“中—尼—印鐵路通道”線路設(shè)計(jì)及建設(shè)可行性分析

白 云, 石振明, 石雪飛

(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系， 上海 200092)

“中—尼—印鐵路通道”線路設(shè)計(jì)及建設(shè)可行性分析

白 云1, 石振明1, 石雪飛2

(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系， 上海 200092)

隨著我國(guó)“一帶一路”倡議的推進(jìn)，跨國(guó)運(yùn)輸通道的建設(shè)成為倡議實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而我國(guó)建設(shè)復(fù)雜地質(zhì)條件下跨國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)驗(yàn)尚不豐富。“中—尼—印鐵路通道”是一條途經(jīng)尼泊爾，連接中國(guó)和印度2個(gè)大國(guó)的運(yùn)輸通道，基于實(shí)地考察，分析該通道建設(shè)的必要性及建成后的效益，對(duì)線路進(jìn)行初步規(guī)劃，并總結(jié)該通道建設(shè)的難點(diǎn)： 鐵路軌道坡度大； 沿線區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜； 周邊基礎(chǔ)設(shè)施落后，施工條件惡劣； 大量深長(zhǎng)隧道以及大跨徑高橋梁； 環(huán)境以及氣候條件復(fù)雜。同時(shí)對(duì)沿線隧道以及橋梁的建設(shè)可行性進(jìn)行分析，并給出施工建議： 沿線隧道采用以TBM法為主、鉆爆法為輔的施工方法； 橋梁建設(shè)則因地制宜，根據(jù)不同區(qū)間的地質(zhì)特點(diǎn)，采用相應(yīng)的建設(shè)方法。

一帶一路； 中—尼—印鐵路通道； 線路設(shè)計(jì)； 可行性分析； 隧道； 橋梁

0 引言

近期我國(guó)“一帶一路”倡議實(shí)施的實(shí)體項(xiàng)目主要落地于交通、能源管線、電信、港口等基礎(chǔ)設(shè)施共建和互聯(lián)互通，致力于提高貿(mào)易和投資便利化程度，而我國(guó)建設(shè)復(fù)雜地質(zhì)條件下跨國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)驗(yàn)尚不太豐富。

南亞是建設(shè)“一帶一路”的重點(diǎn)方向之一，中國(guó)與印度的貿(mào)易關(guān)系是拓展南亞市場(chǎng)的關(guān)鍵。中國(guó)、尼泊爾、印度之間的地理位置關(guān)系見(jiàn)圖1，尼泊爾位于中印之間，與中國(guó)的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)交流由于喜馬拉雅山這道天然屏障而被阻隔。

中國(guó)與印度之間的貨物運(yùn)輸90%是通過(guò)海運(yùn)完成的。雖然位于中印邊境上的乃堆拉山口岸于2006年重新開(kāi)通，但由于貿(mào)易物品數(shù)量有限、輔助基礎(chǔ)設(shè)施較差、公路只有夏季才能開(kāi)通，使得該口岸的貿(mào)易額和貨運(yùn)量均十分有限。中國(guó)的大部分貨物是通過(guò)天津港或上海港運(yùn)輸?shù)接《让腺I(mǎi)港，反之亦然。雖然海運(yùn)運(yùn)輸能力較大，長(zhǎng)途運(yùn)輸成本較低，但運(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)，容易受臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)等極端惡劣天氣的影響，且中國(guó)廣大的西部與印度地理接壤，海運(yùn)將會(huì)無(wú)謂地增加運(yùn)輸時(shí)間和成本。

圖1 中國(guó)、尼泊爾、印度地理位置關(guān)系

尼泊爾作為一個(gè)內(nèi)陸國(guó)，其特殊的地理位置和地形導(dǎo)致了交通的極不便性。目前，中國(guó)與尼泊爾之間的貨運(yùn)主要通過(guò)中尼公路完成，因?yàn)樵摴吩谀岵礌柧硟?nèi)部分路況較差(見(jiàn)圖2)，在雨季時(shí)極易受滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的侵襲，致使事故頻發(fā)，且該公路的運(yùn)力也已接近飽和。因此，尼泊爾迫切需要一條通往中國(guó)和外界的便利通道，以解決目前面臨的困境。若穿越喜馬拉雅山脈的鐵路能從尼泊爾通過(guò)，在促進(jìn)中印貿(mào)易的同時(shí)，既能避免中印兩方爭(zhēng)議領(lǐng)土帶來(lái)的爭(zhēng)端，又能消除或緩解尼泊爾的貧困，實(shí)現(xiàn)三方共贏的良好局面。

圖2 中尼公路現(xiàn)狀

1 研究現(xiàn)狀

同濟(jì)大學(xué)白云研究團(tuán)隊(duì)[1]早在2012年就提出了“中—尼—印鐵路通道”的設(shè)想，規(guī)劃了3條線路(見(jiàn)圖3)，并實(shí)地考察了中線與東線的基本地質(zhì)情況。根據(jù)國(guó)家鐵路規(guī)劃，到2020年，會(huì)將拉日(拉薩—日喀則)鐵路延伸支線到吉隆口岸，成為日吉鐵路，共同成為中尼鐵路的中國(guó)路段(見(jiàn)圖4)。國(guó)家鐵路規(guī)劃的線路與圖3中的西線線路大致相同。

