青藏铁路作为连接经济区发展的重要工程，在建设之初就考虑到很多问题。高原地区建设铁路的难度对于工人来讲自然是缺氧环境带来的痛苦，另一方面高原气候昼夜温差大，高海拔地区的土层还会带来另一个问题。
主要的问题集中在后期的维护方面，乘坐过青藏铁路的人肯定都看到过铁路两旁的热棒，这些热棒插入土中如同守护在青藏铁路两旁的禁卫军。热棒在青藏铁路附近大约有1.5万根，但它们的作用可不像看上去这么简单。
青藏铁路的热棒
事实上这是维护青藏铁路的主要手段，并且在相关的维护工作中大有裨益。那么这些热棒的具体作用是什么呢？为什么青藏铁路需要这么多热棒来维护铁路？它们又是如何工作的？而其他铁路为何不需要这些热棒来维护？
文章将从热棒铁路维护、冻土保护这两个方面来解答这些问题，接下来一起看看这群大有用途的“禁卫军”是如何保护铁路的吧。
高原地区的冻土土层
在正式解答热棒的作用之前，我们先聊聊关于冻土的概念。这是一种在物理层面风化强烈，表面具有海绵状多孔结皮层的土壤。一般来讲，这样的土壤在低温地区会出现冻结现象，并长期保持冻结状态。
如果是多年冻土则可以被分为上下两层，上层主要是冬冻夏融的活动层，而下层则是多年不融的永冻层。因此就土壤状态来看，活动层最为活跃，其表现状态分为两种。两种活动状态一般跟随季节变化而变化，例如冬季气温较高，夏季融化到一定厚度，冬季再冻结的季冻层下面便会出现一个未冻结的融化区。
冻土的结构分解图
通常来讲，冻土不会太厚，土层厚度一般不足50厘米。但因为冻土的土壤冻结情况不同，因此存在较大的水分差异。对于冻土来讲，土层和岩层中的水反复冻结和融化会引起土体和岩体之间的破坏、扰动等等，甚至会产生变形和位置运动。
从分布情况来看，冻土主要分布在高海拔地区，世界最知名的冻土地区例如西伯利亚，这里就有很多冻土，而且多为永冻土层。另外在欧亚大陆北部、北美大陆北部地区的许多地方都有冻土分布，而中国的冻土从地理位置来看，自然就是西部高山区以及青藏高原地区了。
高原地带的冻土层
高原冻土的存在或许是铁路建设干扰最大的因素，由于这种0℃以下、含有冰的各种岩土和土壤在冻结和融化的过程中具有各种相变，而这些相变过程实际上是一种热传导的过程。正是因为这样，在冻土地区相关的道路建设过程中，开挖和填筑工程会使原天然地表与大气之间的热量平衡发生改变。
这种改变很可能会破坏原多年冻土的水热平衡状态，并且导致路基下部分的季节融化层深度发生变化，从而引发各种不良冻土现象，影响行车安全。因此我国在青藏铁路工程的建设期间，首先要考虑的便是铁路路基的稳定性相关影响因素。
相变过程的分解
冻土给铁路带来的影响
冻土的融化活动会严重危害铁路运行，冻土在活动过程中，水会出现凝结，由于水在冻结后体积会增加，土体的体积也会跟着膨胀，这被称为“冻胀”。国内专家通过实验调查表明，温度下降到-20℃以下时，冻胀压力值能达到211兆帕左右。
反复的冻结膨胀带来的直接结果就是铁路变形，或者路基上升或下沉。总体来讲，冻土的问题不解决，铁路就别想好好运行。青藏铁路线从安多自治区开始是一个重要的地理分界点，从这里向北上行550公里便是青藏高原地区连续多年的冻土区域。
多年冻土刚才我们也提到它对铁路修建的影响有多大，同时这也是一个世界性难题。为什么这么说？俄罗斯大家都知道有许多寒冷地带，贝加尔铁路、贝阿铁路作为西伯利亚两条主要铁路干线，其铁路病害率都在25%以上，特别是贝加尔铁路在运营了100多年后，铁路病害率超过了40%。
而我国早期的东北铁路线路也有不低的病害率，上世纪60年代在牙林线潮乌段，相关线路在4小时内发生路基下沉，并造成了严重的列车掉轨事故。
新修后的牙林线
国内早年的技术解决方案虽然简陋，但多少也能有所改善。解决冻土的相变问题就是关键所在，早期铁路会在路基部分增加土体热阻，减少进入土层下方的热量。
例如铺设块石、碎石等等，这些石块之间会形成间隙，然后在夏季形成屏蔽作用，冬季便会气流对流。很明显这是利用了气体优异的导热比来解决问题。不过这种办法过于老套，而且还不好维护。
正在铺设碎石的铁路
因此从上世纪70年代开始，国内专家便开始在高原地区进行相关考察，并通过多年的实验设计在风火山建立了第一个冻土下冰段实验路基。相关的实验成果其中就有热棒的设计，经过十多年的设计，热棒如今解决了高原冻土地区的路基融冻问题。
那么热棒的工作原理和整体设计是怎样的呢？
热棒的冷却作用
在我们了解完高原冻土铁路所面临的问题后，热棒的作用便很好理解了。它是一种“汽液两相”对流循环的导热装置，主要由一根密封管连接整个棒体，管内会填充一定量的化学液体，例如氮、氟利昂、二氧化碳、丙烷等。
铁棒的顶部主要由散热片组成冷凝器，大致原理和汽车中的冷凝器一样，下端部分为蒸发器，里面包含有化学液体，热棒中间部分为绝热段。当冷凝器温度与蒸发器之间出现温差时，蒸发器内部的化学液体便会吸收热量减少而蒸发。
热棒的结构图
同时，由于压差作用，蒸汽会在冷凝器顶部汽化，通过散热片散发热量，而相关的化学液体随着冷凝作用形成液珠。最后在重力的作用下，液珠沿着管道内壁回流至蒸发器。整个工作过程会反复循环进行，从而将冻土中的热量带走达到降温的效果。
从原理上讲，冷凝器温度高于蒸发器时，对流便会停止，热棒就会停止工作。空气优秀的传导效果可以将冷却效果传递至冻土中，这种有效的控制手段能够让路基冻土长期保持在冻结状态。
热棒的基本工作原理
有人或许会担心热棒是否会反向导热，其实这点担心完全是多余的。热管外壁的隔热层会阻碍上端热量传递，从整体来讲它实际上是一种单向导热，因此不会反向导热。
除此之外，以前的老办法也仍在使用，并不是说只要有了热棒就不再需要其他保护措施了。而工人们在铺设路基的时候还会在中间结构放置通风管路堤，由于空气导热能力比土壤低，这些管道能够起到隔热效果。另外这些管路堤还会在土壤内部形成空气对流，进一步降低土壤温度。
通风管的工作原理
正是有了这一系列的保护措施，我国青藏铁路才能长期安全运营至今，所以说热棒是铁路的“禁卫军”也没有问题。我们在感受青藏铁路美景的同时，更不要忘了那些辛勤工作，付出劳动心血工作在一线的科研工作者和工人们，高原铁路建设离不开他们，未来的道路也会愈加畅通。
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