青藏鐵路
作為
連線經濟區發展的重要工程，
在建設之初就考慮到很多問題。高原地區建設鐵路的難度對於工人來講自然是缺氧環境帶來的痛苦，另一方面高原氣候晝夜溫差大，高海拔地區的土層還會帶來另一個問題。
主要的問題集中在後期的維護方面，乘坐過青藏鐵路的人肯定都看到過
鐵路兩旁的熱棒，
這些熱棒插入土中如同守護在青藏鐵路兩旁的禁衛軍。
熱棒
在青藏鐵路附近大約有
1.5萬根
，但它們的作用可不像看上去這麼簡單。
青藏鐵路的熱棒
事實上這是
維護青藏鐵路的主要手段，
並且在相關的維護工作中大有裨益。那麼這些熱棒的具體作用是什麼呢？為什麼青藏鐵路需要這麼多熱棒來維護鐵路？它們又是如何工作的？而其他鐵路為何不需要這些熱棒來維護？
文章將從熱棒鐵路維護、凍土保護這兩個方面來解答這些問題，接下來一起看看這群大有用途的“禁衛軍”是如何保護鐵路的吧。
高原地區的凍土土層
在正式解答熱棒的作用之前，我們先聊聊關於
凍土
的概念。這是一種
在物理層面風化強烈，表面具有海綿狀多孔結皮層
的
土壤
。一般來講，這樣的土壤在
低溫地區會出現凍結現象
，
並
長期保持凍結狀態。
如果是多年凍土則可以被分為上下兩層，上層主要是冬凍夏融的
活動層
，而下層則是多年不融的
永凍層
。因此就土壤狀態來看，活動層最為活躍，其表現狀態分為
兩種
。兩種活動狀態一般
跟隨季節變化而變化，
例如冬季氣溫較高，夏季融化到一定厚度，冬季再凍結的季凍層下面便會出現一個未凍結的融區。
凍土的結構分解圖
通常來講，凍土不會太厚，土層厚度一般不足50釐米。但因為凍土的土壤凍結情況不同，因此存在較大的水分差異。
對於凍土來講，土層和岩層中的水反覆凍結和融化會引起土體和巖體之間的破壞、擾動等等，甚至會產生變形和位置運動
。
從分佈情況來看，
凍土主要分佈在高海拔地區，
世界最知名的凍土地區例如西伯利亞，這裡就有很多凍土，而且多為永凍土層。另外在歐亞大陸北部、北美大陸北部地區的許多地方都有凍土分佈，而中國的凍土從地理位置來看，自然就是西部高山區以及青藏高原地區了。
高原地帶的凍土層
高原凍土的存在或許是
鐵路建設干擾最大
的因素，由於這種0℃以下、含有冰的各種岩土和土壤在凍結和融化的過程中具有各種
相變
，而這些相變過程實際上是一種
熱傳導
的過程。正是因為這樣，在凍土地區相關的道路建設過程中，開挖和填築工程會使原天然地表與大氣之間的熱量平衡發生改變。
這種改變很可能會
破壞原多年凍土的水熱平衡狀態，
並且導致
路基下部分的季節融化層深度發生變化，
從而
引發各種不良凍土現象，影響行車安全。
因此我國在青藏鐵路工程的建設期間，首先要考慮的便是鐵路路基的穩定性相關影響因素。
相變過程的分解
凍土給鐵路帶來的影響
凍土的融化活動會嚴重危害鐵路執行
，凍土在活動過程中，水會出現凝結，由於水在凍結後體積會增加，土體的體積也會跟著膨脹，這被稱為“凍脹”。國內專家透過實驗調查表明，溫度下降到-20℃以下時，凍脹壓力值能達到211兆帕左右。
反覆的凍結膨脹帶來的直接結果就是鐵路變形，或者路基上升或下沉
。總體來講，凍土的問題不解決，鐵路就別想好好執行。青藏鐵路線從安多自治區開始是一個重要的地理分界點，從這裡向北上行550公里便是青藏高原地區連續多年的凍土區域。
