貨索運(yùn)輸在陡峭及交通不便山區(qū)鐵路修建中的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用分析

張景利

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 青藏山區(qū)鐵路地形特點(diǎn)

青藏山區(qū)某鐵路沿線，山勢(shì)雄偉，群峰高聳，山嶺海拔多在5 000 m以上，谷底與山嶺相對(duì)高差一般在2 000～3 000 m，多懸崖絕壁，支流密布，冰川、冰湖、冰磧地貌及凍融地貌特征明顯，如圖1所示。

圖1 青藏山區(qū)鐵路高山峽谷地貌

此段鐵路建設(shè)除受地形險(xiǎn)峻、斷裂帶、地震帶、瓦斯煤層、溶洞、山體滑坡、河流湍急、破碎巖層、膨脹土、凍土、環(huán)境脆弱等自然因素影響，還受沿線無(wú)人區(qū)、交通不便、物資匱乏、當(dāng)?shù)丶夹g(shù)裝備落后等人文環(huán)境限制，工程建設(shè)難度前所未有[1]。

2 鐵路便道修建存在的難題

施工便道在鐵路建設(shè)中至關(guān)重要，便道修建標(biāo)準(zhǔn)低，在滿足機(jī)械、物資、材料進(jìn)場(chǎng)的同時(shí)，盡量減少破壞周邊地形[2]。便道是施工前期階段重要環(huán)節(jié)，須進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃才能達(dá)到既滿足使用要求又節(jié)省投資的目的[3]。根據(jù)青藏山區(qū)鐵路自然環(huán)境及人文特點(diǎn)，公路便道修筑會(huì)遇到諸多難題，最主要有以下幾方面。

2.1 險(xiǎn)峻地形導(dǎo)致修建難度遠(yuǎn)大于常規(guī)便道

青藏山區(qū)鐵路工程沿線多為高山峻嶺和無(wú)人區(qū)，線路平均海拔3 850 m，高山峻嶺地段約占65%，大部分區(qū)域車(chē)輛無(wú)法到達(dá)，地形起伏大，加上湍急河流、膨脹土、凍融環(huán)境等都造成便道修建難度大幅增加。個(gè)別段落公路便道修建，其造價(jià)及施工難度遠(yuǎn)大于鐵路本體工程。

2.2 危巖落石對(duì)便道安全影響大

沿線危巖落石、滑坡、崩塌、錯(cuò)落、巖堆等重力不良地質(zhì)發(fā)育，在峽谷和陡坡地段尤為突出。加上凍融環(huán)境、強(qiáng)降雨、冰川、凍漲等均加劇了危巖剝落。

陡坡便道建設(shè)期，開(kāi)挖范圍大，擾動(dòng)危巖體，加速危巖剝落，為工程建設(shè)造成巨大隱患。后期便道運(yùn)營(yíng)中，落石侵入便道幾率高，造成運(yùn)輸中斷(圖2)，落石防護(hù)需投入大量人力物力，難度大，費(fèi)用高。

圖2 危巖落石中斷公路運(yùn)輸

當(dāng)?shù)睾０胃撸瑲鉁氐停瘽駳饬黜樒露希c冷氣流相遇，導(dǎo)致降水充足，雨雪天氣多。便道等級(jí)低，沿線地勢(shì)起伏大，坡度陡，泥濘及冰雪路面，引起便道車(chē)輛運(yùn)輸困難，安全事故頻發(fā)。一年中受冰凍期及雨季影響時(shí)間長(zhǎng)，便道實(shí)際可有效使用時(shí)間非常有限，容易造成物資供給中斷，影響到主體工程建設(shè)。

2.3 環(huán)境保護(hù)

沿線生態(tài)脆弱，空氣稀薄，海拔高，氣溫低，植物生長(zhǎng)緩慢，生態(tài)自復(fù)能力低。地形起伏大，便道傍山而行，多為盤(pán)山道路，修建規(guī)模龐大，占地廣，開(kāi)挖防護(hù)量大，造成山體表層大面積剝落，植被破壞嚴(yán)重，造成難以恢復(fù)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

3 貨索運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

貨運(yùn)索道對(duì)自然地形適應(yīng)性強(qiáng)，具有爬坡能力大、可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸，跨越山川、克服地障能力強(qiáng)[4]。索道的高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能，對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)決定了其必將在臨時(shí)運(yùn)輸施工中得到廣泛的應(yīng)用[5]，貨索運(yùn)輸形式如圖3所示。根據(jù)該山區(qū)鐵路特點(diǎn)，將貨運(yùn)索道與公路便道進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

