复杂艰险山区高速铁路减灾选线设计研究

朱 颖 魏永幸 蒋登伟 罗 圆

(1.中国中铁股份有限公司， 北京100039；2.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

1 研究背景

在我国西南及临近的，包含横断山、秦岭、乌蒙山等大地势阶梯急变带的复杂艰险山区修建高速铁路，是国家“补短板”“惠民生”的重大战略需求。该区域已纳入中长期铁路网规划的高速铁路项目总长约1.5万km，另有较多项目正在开展前期研究。因地形险峻、地质复杂、板块活跃，高烈度地震、岩溶突水突泥、“崩滑流”及沟谷灾害链等地质灾害问题突出，工程建设条件极差，高速铁路的建设和运营安全极具挑战。

设计是建设的“龙头”，选线是铁路设计的“总师”，是从源头上防灾减灾的首要环节。铁路线位选择不当、灾害识别不到位、防灾减灾措施不足极易造成严重后果。如上世纪八十年代前建成的山区铁路受资金及建造技术所限，建设及运营过程中，由突发自然灾害造成的重特大人身伤亡、铁路断道等事故时有发生。高效识别“长线路、宽廊道”范围地质灾害，量化百年服役期铁路工程安全风险，科学确定“宏观走向”“空间线位”“工程设置”等多层次风险调控举措，实现以“减灾”为核心的方案群多目标智能优化，是保障复杂艰险山区高速铁路成功修建与安全运营的关键，更是铁路选线设计必须突破的技术瓶颈。

高速铁路线型标准高(大半径、长坡段)、构筑物沉降标准高(毫米级沉降控制)，适应地形、绕避不良地质的灵活性弱。对于长达数百至上千公里的复杂艰险山区高速铁路带状工程，既要经过重要经济据点，又要保护脆弱环境，还必须尽可能绕避广泛分布、隐蔽性强且不同区域差异性大的不良地质，部分灾害绕无可绕、避无可避时，只能在横向数十至上百公里范围内避大就小，海量筛选技术可行、经济合理、风险可控的线路和工程方案，传统以适应地形为主的“地形选线”和以绕避不良地质为主的“地质选线”技术已难以完全满足要求。基于此，中铁二院的朱颖、魏永幸等人在汲取了成昆、宝成、南昆等既有山区铁路经验与教训的基础上[1-3]，在渝利、成兰、拉林等铁路工程勘察设计实践中[4-5]，不断总结完善，形成了以防灾减灾为核心的铁路减灾选线新理念[6-7]。

2 主要研究内容

中铁二院等多家单位以“全寿命周期风险系统防控”为指导思想，依托渝利、贵广、云桂等十余条艰险山区高速铁路，针对“减灾选线、灾害识别评估、智能辅助选线、桥隧路防灾设计”等关键问题，开展了十余年“产、学、研、用”协同攻关和工程实践，最终形成以“一套减灾选线理论与方法”+“三大减灾选线支撑技术”为核心的复杂艰险山区高速铁路减灾选线设计成套技术，该技术突破了复杂艰险山区修建高速铁路的关键技术瓶颈，将铁路选线理论从“地形选线”“地质选线”提升到了“减灾选线”的新高度[8]。复杂艰险山区高速铁路减灾选线成套技术如图1所示。

3 主要创新成果

3.1 减灾选线理论与方法

首创减灾选线理论与方法，丰富和发展了铁路选线理论，为复杂艰险山区高速铁路防灾减灾奠定了理论基础。

(1)提出了基于全寿命周期、风险管理和系统工程的减灾选线新理念；构建了“以规避、防范铁路全寿命周期可能发生的地质环境灾害为根本出发点，以地质灾害风险识别、评估与调控为手段，以灾害识别与防控新技术为支撑，以实现风险源头控制、系统控制为目标”为核心内涵的减灾选线理论； 提出了“全面快速识别风险、选线规避重大风险、工程措施防范一般风险、监测预警潜在风险”的减灾选线四大作业程式，为减灾选线提供了工作流程和基本工作方法[9]。

图1 复杂艰险山区高速铁路减灾选线成套技术图

(2)基于铁路全寿命周期灾势预测的研究，创新了高烈度地震、岩溶以及崩塌、滑坡、泥石流、洪水、沟谷灾害链等复杂艰险山区典型灾害区选线方法。针对高烈度地震山区，提出了基于构造地貌的廊道选择方法，建立了基于地震地表变形量预测的线路平纵断面预留变形设计方法，提出了地震山区减灾选线十六条原则[10-11]。针对岩溶山区，根据岩溶隧道突水突泥危险性程度，提出了“抬高程、傍河边、人字坡”的岩溶山区减灾选线九字方针[12]，岩溶山区减灾选线方法如图2所示。

图2 岩溶山区减灾选线方法图

针对针对沟谷灾害链区，建立了基于动量平衡的泥石流堵河方程，创新了泥石流堵河水位上涨趋势和最远冲出距离的预测方法，提出了堰塞湖灾害链危险区铁路线位选择方法[13]。泥石流冲出距离及堵塞系数可按式(1)进行计算。

L冲=Q2/Z
R=L冲/L主

(1)

式中：L冲——基于动量平衡条件的支沟泥石流冲出距离；

Q、Z——由流速、浓度、固体颗粒比重等泥石流特征参数，沟口坡度、河床糙率等泥石流沟特征参数以及主河主要参数构成的函数关系式；

L主——主河宽度；

R——基于主河静水阻力修正的支沟泥石流堵河的堵塞系数。R值越大，表示泥石流堵河的严重性程度越高，主河水位上涨趋势越快。

(3)基于灾害风险防控路径的研究，建立了“平面绕避、立体跨越、工程防控、监测预警”四层次、多手段的灾害风险综合防控模式，如图3所示。

图3 灾害风险综合防控模式图

(4)建立了灾害风险损失年换算工程运营费模型，提出了以“技术+经济+风险”为主控目标的线路方案定量评价方法。实现了线路方案风险、技术、经济等多要素、多目标定量评价[14]。线路方案定量评价模型可按式(2)计算。

