2020年10月24日,由中国工程院、中国铁道学会、中国土木工程学会、北京茅以升科技教育基金会联合主办的“川藏铁路桥隧工程面临的挑战与对策——第十届桥梁与隧道工程技术论坛”在北京铁道大厦举行。来自土木工程领域的院士、专家等近400位嘉宾出席会议。

一、论坛组织背景和论坛召开的基本情况

1、论坛组织背景

      规划建设川藏铁路,是促进民族团结、维护国家统一、巩固边疆稳定的需要,是促进西藏经济社会发展的需要,是贯彻落实党中央治藏方略的重大举措。川藏铁路是世纪性战略工程,中央经济工作会议明确提出,推进川藏铁路等重点工程建设,这是国家大事,民族大计。2020年是高起点、高标准、高质量开工建设川藏铁路的第一年,按照“科学规划、技术支撑、保护生态、安全可靠”的总体思路,为配合川藏铁路开工建设,聚焦川藏铁路关键科学问题和主要技术难题,对控制川藏铁路的桥隧工程的关键技术和对策进行研讨,为川藏铁路建设提供技术支撑,确保工程科学扎实推进。

      川藏铁路跨越横断山区,地处欧亚板块与印度板块碰撞隆升形成的青藏高原隆升区,沿线山高谷深、地层岩性混杂多变,新构造运动剧烈,深大活动断裂密集发育。川藏铁路雅安至林芝段新建线路全长1011公里,其中桥隧总长958km,桥隧比为94.8%,其中桥梁89座长120公里,占比11.9%,隧道72座长838公里,占比82.9%。工程面临“极端复杂的地质条件、极其恶劣的自然条件、极度敏感的生态环境”等世界级挑战,是中国乃至世界上最为复杂困难的铁路工程,是中国历史上投资最高的单项工程。雅林段内多座超长隧道和特大桥梁是控制全线建设工期和运营安全的重难点工程,面临“高海拔、高寒、高地温、高地应力、高地震烈度、高风险”等鲜明的工程特征。

      本次论坛是落实中央领导同志的重要指示批示精神,科学扎实推进川藏铁路规划建设的具体行动。桥隧工程是川藏铁路能否顺利建成的关键,切实把握党中央的总体思路,以“技术支撑”为桥隧工程建设的重要抓手,科学务实、依法高效推进工程勘察、设计、施工等各项工作。同时,本次论坛也是践行“交通强国、铁路先行”,全方位提升我国桥隧建造技术水平的重要契机,通过学术探讨为川藏铁路建设推荐先进、成熟、可靠的技术方案,为工程建设提供强有力的技术支撑。

2、论坛召开基本情况

      本次论坛由中国工程院、中国铁道学会、中国土木工程学会、北京茅以升科技教育基金会联合主办,以“川藏铁路桥隧工程面临的挑战与对策”为主题。由于疫情原因,本次论坛邀请了4位院士做了主旨报告。论坛由清华大学学术委员会主任聂建国院士主持,中国工程院副院长何华武院士、广西大学教授郑皆连院士、中铁大桥勘测设计院集团有限公司董事长秦顺全院士和中国铁道学会理事长卢春房院士在本次论坛做了主旨报告。来自土木工程领域的院士、专家等近400位嘉宾出席会议,大会出版论文集一册。

二、论坛主要报告人的报告内容和观点

1、川藏铁路雅林段隧道建设重大挑战与对策

      中国工程院副院长何华武院士的报告题目为“川藏铁路雅林段隧道建设重大挑战与对策”,何院士从川藏铁路雅林段工程概况,我国特长、复杂地质隧道防灾救援建设案例,以及重大挑战与对策三个方面,系统阐述了川藏铁路雅林段隧道建设面临的系列重大挑战,并结合隧道建设经验、技术发展和川藏铁路隧道工程需求,给出了相关对策建议。川藏铁路雅林段穿越横断山、念青唐古拉山等山脉,跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等河流,具有“显著的地形高差”、“强烈的板块活动”、“频发的地质灾害”、“敏感的生态环境”等特点,建设难度极高。川藏铁路雅林段正线全长约1011km,大于25‰坡度路段约229km,连续大坡度路段长约70km,其中新建车站24座,新建隧道72座838km,桥梁共89座120km,桥隧比高达95%。隧道占正线比例约83%,属于典型的“高原地下铁路”,其中长度10km以上的隧道共35座729.8km,占隧道总长87%;长度20km以上的隧道共16座455.9km,占54%;长度30km以上的隧道共6座209.8km,占25%。川藏铁路隧道具有典型的特长(>20km)、大埋深(>1000m)、地质复杂等突出特点,给隧道建设、运营带来一系列难题,“敏感的生态环境和恶劣的自然环境”也给隧道施工通风、石砟利用、弃砟场设置、防灾救援、轨道形位保持及运营维护等方面带来严峻挑战。