圖3 從日喀則到加德滿都的3條可行線路

圖4 中尼鐵路規(guī)劃路線(實(shí)線為已建部分，虛線為待建部分)

喜馬拉雅地區(qū)地形條件特殊，并且當(dāng)?shù)厝狈﹁F路建設(shè)的工程實(shí)例，無(wú)法提供同類工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。因此，在前期的可行性考察以及規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，實(shí)地踏勘必不可少。目前關(guān)于尼泊爾境內(nèi)的線路研究還較少，本文將初步規(guī)劃“中—尼—印鐵路通道”線路，并分析相關(guān)工程建設(shè)的可行性。

2 工程特征分析

通過(guò)實(shí)地考察，并調(diào)查沿線區(qū)域的地質(zhì)資料，總結(jié)“中—尼—印鐵路通道”工程建設(shè)5個(gè)主要特點(diǎn)，其中最為直觀的工程難點(diǎn)是如何在吉隆縣至吉隆口岸60 km不到的距離內(nèi)完成海拔下降1 400 m左右的線路設(shè)計(jì)，同時(shí)還要符合鐵路設(shè)計(jì)坡度的要求； 該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)，給工程的設(shè)計(jì)施工造成較大困難； 此外，沿線區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施條件落后，在山谷地區(qū)狹窄區(qū)間內(nèi)修建施工便道的難度也較大。

2.1大坡度鐵路軌道

吉隆縣海拔4 200 m，沿著吉隆藏布峽谷至吉隆鎮(zhèn)，海拔陡將至2 800 m，進(jìn)入尼泊爾境內(nèi)后海拔繼續(xù)下降，加德滿都海拔為1 400 m，沿線海拔變化幅度大。鐵路的坡度是有限制的，建議“中—尼—印鐵路通道”采用電力牽引，限制坡度15‰，加力坡30‰。吉隆縣城至吉隆鎮(zhèn)口岸目前僅有1條公路通道沿著吉隆藏布峽谷連接，將來(lái)的鐵路勢(shì)必要以此峽谷和公路為基礎(chǔ)進(jìn)行建設(shè)，2點(diǎn)間公路距離約為60 km，若鐵路通道完全沿著峽谷，則坡度會(huì)達(dá)到23‰，根據(jù)沿線的地質(zhì)資料，部分區(qū)段的坡度甚至?xí)笥?0‰。同時(shí)，進(jìn)入尼泊爾境內(nèi)后，坡度依然比較大，并且加德滿都是一個(gè)凸臺(tái)地形城市，因此到加德滿都的坡度是先下降后上升。如何解決“中—尼—印鐵路通道”的大坡度是一個(gè)首要的問(wèn)題。

吉隆藏布峽谷部分區(qū)間狹窄，公路和鐵路不適宜同時(shí)布置于峽谷中，鐵路需作適當(dāng)避讓，并且公路(峽谷)中有較多急彎，而鐵路對(duì)曲線半徑也有要求，初步建議最小曲線半徑為300 m，因此鐵路線也不可能完全沿著峽谷，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行展線是必須的，即修建一定量的隧道和橋梁使鐵路線路足夠長(zhǎng)以滿足坡度的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也解決最小曲線半徑的問(wèn)題。因此，以吉隆藏布峽谷和現(xiàn)有的公路線為基礎(chǔ)，以滿足坡度限制為目標(biāo)，適當(dāng)展線，選擇地質(zhì)條件較為適宜的區(qū)間建設(shè)隧道和橋梁。

2.2沿線區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

沿線工程地質(zhì)條件復(fù)雜，需要處理的地質(zhì)問(wèn)題包括軟巖和高巖石應(yīng)力、斷層和剪切帶、喀斯特地貌、凍脹土、透水、巖崩、滑坡、泥石流和高地震風(fēng)險(xiǎn)等。沿線部分區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件造成工程難度加大，需詳細(xì)勘察各類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育情況和影響范圍，根據(jù)一定的原則仔細(xì)斟酌局部的線路布置，尤其在鐵路展線路段，應(yīng)盡量避免隧道線路與斷層平行布置。

2.3周邊基礎(chǔ)設(shè)施落后，施工條件惡劣

鐵路沿線的高原地區(qū)因氣候相對(duì)惡劣，人口較少，當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施條件比較落后，對(duì)工程的選線造成限制。此處最為緊要的基礎(chǔ)設(shè)施是指運(yùn)輸通道的便捷性，在沒(méi)有現(xiàn)狀道路的群山深處修建隧道橋梁等，面臨建設(shè)所需物料無(wú)法運(yùn)抵工點(diǎn)，同時(shí)也找不到平坦的位置布設(shè)工點(diǎn)的問(wèn)題。

日喀則至定日、定日至吉隆縣城的2段區(qū)間基礎(chǔ)設(shè)施條件相對(duì)較好。這2段區(qū)間途徑一些中小城鎮(zhèn)，相應(yīng)的國(guó)道和省道完善，為設(shè)備以及建材的運(yùn)輸創(chuàng)造了良好條件，同時(shí)在這2段區(qū)間內(nèi)，地勢(shì)開(kāi)闊，布設(shè)工點(diǎn)也相對(duì)較為容易。

