復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路設(shè)計創(chuàng)新

面對自然條件的限制和高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路的建設(shè)，難以完全回避各類災(zāi)害風(fēng)險。本文圍繞復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路的特點和勘察設(shè)計的特殊需求，介紹了復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路在減災(zāi)選線技術(shù)、高墩大跨橋梁修建技術(shù)、長大深埋復(fù)雜隧道（群）修建技術(shù)、路基變形控制及災(zāi)害防治技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)和運營環(huán)境監(jiān)測預(yù)警技術(shù)等方面的設(shè)計創(chuàng)新，以期通過創(chuàng)新技術(shù)的運用和發(fā)展，提高復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路修建水平及能力保持。

Due to the limitation of natural conditions and high-standard technical requirements， it is difficult to completely avoid various disaster risks in the construction of high-speed railways in complex and dangerous mountainous areas. Based on the characteristics of high-speed railways and the special needs of survey and design in complex and dangerous mountainous areas， the paper introduces the design innovation of high-speed railways in such areas in terms of disaster reduction and route selection technology， construction technology of long-span bridges with high piers， construction technology of long， large complex tunnels （groups） buried deeply， subgrade deformation control and disaster prevention technology， as well as monitoring and early warning technology of infrastructure service status and operating environment. The paper aims to improve the construction level and capacity maintenance of high-speed railways in complex and dangerous mountainous areas through the application and development of innovative technologies.

復(fù)雜艱險山區(qū)，由于強烈的地勢起伏、急劇的氣象變化、復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，易導(dǎo)致斜坡重力作用類型災(zāi)害發(fā)育。山區(qū)鐵路需要克服高山峽谷等困難地形，防范各類山地災(zāi)害。與普速鐵路相比，高速鐵路線路平順性要求高；線路平面曲線半徑大、線路縱坡變坡小；山區(qū)高速鐵路車站選址及區(qū)間定線適應(yīng)地形能力、繞避障礙的靈活性較差；線路選線、工程設(shè)置難度大。如何做好鐵路防災(zāi)減災(zāi)是鐵路規(guī)劃、設(shè)計的關(guān)鍵。受山區(qū)自然條件制約和自身鐵路技術(shù)水平的限制，山區(qū)高速鐵路只能采用高墩大跨橋梁、深埋長大隧道以克服高山峽谷等困難地形、繞避地質(zhì)災(zāi)害。由于適應(yīng)地形能力、繞避災(zāi)害障礙的靈活性差，山區(qū)高速鐵路需要完善路基變形控制及災(zāi)害防治技術(shù)。同時，為確保運營安全，山區(qū)高速鐵路必須對基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)及運營環(huán)境進行監(jiān)測預(yù)警。

復(fù)雜艱險山區(qū)減災(zāi)選線

復(fù)雜艱險山區(qū)減災(zāi)選線技術(shù)主要包括災(zāi)害快速識別與評估技術(shù)、智慧選線技術(shù)、減災(zāi)防災(zāi)工程總體設(shè)計技術(shù)。

災(zāi)害快速識別與評估技術(shù)是減災(zāi)選線的重要環(huán)節(jié)。復(fù)雜艱險山區(qū)的鐵路選線，由于方案優(yōu)化余地小，更注重廊道方案的比選。在大方案比選階段，開展全面細致的地勘工作是不現(xiàn)實的。因此，一方面，應(yīng)用航衛(wèi)片遙感解譯、無人機三維攝影、航空物探、三維激光掃描等非接觸式勘察技術(shù)，結(jié)合輕型渦輪鉆機以及平硐勘探等勘察手段，建立了“空、天、地”三位一體的勘察體系，解決傳統(tǒng)勘察方式難以實現(xiàn)“上山到頂，下溝到底”的難題，大范圍高效低成本地獲取基本信息；另一方面，從地質(zhì)構(gòu)造及內(nèi)外營力作用入手，開展災(zāi)害的形成機制、活動特征、致災(zāi)機理、發(fā)展趨勢等方面的基礎(chǔ)研究，進而結(jié)合鐵路線路預(yù)測災(zāi)害的分布范圍，研究工程力學(xué)特性，評估工程風(fēng)險。