圖3 貨索運(yùn)輸示意

表1 公路便道與貨索運(yùn)輸比較

3.1 自然因素方面貨索運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)

由表1可看出，貨索建設(shè)規(guī)模、工期遠(yuǎn)低于公路便道，工程難度及造價(jià)大幅度降低。貨索僅支架基礎(chǔ)處開(kāi)挖山體，對(duì)山體擾動(dòng)及環(huán)境影響小，基本不會(huì)增加落石危險(xiǎn)源。建成后，落石擊中貨索及貨箱的概率極低，索道是柔性結(jié)構(gòu)，即便擊中，索道變形，落石即滑落坡底。僅支架處需落石防護(hù)，大幅度降低了危巖落石的危害。

冰雪降雨期較長(zhǎng)，貨索運(yùn)輸基本不受氣候影響，有效地保證了物資運(yùn)輸線暢通。

3.2 人文環(huán)境方面貨索運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)

人文環(huán)境方面貨索運(yùn)輸較公路便道有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

(1)無(wú)人區(qū)分布廣泛，工程結(jié)束后，公路便道維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，當(dāng)?shù)責(zé)o人員交通需要，幾年后便道即廢棄。投入龐大人力、物力修筑起來(lái)的便道成了一次性工程。

貨索運(yùn)輸在工程結(jié)束后，維修養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便，費(fèi)用低，能為當(dāng)?shù)亓阈墙煌ㄌ峁┍憷?wù)。若當(dāng)?shù)責(zé)o使用需要，可拆除回收，循環(huán)利用。

(2)當(dāng)?shù)丶夹g(shù)裝備落后，公路便道修筑所需機(jī)械物資等全部靠從外地調(diào)運(yùn)，使用中車(chē)輛在當(dāng)?shù)鼐S修效率低下。

貨運(yùn)索道建設(shè)期及后期使用所需物資機(jī)械少，不需要附加龐大的維修養(yǎng)護(hù)隊(duì)伍。

青藏山區(qū)鐵路這種地形復(fù)雜、降雨量大、氣候寒冷、危巖落石多發(fā)、無(wú)人區(qū)廣布地帶，越發(fā)能顯示出貨運(yùn)索道的運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)，貨索運(yùn)輸在諸多方面優(yōu)于公路便道。青藏山區(qū)鐵路便道建設(shè)中大范圍采用貨運(yùn)索道運(yùn)輸配合公路便道運(yùn)輸，是一種非常可行、有效的運(yùn)輸方式。

4 貨索運(yùn)輸分類(lèi)

貨索運(yùn)輸根據(jù)運(yùn)量需求分主索道運(yùn)輸和支線索道運(yùn)輸，為了做好主、支貨索通道規(guī)劃，需要進(jìn)一步研究貨索分類(lèi)及構(gòu)成。工程索道按不同形式分類(lèi)見(jiàn)表2。

表2 工程索道分類(lèi)

在選擇索道線路時(shí)，應(yīng)根據(jù)地理?xiàng)l件、氣候、沿途重要交通通道，需跨越的其他建筑設(shè)施等，針對(duì)施工運(yùn)量及地形條件制定相應(yīng)施工方案，根據(jù)施工方案選擇合適索道運(yùn)輸方案[6]。常用索道運(yùn)輸類(lèi)別見(jiàn)表3。

表3 常用索道貨運(yùn)類(lèi)別

5 根據(jù)地形工況選用適宜貨索舉例

青藏山區(qū)鐵路沿線地形起伏大，深溝陡坡密布，橋梁主要以高墩大跨結(jié)構(gòu)為主，在高墩大跨橋梁與隧道相連位置采用貨索運(yùn)輸方式更有優(yōu)勢(shì)。特別是在高墩大跨位置橋梁施工，兩側(cè)通往隧道口的公路便道修建困難，根據(jù)地形特點(diǎn)及運(yùn)輸需求，選用適宜貨索運(yùn)輸方式，能達(dá)到事半功倍的效果。

5.1 重力自平衡低能耗類(lèi)索道

如圖4所示，物料場(chǎng)在橋墩谷底處，需將物資運(yùn)到隧道口，提供隧道建設(shè)所需各種物料，同時(shí)隧道出砟需運(yùn)到谷底料場(chǎng)附近轉(zhuǎn)運(yùn)出去。此時(shí)選用雙索循環(huán)式貨索，將橋墩谷底位置索道下站物資、機(jī)械通過(guò)物料貨箱運(yùn)到隧道口附近索道上站，棄砟從索道上站另一側(cè)索承載的棄砟貨箱運(yùn)到谷底索道下站，當(dāng)物料貨箱與棄砟貨箱質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，自重平衡，很小牽引力即可牽引整個(gè)貨索運(yùn)行，能耗小，效率高。