      基于上述挑战,何华武院士以青藏铁路西格段关角隧道为例,从辅助坑道设置、紧急救援站设计、防灾疏散救援技术体系等角度,介绍了关角隧道的建设实践。该隧道全长32.645公里,是中国首座单个铁路隧道长度突破30公里的隧道,开创了高海拔地区修建超长隧道的先例,并创造了高海拔世界第一长隧。采用钻爆法施工,设10座斜井,全长15.26km,用以辅助正洞施工;设计77座联络横通道,平均间隔420m。在紧急救援站设计方面,按照保证人员疏散安全、自救为主的原则,结合中国铁路的运营管理模式和经济发展水平,确定了两管隧道互为疏散场所和救援通道的原则,设置了简单安全的紧急救援站。在防灾疏散救援技术体系方面,建立了由预防系统、疏散救援系统、通风排烟系统、信号系统、通信系统、供电系统、设备监控系统、消防系统、指挥控制系统和其他辅助系统等10个系统组成的防灾救援体系。关角隧道的成功建设和运营,为川藏铁路特长、大埋深和地质复杂隧道的修建提供了有益借鉴。

      何院士进一步以三座代表性的市域(城市)铁路隧道为例,就隧道断面设计进行了比较分析。其中,温州市域铁路S2线瓯江北口隧道采用单洞双线超大直径盾构法施工,盾构隧道内净空分三层布置:上层为排烟道(9.54m2),中间层为轨道层,设中墙将两条线路相互隔开,形成两条单线隧道;下层为疏散通道。上海轨道交通10号线采用11m级大直径盾构法施工,隧道内径10.4m,中隔墙高度7.8m,其中预制部分高度5.3m,上下通过剪力键连接。重庆轨道交通1号线中梁山隧道为区间隧道,全长4.33km,单洞双线,隧道中间设置中隔墙,最大埋深290m,为目前我国最长的城市轨道交通山岭隧道。隧道内中部设置中隔墙,中隔墙设置防火门,以便事故状态下的人员疏散。川藏铁路隧道设计应综合考虑安全运营和防灾疏散救援的需求,根据运营安全可靠、救援有序高效的原则,合理确定隧道断面的结构形式。

      在重大挑战与对策方面,何院士指出,对于30‰的长大坡段、客货共线追踪运行的列车开行场景、62座551km隧道以及最小4.4m线间距,如何保证运营安全可靠是挑战之一;在构建扁平化、简统化、标准化防灾疏散救援智能运维管控体系的过程中,如何确保救援有序高效是川藏铁路隧道建设面临的另一大挑战。何院士随后给出了若干对策建设,包括采用防脱轨措施,如普速铁路桥梁通常采用的护轮轨技术,高速铁路桥梁采用的防护墙或车辆轴箱上加装的倒L型装置;推进隧道建筑工业化,包括研发系列机械化装备、实现信息高效传输、开展隧道施工信息分析,开发管控平台,对隧道施工全过程进行信息化管控,提高高原超长、深埋、复杂地质隧道的施工安全和效率;做好列车火灾工况紧急救援方案,可研阶段以紧急救援站定点疏散模式为主方案,应与设置中隔墙、人员准随机疏散模式方案同精度比选。何院士最后指出,根据川藏铁路隧道相关研究和试验验证结论,修改完善特殊自然环境、特殊运营场景下的隧道建设及防灾疏散救援相关标准、规范。最终实现“科学规划、技术支撑、保护生态、安全可靠”的目标。

