復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路減災(zāi)選線設(shè)計研究

朱 穎 魏永幸 蔣登偉 羅 圓

(1.中國中鐵股份有限公司， 北京100039；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 研究背景

在我國西南及臨近的，包含橫斷山、秦嶺、烏蒙山等大地勢階梯急變帶的復(fù)雜艱險山區(qū)修建高速鐵路，是國家“補(bǔ)短板”“惠民生”的重大戰(zhàn)略需求。該區(qū)域已納入中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的高速鐵路項目總長約1.5萬km，另有較多項目正在開展前期研究。因地形險峻、地質(zhì)復(fù)雜、板塊活躍，高烈度地震、巖溶突水突泥、“崩滑流”及溝谷災(zāi)害鏈等地質(zhì)災(zāi)害問題突出，工程建設(shè)條件極差，高速鐵路的建設(shè)和運(yùn)營安全極具挑戰(zhàn)。

設(shè)計是建設(shè)的“龍頭”，選線是鐵路設(shè)計的“總師”，是從源頭上防災(zāi)減災(zāi)的首要環(huán)節(jié)。鐵路線位選擇不當(dāng)、災(zāi)害識別不到位、防災(zāi)減災(zāi)措施不足極易造成嚴(yán)重后果。如上世紀(jì)八十年代前建成的山區(qū)鐵路受資金及建造技術(shù)所限，建設(shè)及運(yùn)營過程中，由突發(fā)自然災(zāi)害造成的重特大人身傷亡、鐵路斷道等事故時有發(fā)生。高效識別“長線路、寬廊道”范圍地質(zhì)災(zāi)害，量化百年服役期鐵路工程安全風(fēng)險，科學(xué)確定“宏觀走向”“空間線位”“工程設(shè)置”等多層次風(fēng)險調(diào)控舉措，實現(xiàn)以“減災(zāi)”為核心的方案群多目標(biāo)智能優(yōu)化，是保障復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路成功修建與安全運(yùn)營的關(guān)鍵，更是鐵路選線設(shè)計必須突破的技術(shù)瓶頸。

高速鐵路線型標(biāo)準(zhǔn)高(大半徑、長坡段)、構(gòu)筑物沉降標(biāo)準(zhǔn)高(毫米級沉降控制)，適應(yīng)地形、繞避不良地質(zhì)的靈活性弱。對于長達(dá)數(shù)百至上千公里的復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路帶狀工程，既要經(jīng)過重要經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)，又要保護(hù)脆弱環(huán)境，還必須盡可能繞避廣泛分布、隱蔽性強(qiáng)且不同區(qū)域差異性大的不良地質(zhì)，部分災(zāi)害繞無可繞、避無可避時，只能在橫向數(shù)十至上百公里范圍內(nèi)避大就小，海量篩選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、風(fēng)險可控的線路和工程方案，傳統(tǒng)以適應(yīng)地形為主的“地形選線”和以繞避不良地質(zhì)為主的“地質(zhì)選線”技術(shù)已難以完全滿足要求。基于此，中鐵二院的朱穎、魏永幸等人在汲取了成昆、寶成、南昆等既有山區(qū)鐵路經(jīng)驗與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上[1-3]，在渝利、成蘭、拉林等鐵路工程勘察設(shè)計實踐中[4-5]，不斷總結(jié)完善，形成了以防災(zāi)減災(zāi)為核心的鐵路減災(zāi)選線新理念[6-7]。

