝利貫通以來，這兩個隧道目前已經(jīng)服役18年，沒出現(xiàn)任何問題。2005年，該成果和其團(tuán)隊(duì)完成的寧張公路大坂山隧道的成果一起獲國家科技進(jìn)步二等獎。

凡此種種困難都無法阻止賴遠(yuǎn)明繼續(xù)做科研的決心，高原凍土研究是一塊必須啃下來的硬骨頭！賴遠(yuǎn)明經(jīng)常說是青藏鐵路給了他報效祖國的機(jī)會，他說：“我們剛好是趕上了修青藏鐵路的機(jī)會，為國家做一點(diǎn)微薄的貢獻(xiàn)，我們跟學(xué)生說要把SCI論文發(fā)到國際一流的雜志上，但是我們更要解決工程中的實(shí)際問題，把我們的SCI寫到祖國的大地上?！?/p>

2008年，南方有所大學(xué)招聘副校長，他們向賴遠(yuǎn)明許諾，只要他愿意回去，即使沒有招聘上，也會給他安排同等待遇的職位。就此回去嗎？回到南方？不但離家近，而且待遇也提高了不止一個檔次，這意味著能夠得到更雄厚的資源支持和更美好的發(fā)展前景……

這種機(jī)會一生可能就只有這么一次。當(dāng)時，“孔雀東南飛”的趨勢正盛，離開大西北，轉(zhuǎn)向東南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)成為不少科研人員的選擇。可是，賴遠(yuǎn)明卻做了一個令人意想不到的決定：留下來！繼續(xù)做凍土研究。“南方?jīng)]有凍土，一旦去了那里，我的學(xué)術(shù)研究將不完整、不系統(tǒng)”，賴遠(yuǎn)明堅(jiān)定地說，“學(xué)術(shù)方面的成績要有系統(tǒng)性，東一榔頭西一棒槌不是系統(tǒng)的成果，如果要成功還是要堅(jiān)持?！?/p>

回首科研之路，賴遠(yuǎn)明始終沒有忘記國家給予過他的各種幫助：“上大學(xué)時，免除了我所有學(xué)費(fèi)和醫(yī)療費(fèi)用，國家每個月還給我21元助學(xué)金，讀研究生時每個月能領(lǐng)到57元助學(xué)金。”何以報國？賴遠(yuǎn)明用他的實(shí)際行動書寫著愛國情懷，“養(yǎng)兵千日用兵一時，希望我可以一直為國家科技事業(yè)沖鋒陷陣?！?/p>

“即便天上掉餡餅，也會砸到早起的人頭上”

2006年，青藏鐵路全線建成通車，茫茫的雪域高原上，火車像一條巨龍般飛馳在世界的第三極，吸引了全世界的目光。當(dāng)年8月，一次國際凍土學(xué)術(shù)會議在蘭州召開，賴遠(yuǎn)明作為青藏鐵路凍土工程研究的主要參與者，帶領(lǐng)外國專家乘車體驗(yàn)青藏鐵路。

當(dāng)列車員介紹工程克服凍土難題的情況時，賴遠(yuǎn)明再也抑制不住自己的淚水，“聽到這些成果，我很自豪！”

沒有人知道賴遠(yuǎn)明為青藏鐵路的順利修建付出了多少努力。

在凍土區(qū)修建鐵路，傳統(tǒng)保護(hù)凍土的方法是設(shè)置保溫材料，“就好像為了保證冰棍兒不融化，給它蓋上一層棉被保冷?！辟囘h(yuǎn)明解釋說，但用這種方法保溫的冰棍兒早晚還是要化掉。而且青藏高原的多年凍土大多屬高溫凍土，極易受工程的影響產(chǎn)生融化下沉。因此，青藏鐵路的設(shè)計(jì)思路要從“被動保溫”轉(zhuǎn)為“主動降溫”。時任國際凍土協(xié)會主席的程國棟院士提出“主動冷卻路基”的方法，但主動冷卻路基如何修建？從理論分析到試驗(yàn)數(shù)據(jù)在國內(nèi)外凍土工程學(xué)研究中都是空白。這意味著一切都要從零開始，賴遠(yuǎn)明則主動承擔(dān)起了填補(bǔ)這一空白的使命。