2、艰险山区特大跨径铁路拱桥

      广西大学郑皆连院士的报告题目为“艰险山区特大跨径铁路拱桥”,郑院士从拱桥的结构特点和发展概况、钢管混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥三方面介绍了拱桥的技术优势和关键技术创新,并针对拱桥这一桥型在川藏铁路的应用提出了建议。拱桥型式多样,包括钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥、钢桁拱桥等,这种以拱圈受压为主要受力特征的桥梁在我国西南山区分布广为广泛,其中已建跨度最大的高速铁路拱桥-沪昆高铁北盘江大桥主跨跨度达445m,重庆朝天门大桥主跨达到552m,在建世界最大跨径拱桥-平南三桥的主跨则达到575m,拱桥的跨度已达到600m级,并正在朝更大跨径方向发展。郑院士结合川藏铁路建设特点,针对钢管混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥进行了详细介绍。针对钢管混凝土拱桥,郑院士指出该类桥梁在刚度、造价两方面与悬索桥、斜拉桥比较具有明显优势,自上世纪90年代以来,其建造数量出现较快增长,2015年以来数量已超过400座,显示出该类桥型的生命力。

      郑院士团队在钢管混凝土拱桥方面取得了一系列技术创新,包括:首次研发了基于悬拼单元的新型主拱结构,使单元重量减轻33%,高空接头焊接减少了33%,减少了涂装损伤,一天1段的施工速度是原有施工的2~3倍,有效降低了施工风险和费用;首次研发了组合式主拱横撑和内横隔的新型构造,使得横撑与主拱连接处的振动应力峰值降低20%,减少现场焊接接头58%,使得现场安装更为方便;首次提出了“过程最优、结果可控的”斜拉扣挂一次张拉线形控制方法;塔顶水平位移控制方面研发了主动施力、智能控制技术和装备;开展了真空辅助灌注钢管混凝土及智能控制技术;在大型钢管混凝土结构新型材料方面,研发了新型自密实、无收缩混凝土材料;在拱桥基础方面开展了相关创新工作,如怒江特大桥的垂直、水平桩基础,平南三桥的地连墙基础;在温度参数取值方面,通过开展现场实测工作,提出了有效温度概念。

      在劲性骨架混凝土拱桥方面,郑院士指出该类桥梁结构涉及到的关键技术包括:钢管劲性骨架技术、转体技术、斜拉扣挂悬拼技术、真空灌筑混凝土技术、应力变形控制技术等。劲性骨架混凝土拱桥在公路、铁路大跨度桥梁中均有应用,代表性的桥梁包括沪昆铁路北盘江大桥、成贵铁路鸭池河大桥、云桂铁路南盘江大桥、万县长江大桥等。针对主跨416m的云桂铁路南盘江大桥,提出采用分环、多工作面施工,斜拉索调载合理控制混凝土的应力。针对主跨600m级的上承式劲性骨架混凝土拱桥-龙滩天湖特大桥,郑院士介绍该桥桥面总宽24.5m,桥面主梁采用12×40m预制T梁,造价10亿,比斜拉桥低1亿,经多方案优化,拱圈应力水平与跨径400m相当,恒载12.6万吨,活恒比不到1:9,水平推力6.7万吨。

3、桥梁跨度、构件尺度与工程创新

      中铁大桥勘测设计院集团有限公司董事长秦顺全院士的报告题目为“桥梁跨度、构件尺度与工程创新”。秦院士以常泰长江大桥为工程背景,从桥梁跨度与构件尺度、荷载效应与结构体系创新、构件尺度与主塔结构形式、基础埋深与结构创新、大平面尺度沉井下沉方法研究等五个方面,系统阐述了随桥梁跨度增加、构件尺度增大后引起的结构力学性能的变化,以及对应开展的结构体系、新型结构等工程创新研究。在桥梁跨度方面,公铁合建斜拉桥从2000年建成的厄勒海峡大桥开始,从主跨跨度490m,经过武汉天兴洲公铁两用大桥(504m)、铜陵铁路长江大桥(主跨630m),发展到沪苏通长江公铁大桥(主跨1092m),主跨实现了千米级的跨越。近年来又相继涌现出了马鞍山长江公铁两用大桥、常泰长江大桥等超千米跨度的公铁合建斜拉桥。

