生命禁区的“天路”守护者 ——中交一公院冻土区道路灾害研究走在世界前列
2017年7月，应用了多年冻土公路工程实体工程监测系统的共玉高速公路正在施工。资料图片
本报记者 侯燕妮
当你走进中交第一公路勘察设计研究院有限公司（简称中交一公院）的办公楼，首先映入眼帘的是“特别能吃苦、特别能战斗、特别能奉献、特别能创新”20个大字。在这种精神的鼓舞下，中交一公院的三代科研人员，历经40年的艰苦奋斗，在高寒缺氧的生命禁区，用智慧和汗水谱写出一曲“天路”传奇。
2017年8月，青海省共和至玉树高速公路正式通车运营。修路难，养护更难。在共玉高速公路建设前，中交一公院便瞄准解决高海拔高寒环境下多年冻土区公路工程运行状态监测及灾变预警这一世界性技术难题，深入研究以突破重大公路冻土工程为对象的全区域、长距离、多目标系统监测与预警技术，建成了国际上独一无二的多年冻土公路工程实体工程监测系统，为共玉高速公路顺利通车提供了重要支撑，开创了国际冻土公路工程研究新领域。
1 一路风尘一路歌
青藏高原有世界上中、低纬度地带海拔最高、面积最大的多年冻土区，冻土面积达150万平方公里，占我国多年冻土总面积的70%以上，给公路修建、病害监测及灾变预警带来巨大挑战。
中交一公院工程技术研究院院长张娟介绍说：“冻土公路的病害有受温度影响大、病害的发生较隐蔽、造成经济损失大三个显著特点，这都需要我们做好监测工作。”
然而，传统的传感技术系统易受环境干扰，寿命较短，点式传感器很难监测整体结构状态，对于距离长、规模大的工程，系统的复杂程度和成本会急剧增加，使系统长期稳定地运行面临严峻考验。复杂多变的地质条件、多年冻土热不稳定性和病害机理的复杂性，使得如何成功实施多年冻土区公路灾变预警至今仍是世界性难题。
“我们同事之间相互打招呼经常会问，你最近上青藏路没？对我们来说，高原就是办公室。”张娟笑着说，道路检测项目时间紧，工作条件差，大家需要常在工地奔波，日晒雨淋、风餐露宿更是常事。张娟团队每年必去的青藏公路，有两首民谣道出了那里环境的艰苦：“天上无飞鸟，风吹石头跑，四季穿棉袄，氧气吃不饱”“上了五道梁，难见爹和娘”。剧烈的高原反应，考验着研究人员的毅力。“有一次，我出现了严重的高原反应，呕吐不止、呼吸急促，差点就下不来了！”回忆起当时的情况，张娟至今还有些后怕。
2 三大创新成果直击症结
2013年，院里决定由张娟主持国家科技支撑计划课题“高海拔高寒地区高速公路工程构筑物灾变监控体系及预警预报系统”，为逐步实现高海拔高寒地区高速公路工程构筑物灾害监测数据管理与预警的信息化、网络化，为减灾、防灾与应急救援提供科学依据和快速高效的手段，支撑我国重大工程建设。
5月14日，记者见到了张娟。她给人的第一印象是干练利落，高原的风霜雨雪似乎并未在她身上留下痕迹。我们的话题就围绕着这项课题的攻克展开。
面对高寒地区地广人稀、低温缺氧、工程距离长等现实问题，围绕低温环境下的先进传感、多年冻土区公路工程构筑物监测体系和灾变预警等技术难题，张娟带领团队采用光学、计算机科学、通信技术、道路工程、岩土力学等多学科交叉的方法，通过自主研发与集成创新，取得了三大系列创新成果。
创新成果一：发明了低温环境下长距离高精度分布式布里渊光纤传感技术，实现了测量距离和空间定位精度的技术突破，综合性能达到国际领先水平。该成果基于所发明的光纤传感技术能够全尺寸、连续式揭示结构信息的独特优势，实现了对路基路面和桥隧工程构筑物的全面监测，从根本上解决了传统点式监测技术难以识别大范围、大型构筑物整体信息的难题。目前，该成果正在进行产业化推广。
创新成果二：建立了多年冻土区公路工程病害评价及预警技术和理论，系统构建了基于监测的路基病害预测模型和灾害预警技术，提出了多年冻土区梁桥安全评定和预警标准，填补了该领域技术空白。
创新成果三：首次构建了国际上独一无二的冻土区公路病害监测体系和数据平台。该团队开发了集地质环境、结构信息、病害监测信息、灾害预警模型为一体的冻土区公路工程灾害信息管理与决策支持系统；构建了包括地形地貌、路基断面结构、冻土分布、工程地质、地温与变形观测、道路及桥隧病害、灾变预警等模块的数据平台。
“在多年冻土研究领域里，中交一公院的大多数成果都处于国际领先地位，在冻土公路工程监测方面也走在国际前列。”张娟自信地说。
3 先进成果造福世界
2017年2月27日，在由知名专家组成的验收会上，大家对“高海拔高寒地区高速公路工程构筑物灾变监控体系及预警预报系统”课题给予了高度评价。他们一致认为，本研究通过理论分析、数值模拟、室内实验和实体工程试验，采用多学科交叉理论，取得了系列创新性成果，对同类工程具有重要的借鉴作用，具有广阔的应用前景和推广价值。
目前，项目成果已主要应用于共和至玉树高速公路、成都至香日德公路花石峡至大武段、青藏公路等多年冻土区重大工程中，极大地降低了多年冻土区公路病害率，减少了维修费用，降低了运营成本，保障了工程的健康运行。“我们对青藏公路实施全线监测，及时发现冻土病害，并采取养护措施，使得青藏公路10年内无大修。对比以前3年至5年就要大修一次的情况，该成果累计节约资金4亿元。”张娟举例说。
西藏自治区公路局青藏公路分局将多年冻土路基监测与预警系统成功应用于青藏公路格尔木至安多段。该系统有力地支撑了多年冻土区公路工程构筑物的安全运营和养护管理，使得原来反复出现的道路病害得到了及时处治，极大提高了青藏公路多年冻土区路基路面的稳定性和耐久性，减少了维养投资。同时，道路行驶的舒适性和安全性得到很大提高，保障了西藏地区生活物资和军事物资的及时供应，取得了明显的经济和社会效益。
中交一公院负责人表示，这项研究成果及其理论、方法和关键技术可直接应用于我国高原公路建设，对提升青藏公路交通运输能力、促进西部边疆地区经济社会发展、带动行业技术进步等方面将发挥显著的支撑作用。同时，该成果可应用于“一带一路”沿线多年冻土区交通基础设施建设，对于保障大型工程的安全运营、服务我国重大发展战略具有重要意义。
“冻土公路和普通公路最大的区别在于永远处于变化中。这意味着我们要在运行中研究、在研究中运行，让它的状态时刻处在可控范围之内。将来，冻土技术的进步和监测是密不可分的，甚至监测技术的进步会推动冻土工程的良性发展。”张娟说，青藏公路有“国际冻土研究领域的博物馆”之称，随着科技的快速发展和各方面条件不断完善，他们将继续行走在冻土区，守护高原“天路”的健康。
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