圖4 大跨橋與隧道相連處貨索示意

5.2 適合大跨度、大運(yùn)能需求的雙層索系統(tǒng)

在跨越大的河流及深谷時(shí)，公路便橋修筑工程量大、工期長(zhǎng)，受陡峭邊坡控制，高差大，汽車(chē)來(lái)回運(yùn)輸耗能高。采用大跨貨索運(yùn)輸，深谷或湍流中難以搭設(shè)支架，貨索只能單跨跨越。僅采用1層索，懸線高差太大，牽引能耗大，貨箱走行時(shí)間長(zhǎng)，兩側(cè)支撐架拉力增大明顯。此時(shí)考慮采用雙層索(圖5)，通過(guò)上層索在跨中處給下層索一個(gè)拉力，形成一個(gè)中支撐作用，下層索起走行索作用。此布置形式可有效降低能耗、縮短高差運(yùn)距，減小兩側(cè)支撐拉力，提高運(yùn)輸平穩(wěn)性，縮短運(yùn)輸時(shí)間。

圖5 大跨度、大運(yùn)量區(qū)域雙層索系統(tǒng)示意

5.3 自由牽引的纜索吊

纜索吊由主索、工作索、塔架和錨固裝置4部分組成。纜索吊裝系統(tǒng)跨越能力大、水平和垂直運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性廣，廣泛用于大跨度拱橋無(wú)支架施工，如圖6所示。

圖6 纜式吊車(chē)索道施工拱橋示意

目前纜索吊已發(fā)展成由主索、天車(chē)、起吊系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、塔架系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成的復(fù)雜整體，并由單跨向多跨發(fā)展，起吊質(zhì)量增加到幾十噸、上百?lài)崳魉饔蓡嗡靼l(fā)展到組索、多組索，位置由固定式發(fā)展到可移動(dòng)式。

6 貨索組成及運(yùn)能狀況

6.1 貨索運(yùn)輸國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

貨索運(yùn)輸在險(xiǎn)峻地形運(yùn)用較多，如在拉薩至日喀則鐵路建設(shè)中，受雅魯藏布江湍流影響，便橋無(wú)法修通，部分地段就曾采用過(guò)貨索運(yùn)輸。

國(guó)內(nèi)貨索運(yùn)輸使用較多的是電力行業(yè)和礦山運(yùn)輸，特別是電網(wǎng)建設(shè)中，受地形限制，貨索運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)明顯，使用廣泛，行業(yè)內(nèi)施工經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)成熟。

目前國(guó)內(nèi)貨運(yùn)索道相關(guān)規(guī)范主要有GB/T 15388.2—1994《單線循環(huán)式貨運(yùn)架空索道設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 15388.1—1994《雙線循環(huán)式貨運(yùn)架空索道設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB12141—2008《貨運(yùn)架空索道安全規(guī)范》、GBT27541—2011《貨運(yùn)纜車(chē)技術(shù)規(guī)范》、GB50127—2007《架空索道工程技術(shù)規(guī)范》等。

6.2 貨索運(yùn)輸構(gòu)件組成

以單跨索道為例，如圖7所示，索道運(yùn)輸主要組成有①承載索：是運(yùn)輸物件的軌道，并是承受其荷載的繩索。②牽引繩：牽引運(yùn)輸物件的繩索。③支持構(gòu)架：支持承載索和牽引索的構(gòu)架。④行走滑車(chē)和吊籃：懸掛運(yùn)輸物件并在承載索上行走的特制滑車(chē)，吊籃懸掛在行走滑車(chē)上用于裝載物件。⑤固定滑車(chē)：支承牽引繩索或?qū)⒊休d繩索固定在支架上。⑥牽引繩索走向滑車(chē)。⑦索道機(jī)：由索道牽引機(jī)和動(dòng)力柴油機(jī)組成。

圖7 牽引式架空索道示意

6.3 貨索運(yùn)輸能力計(jì)算

貨運(yùn)索道工作中承載索是最重要部分，其設(shè)計(jì)計(jì)算精度直接影響索道在使用過(guò)程中的安全性以及經(jīng)濟(jì)合理性[7]。