吉隆縣城沿著吉隆藏布峽谷至吉隆口岸的區(qū)間，僅在峽谷中有1條現(xiàn)狀道路，且在狹窄處僅能容許1輛車(chē)通過(guò)。在靠近吉隆口岸的一段區(qū)間內(nèi)均為高山峽谷地貌，山谷狹窄，工點(diǎn)布置困難。同時(shí)該區(qū)間內(nèi)會(huì)有一些深長(zhǎng)隧道的建設(shè)，如何將運(yùn)輸通道從峽谷中延伸至山嶺深處也是需要考慮的問(wèn)題。

在進(jìn)入尼泊爾境內(nèi)后，初始地貌也為高山峽谷，但山谷之間較為開(kāi)闊，巖石均以硬巖為主，施工困難程度應(yīng)小于吉隆藏布峽谷區(qū)間段。

2.4大量深長(zhǎng)隧道以及大跨徑高橋梁的建設(shè)

“中—尼—印鐵路通道”沿線途經(jīng)多個(gè)不同的地質(zhì)區(qū)域，在喜馬拉雅山南麓山嶺密集，無(wú)法避讓高山，因此大量的隧道和橋梁建設(shè)不可避免。同時(shí)出于軌道坡度的考慮，隧道的埋深也會(huì)較大，橋梁跨徑也會(huì)相應(yīng)的增大。論單個(gè)工程，我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)完全可以完成相應(yīng)的建設(shè)，但其挑戰(zhàn)在于整個(gè)工程涉及的隧橋數(shù)量多，周?chē)慕ㄔO(shè)條件惡劣，部分區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，涉及大量斷層及地震帶，并且相同區(qū)域內(nèi)同類工程經(jīng)驗(yàn)少，缺乏參考，會(huì)增加該工程的難度和造價(jià)。

2.5環(huán)境和氣候條件復(fù)雜

喜馬拉雅地區(qū)氣候極其惡劣，由于季風(fēng)對(duì)山地氣候的影響，冬季來(lái)自青藏高原的寒風(fēng)，加上西風(fēng)急流的擾動(dòng)，經(jīng)常形成寒冷多強(qiáng)風(fēng)的惡劣天氣。夏季來(lái)自印度洋的西南季風(fēng)又給山脈的迎風(fēng)側(cè)帶來(lái)大量降水，使得喜馬拉雅山脈南北側(cè)山坡的降水量形成鮮明對(duì)比。

尼泊爾地勢(shì)北高南低，相對(duì)高度差之大為世界罕見(jiàn)。北部山地地區(qū)山高谷深，云霧繚繞，高山終年積雪。另外，全年90%的降雨量集中在雨季(7—10月)，給施工帶來(lái)較大困難。

3 通道線路設(shè)計(jì)

3.1選線原則

參考青藏高原地區(qū)青藏鐵路以及拉日(拉薩—日喀則)鐵路的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，推薦部分鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下： 1) 正線數(shù)目，單線； 2) 速度目標(biāo)值，凍土地段80 km/h，非凍土地段120 km/h； 3) 最小曲線半徑， 300 m； 4) 限制坡度15‰，加力坡30‰； 5) 牽引種類，電力； 6) 閉塞方式，繼電半自動(dòng)。

吉隆谷溝深谷窄，縱坡極大，從吉隆縣到加德滿都附近直線距離近130 km海拔下降約2 800 m，并且吉隆谷東西走向斷層發(fā)育，不適合東西向展線以緩解坡降?；谝陨?方面原因，推薦電力牽引，限制坡度15‰，加力坡30‰。同時(shí)，線路需穿越喜馬拉雅山脈，不可避免出現(xiàn)大長(zhǎng)度隧道，若為內(nèi)燃機(jī)牽引，需考慮通風(fēng)問(wèn)題，則隧道長(zhǎng)度受限，因而也需要采用電力牽引的方式。

線路主體需靠近現(xiàn)有交通線路，作為施工便道(如318國(guó)道和214縣道等)，方便施工設(shè)備和人員的進(jìn)場(chǎng)和轉(zhuǎn)移； 需靠近城鎮(zhèn)(如定日縣和吉隆縣等)，以方便施工人員的基本生活。隧道洞口和橋址的選取也要考慮施工的便利性，需要合適的作業(yè)面。線路盡可能途經(jīng)該區(qū)間內(nèi)的主要城市，以實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2線路走向

日喀則至定日區(qū)間鐵路建設(shè)難度較小，在此不予分析。依據(jù)上文討論的選線原則，設(shè)計(jì)從定日縣至加德滿都的鐵路線路，其大致走向如下： 由定日縣一路向西，穿越馬拉山抵達(dá)吉隆縣，沿吉隆溝穿越喜馬拉雅山脈直抵中尼邊境吉隆鎮(zhèn)，由吉隆口岸附近進(jìn)入尼泊爾境內(nèi)，順吉隆溝在尼泊爾境內(nèi)段抵達(dá)其首都加德滿都附近。根據(jù)地貌單元的差異，可將線路分為中山寬谷區(qū)段、中山窄谷區(qū)段、沖洪積扇區(qū)段、隧道穿越區(qū)段以及高山(中山)峽谷區(qū)段。標(biāo)記起點(diǎn)定日縣線路樁號(hào)為AK0+000，整體路線以及區(qū)段劃分見(jiàn)圖5，整體線路高程變化見(jiàn)圖6。