      桥梁跨度的持续增大,给结构设计带来了很多技术挑战,现有设计理论和施工技术能否适用于更大尺度的结构,需要开展深入研究。另一方面,结构设计应服从功能要求,以常泰长江大桥为例,该桥是长江上首座集高速公路、城际铁路、一级公路“三位一体”的过江通道,主跨1176m的公铁两用钢桁梁斜拉桥,上层为6车道公路,下层为两线铁路、4车道一级公路,原有的对称布置断面将钢桁主梁下层的两线铁路布置在中间,而汽车车道在铁路两侧对称布置,使得与两岸引桥接线占用大量土地,造成资源浪费。考虑到两岸接线对土地资源的影响,该桥在下层采用铁路、公路非对称布置,从而使得4车道公路同在一侧,明显节约了土地资源(见图13)。由此引起的荷载偏心问题,通过调整斜拉索索力的技术手段解决,也即让铁路侧的张力大于公路侧,最终把主梁的横向变形控制在2厘米之内,从而保证两侧桥面一样高。由于两侧索力不一样,斜拉索的强度级别也不一样,铁路侧将使用2100兆帕强度的索,公路侧使用1860兆帕的索。

      桥梁跨度的增大,带来构件尺度也随之明显增大,构件尺度增大对设计和施工均带来影响,引起结构力学行为的改变和可实施性,这是一个从量变发展到质变的过程。以大型桥梁的沉井基础为例,以往施工经常采用的大锅底开挖,对于上百米尺度的沉井而言,由于中间缺少支承,相当于形成了跨度达百米的简支梁结构,在巨大弯矩作用下,沉井可能存在拉裂或撕裂的情况,此时就需要从工艺工法上进行调整和改进。对更大跨度桥梁而言,秦院士提出通过结构体系创新,降低结构荷载效应;通过结构创新,保障构件安全耐久;通过工法创新,实现施工高效可控。以长泰长江大桥为例,提出了温度自适应体系、台阶型沉井基础、空间钻石型桥塔、钢箱-核芯混凝土组合结构,其中,温度自适应体系用于解决梁端纵向位移过大的问题;台阶型沉井基础用于减小沉井基础冲刷和沉井结构自重;空间钻石型桥塔用于抵抗巨大的塔根弯矩,避免桥塔混凝土开裂;钢箱-核芯混凝土组合结构则主要用于解决塔柱断面巨大轴力、以及超高索塔混凝土的开裂控制难题。秦院士提出的这一观点对于指导当前特大跨度桥梁的设计和施工具有重要意义。

4、川藏铁路智能化建造

      中国铁道学会理事长卢春房院士的报告题目为“川藏铁路智能化建造”,他从智能建造体系架构、智能化勘察、智能化设计、智能化工程施工、智能化建设管理、智能化灾害监测和智能化应急救援等七个方面系统阐述阐述川藏铁路智能化建造的总体方案。卢院士指出川藏铁路智能建造包括勘察设计智能化、工程施工智能化和建设管理智能化,并向运营维护延伸,包含勘察、设计、施工、建设管理、检测监测和应急救援六个方面,以BIM+GIS为智能平台,融合物联网、大数据、云计算等先进手段,实现工厂化加工、精密测控、自动化施工、动态监测、信息化管理等智能建造,最终目的是保障川藏铁路“技术支撑、安全可靠”。

      针对智能勘察,指出为提高地形地质极其复杂条件下川藏铁路的勘察精度和效率,须开展空天地一体化勘察,推进“表生和地下地质数据化、地质分析智能化”,利用3S技术、热红外遥感解译技术等先进手段,快速、大面积获取地形、地貌、地表变形、覆盖物、地层岩性、构造、不良地质等信息,结合地质调绘、钻探等资料,综合形成GIS+BIM成果集中展示平台,实现数据的存储、分析和共享,全面提高勘察精度和效率。

      针对川藏铁路智能设计,指出川藏铁路在智能勘察、建立三维综合地理地质信息模型基础上,开展了智能选线和BIM协同设计,提升了设计效率和质量,优化了设计方案。具体包括利用“复杂环境铁路复杂选线系统”实现了铁路智能选线;通过隧道设计数据一体化管理,实现了二三维联动交互式设计,同时开展隧道BIM正向设计、隧道工程数量自动计算等探索研究;建立了基于BIM+GIS的桥梁智能化设计技术,实现了信息的联动管理和应用;充分利用前期勘察基础数据,采用BIM技术建立了折多塘路基三维综合地理地质信息模型,优化了折多塘路基中的创新性路基结构。

