復雜艱險山區(qū)高速鐵路設計創(chuàng)新

面對自然條件的限制和高標準的技術要求，復雜艱險山區(qū)高速鐵路的建設，難以完全回避各類災害風險。本文圍繞復雜艱險山區(qū)高速鐵路的特點和勘察設計的特殊需求，介紹了復雜艱險山區(qū)高速鐵路在減災選線技術、高墩大跨橋梁修建技術、長大深埋復雜隧道（群）修建技術、路基變形控制及災害防治技術、基礎設施服役狀態(tài)和運營環(huán)境監(jiān)測預警技術等方面的設計創(chuàng)新，以期通過創(chuàng)新技術的運用和發(fā)展，提高復雜艱險山區(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.

復雜艱險山區(qū)，由于強烈的地勢起伏、急劇的氣象變化、復雜的地質環(huán)境，易導致斜坡重力作用類型災害發(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)間定線適應地形能力、繞避障礙的靈活性較差；線路選線、工程設置難度大。如何做好鐵路防災減災是鐵路規(guī)劃、設計的關鍵。受山區(qū)自然條件制約和自身鐵路技術水平的限制，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、繞避地質災害。由于適應地形能力、繞避災害障礙的靈活性差，山區(qū)高速鐵路需要完善路基變形控制及災害防治技術。同時，為確保運營安全，山區(qū)高速鐵路必須對基礎設施服役狀態(tài)及運營環(huán)境進行監(jiān)測預警。

復雜艱險山區(qū)減災選線

復雜艱險山區(qū)減災選線技術主要包括災害快速識別與評估技術、智慧選線技術、減災防災工程總體設計技術。

災害快速識別與評估技術是減災選線的重要環(huán)節(jié)。復雜艱險山區(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，結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，從地質構造及內外營力作用入手，開展災害的形成機制、活動特征、致災機理、發(fā)展趨勢等方面的基礎研究，進而結合鐵路線路預測災害的分布范圍，研究工程力學特性，評估工程風險。

為提高選線工作的質量和效率，研究人員開始探索智能化、自動化的選線技術，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)實等技術引入選線設計，建立三維及虛擬環(huán)境的選線系統(tǒng)；將災害數(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，快速大量的方案比選，生成、評價、篩選設計方案，是實現(xiàn)減災選線的重要步驟；開發(fā)復雜環(huán)境鐵路智慧選線系統(tǒng)，以多年經驗為依據(jù)，建立線路-結構物-環(huán)境耦合約束關系，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。

減災防災工程總體設計技術，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，遠離災害源，保障鐵路建設和長期運營的安全。高墩大跨橋梁修建技術、復雜環(huán)境長大隧道技術、高大重型路基支擋結構技術、工程服役狀態(tài)及環(huán)境監(jiān)測預警等技術，為災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

（一）高墩大跨橋梁結構型式

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、地質條件，建立山區(qū)高速鐵路高墩大跨橋梁合理結構型式。

（二）高墩大跨橋梁剛度控制技術

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，采用車-橋梁動力響應、軌道幾何形位及穩(wěn)定性、線路平順條件為評判指標的剛度控制方法，形成了鐵路高墩大跨不同橋式結構的剛度控制設計參數(shù)體系。

（三）高墩大跨橋梁抗風技術

創(chuàng)建桁梁橋式結構設置分段導流板抑制渦激振動的新技術，解決了桁梁橋式結構風致振動關鍵技術。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風欄桿技術，解決峽谷地形橫風對列車運營的影響，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

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

（五）高墩大跨橋梁施工關鍵技術

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”快速施工成套技術的提出，解決了復雜艱險山區(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鍵技術，并成功運用于復雜艱險山區(qū)多條高速鐵路建設中，建成了多座世界級高墩大跨鐵路橋梁。

長大深埋復雜隧道（群）修建技術

（一）高地質災害風險隧道洞口修建技術

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)定性及重力地質災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上，結合工程實踐形成了艱險山區(qū)隧道洞口坡面分類分區(qū)防護技術體系，實現(xiàn)了洞口功能與安全的有機結合。

（二）隧道群空氣動力效應緩解技術

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

（三）特殊復雜隧道修建技術

巖溶隧道：巖溶水采取“以探保施工安全、以排保結構安全”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。

高地應力軟巖大變形隧道：基本掌握軟弱圍巖的變形規(guī)律，提出了“優(yōu)化輪廓、分步預留、錨撐結合、快速封閉、動態(tài)調整”的變形控制技術。

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計方法，并應用于大瑞、成蘭、川藏等鐵路。

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

（四）隧道群防災救援技術

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

路基變形控制及災害防治技術

（一）路基變形控制技術

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、防側移、抗隆起”的變形控制技術。

（二）災害防治技術

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

基礎設施和周邊環(huán)境監(jiān)測預警技術

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

研發(fā)高速鐵路地震現(xiàn)場監(jiān)測設備及前端預警服務器，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)合組織的室內實驗和現(xiàn)場實驗，并成功應用于鐵路建設。

（二）隧道防災救援設備監(jiān)控系統(tǒng)

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

（三）地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)

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

（四）重要基礎設施服役狀態(tài)自動監(jiān)測預警系統(tǒng)

研發(fā)高速鐵路重要基礎設施服役狀態(tài)自動監(jiān)測預警系統(tǒng)，包括對高墩大跨橋梁、特殊復雜隧道、路基邊坡高大支擋結構等服役狀態(tài)的預警，實現(xiàn)了重要基礎設施不同風險等級的預警預報。

結語

復雜艱險山區(qū)高速鐵路建設，通過減災選線，規(guī)避、防范鐵路建設及運營期間可能發(fā)生的地質環(huán)境災害，降低鐵路工程建設及營運安全風險。另一方面，由于復雜自然條件的限制和高標準的技術要求，山區(qū)高速鐵路建設難以完全回避各類災害風險。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選線的支撐技術。減災選線與減災選線支撐技術的結合，實現(xiàn)了山區(qū)高速鐵路修建及能力保持。