圖5 整體路線以及區(qū)段劃分

圖6 整體線路高程變化圖

3.2.1 中山寬谷區(qū)段

起點(diǎn)至古措村區(qū)間(AK0～AK98)為中山寬谷區(qū)段，全長(zhǎng)98 km，占線路總長(zhǎng)度的27.45%。該段位于朋曲兩岸，線路高程為4 264～4 401 m，線路起伏不大，整體沿河谷單邊向上。河谷寬闊，寬度大部分為2～6 km。在崗嘎村附近有1處寬度約11.5 km的沖積扇(見(jiàn)圖7)，需加強(qiáng)路基排水及防護(hù)，臨河側(cè)需防河水沖刷，中部被溝谷河水沖開(kāi)的路段以中、小橋的形式跨越。該段部分區(qū)域發(fā)育有泥石流，需詳細(xì)勘察其發(fā)育情況和影響范圍。

圖7 中山寬谷區(qū)沖積扇

3.2.2 中山窄谷區(qū)段

古措村至夏木德鎮(zhèn)區(qū)間(AK98～AK128)為中山窄谷區(qū)段，全長(zhǎng)30 km，占線路總長(zhǎng)度的8.40%，線路高程為4 400～4 592 m，線路起伏不大，整體沿河谷單邊向上。河谷寬度大部分為0.5～1 km，河谷部分狹窄處線路無(wú)法展布，需采用隧道穿越。

3.2.3 沖洪積扇區(qū)段

夏木德鎮(zhèn)至佩枯錯(cuò)區(qū)間(AK128～AK194)為大范圍沖洪積堆積區(qū)段，全長(zhǎng)66 km，占線路總長(zhǎng)度的18.49%。該段南側(cè)是喜馬拉雅山脈，北側(cè)為浪強(qiáng)錯(cuò)和佩枯錯(cuò)，是由希夏邦馬峰等雪山冰雪融水形成的沖洪積扇。線路高程為4 594～4 735 m，線路起伏不大，開(kāi)闊平坦，整體中間高兩邊低。建設(shè)過(guò)程中的注意事項(xiàng)基本與中山寬谷段類似。

3.2.4 隧道穿越區(qū)段

佩枯錯(cuò)西南側(cè)至吉隆縣區(qū)間(AK194～AK215)被孔堂拉姆山橫斷，該段長(zhǎng)21 km，占線路總長(zhǎng)度的5.88%，主要地形地貌見(jiàn)圖8，線路高程變化見(jiàn)圖9。需修建特長(zhǎng)隧道穿越，隧道長(zhǎng)約19.0 km，是本線路第二長(zhǎng)隧道。線路地表投影海拔為4 160～5 718 m，隧道高程為4 608～4 178 m，單邊下降，隧道最大埋深為1 290 m，隧道圍巖以中硬灰色泥晶灰?guī)r與砂巖為主。隧道軸線與褶曲軸線交角約為30°，盡量選擇褶曲兩翼通過(guò)，根據(jù)巖層情況適當(dāng)調(diào)整隧道走向和埋深。馬拉山出露多條東西走向的斷層，地表出露延伸長(zhǎng)度約為15 km，被西側(cè)出露東西走向斷層橫斷，地表出露延伸長(zhǎng)度約為20 km。隧道不可避免需要穿越斷裂破碎帶，2組斷層幾乎正交，因而選擇斜交通過(guò)。

3.2.5 高山(中山)峽谷段

線路從吉隆縣沿吉隆藏布峽谷順勢(shì)而下，經(jīng)過(guò)吉隆口岸至尼泊爾Old Shaybru Besi，從此處遠(yuǎn)離峽谷(若在尼泊爾Old Shaybru Besi處依然沿峽谷順勢(shì)而下，則坡降過(guò)大，并且不能直接到達(dá)加德滿都，需繼續(xù)繞遠(yuǎn)約60 km)轉(zhuǎn)向加德滿都(AK215～AK357)，全長(zhǎng)142 km，占線路總長(zhǎng)度的39.78%。

圖8 隧道穿越區(qū)段地形地貌圖

圖9 隧道穿越區(qū)段高程變化圖

該區(qū)間主要地形地貌見(jiàn)圖10，線路高程變化見(jiàn)圖11，大部分為高山(中山)峽谷段，位于吉隆藏布兩岸，山高谷深，縱坡極大，從吉隆縣到加德滿都約130 km的直線距離海拔下降近2 800 m。該段峽谷寬度大部分小于100 m，線路依山傍水穿行于吉隆藏布峽谷兩側(cè)狹小的山腳或河漫灘，峽谷過(guò)窄處或彎曲過(guò)大處采用隧道穿越。線路高程為1 074～4 178 m，單邊向下至加德滿都南部地勢(shì)低洼處AK336，再?gòu)腁K336處單邊向上至加德滿都，因而在AK260～AK336和AK345～AK357兩段最大坡降處分別采用方向相反的30‰加力坡。在AK241～AK285區(qū)間有8條以上東西走向斷層橫穿峽谷，同時(shí)該范圍峽谷兩側(cè)分布有海拔超過(guò)6 000 m的連綿雪山，因而東西向展線難免會(huì)出現(xiàn)大范圍與斷層平行以及隧道埋深過(guò)大等問(wèn)題。所以沿峽谷而下，垂直穿越斷層，采用隧道穿越狹窄彎曲處，利用加力坡克服坡降是最好的選擇。同時(shí)線路穿行于峽谷，離河岸距離短，并且多次跨越吉隆藏布，因而建議在該區(qū)間采用以橋代路的方式通過(guò)，使橋面高度大于最高洪水位0.5～1 m。該段AK299～AK336處為一段長(zhǎng)約27 km的隧道，隧道最大埋深接近2 000 m，為本段線路的最大工程難點(diǎn)。隧道圍巖以質(zhì)地堅(jiān)硬的石英巖、片麻巖、大理巖等為主，極易發(fā)生巖爆。