多年凍土剛才我們也提到它對鐵路修建的影響有多大，同時這也是一個世界性難題。為什麼這麼說？俄羅斯大家都知道有許多寒冷地帶，貝加爾鐵路、貝阿鐵路作為西伯利亞兩條主要鐵路幹線，其鐵路
病害率
都在25%以上，特別是貝加爾鐵路在運營了100多年後，鐵路病害率超過了
40%
。
而
我國早期的東北鐵路線路也有不低的病害率，
上世紀60年代在牙林線潮烏段，相關線路在4小時內發生路基下沉，並造成了嚴重的列車掉軌事故。
新修後的牙林線
國內早年的技術解決方案雖然簡陋，但多少也能有所改善。解決凍土的相變問題就是關鍵所在，
早期鐵路會在路基部分增加土體熱阻，減少進入土層下方的熱量。
例如鋪設塊石、碎石等等，這些石塊之間會形成間隙，然後在夏季形成遮蔽作用，冬季便會氣流對流。很明顯這是
利用了氣體優異的導熱比來解決問題。
不過這種辦法過於老套，而且還不好維護。
正在鋪設碎石的鐵路
因此從
上世紀70年代
開始，國內專家便開始在高原地區進行相關考察，並透過多年的實驗設計
在風火山建立了
第一個
凍土下冰段實驗路基。
相關的實驗成果其中就有熱棒的設計，經過十多年的設計，熱棒如今解決了高原凍土地區的路基融凍問題。
那麼熱棒的工作原理和整體設計是怎樣的呢？
熱棒的冷卻作用
在我們瞭解完高原凍土鐵路所面臨的問題後，熱棒的作用便很好理解了。它是一種
“汽液兩相”
對流迴圈的
導熱裝置
，主要由一根密封管連線整個棒體，管內會填充一定量的
化學液體
，例如氮、氟利昂、二氧化碳、丙烷等。
鐵棒的
頂部主要由散熱片組成冷凝器，
大致原理和汽車中的冷凝器一樣，下端部分為蒸發器，裡面
包含有化學液體，熱棒中間部分為絕熱段。
當冷凝器溫度與蒸發器之間出現溫差時，蒸發器內部的化學液體便會吸收熱量減少而蒸發。
熱棒的結構圖
同時，由於
壓差作用
，蒸汽會在冷凝器頂部汽化，透過散熱片散發熱量，而相關的化學液體隨著冷凝作用形成液珠。最後在重力的作用下，液珠沿著管道內壁迴流至蒸發器。整個工作過程會
反覆迴圈進行，
從而將凍土中的熱量帶走達到降溫的效果。
從原理上講，
冷凝器溫度高於蒸發器時，對流便會停止，熱棒就會停止工作
。空氣優秀的傳導效果可以將冷卻效果傳遞至凍土中，這種有效的控制手段能夠讓路基凍土長期保持在凍結狀態。
熱棒的基本工作原理
有人或許會擔心熱棒是否會反向導熱，其實這點擔心完全是多餘的。
熱管外壁的隔熱層
會
阻礙上端熱量傳遞，
從整體來講它實際上是一種
單向導熱，
因此不會反向導熱。
除此之外，以前的老辦法也仍在使用，並不是說只要有了熱棒就不再需要其他保護措施了。而工人們在鋪設路基的時候還會在中間結構放置通風管路堤，由於
空氣導熱能力比土壤低
，這些管道能夠起到隔熱效果。另外這些
管路堤還會在土壤內部形成空氣對流，
進一步降低土壤溫度。
通風管的工作原理
正是有了這一系列的保護措施，我國青藏鐵路才能長期安全運營至今，所以說
熱棒是鐵路的“禁衛軍”
也沒有問題。我們在感受青藏鐵路美景的同時，更不要忘了那些辛勤工作，付出勞動心血工作在一線的科研工作者和工人們，高原鐵路建設離不開他們，未來的道路也會愈加暢通。