承載索能力計(jì)算主要用James Bemalli等建立的懸鏈線理論計(jì)算解[8-9]，運(yùn)用較多的還有拋物線理論。拋物線理論是對(duì)懸鏈線級(jí)數(shù)展開(kāi)式取前2項(xiàng)進(jìn)行改造后計(jì)算，它是比懸鏈線簡(jiǎn)單得多的代數(shù)函數(shù)理論[10-11]。拋物線理論中又包括加氏、堀氏和杜氏3種計(jì)算方法。加氏對(duì)懸索拉力的各因素分別進(jìn)行補(bǔ)正[12]，堀氏重新導(dǎo)入綜合補(bǔ)正計(jì)算式，從而拓寬了加氏方法的使用范圍[13]。國(guó)內(nèi)常用的還有懸索曲線法及攝動(dòng)法。

懸鏈線理論最接近實(shí)際情況，其余理論均是近似計(jì)算。其中懸索曲線法計(jì)算精度高，理論簡(jiǎn)便，在索道設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。

在承載索實(shí)際工程計(jì)算中，承載索最大與最小工作拉力，按公式(1)計(jì)算

Tmax,min=W±q0h+K∑ΔT

(1)

式中，Tmax為承載索的最大工作拉力，N；Tmin為承載索的最小工作拉力，N；W為承載索拉緊重錘的重力，N；q0為承載索每米重力，N/m；h為承載索拉緊端與錨固端之間的高差，m；K為拉緊區(qū)段內(nèi)承載索摩擦力的折減系數(shù)；∑ΔT為拉緊區(qū)段內(nèi)承載索按同向疊加計(jì)算的摩擦力總和，N。

索結(jié)構(gòu)初始形態(tài)和預(yù)應(yīng)力分布是一對(duì)相互影響的未知量，需采用迭代法計(jì)算，計(jì)算量大，準(zhǔn)確率低下。引入非線性有限元軟件ANSYS對(duì)索結(jié)構(gòu)迭代計(jì)算，找形分析[14]，大幅提高了準(zhǔn)確率并降低了人工計(jì)算量，極大促進(jìn)了設(shè)計(jì)及檢算水平提升。

6.4 貨索運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)能調(diào)查

索道運(yùn)輸分重型及輕型，根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)輸需求可調(diào)節(jié)幅度大。經(jīng)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的貨運(yùn)索道單次載重可達(dá)到200～300 kN，這足以滿足臨時(shí)設(shè)備及物料運(yùn)輸需求。當(dāng)運(yùn)輸大型挖機(jī)及車(chē)輛時(shí)，可拆卸后運(yùn)輸?shù)街付▓?chǎng)地再進(jìn)行拼裝應(yīng)用；如橋梁等也可提前預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，其核心問(wèn)題是結(jié)構(gòu)尺寸的確定[15]。

運(yùn)量方面，國(guó)外單索索道最大運(yùn)量已超過(guò)600 t/h，由PHB公司研發(fā)的新型索道運(yùn)輸量達(dá)到2 500 t/h，在線路兩側(cè)設(shè)置2條或4條承載索，不需采用特大直徑承載索，此種索可以運(yùn)送大物件[16]。

貨索起吊質(zhì)量及運(yùn)能方面完全可以滿足青藏山區(qū)鐵路如川藏鐵路建設(shè)中機(jī)械、物資、材料調(diào)配運(yùn)輸。

7 結(jié)語(yǔ)

青藏山區(qū)鐵路便道建設(shè)在鐵路工程建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用，也是整個(gè)工程的難點(diǎn)。針對(duì)青藏山區(qū)鐵路自然因素及人文環(huán)境，部分段落貨運(yùn)索道運(yùn)輸明顯優(yōu)于公路便道運(yùn)輸。貨運(yùn)索道運(yùn)輸有相關(guān)規(guī)范及計(jì)算理論可循，工程現(xiàn)場(chǎng)使用較多，方案成熟，施工隊(duì)伍經(jīng)驗(yàn)豐富，施工質(zhì)量能得到有效保證。貨運(yùn)索道運(yùn)輸是公路便道的有效替代手段。

特殊的偏僻山區(qū)鐵路建設(shè)中，依據(jù)索道設(shè)計(jì)原則選擇索道路徑和標(biāo)準(zhǔn)化的索道運(yùn)輸方案。根據(jù)地形及運(yùn)量需求合理規(guī)劃，公路便道與貨運(yùn)索道配合使用，必然能高效保證鐵路物資供給。