圖10 高山(中山)峽谷區(qū)段地形地貌圖

圖11 高山(中山)峽谷區(qū)段高程變化圖

吉隆藏布峽谷山高谷窄，褶皺斷層發(fā)育，同時(shí)巖崩、滑坡和泥石流災(zāi)害頻發(fā)，該段為整條線路中地質(zhì)條件最復(fù)雜、工程難度最大的區(qū)段。

3.3隧道與橋梁統(tǒng)計(jì)

本文建議線路中橋隧總長(zhǎng)173.3 km，橋隧比48.54%。主要橋梁9座，最大橋長(zhǎng)3.2 km，最大橋高320 m； 主要隧道11條，最大長(zhǎng)度25 km，最大埋深約2 000 m。由于橋隧部分占比很高，以下針對(duì)沿線隧道與橋梁的建設(shè)可行性進(jìn)行分析。

4 隧道建設(shè)可行性分析

4.1喜馬拉雅地區(qū)的工程地質(zhì)挑戰(zhàn)

喜馬拉雅地區(qū)巖圈構(gòu)成十分復(fù)雜，其巖石類型包括沉積巖、變質(zhì)巖，形成年代可追溯到第四紀(jì)之前。同時(shí)喜馬拉雅地震帶也是世界三大地震帶之一，長(zhǎng)久以來(lái)都是世界科學(xué)家研究與監(jiān)測(cè)的對(duì)象。這對(duì)隧道建設(shè)提出了挑戰(zhàn)。

4.1.1 不良巖體與高巖石應(yīng)力

喜馬拉雅地區(qū)巖體的2個(gè)主要特征是各向異性與夾層[2]。各向異性極大地降低了巖石的穩(wěn)定性，而軟巖與硬巖之間的夾層使得巖石之間缺乏有效的粘合更加加深了這種不穩(wěn)定性。在破碎巖層中進(jìn)行深埋隧道掘進(jìn)，設(shè)計(jì)與施工的主要問(wèn)題與巖石應(yīng)力有關(guān)，如擠壓性圍巖與巖爆。

擠壓性圍巖可能會(huì)導(dǎo)致大范圍甚至不可預(yù)計(jì)的變形和支護(hù)失效。如果采用傳統(tǒng)的盾構(gòu)開(kāi)挖方法，高圍壓會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)外殼變形，發(fā)生卡盾事故，這也是盾構(gòu)法很少運(yùn)用到這種地質(zhì)條件中的主要原因。盾構(gòu)法較其他施工方法在處理卡盾事故上需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與金錢(qián)，而對(duì)于傳統(tǒng)的開(kāi)挖方法，如鉆爆法、新奧法等，更適合在該種地質(zhì)條件下進(jìn)行施工，一般能夠允許運(yùn)用更大變形的彈性支撐以避免襯砌背后應(yīng)力的累積。此外，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或埋深產(chǎn)生的高應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致在破碎脆性硬巖中開(kāi)挖發(fā)生巖爆的概率大大增加。

4.1.2 地震與剪切帶

喜馬拉雅地區(qū)是一個(gè)年輕的造山帶，造山運(yùn)動(dòng)仍在持續(xù)中。沿著這一構(gòu)造帶曾發(fā)生過(guò)18次8級(jí)及8級(jí)以上巨大地震、100余次7～7.9級(jí)地震[3]。因此，地震活動(dòng)是本鐵路線建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

喜馬拉雅地區(qū)修建的隧道幾乎都會(huì)遇到不同厚度的剪切帶，剪切帶是由于局部褶皺、沖斷作用形成的接近平行的墻體。隧道在剪切帶中掘進(jìn)出現(xiàn)事故的嚴(yán)重程度與破碎帶的厚度、寬度、性質(zhì)以及剪切方向與線路的關(guān)系有關(guān)。在多數(shù)情況下，剪切帶都伴隨著涌水，會(huì)極大地延誤工期，甚至?xí)?dǎo)致洞室的完全破壞。因此，在路線設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)路線盡量垂直穿過(guò)剪切帶走向的方法減輕此影響。

4.1.3 涌水與地?zé)?/p>

在修建隧道之前，由于高原地區(qū)條件等的限制不能對(duì)沿線進(jìn)行詳細(xì)的水文地質(zhì)勘探，因此可以提前采取的預(yù)防措施較少。喜馬拉雅地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，不可避免地要經(jīng)過(guò)含水構(gòu)造區(qū)域，如斷裂帶、侵入巖接觸帶等，隧道施工發(fā)生涌水不僅會(huì)破壞圍巖的穩(wěn)定性，影響支護(hù)的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至釀成重大事故或?qū)е戮€路重選。

