货索运输在陡峭及交通不便山区铁路修建中的优势与应用分析

张景利

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 青藏山区铁路地形特点

青藏山区某铁路沿线，山势雄伟，群峰高耸，山岭海拔多在5 000 m以上，谷底与山岭相对高差一般在2 000～3 000 m，多悬崖绝壁，支流密布，冰川、冰湖、冰碛地貌及冻融地貌特征明显，如图1所示。

图1 青藏山区铁路高山峡谷地貌

此段铁路建设除受地形险峻、断裂带、地震带、瓦斯煤层、溶洞、山体滑坡、河流湍急、破碎岩层、膨胀土、冻土、环境脆弱等自然因素影响，还受沿线无人区、交通不便、物资匮乏、当地技术装备落后等人文环境限制，工程建设难度前所未有[1]。

2 铁路便道修建存在的难题

施工便道在铁路建设中至关重要，便道修建标准低，在满足机械、物资、材料进场的同时，尽量减少破坏周边地形[2]。便道是施工前期阶段重要环节，须进行科学规划才能达到既满足使用要求又节省投资的目的[3]。根据青藏山区铁路自然环境及人文特点，公路便道修筑会遇到诸多难题，最主要有以下几方面。

2.1 险峻地形导致修建难度远大于常规便道

青藏山区铁路工程沿线多为高山峻岭和无人区，线路平均海拔3 850 m，高山峻岭地段约占65%，大部分区域车辆无法到达，地形起伏大，加上湍急河流、膨胀土、冻融环境等都造成便道修建难度大幅增加。个别段落公路便道修建，其造价及施工难度远大于铁路本体工程。

2.2 危岩落石对便道安全影响大

沿线危岩落石、滑坡、崩塌、错落、岩堆等重力不良地质发育，在峡谷和陡坡地段尤为突出。加上冻融环境、强降雨、冰川、冻涨等均加剧了危岩剥落。

陡坡便道建设期，开挖范围大，扰动危岩体，加速危岩剥落，为工程建设造成巨大隐患。后期便道运营中，落石侵入便道几率高，造成运输中断(图2)，落石防护需投入大量人力物力，难度大，费用高。

图2 危岩落石中断公路运输

当地海拔高，气温低，暖湿气流顺坡而上，与冷气流相遇，导致降水充足，雨雪天气多。便道等级低，沿线地势起伏大，坡度陡，泥泞及冰雪路面，引起便道车辆运输困难，安全事故频发。一年中受冰冻期及雨季影响时间长，便道实际可有效使用时间非常有限，容易造成物资供给中断，影响到主体工程建设。

2.3 环境保护

沿线生态脆弱，空气稀薄，海拔高，气温低，植物生长缓慢，生态自复能力低。地形起伏大，便道傍山而行，多为盘山道路，修建规模庞大，占地广，开挖防护量大，造成山体表层大面积剥落，植被破坏严重，造成难以恢复的生态环境问题。

3 货索运输的优势

货运索道对自然地形适应性强，具有爬坡能力大、可以点对点运输，跨越山川、克服地障能力强[4]。索道的高效、经济、节能，对环境影响小等优点决定了其必将在临时运输施工中得到广泛的应用[5]，货索运输形式如图3所示。根据该山区铁路特点，将货运索道与公路便道进行比较，见表1。

图3 货索运输示意

表1 公路便道与货索运输比较

3.1 自然因素方面货索运输优势

由表1可看出，货索建设规模、工期远低于公路便道，工程难度及造价大幅度降低。货索仅支架基础处开挖山体，对山体扰动及环境影响小，基本不会增加落石危险源。建成后，落石击中货索及货箱的概率极低，索道是柔性结构，即便击中，索道变形，落石即滑落坡底。仅支架处需落石防护，大幅度降低了危岩落石的危害。