為提高選線工作的質(zhì)量和效率，研究人員開始探索智能化、自動化的選線技術(shù)，將數(shù)值分析、優(yōu)化方法、交互式圖形、遙感及地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)引入選線設(shè)計，建立三維及虛擬環(huán)境的選線系統(tǒng)；將災(zāi)害數(shù)據(jù)建立集成到虛擬環(huán)境的數(shù)字模型中，通過智能選線技術(shù)，快速大量的方案比選，生成、評價、篩選設(shè)計方案，是實現(xiàn)減災(zāi)選線的重要步驟；開發(fā)復(fù)雜環(huán)境鐵路智慧選線系統(tǒng)，以多年經(jīng)驗為依據(jù)，建立線路-結(jié)構(gòu)物-環(huán)境耦合約束關(guān)系，實現(xiàn)約束條件下最優(yōu)線路方案群的自動搜索、綜合評價和優(yōu)化。

減災(zāi)防災(zāi)工程總體設(shè)計技術(shù)，是合理規(guī)劃鐵路線、橋、隧的工程形式，通過隧道繞避、橋梁跨越、工程整治等有效工程措施，遠離災(zāi)害源，保障鐵路建設(shè)和長期運營的安全。高墩大跨橋梁修建技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境長大隧道技術(shù)、高大重型路基支擋結(jié)構(gòu)技術(shù)、工程服役狀態(tài)及環(huán)境監(jiān)測預(yù)警等技術(shù)，為災(zāi)害的防護與治理提供新的工程措施，為線路方案提供更靈活的操作空間。

高墩大跨橋梁修建技術(shù)

（一）高墩大跨橋梁結(jié)構(gòu)型式

通過研究高墩大跨梁式橋、大跨度拱橋和大跨度斜拉橋的跨徑范圍及適用的地形、地質(zhì)條件，建立山區(qū)高速鐵路高墩大跨橋梁合理結(jié)構(gòu)型式。

（二）高墩大跨橋梁剛度控制技術(shù)

創(chuàng)新高墩大跨鐵路橋梁用橫向自振周期來控制剛度的方法，建立以列車安全平穩(wěn)運行為目標(biāo)，采用車-橋梁動力響應(yīng)、軌道幾何形位及穩(wěn)定性、線路平順條件為評判指標(biāo)的剛度控制方法，形成了鐵路高墩大跨不同橋式結(jié)構(gòu)的剛度控制設(shè)計參數(shù)體系。

（三）高墩大跨橋梁抗風(fēng)技術(shù)

創(chuàng)建桁梁橋式結(jié)構(gòu)設(shè)置分段導(dǎo)流板抑制渦激振動的新技術(shù)，解決了桁梁橋式結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動關(guān)鍵技術(shù)。研發(fā)峽谷高墩大跨橋面保證高速列車運營安全的新型導(dǎo)風(fēng)欄桿技術(shù)，解決峽谷地形橫風(fēng)對列車運營的影響，保證高速鐵路列車全天候安全運行。

（四）高墩大跨橋梁抗震技術(shù)

研發(fā)桁梁結(jié)構(gòu)斜拉橋帶控制開關(guān)的鎖定裝置和黏滯阻尼器組合控制主梁振動的新技術(shù)，實現(xiàn)了大跨度鐵路斜拉橋列車制動與抗震作用協(xié)調(diào)控制。

（五）高墩大跨橋梁施工關(guān)鍵技術(shù)

高墩大跨混凝土拱橋“拱圈全斷面澆筑與分環(huán)外包相組合的施工方法”及“鐵路斜拉橋塔-梁-索同步施工工法”快速施工成套技術(shù)的提出，解決了復(fù)雜艱險山區(qū)高墩大跨橋梁的施工難題。

通過攻克高墩大跨鐵路橋梁建造關(guān)鍵技術(shù)，并成功運用于復(fù)雜艱險山區(qū)多條高速鐵路建設(shè)中，建成了多座世界級高墩大跨鐵路橋梁。

長大深埋復(fù)雜隧道（群）修建技術(shù)

（一）高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險隧道洞口修建技術(shù)

洞門是隧道進出咽喉，山區(qū)高鐵隧道洞口坡面普遍高陡，斜坡穩(wěn)定性及重力地質(zhì)災(zāi)害是影響洞口安全的主要因素。在分析、研究各類高邊坡的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實踐形成了艱險山區(qū)隧道洞口坡面分類分區(qū)防護技術(shù)體系，實現(xiàn)了洞口功能與安全的有機結(jié)合。

（二）隧道群空氣動力效應(yīng)緩解技術(shù)

建立隧道群空氣動力學(xué)效應(yīng)分析方法，系統(tǒng)分析隧道群空氣動力學(xué)效應(yīng)變化規(guī)律，提出了以微氣壓波控制的基于空氣動力學(xué)效應(yīng)的高速鐵路隧道群定義，和綜合考慮各項空氣動力學(xué)指標(biāo)的隧道群連接明洞設(shè)置原則。