從圍巖和構(gòu)造來(lái)看，在灰?guī)r、白巖等可溶性圍巖中隧道涌水較大，在泥質(zhì)巖、砂巖類圍巖中隧道涌水較小，而當(dāng)各種破碎帶比較發(fā)育，無(wú)論什么樣的圍巖，隧道施工常會(huì)有大規(guī)模、高水壓的涌水，甚至伴隨突泥災(zāi)害，在大的斷裂帶、區(qū)域斷裂帶、張性斷層附近，涌水會(huì)更嚴(yán)重。因此在高喜馬拉雅和低喜馬拉雅地區(qū)的涌水災(zāi)害可能會(huì)比沿線另外2個(gè)構(gòu)造帶中的嚴(yán)重[4]。

喜馬拉雅地區(qū)圍巖的溫度受活動(dòng)構(gòu)造和埋深極大影響。根據(jù)印度和尼泊爾水電項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)以及喜馬拉雅地區(qū)大量的溫泉，估計(jì)圍巖溫度將達(dá)到40～60 ℃，或者更高。印度Nathpa Jhakri水電項(xiàng)目的輸水隧道在建設(shè)過(guò)程中，巖體溫度從52 ℃到66 ℃不等[5]。人在高溫濕熱環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)時(shí)，會(huì)因?yàn)榕藕故茏瓒鵁o(wú)法進(jìn)行正常散熱，進(jìn)而影響人體的正常代謝，給施工人員造成傷害。因此，在隧道施工過(guò)程中，對(duì)圍巖溫度的監(jiān)測(cè)與預(yù)警、有效的通風(fēng)以及降溫系統(tǒng)十分重要。在隧道埋深較大的高喜馬拉雅和低喜馬拉雅地區(qū)，更易受到地?zé)釣?zāi)害的影響。

4.1.4 巖爆

巖爆是地下工程在開(kāi)挖過(guò)程中，脆性巖體在高應(yīng)力的條件下，由于施工爆破擾動(dòng)原巖，使其內(nèi)部存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能急劇釋放，造成開(kāi)挖空間周?chē)糠謳r石產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲的動(dòng)態(tài)力學(xué)現(xiàn)象。巖爆一般發(fā)生在完整性好，裂隙發(fā)育少，質(zhì)地堅(jiān)硬，巖性脆的巖體中。除了圍巖的物理性質(zhì)外，巖爆的發(fā)生還與隧道開(kāi)挖方式有關(guān)，因?yàn)殚_(kāi)挖方式影響了圍巖損傷帶或擾動(dòng)帶的厚度，同樣地質(zhì)條件，TBM法施工比鉆爆法施工發(fā)生巖爆的概率低[6]。

4.1.5 凍土

按照決定多年凍土發(fā)育的主導(dǎo)條件，緯度地帶性和高度地帶性，喜馬拉雅屬于高海拔多年凍土。隧道圍巖發(fā)生凍害的基本條件是水和溫度，因此防凍脹時(shí)應(yīng)主要考慮防排水、保溫隔熱、輔助加熱措施。保溫抗凍和防排水問(wèn)題是決定寒區(qū)隧道是否發(fā)生凍害影響的關(guān)鍵技術(shù)難題。

在我國(guó)，隨著西部大開(kāi)發(fā)的深入，在西北地區(qū)已有近10座鐵路及公路隧道修建，如大阪山隧道(海拔3 795 m)、風(fēng)火山隧道(海拔4 900 m)、昆侖山隧道(海拔4 700 m)、鄂拉山隧道(海拔4 200 m)等。這些隧道為高海拔高寒地區(qū)修建隧道積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

4.2隧道建設(shè)方法比選

山嶺隧道施工方法受到對(duì)線路區(qū)域地質(zhì)調(diào)查局限性的影響，存在較多不確定性，因此要確保在復(fù)雜性圍巖下穩(wěn)定施工的方案。山嶺隧道施工技術(shù)主要有隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)法和鉆爆法，2種方法的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。目前，國(guó)內(nèi)山嶺隧道多以鉆爆法施工為主，且近年來(lái)施工技術(shù)進(jìn)步比較顯著，但在大埋深、長(zhǎng)隧道開(kāi)挖中存在的涌水、高巖石應(yīng)力巖爆等一些技術(shù)問(wèn)題仍待解決。

表1 TBM法和鉆爆法比選
Table 1 Comparison between TBM method and drilling and blasting method

施工方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用條件經(jīng)濟(jì)性TBM法 機(jī)械挖掘，穩(wěn)定性優(yōu)秀，施工速度快，安全性好 地質(zhì)適應(yīng)能力差，圓形斷面下面有死角，對(duì)施工地點(diǎn)場(chǎng)地交通有要求 深埋長(zhǎng)隧道、地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單 裝備昂貴，需要配套設(shè)備鉆爆法 施工組織復(fù)雜，工期較長(zhǎng)，安全性較差 地質(zhì)適應(yīng)能力較好 中、短隧道，地質(zhì)條件復(fù)雜 當(dāng)單洞長(zhǎng)度較小時(shí)，施工費(fèi)用低廉

選擇山嶺隧道施工方法考慮的因素主要有地質(zhì)情況、隧道埋深、隧道長(zhǎng)度、工期要求和環(huán)境情況等因素。在此前提下，跨喜馬拉雅鐵路線可以采用以TBM法為主、鉆爆法為輔的施工建設(shè)方法。