冰雪降雨期较长，货索运输基本不受气候影响，有效地保证了物资运输线畅通。

3.2 人文环境方面货索运输优势

人文环境方面货索运输较公路便道有以下几点优势。

(1)无人区分布广泛，工程结束后，公路便道维修养护费用高，当地无人员交通需要，几年后便道即废弃。投入庞大人力、物力修筑起来的便道成了一次性工程。

货索运输在工程结束后，维修养护简便，费用低，能为当地零星交通提供便利服务。若当地无使用需要，可拆除回收，循环利用。

(2)当地技术装备落后，公路便道修筑所需机械物资等全部靠从外地调运，使用中车辆在当地维修效率低下。

货运索道建设期及后期使用所需物资机械少，不需要附加庞大的维修养护队伍。

青藏山区铁路这种地形复杂、降雨量大、气候寒冷、危岩落石多发、无人区广布地带，越发能显示出货运索道的运输优势，货索运输在诸多方面优于公路便道。青藏山区铁路便道建设中大范围采用货运索道运输配合公路便道运输，是一种非常可行、有效的运输方式。

4 货索运输分类

货索运输根据运量需求分主索道运输和支线索道运输，为了做好主、支货索通道规划，需要进一步研究货索分类及构成。工程索道按不同形式分类见表2。

表2 工程索道分类

在选择索道线路时，应根据地理条件、气候、沿途重要交通通道，需跨越的其他建筑设施等，针对施工运量及地形条件制定相应施工方案，根据施工方案选择合适索道运输方案[6]。常用索道运输类别见表3。

表3 常用索道货运类别

5 根据地形工况选用适宜货索举例

青藏山区铁路沿线地形起伏大，深沟陡坡密布，桥梁主要以高墩大跨结构为主，在高墩大跨桥梁与隧道相连位置采用货索运输方式更有优势。特别是在高墩大跨位置桥梁施工，两侧通往隧道口的公路便道修建困难，根据地形特点及运输需求，选用适宜货索运输方式，能达到事半功倍的效果。

5.1 重力自平衡低能耗类索道

如图4所示，物料场在桥墩谷底处，需将物资运到隧道口，提供隧道建设所需各种物料，同时隧道出砟需运到谷底料场附近转运出去。此时选用双索循环式货索，将桥墩谷底位置索道下站物资、机械通过物料货箱运到隧道口附近索道上站，弃砟从索道上站另一侧索承载的弃砟货箱运到谷底索道下站，当物料货箱与弃砟货箱质量相当时，自重平衡，很小牵引力即可牵引整个货索运行，能耗小，效率高。

图4 大跨桥与隧道相连处货索示意

5.2 适合大跨度、大运能需求的双层索系统

在跨越大的河流及深谷时，公路便桥修筑工程量大、工期长，受陡峭边坡控制，高差大，汽车来回运输耗能高。采用大跨货索运输，深谷或湍流中难以搭设支架，货索只能单跨跨越。仅采用1层索，悬线高差太大，牵引能耗大，货箱走行时间长，两侧支撑架拉力增大明显。此时考虑采用双层索(图5)，通过上层索在跨中处给下层索一个拉力，形成一个中支撑作用，下层索起走行索作用。此布置形式可有效降低能耗、缩短高差运距，减小两侧支撑拉力，提高运输平稳性，缩短运输时间。

图5 大跨度、大运量区域双层索系统示意

5.3 自由牵引的缆索吊

缆索吊由主索、工作索、塔架和锚固装置4部分组成。缆索吊装系统跨越能力大、水平和垂直运输机动灵活、适应性广，广泛用于大跨度拱桥无支架施工，如图6所示。

图6 缆式吊车索道施工拱桥示意

目前缆索吊已发展成由主索、天车、起吊系统、牵引系统、控制系统、塔架系统、辅助系统等组成的复杂整体，并由单跨向多跨发展，起吊质量增加到几十吨、上百吨，主索由单索发展到组索、多组索，位置由固定式发展到可移动式。

6 货索组成及运能状况

6.1 货索运输国内发展状况

货索运输在险峻地形运用较多，如在拉萨至日喀则铁路建设中，受雅鲁藏布江湍流影响，便桥无法修通，部分地段就曾采用过货索运输。

国内货索运输使用较多的是电力行业和矿山运输，特别是电网建设中，受地形限制，货索运输优势明显，使用广泛，行业内施工经验丰富，技术成熟。

目前国内货运索道相关规范主要有GB/T 15388.2—1994《单线循环式货运架空索道设计规范》、GB/T 15388.1—1994《双线循环式货运架空索道设计规范》、GB12141—2008《货运架空索道安全规范》、GBT27541—2011《货运缆车技术规范》、GB50127—2007《架空索道工程技术规范》等。

