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与此同时，为了检验多年冻土地段工程设计理论、工程措施的适应性和可靠性，更好地指导全线工程的设计、施工，2001年在铁道部的主持下，中国科学院、铁道部科学院、中铁西北科学院和有关高校200多名科技术人员，在昆仑山、风火山隧道和清水河、北麓河、沱沱河5个冻土工程试验段开展了39个课题的施工先期试验，内容涉及新技术、新工艺、新材料等各个方面；对路基、桥涵、隧道3大项和9大类工程试验研究课题有了初步结论，验证了部分设计和工程措施的有效性，并广泛地加以应用。
几十年的不懈努力，奠定了坚实的冻土学理论基础。中国冻土科学开创性的研究成果，已经跻身世界先进行列。中国科学院寒旱所研究员吴紫旺认为，几十年来，他们对青藏铁路沿线冻土研究最大的成绩之一是，基本摸清全线多年冻土分布与特征及其工程地质性质，正确提出划分沿青藏铁路的不同冻土地温区。
多年冻土年平均地温是多年冻土热稳定性的重要标志，以多年冻土年平均地温为基础，将青藏铁路多年冻土区划分为四个地温分区：高温极不稳定冻土区（0℃≥TCP≥－0。5℃）；高温不稳定冻土区（－0。5℃≥TCP≥－1℃）；低温基本稳定冻土区（－1℃≥TCP≥－2℃）；低温稳定冻土区（TCP≤－2℃）。根据冻土含冰量以及工程性质不同，把多年冻土分为低含冰量冻土（少冰、多冰）和高含冰量冻土（富冰、饱冰、含土冰层、厚层地下冰）。
中国科学院院士程国栋说：经过几十年、几代人的前赴后继，青藏铁路的技术问题已经基本解决，关键的冻土难题，已经从试验和理论上找到了它的规律性和特殊性。多年的技术积累和沉淀，国家经济实力的增强，大批专业技术人才的成长，终于等来了青藏铁路（格拉段）破土动工这一天。
与俄罗斯西伯利亚、美国阿拉斯加的多年冻土有很大不同；青藏高原的多年冻土大多属于高温冻土；极易受工程的影响产生融化下沉。近年来；青藏公路沿线的冻土变化已经被诸多的研究结果所证实：上世纪70年代到90年代；青藏公路沿线的季节冻土、融区及岛状多年冻土区的地温升高了0。3…0。5℃；连续多年冻土区年平均地温长高了0。1…0。3℃。年平均地温在0…0。5℃的地温带中；冻土正在迅速变暖和变薄；多年冻土消失速度较快。青藏铁路冻土区的起点——西大滩一带；年平均地温上升了约0。2…0。3℃。惊仙谷多年冻土下限在20年间上升了10…15米；年平均地温已经上升了0。5…0。8℃。20年里；青藏高原的冻土在天然状态下北界向南退化了0。5…1。0公里；南界向北退化了1…2公里。而在多年冻土分布的南北界；公路两侧50米范围内和路基下；冻土的退化速率明显高于天然条件。在工程作用下；多年冻土的北界已经向南退化了约5…8公里；南界则向北退化了约9…12公里。
在全球气候转暖的背景下；对于青藏铁路来说；冻土退化、年平均地温升高、地下冰融化、多年冻土厚度减薄等因素；都会直接影响和威胁铁路路基、桥涵、大中桥梁地基、旱地基等工程的稳定性。IPCC（全球气候变化国际间政府合作组织）2001年发布的预测报告称；“全球表面温度预计在1990…2100年间升高1。4…5。8℃”。青藏高原更是全球气候变化的“启动器”和“放大器”；其升温将高于全球平均值。如果以青藏高原未来50年气温升高2℃来预测；对于多年冻土年平均地温为0…0。5℃；…0。5…1。0℃的极不稳定地温带；特别是这些地温带中的高含冰量地段；多年冻土将会退化乃至消失；从而引起路基塌陷、桥基失稳。因此；高温冻土加温室效应；使青藏铁路的修筑面临着双重挑战。
在青藏铁路的最初设计中，铁路路基工程主要是采取阻挡外界的热量进入路基，保护多年冻土的上限不下降的被动保护冻土的措施。所以，在完成的可行性研究中，大量使用了保温材料和通风管。
“那个方法（铺设保温材料）就好像过去老太太卖冰棍时给冰棍盖上一条棉被，虽然有效，但时间长了，冰棍还是会化的。”程国栋做了这样的比喻。“保温材料是双刃剑，在阻止冷空气散发的同时，也阻隔了冷空气的进入。”
