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白云教授“一带一路”研究之“中—尼—印铁路通道”线路设计及建

归档日期:10-15       文本归类:冲洪积扇      文章编辑:爱尚语录

  原标题:白云教授“一带一路”研究之“中—尼—印铁路通道”线路设计及建设可行性分析(原文见《隧道建设》2017年第10期)

  随着我国“一带一路”倡议的推进,跨国运输通道的建设成为倡议实施的关键环节之一,而我国建设复杂地质条件下跨国基础设施的经验尚不丰富。

  “中—尼—印铁路通道”是一条途经尼泊尔,连接中国和印度2个大国的运输通道,基于实地考察,分析该通道建设的必要性及建成后的效益,对线路进行初步规划,并总结该通道建设的难点: 1)铁路轨道坡度大;2)沿线)周边基础设施落后,施工条件恶劣; 4)大量深长隧道以及大跨径高桥梁; 5)环境以及气候条件复杂。

  同时对沿线隧道以及桥梁的建设可行性进行分析,并给出施工建议:沿线隧道采用以TBM法为主、钻爆法为辅的施工方法; 桥梁建设则因地制宜,根据不同区间的地质特点,采用相应的建设方法。

  南亚是建设“一带一路”的重点方向之一,中国与印度的贸易关系是拓展南亚市场的关键。

  中国与印度之间的货物运输90%是通过海运完成的。虽然位于中印边境上的乃堆拉山口岸于2006年重新开通,但由于贸易物品数量有限、辅助基础设施较差、公路只有夏季才能开通,使得该口岸的贸易额和货运量均十分有限。中国的大部分货物是通过天津港或上海港运输到印度孟买港,反之亦然。虽然海运运输能力较大,长途运输成本较低,但运输时间较长,容易受台风和飓风等极端恶劣天气的影响,且中国广大的西部与印度地理接壤,海运将会无谓地增加运输时间和成本。

  尼泊尔作为一个内陆国,其特殊的地理位置和地形导致了交通的极不便性。目前,中国与尼泊尔之间的货运主要通过中尼公路完成。

  因为该公路在尼泊尔境内部分路况较差,在雨季时极易受滑坡、泥石流等自然灾害的侵袭,致使事故频发,且该公路的运力也已接近饱和。因此,尼泊尔迫切需要一条通往中国和外界的便利通道,以解决目前面临的困境。

  若穿越喜马拉雅山脉的铁路能从尼泊尔通过,在促进中印贸易的同时,既能避免中印两方争议领土带来的争端,又能消除或缓解尼泊尔的贫困,实现三方共赢的良好局面。

  2012年,笔者团队就提出了“中—尼—印铁路通道”的设想,规划了3条线路,并实地考察了中线与东线的基本地质情况。

  根据国家铁路规划,到2020年,会将拉日(拉萨—日喀则)铁路延伸支线到吉隆口岸,成为日吉铁路,共同成为中尼铁路的中国路段。国家铁路规划的线路与设想线路中的西线线路大致相同。

  通过实地考察,并调查沿线区域的地质资料,总结“中—尼—印铁路通道”工程建设5个主要特点:

  其中最为直观的工程难点是如何在吉隆县至吉隆口岸60 km不到的距离内完成海拔下降1 400 m左右的线路设计,同时还要符合铁路设计坡度的要求;该区域地质条件复杂,地质灾害易发,给工程的设计施工造成较大困难; 此外,沿线区域基础设施条件落后,在山谷地区狭窄区间内修建施工便道的难度也较大。

  参考青藏高原地区青藏铁路以及拉日(拉萨—日喀则)铁路的相关设计参数,依据《铁路线路设计规范》,推荐部分铁路技术标准如下:

  吉隆谷沟深谷窄,纵坡极大,从吉隆县到加德满都附近直线 m,并且吉隆谷东西走向断层发育,不适合东西向展线方面原因,推荐电力牵引,限制坡度15‰,加力坡30‰。同时,线路需穿越喜马拉雅山脉,不可避免出现大长度隧道,若为内燃机牵引,需考虑通风问题,则隧道长度受限,因而也需要采用电力牵引的方式。

  线路主体需靠近现有交通线县道等),方便施工设备和人员的进场和转移; 需靠近城镇(如定日县和吉隆县等),以方便施工人员的基本生活。隧道洞口和桥址的选取也要考虑施工的便利性,需要合适的作业面。线路尽可能途经该区间内的主要城市,以实现最大的经济效益。

  依据上文讨论的选线原则,设计从定日县至加德满都的铁路线路,其大致走向如下:

  由定日县一路向西,穿越马拉山抵达吉隆县,沿吉隆沟穿越喜马拉雅山脉直抵中尼边境吉隆镇,由吉隆口岸附近进入尼泊尔境内,顺吉隆沟在尼泊尔境内段抵达其首都加德满都附近。

  、隧道穿越区段以及高山(中山)峡谷区段。标记起点定日县线。整体路线以及区段划分

  起点至古措村区间(AK0~AK98)为中山宽谷区段,全长98 km,占线%。该段位于朋曲两岸,线 m,线路起伏不大,整体沿河谷单边向上。河谷宽阔,宽度大部分为2~6 km。在岗嘎村附近有1处宽度约11.5 km的冲积扇(见下图),需加强路基排水及防护,临河侧需防河水冲刷,中部被沟谷河水冲开的路段以中、小桥的形式跨越。该段部分区域发育有泥石流,需详细勘察其发育情况和影响范围。