5 橋梁建設(shè)可行性分析

5.1橋梁選址原則

本工程為全線鐵路穿越，在鐵路橋梁設(shè)計(jì)中，橋梁高度越小，則越有助于鐵路實(shí)現(xiàn)較高的平順性、舒適性和安全性，同時(shí)還能減小國(guó)家對(duì)橋梁的投資。因此，在考慮地形地貌、橋隧銜接等多方面因素的前提下，盡量選擇最小橋高的施工方案，以減小施工難度和橋梁造價(jià)。

在深山峽谷內(nèi)施工橋梁時(shí)，需要修筑較長(zhǎng)的施工便道，以方便材料的運(yùn)輸。而對(duì)于比較狹窄的地區(qū)，施工場(chǎng)地的布置相對(duì)比較困難。位于山腰中間的橋梁，施工材料需要垂直運(yùn)輸。因此出于施工考慮，應(yīng)當(dāng)將橋梁布置在地形適宜于材料運(yùn)輸和施工便利的位置。

橋梁應(yīng)選址在河床較窄、河道順直、河槽變遷不大、水流平穩(wěn)、兩岸地勢(shì)較高而穩(wěn)定的地段，避免選在具有遷移性(強(qiáng)烈沖刷的、淤積的、經(jīng)常改道的)河床，以及活動(dòng)性大河灣、大砂洲或大支流匯處。橋基需選擇在基底巖體堅(jiān)硬完整的河床或者山體處。同時(shí)，橋軸線法向、橋墩縱軸線也應(yīng)與水流流向盡量一致, 這樣在相同的橋梁跨度下,可以減小橋梁墩臺(tái)對(duì)河道流場(chǎng)的影響。

出于工程地質(zhì)考慮，橋址選擇在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性條件好，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷裂不發(fā)育的地段。橋線方向應(yīng)與主要構(gòu)造線垂直或大交角通過(guò)斷裂帶。橋墩和橋臺(tái)盡量不置于斷層破碎帶上。在山區(qū)應(yīng)特別注意兩岸的不良地質(zhì)現(xiàn)象，如滑坡、崩塌、泥石流、巖溶等，應(yīng)查明其規(guī)模、性質(zhì)和穩(wěn)定性，論證其對(duì)橋梁危害的程度，以做出合理的橋址位置選擇。

5.2沿線橋梁方案

根據(jù)已有的橋梁建造經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)體系的使用跨徑和極限跨度見(jiàn)表2。參考表2，給出沿線的橋梁方案。

表2常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)體系的使用跨徑和極限跨度
Table 2 Use span and limit span of conventional bridge structure system

橋型經(jīng)濟(jì)適用范圍/m極限跨度/mR．C．板橋10～2050P．C．簡(jiǎn)支梁橋(石拱橋)20～50100P．C．連續(xù)梁橋(R．C．拱橋)50～150200 P．C．連續(xù)剛架橋(鋼管混凝土拱橋)150～300400鋼連續(xù)梁橋(結(jié)合梁橋)200～300400P．C．斜拉橋(鋼箱拱橋)200～500600結(jié)合梁斜拉橋(鋼桁架拱橋)500～700800鋼斜拉橋、混合橋面斜拉橋700～12001500懸索橋、協(xié)作體系1000～50006000網(wǎng)索橋 >3000由材料強(qiáng)度決定

5.2.1 中山寬谷區(qū)段

該區(qū)段內(nèi)地勢(shì)平緩，鐵路應(yīng)主要采用路基的方式進(jìn)行穿越，以減少造價(jià)。橋梁主要應(yīng)用在跨越窄河、道路、村莊、田野等區(qū)域內(nèi)。沿線所需橋梁跨越長(zhǎng)度均不超過(guò)200 m，當(dāng)遇到窄河、村莊等需要1跨跨越的情況時(shí)，單跨跨徑均不超過(guò)100 m。此時(shí)在這些區(qū)域均可采用P.C.連續(xù)梁橋方案。當(dāng)單跨跨徑為60～100 m時(shí)，采用P.C.箱梁進(jìn)行跨越； 當(dāng)單跨跨徑在60 m以下時(shí)，可采用P.C.T梁進(jìn)行連續(xù)跨越。由于該區(qū)域內(nèi)梁高有限，可采用懸臂澆注或滿堂支架逐跨現(xiàn)澆施工方式。

5.2.2 中山窄谷區(qū)段

在進(jìn)入窄谷區(qū)域后，采用路基的方式需進(jìn)行大量的挖填作業(yè)，將耗費(fèi)大量的人力物力。當(dāng)采用橋梁方案進(jìn)行穿越時(shí)，由于這部分橋梁的高度較大，不適用于支架施工，因此主要采用懸臂澆注的方式。此時(shí)，一方面能夠適應(yīng)多變的地形，保證線路順利通過(guò)； 另一方面能夠在多點(diǎn)同時(shí)采用懸臂澆注的方式進(jìn)行掛籃施工，較大程度地縮短該區(qū)段的建造工期。為減小高墩的建造成本，應(yīng)盡可能減少橋墩設(shè)置。

5.2.3 沖洪積扇區(qū)段

該區(qū)段地勢(shì)較為平穩(wěn)，總體特點(diǎn)與中山寬谷區(qū)段類似。穿越方案仍可采用路基為主、橋梁跨越的思路。橋型選擇和橋梁跨徑也可參考中山寬谷區(qū)段的方案。但對(duì)于沖洪積扇在不同區(qū)段的特點(diǎn)，橋梁應(yīng)盡可能選擇大跨度進(jìn)行跨越，并根據(jù)橋梁所在沖洪積扇的不同區(qū)段，相應(yīng)地設(shè)置導(dǎo)流堤，減小橋梁水毀的概率。