2 主要研究內(nèi)容

中鐵二院等多家單位以“全壽命周期風(fēng)險系統(tǒng)防控”為指導(dǎo)思想，依托渝利、貴廣、云桂等十余條艱險山區(qū)高速鐵路，針對“減災(zāi)選線、災(zāi)害識別評估、智能輔助選線、橋隧路防災(zāi)設(shè)計”等關(guān)鍵問題，開展了十余年“產(chǎn)、學(xué)、研、用”協(xié)同攻關(guān)和工程實踐，最終形成以“一套減災(zāi)選線理論與方法”+“三大減災(zāi)選線支撐技術(shù)”為核心的復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路減災(zāi)選線設(shè)計成套技術(shù)，該技術(shù)突破了復(fù)雜艱險山區(qū)修建高速鐵路的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，將鐵路選線理論從“地形選線”“地質(zhì)選線”提升到了“減災(zāi)選線”的新高度[8]。復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路減災(zāi)選線成套技術(shù)如圖1所示。

3 主要創(chuàng)新成果

3.1 減災(zāi)選線理論與方法

首創(chuàng)減災(zāi)選線理論與方法，豐富和發(fā)展了鐵路選線理論，為復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路防災(zāi)減災(zāi)奠定了理論基礎(chǔ)。

(1)提出了基于全壽命周期、風(fēng)險管理和系統(tǒng)工程的減災(zāi)選線新理念；構(gòu)建了“以規(guī)避、防范鐵路全壽命周期可能發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害為根本出發(fā)點(diǎn)，以地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險識別、評估與調(diào)控為手段，以災(zāi)害識別與防控新技術(shù)為支撐，以實現(xiàn)風(fēng)險源頭控制、系統(tǒng)控制為目標(biāo)”為核心內(nèi)涵的減災(zāi)選線理論； 提出了“全面快速識別風(fēng)險、選線規(guī)避重大風(fēng)險、工程措施防范一般風(fēng)險、監(jiān)測預(yù)警潛在風(fēng)險”的減災(zāi)選線四大作業(yè)程式，為減災(zāi)選線提供了工作流程和基本工作方法[9]。

圖1 復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路減災(zāi)選線成套技術(shù)圖

(2)基于鐵路全壽命周期災(zāi)勢預(yù)測的研究，創(chuàng)新了高烈度地震、巖溶以及崩塌、滑坡、泥石流、洪水、溝谷災(zāi)害鏈等復(fù)雜艱險山區(qū)典型災(zāi)害區(qū)選線方法。針對高烈度地震山區(qū)，提出了基于構(gòu)造地貌的廊道選擇方法，建立了基于地震地表變形量預(yù)測的線路平縱斷面預(yù)留變形設(shè)計方法，提出了地震山區(qū)減災(zāi)選線十六條原則[10-11]。針對巖溶山區(qū)，根據(jù)巖溶隧道突水突泥危險性程度，提出了“抬高程、傍河邊、人字坡”的巖溶山區(qū)減災(zāi)選線九字方針[12]，巖溶山區(qū)減災(zāi)選線方法如圖2所示。

圖2 巖溶山區(qū)減災(zāi)選線方法圖

針對針對溝谷災(zāi)害鏈區(qū)，建立了基于動量平衡的泥石流堵河方程，創(chuàng)新了泥石流堵河水位上漲趨勢和最遠(yuǎn)沖出距離的預(yù)測方法，提出了堰塞湖災(zāi)害鏈危險區(qū)鐵路線位選擇方法[13]。泥石流沖出距離及堵塞系數(shù)可按式(1)進(jìn)行計算。

L沖=Q2/Z
R=L沖/L主

(1)

式中：L沖——基于動量平衡條件的支溝泥石流沖出距離；

Q、Z——由流速、濃度、固體顆粒比重等泥石流特征參數(shù)，溝口坡度、河床糙率等泥石流溝特征參數(shù)以及主河主要參數(shù)構(gòu)成的函數(shù)關(guān)系式；

L主——主河寬度；

R——基于主河靜水阻力修正的支溝泥石流堵河的堵塞系數(shù)。R值越大，表示泥石流堵河的嚴(yán)重性程度越高，主河水位上漲趨勢越快。

(3)基于災(zāi)害風(fēng)險防控路徑的研究，建立了“平面繞避、立體跨越、工程防控、監(jiān)測預(yù)警”四層次、多手段的災(zāi)害風(fēng)險綜合防控模式，如圖3所示。