（三）特殊復(fù)雜隧道修建技術(shù)

巖溶隧道：巖溶水采取“以探保施工安全、以排保結(jié)構(gòu)安全”為主的工程對策；溶洞處理形成了集“跨越、回填、支頂、加固”等措施的綜合治理成套技術(shù)。

高地應(yīng)力軟巖大變形隧道：基本掌握軟弱圍巖的變形規(guī)律，提出了“優(yōu)化輪廓、分步預(yù)留、錨撐結(jié)合、快速封閉、動態(tài)調(diào)整”的變形控制技術(shù)。

瓦斯隧道：針對高鐵隧道大斷面的情況，提出“分部排放、分部揭煤”的設(shè)計方法；針對四川盆地非煤地層瓦斯涌出的偶然性、不確定性，建立了“探、測、防、封”多位一體綜合防治系統(tǒng)。

高地溫隧道：提出了高地溫隧道熱害治理的設(shè)計方法，并應(yīng)用于大瑞、成蘭、川藏等鐵路。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道：不等跨連拱隧道、小凈距隧道群、超厚填土大跨度明洞、立體交叉洞群等復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道修建技術(shù)，極大地提高了山區(qū)高鐵設(shè)站和選線自由度。

（四）隧道群防災(zāi)救援技術(shù)

開展防災(zāi)救援系統(tǒng)專題研究，解決了疏散救援模式、設(shè)施配置等關(guān)鍵技術(shù)，形成了適合中國國情的隧道防災(zāi)疏散救援體系，應(yīng)用于長昆、貴廣等鐵路。

路基變形控制及災(zāi)害防治技術(shù)

（一）路基變形控制技術(shù)

針對高速鐵路橋隧過渡段、陡坡、膨脹土等艱險山區(qū)路基，創(chuàng)立了艱險山區(qū)高速鐵路路基“保平順、控沉降、防側(cè)移、抗隆起”的變形控制技術(shù)。

（二）災(zāi)害防治技術(shù)

開展多項山地災(zāi)害防治技術(shù)專題研究，解決了多排埋入式抗滑樁強度折減及優(yōu)化設(shè)計、落石軌跡顆粒流模擬及沖擊力計算、高陡邊坡預(yù)加固等難題，成果已廣泛應(yīng)用于貴廣、成渝、渝利等山區(qū)鐵路。

基礎(chǔ)設(shè)施和周邊環(huán)境監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

（一）高速鐵路地震現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備及前端預(yù)警系統(tǒng)

研發(fā)高速鐵路地震現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備及前端預(yù)警服務(wù)器，以實時監(jiān)測高速鐵路沿線的地震情況，能夠提前幾秒到幾十秒發(fā)出預(yù)警信號，通過信號接口及牽變接口控制列車減速停車和接觸網(wǎng)斷電。目前，系統(tǒng)已通過了中國鐵路總公司和中國地震局聯(lián)合組織的室內(nèi)實驗和現(xiàn)場實驗，并成功應(yīng)用于鐵路建設(shè)。

（二）隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

研發(fā)高速鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了通風(fēng)、照明、防火門等救援設(shè)施的合理工作機制，最大限度地保護乘客生命安全。

（三）地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

研發(fā)高速鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，主要包括對滑坡與高陡邊坡、危巖落石、泥石流等的預(yù)警，解決了人工巡檢方式不能完全滿足復(fù)雜艱險山區(qū)高鐵運營安全需要的難題。

（四）重要基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

研發(fā)高速鐵路重要基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，包括對高墩大跨橋梁、特殊復(fù)雜隧道、路基邊坡高大支擋結(jié)構(gòu)等服役狀態(tài)的預(yù)警，實現(xiàn)了重要基礎(chǔ)設(shè)施不同風(fēng)險等級的預(yù)警預(yù)報。

結(jié)語

復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路建設(shè)，通過減災(zāi)選線，規(guī)避、防范鐵路建設(shè)及運營期間可能發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害，降低鐵路工程建設(shè)及營運安全風(fēng)險。另一方面，由于復(fù)雜自然條件的限制和高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，山區(qū)高速鐵路建設(shè)難以完全回避各類災(zāi)害風(fēng)險。因此，需要發(fā)展和運用高墩大跨橋梁、長大深埋隧道等減災(zāi)選線的支撐技術(shù)。減災(zāi)選線與減災(zāi)選線支撐技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了山區(qū)高速鐵路修建及能力保持。