6.2 货索运输构件组成

以单跨索道为例，如图7所示，索道运输主要组成有①承载索：是运输物件的轨道，并是承受其荷载的绳索。②牵引绳：牵引运输物件的绳索。③支持构架：支持承载索和牵引索的构架。④行走滑车和吊篮：悬挂运输物件并在承载索上行走的特制滑车，吊篮悬挂在行走滑车上用于装载物件。⑤固定滑车：支承牵引绳索或将承载绳索固定在支架上。⑥牵引绳索走向滑车。⑦索道机：由索道牵引机和动力柴油机组成。

图7 牵引式架空索道示意

6.3 货索运输能力计算

货运索道工作中承载索是最重要部分，其设计计算精度直接影响索道在使用过程中的安全性以及经济合理性[7]。

承载索能力计算主要用James Bemalli等建立的悬链线理论计算解[8-9]，运用较多的还有抛物线理论。抛物线理论是对悬链线级数展开式取前2项进行改造后计算，它是比悬链线简单得多的代数函数理论[10-11]。抛物线理论中又包括加氏、堀氏和杜氏3种计算方法。加氏对悬索拉力的各因素分别进行补正[12]，堀氏重新导入综合补正计算式，从而拓宽了加氏方法的使用范围[13]。国内常用的还有悬索曲线法及摄动法。

悬链线理论最接近实际情况，其余理论均是近似计算。其中悬索曲线法计算精度高，理论简便，在索道设计中应用较多。

在承载索实际工程计算中，承载索最大与最小工作拉力，按公式(1)计算

Tmax,min=W±q0h+K∑ΔT

(1)

式中，Tmax为承载索的最大工作拉力，N；Tmin为承载索的最小工作拉力，N；W为承载索拉紧重锤的重力，N；q0为承载索每米重力，N/m；h为承载索拉紧端与锚固端之间的高差，m；K为拉紧区段内承载索摩擦力的折减系数；∑ΔT为拉紧区段内承载索按同向叠加计算的摩擦力总和，N。

索结构初始形态和预应力分布是一对相互影响的未知量，需采用迭代法计算，计算量大，准确率低下。引入非线性有限元软件ANSYS对索结构迭代计算，找形分析[14]，大幅提高了准确率并降低了人工计算量，极大促进了设计及检算水平提升。

6.4 货索运输的运能调查

索道运输分重型及轻型，根据项目运输需求可调节幅度大。经调查，目前国内运行的货运索道单次载重可达到200～300 kN，这足以满足临时设备及物料运输需求。当运输大型挖机及车辆时，可拆卸后运输到指定场地再进行拼装应用；如桥梁等也可提前预制，现场拼装，其核心问题是结构尺寸的确定[15]。

运量方面，国外单索索道最大运量已超过600 t/h，由PHB公司研发的新型索道运输量达到2 500 t/h，在线路两侧设置2条或4条承载索，不需采用特大直径承载索，此种索可以运送大物件[16]。

货索起吊质量及运能方面完全可以满足青藏山区铁路如川藏铁路建设中机械、物资、材料调配运输。

7 结语

青藏山区铁路便道建设在铁路工程建设中起着至关重要的作用，也是整个工程的难点。针对青藏山区铁路自然因素及人文环境，部分段落货运索道运输明显优于公路便道运输。货运索道运输有相关规范及计算理论可循，工程现场使用较多，方案成熟，施工队伍经验丰富，施工质量能得到有效保证。货运索道运输是公路便道的有效替代手段。

特殊的偏僻山区铁路建设中，依据索道设计原则选择索道路径和标准化的索道运输方案。根据地形及运量需求合理规划，公路便道与货运索道配合使用，必然能高效保证铁路物资供给。