圖3 災(zāi)害風(fēng)險綜合防控模式圖

(4)建立了災(zāi)害風(fēng)險損失年換算工程運(yùn)營費(fèi)模型，提出了以“技術(shù)+經(jīng)濟(jì)+風(fēng)險”為主控目標(biāo)的線路方案定量評價方法。實現(xiàn)了線路方案風(fēng)險、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多要素、多目標(biāo)定量評價[14]。線路方案定量評價模型可按式(2)計算。

K=(E+P×Z/100)+Δ×A

(2)

式中：K——災(zāi)害風(fēng)險損失年換算工程運(yùn)營費(fèi)；

E——鐵路年運(yùn)營費(fèi)；

P——鐵路百年服務(wù)期內(nèi)災(zāi)害發(fā)生概率；

Z——鐵路工程的災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失；

A——工程固定投資；

Δ——投資償還期系數(shù)。

3.2 “三階段、三維度、三層次”地質(zhì)災(zāi)害識別技術(shù)

研發(fā)了艱險山區(qū)強(qiáng)干擾環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害精準(zhǔn)定位、地質(zhì)體非接觸高效空間感知及多源數(shù)據(jù)獲取與融合處理技術(shù)，解決了災(zāi)害信息采集難、精度低的難題；揭示了特殊巖土與不良地質(zhì)特征、致災(zāi)機(jī)理及災(zāi)害風(fēng)險，基于“天-空-地”三維度地質(zhì)災(zāi)害識別技術(shù)的集成創(chuàng)新，構(gòu)建了三個階段(地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域宏觀識別、沿線系統(tǒng)識別、區(qū)段詳細(xì)識別)及三個層次(災(zāi)害特征、致災(zāi)機(jī)理、災(zāi)害風(fēng)險)的復(fù)雜艱險山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害廣域高效識別技術(shù)，實現(xiàn)了山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害及災(zāi)害鏈的準(zhǔn)確識別和風(fēng)險評估[15-16]。效率提高約50%。三階段、三維度、三層次”地質(zhì)災(zāi)害識別技術(shù)如圖4所示。

圖4 三階段、三維度、三層次”地質(zhì)災(zāi)害識別技術(shù)框圖

3.3 點(diǎn)線協(xié)同智能輔助減災(zāi)選線技術(shù)

基于山區(qū)選線經(jīng)驗的升華，建立了減災(zāi)選線專家智庫及知識圖譜，破解了鐵路選線知識的表達(dá)難題；構(gòu)建了減災(zāi)選線綜合信息模型和點(diǎn)線協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化模型，實現(xiàn)了減災(zāi)選線以經(jīng)驗為主的定性分析向定量計算的跨越；構(gòu)建了案例大數(shù)據(jù)驅(qū)動的減災(zāi)選線經(jīng)驗策略網(wǎng)絡(luò)，發(fā)明了雙向廣義距離變換與群智能融合的優(yōu)化仿真設(shè)計方法，首創(chuàng)了策略網(wǎng)絡(luò)與仿真設(shè)計緊密結(jié)合、具有全局態(tài)勢感知能力的點(diǎn)線協(xié)同智能搜索方法；研發(fā)的智能選線系統(tǒng)實現(xiàn)了寬廊道、多目標(biāo)、多約束、千公里級線路方案群的快速創(chuàng)建和優(yōu)化[17]，提高效率3～5 倍。點(diǎn)線協(xié)同智能減災(zāi)選線系統(tǒng)構(gòu)架如圖5所示。

圖5 點(diǎn)線協(xié)同智能減災(zāi)選線系統(tǒng)構(gòu)架圖

3.4 橋隧路構(gòu)筑物防災(zāi)設(shè)計技術(shù)