  古措村至夏木德镇区间(AK98~AK128)为中山窄谷区段,全长30 km,占线 m,线路起伏不大,整体沿河谷单边向上。河谷宽度大部分为0.5~1 km,河谷部分狭窄处线路无法展布,需采用隧道穿越。

  夏木德镇至佩枯错区间(AK128~AK194)为大范围冲洪积堆积区段,全长66 km,占线%。该段南侧是喜马拉雅山脉,北侧为浪强错和佩枯错,是由希夏邦马峰等雪山冰雪融水形成的冲洪积扇。线 m,线路起伏不大,开阔平坦,整体中间高两边低。建设过程中的注意事项基本与中山宽谷段类似。

  佩枯错西南侧至吉隆县区间(AK194~AK215)被孔堂拉姆山横断,该段长21 km,占线%。隧道穿越区段地形地貌

  需修建特长隧道穿越,隧道长约19.0 km,是本线 m,单边下降,隧道最大埋深为1 290m,隧道围岩以中硬灰色泥晶灰岩与砂岩为主。隧道轴线°,尽量选择褶曲两翼通过,根据岩层情况适当调整隧道走向和埋深。马拉山出露多条东西走向的断层,地表出露延伸长度约为15 km,被西侧出露东西走向断层横断,地表出露延伸长度约为20 km。隧道不可避免需要穿越断裂破碎带,2组断层几乎正交,因而选择斜交通过。

  线路从吉隆县沿吉隆藏布峡谷顺势而下,经过吉隆口岸至尼泊尔OldShaybru Besi,从此处远离峡谷(若在尼泊尔Old Shaybru Besi处依然沿峡谷顺势而下,则坡降过大,并且不能直接到达加德满都,需继续绕远约60 km)转向加德满都(AK215~AK357),全长142 km,占线%。高山(中山)峡谷区段地形地貌

  该区间大部分为高山(中山)峡谷段,位于吉隆藏布两岸,山高谷深,纵坡极大,从吉隆县到加德满都约130 km的直线 m。该段峡谷宽度大部分小于100 m,线路依山傍水穿行于吉隆藏布峡谷两侧狭小的山脚或河漫滩,峡谷过窄处或弯曲过大处采用隧道穿越。

  线 m,单边向下至加德满都南部地势低洼处AK336,再从AK336处单边向上至加德满都,因而在AK260~AK336和AK345~AK357两段最大坡降处分别采用方向相反的30‰加力坡。在AK241~AK285区间有8条以上东西走向断层横穿峡谷,同时该范围峡谷两侧分布有海拔超过6 000 m的连绵雪山,因而东西向展线难免会出现大范围与断层平行以及隧道埋深过大等问题。所以沿峡谷而下,垂直穿越断层,采用隧道穿越狭窄弯曲处,利用加力坡克服坡降是最好的选择。同时线路穿行于峡谷,离河岸距离短,并且多次跨越吉隆藏布,因而建议在该区间采用以桥代路的方式通过,使桥面高度大于最高洪水位0.5~1 m。该段AK299~AK336处为一段长约27 km的隧道,隧道最大埋深接近2 000 m,为本段线路的最大工程难点。隧道围岩以质地坚硬的石英岩、片麻岩、大理岩等为主,极易发生岩爆。

  吉隆藏布峡谷山高谷窄,褶皱断层发育,同时岩崩、滑坡和泥石流灾害频发,该段为整条线路中地质条件最复杂、工程难度最大的区段。

  本文建议线km,最大桥高320 m; 主要隧道11条,最大长度25 km,最大埋深约2 000 m。由于桥隧部分占比很高,以下针对沿线隧道与桥梁的建设可行性进行分析。

  喜马拉雅地区岩圈构成十分复杂,其岩石类型包括沉积岩、变质岩,形成年代可追溯到第四纪之前。同时喜马拉雅地震带也是世界三大地震带之一,长久以来都是世界科学家研究与监测的对象。主要的工程地质挑战有5个方面:1)不良岩体与高岩石应力;2)地震与剪切带;3)涌水与地热;4)岩爆;5)冻土。