随着工程实践的不断积累，对冻土工程认识的不断加深、研究，设计人员经历了一个实践、认识，再实践、再认识的渐进过程。为了应对高温冻土和全球变暖的严峻挑战；必须改变以往一直沿用的消极被动保护冻土的措施；采用积极主动的保护冻土措施；即“冷却地基”的办法：减少传入地基土体的热量；以保护冻土的热稳定性为核心；达到保护的热量；以保护冻土的热稳定性为核心；达到保护路基工程和其他铁路工程结构物稳定的目的在考虑全球气温升高对青藏高原影响的背景下，青藏铁路建设总指挥部专家组组长、中国科学院冻土工程国家重点实验室博士生师张鲁新结合水害、沙害和一些次生病害工程设计措施效果的观测分析，编集了近十万余字资料，写出了“全球气温变化背景下青藏铁路现有工程结构和工程措施可靠性分析”的报告。和设计单位共同总结，对冻土设计思想深入反思，使建设管理、施工与设计同步实现了“三大转变”，即设计和施工紧密结合，在设计和工程实践中不断深化对冻土的认识，促使设计工作实现了从静态设计到动态设计的转变；密切注视国内国际对全球性气候变化的研究动态，紧密结合青藏铁路冻土区气温变化的相应过程的研究实践，深入研究冻土对气候变化的响应特点，在设计工作逐步实现工程结构和工程措施从单一到综合的转变；在总结过去研究成果和两年来工程实践基础上，结合冻土试验工程的阶段研究成果，贯彻“冷却地基土体、减少传入冻土的热量”技术路线，在工程结构和工程措施的选取中，实现从被动措施向主动措施的转变。
“对于冻土的认识是逐步深入的。”张鲁新说，“比如当初对于厚层地下冰的斜坡湿地，我们认为采用块石通风护道填筑，就能保证工程的安全。后来，随着认识水平的提高，考虑到全球气温升高的背景，我们全部改为以桥代路。通过工程实践，加上反复的现场调研与设计回访，实事求是地分析和解决现场存在的问题，我们积累了大量的工程实践经验，进而提出了‘三个转变’的设计原则与思路。”为了在青藏铁路建设实践中培养更多的冻土技术人才，张鲁新在青藏铁路工地招收了12名博士研究生，发挥他们的骨干带头作用，有力地推动了冻土攻坚。
一般而言；多年冻土建筑物地基的设计原则可以归纳为三个：其一；保护冻土设计原则；使多年冻土地基在建设过程和建筑物营运的整个时期保持冻结状态；其二；允许融化设计原则；即设计时充分考虑多年冻土地基的营运过程中可能发生的融化程度；或者在建设开始前就采用人工手段；将多年冻土融至预定深度；第三；融化速率设计原则；即经过精确的计算；允许多年冻土地基在营运过程中按一定速率融化。目前；青藏铁路建设应用得最为广泛的一个方法是“保护冻土”。依照这一原则；不但可以克服冻土融化下沉的问题；而且充分利用了冻土材料强度高于融土的特性。
根据多方面的研究成果，专家们总结出了不同冻土地温带的青藏铁路工程设计原则，广泛借鉴和吸收国内外成功经验，创造性地采取了解决冻土施工难题的相应对策：对于不良冻土现象发育地段、线路尽量绕避；对于高温极不稳定冻土区的高含冰量地质，采取“以桥代路”的办法；在施工中采用了热棒、片石通风路基、片石通风护道、通风管路基、铺设保温板等多项设施，提高冻土路基的稳定性。
青藏铁路现有的冻土工程措施，从其工作原理上可分为三类。一是调控辐射措施，即在路基顶部和路基边坡铺设遮阳棚、遮阳板，减少到达地面的太阳辐射。二是调控对流措施，即通过路基结构形式强制土体产生对流效应，有效利用自然冷能资源来保护多年冻土，如片石通风路基。三是调控传导措施，路基铺设保温材料、热棒（桩）、加高路基高度等措施，改变土体热传导过程。
在青藏铁路工地，你会看到有一种特殊的铁路路基，即在土路堤底部填筑一定厚度片石，上面再铺筑土层的路基。这种多孔隙的片石层通风路基是效果较佳的保护冻土方法，好似散热排风扇，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到了冷却作用，能降低地基土温度0。5℃以上。青藏铁路片石通风路基长达111公里。
以桥代路措施是目前最可靠的方法，桥梁桩基深入地层二三十米，即使地面冻土有大的变化，也不会对铁路造成威胁，能有效地抵抗未来温度升高的影响。
在青藏铁路清水河实验段，两排直径约15厘米、高约2米的“铁棒”插在路基两旁。这些铁棒就是热棒。热棒又叫无芯重力式热管、热虹吸管，它是一种高效热导装置，具有独特的单向传热性能：热量只能从地面下端向地面上端传输，反向不能传热。可以说是一种不需动力的天然制冷机。根据在青藏铁路清水河地段进行的热棒技术试验结果，以及国外应用热棒技术的现状分析，热棒技术在解决青藏铁路建设冻土问题中达到了满意效果，通过热棒技术冷却青藏铁路路基、增加路基冷储量是可行的。热棒在冻土病害维修方面比较实用，在铁路路基出现冻土病害时，使用热棒可以很快起到“药到病除”的效果，所以专家称之为冻土工程的“青霉素”。大规模使用热棒后可以保持青藏铁路沿线多年冻土处于良好的冻结状态。
与此同时，以程国栋等