首創(chuàng)A型和人字型混凝土高墩結(jié)構(gòu)，提出了梁式橋剛度控制標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新了超高墩長聯(lián)大跨梁式橋、大跨度拱橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，建成了系列高速鐵路高墩大跨梁式橋(含139 m世界最高墩、778 m最大聯(lián)長)和200～400 m跨度系列拱橋(含445 m最大跨度)，大幅提升了復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路立體繞避災(zāi)害能力[18]；創(chuàng)新了巖溶、高壓富水構(gòu)造帶、非煤瓦斯涌突等復(fù)雜環(huán)境長大隧道設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，提出了系列風(fēng)險防控技術(shù)(如表1所示)，建成了千余公里高風(fēng)險高速鐵路隧道；創(chuàng)新了橋隧間短路基、陡坡支擋路基和“斜坡軟土”路基等特殊路基毫米級變形控制和“崩滑流”災(zāi)害防控技術(shù)[19]。橋、隧、路構(gòu)筑物防災(zāi)設(shè)計技術(shù)支撐了減災(zāi)選線，突破了高速鐵路建設(shè)禁區(qū)。

表1 隧道風(fēng)險防控設(shè)計技術(shù)表

4 應(yīng)用推廣和社會經(jīng)濟(jì)效益

復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路減災(zāi)選線設(shè)計成套技術(shù)已成功應(yīng)用于渝利、貴廣、云桂等十余條，長約 6 300 km復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路工程建設(shè)，覆蓋西南及臨近山區(qū)，約占中國高速鐵路總里程的1/5，累計取得經(jīng)濟(jì)效益42.6億元。同時已推廣指導(dǎo)了1.3萬km高速鐵路的勘察設(shè)計，并在其他陸地交通項目中得到了借鑒利用。該技術(shù)規(guī)避了重大地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，確保了各項目的順利建成和安全運(yùn)營，社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益顯著[20]。此外，該技術(shù)的相關(guān)成果已納入《川藏鐵路勘察設(shè)計暫行規(guī)定》，指導(dǎo)了川藏鐵路的規(guī)劃研究。

5 結(jié)束語

復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路減災(zāi)選線設(shè)計成套技術(shù)攻克了中國復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路防災(zāi)減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了系列創(chuàng)新成果，首次提出了基于全生命周期、系統(tǒng)工程、風(fēng)險管理的減災(zāi)選線理念，創(chuàng)立了基于“全壽命周期風(fēng)險系統(tǒng)防控”的減災(zāi)選線理論、方法及三大支撐技術(shù)，將傳統(tǒng)“地形選線”、“地質(zhì)選線”技術(shù)提升到了“減災(zāi)選線”新高度，豐富和發(fā)展了鐵路選線理論，為我國復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路防災(zāi)減災(zāi)奠定了堅實基礎(chǔ)。此外，“三階段、三維度、三層次”地質(zhì)災(zāi)害識別技術(shù)實現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境地形地質(zhì)特征的快速獲取與識別，點(diǎn)線協(xié)同智能輔助減災(zāi)選線技術(shù)實現(xiàn)了寬廊道、多目標(biāo)、多約束、千公里級線路方案群的快速創(chuàng)建與優(yōu)化，橋隧路構(gòu)筑物防災(zāi)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)為復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路減災(zāi)選線與工程防災(zāi)提供了技術(shù)保障。成果已成功應(yīng)用于復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路及其他陸地交通項目的建設(shè)中，解決了項目的減災(zāi)選線和工程設(shè)計難題，有效降低了艱險山區(qū)高速鐵路的建設(shè)和運(yùn)營風(fēng)險，極大提升了復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)保效益，為復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路規(guī)劃建設(shè)提供了重要技術(shù)支撐，引領(lǐng)了復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路建造技術(shù)的科技進(jìn)步。在完善綜合交通運(yùn)輸體系及鐵路路網(wǎng)、推動艱險山區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、改善人民出行、國防保障能力等方面均發(fā)揮了重要作用，在鐵路建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。