5.2.4 高山峽谷區(qū)段

在高山峽谷區(qū)段，為同時(shí)滿足路線較短和坡降合理的要求，考慮采用隧道和橋梁的交替方案。因此，在這一區(qū)段橋梁主要應(yīng)用在隧道口之間的峽谷部分。其主要特點(diǎn)是跨徑大、橋位高。此外，為適應(yīng)鐵路的坡降要求，2個(gè)隧道口之間的距離較長(zhǎng)，最長(zhǎng)橋梁為3.2 km。在到達(dá)加德滿都前，沿線需要連續(xù)跨越2個(gè)較寬的峽谷，其中AK334+500～ AK337+700為前一座跨越寬谷的橋梁，其峽谷上方跨度和橋位高程均較大，難度較高。該橋位處地形的剖面見(jiàn)圖12。

圖12 AK335+200～AK337+200橋位處高程剖面圖Fig. 12 Elevation profile of bridge site at AK335+200～AK337+200

根據(jù)地形的剖面、寬谷跨越的要求、隧道埋深及橋高的影響，主要形成3種跨越方案： 方案1，隧道口之間1跨跨越寬谷； 方案2，根據(jù)隧道埋深和極限高墩建造能力確定橋梁主跨跨度，并采用合理橋型跨越； 方案3，采用連續(xù)剛構(gòu)橋，充分利用其跨越能力，盡可能減少墩數(shù)。從橋長(zhǎng)、體系受力特點(diǎn)和施工性等方面對(duì)3種方案進(jìn)行比較，見(jiàn)表3。

表3 橋梁方案比選

6 結(jié)論

“中—尼—印鐵路通道”的建設(shè)將極大促進(jìn)中國(guó)與尼泊爾、印度之間的貿(mào)易往來(lái)，但其工程難度也非常大。在研究沿線區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)工程的建設(shè)難點(diǎn)，并根據(jù)一定的選線原則，對(duì)“中—尼—印鐵路通道”日喀則至加德滿都區(qū)間的線路設(shè)計(jì)如下： 穿越馬拉山抵達(dá)吉隆縣，沿吉隆溝穿越喜馬拉雅山脈直抵中尼邊境吉隆鎮(zhèn)，由吉隆口岸附近進(jìn)入尼泊爾境內(nèi)，順吉隆溝在尼泊爾境內(nèi)段抵達(dá)其首都加德滿都附近。根據(jù)地貌單元的差異，可將線路分為中山寬谷區(qū)段、中山窄谷區(qū)段、沖洪積扇區(qū)段、隧道穿越區(qū)段以及高山(中山)峽谷區(qū)段。

沿線隧道建設(shè)會(huì)面臨不良巖體與高巖石應(yīng)力、地震與剪切帶、涌水與地?zé)?、巖爆、凍土等因素的挑戰(zhàn)，建議采用以TBM法為主、鉆爆法為輔的施工方法。沿線橋梁建設(shè)則應(yīng)因地制宜，根據(jù)不同區(qū)間的地質(zhì)特點(diǎn)，采用相應(yīng)的建設(shè)方法。

7 致謝

感謝同濟(jì)大學(xué)“一帶一路”交通與城市建設(shè)集成研討平臺(tái)為本次研究考察提供資助！西藏自治區(qū)交通運(yùn)輸廳的工作人員和尼泊爾特里布文大學(xué)Megh Raj Dhital教授分別在西藏和尼泊爾陪同研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行考察，提供了大量幫助和技術(shù)交流，在此特別致謝！

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PreliminaryDesignandConstructionFeasibilityAnalysisofChina-Nepal-IndiaRailwayChannel

BAI Yun1, SHI Zhenming1, SHI Xuefei2

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.DepartmentofBridgeEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Along with the promoting of The Belt and Road initiative, the construction of transnational transportation channel becomes one of the key links in the implementation of the initiative. However, the existing experience can not fully meet the construction requirement of transnational transportation and urban infrastructure under complex geological conditions. The necessity and benefit of China-Nepal-India Railway Channel passing through Nepal and linking China and India are analyzed; and then the preliminary design of the railway is completed. The construction difficulties, including large slope, complex geological structure, poor infrastructure construction condition and bad construction environment, a large number of long and deep tunnels and large-span bridges and complex environment and climate conditions, are summarized. Furthermore, the construction feasibilities of tunnels and bridges along the line are analyzed; meanwhile, some construction advices, i. e. mainly TBM method and supplemented drilling and blasting method and proper construction method selection for bridge scheme, are proposed.

The Belt and Road; China-Nepal-India Railway Channel; route design; feasibility analysis; tunnel; bridge

2017-05-16;

2017-08-03

白云(1958—)，男，上海人，2003年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，隧道與地下工程專業(yè)，博士，教授，主要從事盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)、非開(kāi)挖施工技術(shù)、城市地下空間開(kāi)發(fā)、地下工程風(fēng)險(xiǎn)管理等研究工作。 E-mail： baiyun1958@#edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.001

U 45

A

1672-741X(2017)10-1201-08