K=(E+P×Z/100)+Δ×A

(2)

式中：K——灾害风险损失年换算工程运营费；

E——铁路年运营费；

P——铁路百年服务期内灾害发生概率；

Z——铁路工程的灾害经济损失；

A——工程固定投资；

Δ——投资偿还期系数。

3.2 “三阶段、三维度、三层次”地质灾害识别技术

研发了艰险山区强干扰环境地质灾害精准定位、地质体非接触高效空间感知及多源数据获取与融合处理技术，解决了灾害信息采集难、精度低的难题；揭示了特殊岩土与不良地质特征、致灾机理及灾害风险，基于“天-空-地”三维度地质灾害识别技术的集成创新，构建了三个阶段(地质灾害区域宏观识别、沿线系统识别、区段详细识别)及三个层次(灾害特征、致灾机理、灾害风险)的复杂艰险山区地质灾害广域高效识别技术，实现了山区地质灾害及灾害链的准确识别和风险评估[15-16]。效率提高约50%。三阶段、三维度、三层次”地质灾害识别技术如图4所示。

图4 三阶段、三维度、三层次”地质灾害识别技术框图

3.3 点线协同智能辅助减灾选线技术

基于山区选线经验的升华，建立了减灾选线专家智库及知识图谱，破解了铁路选线知识的表达难题；构建了减灾选线综合信息模型和点线协同多目标优化模型，实现了减灾选线以经验为主的定性分析向定量计算的跨越；构建了案例大数据驱动的减灾选线经验策略网络，发明了双向广义距离变换与群智能融合的优化仿真设计方法，首创了策略网络与仿真设计紧密结合、具有全局态势感知能力的点线协同智能搜索方法；研发的智能选线系统实现了宽廊道、多目标、多约束、千公里级线路方案群的快速创建和优化[17]，提高效率3～5 倍。点线协同智能减灾选线系统构架如图5所示。

图5 点线协同智能减灾选线系统构架图

3.4 桥隧路构筑物防灾设计技术

首创A型和人字型混凝土高墩结构，提出了梁式桥刚度控制标准，创新了超高墩长联大跨梁式桥、大跨度拱桥设计关键技术，建成了系列高速铁路高墩大跨梁式桥(含139 m世界最高墩、778 m最大联长)和200～400 m跨度系列拱桥(含445 m最大跨度)，大幅提升了复杂艰险山区铁路立体绕避灾害能力[18]；创新了岩溶、高压富水构造带、非煤瓦斯涌突等复杂环境长大隧道设计关键技术，提出了系列风险防控技术(如表1所示)，建成了千余公里高风险高速铁路隧道；创新了桥隧间短路基、陡坡支挡路基和“斜坡软土”路基等特殊路基毫米级变形控制和“崩滑流”灾害防控技术[19]。桥、隧、路构筑物防灾设计技术支撑了减灾选线，突破了高速铁路建设禁区。

表1 隧道风险防控设计技术表

4 应用推广和社会经济效益

复杂艰险山区高速铁路减灾选线设计成套技术已成功应用于渝利、贵广、云桂等十余条，长约 6 300 km复杂艰险山区高速铁路工程建设，覆盖西南及临近山区，约占中国高速铁路总里程的1/5，累计取得经济效益42.6亿元。同时已推广指导了1.3万km高速铁路的勘察设计，并在其他陆地交通项目中得到了借鉴利用。该技术规避了重大地质灾害风险，确保了各项目的顺利建成和安全运营，社会、经济、环保效益显著[20]。此外，该技术的相关成果已纳入《川藏铁路勘察设计暂行规定》，指导了川藏铁路的规划研究。

5 结束语

复杂艰险山区高速铁路减灾选线设计成套技术攻克了中国复杂艰险山区高速铁路防灾减灾关键技术难题，取得了系列创新成果，首次提出了基于全生命周期、系统工程、风险管理的减灾选线理念，创立了基于“全寿命周期风险系统防控”的减灾选线理论、方法及三大支撑技术，将传统“地形选线”、“地质选线”技术提升到了“减灾选线”新高度，丰富和发展了铁路选线理论，为我国复杂艰险山区高速铁路防灾减灾奠定了坚实基础。此外，“三阶段、三维度、三层次”地质灾害识别技术实现了复杂环境地形地质特征的快速获取与识别，点线协同智能辅助减灾选线技术实现了宽廊道、多目标、多约束、千公里级线路方案群的快速创建与优化，桥隧路构筑物防灾设计关键技术为复杂艰险山区高速铁路减灾选线与工程防灾提供了技术保障。成果已成功应用于复杂艰险山区高速铁路及其他陆地交通项目的建设中，解决了项目的减灾选线和工程设计难题，有效降低了艰险山区高速铁路的建设和运营风险，极大提升了复杂艰险山区高速铁路的经济、社会、环保效益，为复杂艰险山区高速铁路规划建设提供了重要技术支撑，引领了复杂艰险山区高速铁路建造技术的科技进步。在完善综合交通运输体系及铁路路网、推动艰险山区区域经济社会发展、改善人民出行、国防保障能力等方面均发挥了重要作用，在铁路建设中具有广阔的应用前景。