“降低凍土層溫度，就能解決凍土凍脹和融化難題。”沿著這一思路，2002年起，賴遠(yuǎn)明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始技術(shù)攻關(guān)。為了解決青藏鐵路路基溫度場的計(jì)算問題，賴遠(yuǎn)明應(yīng)用伽遼金法導(dǎo)出了多孔介質(zhì)對流換熱的有限元公式，分析出在年平均天然地表溫度大于-1℃的地區(qū)，傳統(tǒng)道渣路基以下5米內(nèi)的凍土將會融化，路基將產(chǎn)生較大的融沉。而拋石路基除了能抵消氣候變暖的影響外，還能對路基下的凍土制冷，保證凍土路基的熱穩(wěn)定，不至于使凍土融化。以該種路基作為青藏鐵路高溫凍區(qū)的路基結(jié)構(gòu)，將能最大限度地保護(hù)凍土區(qū)的鐵路路基。

這些前期研究證明了碎石層有降溫的效果，但是碎石層的降溫機(jī)理是怎么樣子的，什么樣的粒徑降溫效果最好，路基結(jié)構(gòu)是怎么樣子的？并沒有明確答案。之前道路工程的碎石粒徑在0.5到30厘米之間，施工隨意性和降溫誤差都比較大。有沒有一個粒徑拐點(diǎn)，降溫效果能否達(dá)到最佳匹配？只有通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能解答。

一共16組樣品，從5厘米到30厘米分組測試，一組一組地篩查，持續(xù)的模型試驗(yàn)……日拱一卒無有盡，功不唐捐終入海。從2003年開始，經(jīng)過200多天的模擬試驗(yàn)，賴遠(yuǎn)明終于找到了理想的碎石粒徑——22厘米。

不僅如此，賴遠(yuǎn)明還通過在傳統(tǒng)土方路基上填筑塊碎石路基再鋪以土方路基的“肉夾饃”結(jié)構(gòu)的方法，在兩側(cè)鋪上塊碎石護(hù)坡形成U形路基，成功解決了凍土保冷問題，這一措施還能確保未來50年青藏高原氣溫在上升2.6攝氏度情況下，路基依然能保持穩(wěn)定。如果不用這種結(jié)構(gòu)，而選擇架橋鋪設(shè)鐵路的話，每鋪設(shè)1公里鐵路，就要多付出2000多萬元的成本。

在多年的凍土研究中，賴遠(yuǎn)明逐漸向科學(xué)界展現(xiàn)出了一派生機(jī)勃勃的未來圖景，他和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在凍土領(lǐng)域掌握了20多項(xiàng)的專利，節(jié)約投資20多億元。這些技術(shù)和工程措施已經(jīng)應(yīng)用在寒區(qū)的公路和水庫施工中。堅(jiān)持不懈，凍土研究終于也成為了科研熱土。

2008年，“青藏鐵路工程”榮獲國家科技進(jìn)步特等獎，賴遠(yuǎn)明是獲獎人之一。這便是對他和團(tuán)隊(duì)最好的獎勵。這個和青藏高原一樣純凈簡單的人，用他的赤子之心表達(dá)著最為誠摯的愛國之情，一次次地向?qū)W術(shù)高峰發(fā)起沖擊。

2011 年，賴遠(yuǎn)明當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。他語重心長地說：“我感到肩上責(zé)任更大了，能為國家的科技進(jìn)步、人才培養(yǎng)及國家的建設(shè)盡自己的綿薄之力，是我作為科研工作者最大的心愿與永恒追求的目標(biāo)?！?/p>

賴遠(yuǎn)明常說奶奶教給他一句話，“即便天上掉餡餅，也會砸到早起的人頭上”。就是這樸素的話語激勵著賴遠(yuǎn)明始終保持著旺盛的精力和高漲的科研熱情，每天半夜12點(diǎn)睡覺、早上6點(diǎn)起床，步行到公園晨練，8點(diǎn)準(zhǔn)時進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室成為了賴遠(yuǎn)明雷打不動的生活習(xí)慣。