  山岭隧道施工方法受到对线路区域地质调查局限性的影响,存在较多不确定性,因此要确保在复杂性围岩下稳定施工的方案。

  山岭隧道施工技术主要有隧道掘进机(TBM)法和钻爆法,2种方法的技术特点对比见表1。表1 TBM法和钻爆法比选

  目前,国内山岭隧道多以钻爆法施工为主,且近年来施工技术进步比较显著,但在大埋深、长隧道开挖中存在的涌水、高岩石应力岩爆等一些技术问题仍待解决。

  选择山岭隧道施工方法考虑的因素主要有地质情况、隧道埋深、隧道长度、工期要求和环境情况等因素。在此前提下,

  本工程为全线铁路穿越,在考虑地形地貌、桥隧衔接等多方面因素的前提下,尽量选择最小桥高的施工方案,以减小施工难度和桥梁造价。

  出于工程地质考虑,桥址选择在区域地质构造稳定性条件好,地质构造简单,断裂不发育的地段。桥线方向应与主要构造线垂直或大交角通过断裂带。桥墩和桥台尽量不置于断层破碎带上。在山区应特别注意两岸的不良地质现象,如滑坡、崩塌、泥石流、岩溶等,应查明其规模、性质和稳定性,论证其对桥梁危害的程度,以做出合理的桥址位置选择。

  根据已有的桥梁建造经验,常规桥梁结构体系的使用跨径和极限跨度见表2。参考表2,给出沿线的桥梁方案。表2 常规桥梁结构体系的使用跨径和极限跨度

  该区段内地势平缓,铁路应主要采用路基的方式进行穿越,以减少造价。桥梁主要应用在跨越窄河、道路、村庄、田野等区域内。沿线所需桥梁跨越长度均不超过200 m,当遇到窄河、村庄等需要1跨跨越的情况时,单跨跨径均不超过100 m。此时在这些区域均可采用P.C.连续梁桥方案。当单跨跨径为60~100 m时,采用P.C.箱梁进行跨越; 当单跨跨径在60 m以下时,可采用P.C.T梁进行连续跨越。由于该区域内梁高有限,可采用悬臂浇注或满堂支架逐跨现浇施工方式。

  在进入窄谷区域后,采用路基的方式需进行大量的挖填作业,将耗费大量的人力物力。当采用桥梁方案进行穿越时,由于这部分桥梁的高度较大,不适用于支架施工,因此主要采用悬臂浇注的方式。此时,一方面能够适应多变的地形,保证线路顺利通过;另一方面能够在多点同时采用悬臂浇注的方式进行挂篮施工,较大程度地缩短该区段的建造工期。为减小高墩的建造成本,应尽可能减少桥墩设置。

  该区段地势较为平稳,总体特点与中山宽谷区段类似。穿越方案仍可采用路基为主、桥梁跨越的思路。桥型选择和桥梁跨径也可参考中山宽谷区段的方案。但对于冲洪积扇在不同区段的特点,桥梁应尽可能选择大跨度进行跨越,并根据桥梁所在冲洪积扇的不同区段,相应地设置导流堤,减小桥梁水毁的概率。

  在高山峡谷区段,为同时满足路线较短和坡降合理的要求,考虑采用隧道和桥梁的交替方案。因此,在这一区段桥梁主要应用在隧道口之间的峡谷部分。其主要特点是跨径大、桥位高。此外,为适应铁路的坡降要求,2个隧道口之间的距离较长,最长桥梁为3.2 km。在到达加德满都前,沿线个较宽的峡谷,其中AK334+500~ AK337+700为前一座跨越宽谷的桥梁,其峡谷上方跨度和桥位高程均较大,难度较高。AK335+200~AK337+200桥位处高程剖面图

  根据地形的剖面、宽谷跨越的要求、隧道埋深及桥高的影响,主要形成3种跨越方案:

  1)隧道口之间1跨跨越宽谷;2)根据隧道埋深和极限高墩建造能力确定桥梁主跨跨度,并采用合理桥型跨越;

  “中—尼—印铁路通道”的建设将极大促进中国与尼泊尔、印度之间的贸易往来,但其工程难度也非常大。在研究沿线区域地质特点的基础上,总结工程的建设难点,并根据一定的选线原则,

  :穿越马拉山抵达吉隆县,沿吉隆沟穿越喜马拉雅山脉直抵中尼边境吉隆镇,由吉隆口岸附近进入尼泊尔境内,顺吉隆沟在尼泊尔境内段抵达其首都加德满都附近。根据地貌单元的差异,可将线路分为中山宽谷区段、中山窄谷区段、冲洪积扇区段、隧道穿越区段以及高山(中山)峡谷区段。

  沿线隧道建设会面临不良岩体与高岩石应力、地震与剪切带、涌水与地热、岩爆、冻土等因素的挑战,建议采用以TBM法为主、钻爆法为辅的施工方法。沿线桥梁建设则应因地制宜,根据不同区间的地质特点,采用相应的建设方法。

  白云,同济大学教授、教授级高级工程师,英国土木工程学会资深会员(FICE)、英国注册土木工程师(CEng)。原国际隧道协会副主席,亚洲开发银行技术顾问,同时兼职为中国土木工程学会常务理事、原上海市土木工程学会副理事长、国家人事部专家服务中心专家顾问、建设部建筑工程专家委员会委员、上海市建设和管理委员会科技委委员、上海市建设和管理委员会地下工程施工学科带头人,《Tunneling and Underground Space Technology》、《隧道建设》编委。

  原文标题《“中—尼—印铁路通道”线路设计及建设可行性分析》,作者:白云,石振明,石雪飞,刊登在《隧道建设》2017年第10期,点击下方“

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