從事凍土研究整整25個春秋，賴遠(yuǎn)明用他勤奮的求學(xué)精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度、熱忱的報國情懷、崇高的個人品質(zhì)，時時刻刻都在講述著新時代下一個科學(xué)家的品格和根底。談及未來，他說：“現(xiàn)在，我還在繼續(xù)研究在凍土地區(qū)修高速公路、高速鐵路的相關(guān)課題。將來能達(dá)到什么高度，并沒有太多設(shè)想，不斷地做就好?！?/p>

心系凍土，熱血難涼，賴遠(yuǎn)明永遠(yuǎn)在路上。

賴遠(yuǎn)明，男，漢族，58歲，中共黨員，博士，中國科學(xué)院院士。中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院院長，研究員，博士生導(dǎo)師。

長期以來,賴遠(yuǎn)明院士在寒區(qū)工程理論研究和應(yīng)用方面取得了一系列創(chuàng)新性成果。提出了凍土的強(qiáng)度準(zhǔn)則，建立了凍土的多屈服面、非關(guān)聯(lián)的廣義彈塑性本構(gòu)模型和凍土蠕變損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型；研究了塊碎石層的降溫效果及降溫機(jī)理,建立了塊碎石類路基流體-固體耦合傳熱溫度特性分析的數(shù)學(xué)模型，研發(fā)了具有多級降溫機(jī)制的U形塊碎石路基和通風(fēng)管－塊碎石復(fù)合路基等“主動冷卻路基”的結(jié)構(gòu)新形式，為青藏鐵路凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了重要的科技支撐；建立了寒區(qū)隧道氣-固-水分遷移耦合問題的對流換熱與圍巖相變傳熱模型，較好地解決了沿隧道不同進(jìn)深洞內(nèi)氣溫及圍巖凍融變化特征的計(jì)算難題，提出了寒區(qū)隧道防凍害的綜合技術(shù)措施，消除了凍脹和融化對隧道的破壞作用，為同類工程的修建提供了科學(xué)依據(jù)和成功范例。

他曾先后獲“國家科技進(jìn)步二等獎（2005），特等獎（2008）和 “創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎”（2017）”，國家技術(shù)發(fā)明二等獎(2010)，“何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎”(2014)。曾獲“全國優(yōu)秀科技工作者” （2005）和“全國先進(jìn)工作者”（2010）等榮譽(yù)稱號，享受國務(wù)院特殊津貼。

參考文獻(xiàn)：

1. 張聞：《賴遠(yuǎn)明：青藏鐵路給了我報效祖國的機(jī)會》，央廣網(wǎng)，2015年5月25日；

2.李琛奇陳發(fā)明：《“挖山不止”的凍土專家——記中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所副所長賴遠(yuǎn)明》，《經(jīng)濟(jì)日報》，2015年5月25日 01版；

3.杜英唐琴：《賴遠(yuǎn)明：高原凍土不了情》，《科技日報》，2015年5月25日 04版；

4.趙展慧：《讓鋼軌在凍土上延伸》，《人民日報》，2015年5月25日 04版；

5.《與青藏高原凍土結(jié)緣20載》，《光明日報》，2015年5月24日 01版；

6.張文靜：《解碼高原凍土難題的“魔法師”——記中科院院士賴遠(yuǎn)明》，新華社，2015年5月24日；

7.劉曉倩王進(jìn)東：《賴遠(yuǎn)明：破凍土難題創(chuàng)天路奇跡》，《中國科學(xué)報》，2015年6月26日第5版人物；

8.《賴遠(yuǎn)明：龍南客家山村走出的院士》，龍南縣政府網(wǎng)

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

2012年10月29日；

9.劉小艷吳俊山：《從平凡中見證偉大———走近青年科學(xué)家賴遠(yuǎn)明》，《發(fā)展》，2004年第5期/總第163期，29-30；

10.《凍土彈粘塑性動力學(xué)理論的創(chuàng)造者——賴遠(yuǎn)明》，《科協(xié)論壇》，2005年；

11.李曉明：《賴遠(yuǎn)明：將生命融入“凍土”》，《科學(xué)新聞》，2014年8月刊，46-47