      针对工程施工智能化,重点介绍了在BIM设计的基础上,可供川藏铁路隧道、桥梁、路基和轨道采用的一些智能建造技术。在隧道智能施工方面,实现开挖、支护等设计参数动态优化与智能辅助决策,同时采用隧道施工的智能化装备,并构建了“地-隧-机-信-人”智能建造协同管控系统,基于二维码编码及无线射频识别技术,搭建隧道关键原材料或构配件全生命周期质量管控系统;在桥梁智能施工方面,混凝土梁桥研发了预应力自动张拉和管道压浆系统,研发了架桥机安全监控和精确落梁系统,实现简支梁的智能化制造、运输和架设;在路基智能施工方面,形成以“数字化机械施工、北斗定位引导和BIM系统指挥”为核心的技术体系,实现路基填筑全过程的机械智能施工、质量连续检测和施工组织的在线管理;轨道智能化施工方面,主要实现了轨道工程的数字化和信息化管理、轨道板的智能化生产、双块式/板式无砟轨道智能化施工等。

      在建设管理的智能化方面,需要开展面向智能化的全生命周期建设管理,用智能化手段固化管理手段,建设数字川藏一体化平台,建立了工程调度指挥系统作为数字川藏平台前期的对外主要界面,并逐步添加防灾减灾、科研协作等新的应用,实现资产数据化。

      在智能化应急救援方面,为应对建设和运营期可能的自然灾害、地质灾害、工程灾害、高原灾害,川藏铁路需加强智能化应急救援体系建设,实现应急救援体系建设与工程建设“同步规划、同步设计、同步建设、同步运维”,通过建设基于大数据的川藏铁路应急管理平台,实现应急预案数字化、应急资源共享化、应急指挥智能化。最终以数字化和可视化的形态,形成一张图应急指挥、一张图调度、一张图分析和一张图决策。在智能化救援设备方面,要配置包括无人机在内的智能化救援设备。在职业健康和疫情监控方面,建设前期以防治慢性高原病为主,运营期以防治急性高原反应、重症高原病为主,要建设川藏铁路职业健康监护系统。

      卢院士最后指出,川藏铁路智能化建造是手段而不是目的,目的是提高建设的效益效率,提高环保、职业健康管理水平,确保工程质量和安全。

三、论坛的研讨共识和建议

      四位院士分别从“川藏铁路雅林段隧道建设重大挑战与对策”、“艰险山区特大跨径铁路拱桥”、“桥梁跨度、构件尺度与工程创新”、“川藏铁路智能化建造”几个方面介绍了复杂服役环境下特大跨度桥梁以及超深埋特长隧道建设面临的技术挑战和对策,为川藏铁路桥隧工程建设提供了参考。本次论坛形成了相关共识,具体为川藏铁路的建设难度世所罕见,必须按照“科学规划、技术支撑、保护生态、安全可靠”的总体思路稳步推进,工程建设时间应服从于工程质量,需要从设计、施工和运维角度统筹考虑川藏铁路工程建设。

      论坛提出的具体工程建议包括:川藏铁路隧道在设计阶段就应综合考虑安全运营和防灾疏散救援的需求,做好断面设计、应急救援专项设计等工作,同时研发高效可靠的隧道施工装备;川藏铁路深切峡谷区的地形特点比较适合建设大跨度拱桥,在600m级具有较强竞争力;桥梁跨度和构件尺度增大至一定规模后,将会引起结构力学行为的改变及其可实施性,需从材料、结构构造、新体系等层面解决关键问题;川藏铁路的智能建造应重点着眼于先进智能化装备和工艺的研发和应用,通过先进装备和工艺保证建造质量,实现智能运维,在此过程中借助BIM等信息化手段,实现高效管理。

      作为交通基础设施建设大国,我国未来将朝着交通基础设施建设强国迈进,在川藏铁路建设中创新设计方法、施工工艺和运维管理模式,在川藏铁路桥隧工程相关基础科学问题上通过联合攻关实现突破。建议工程院发挥自身优势,通过设置专门机构,组织协调国内最强的科研团队资源,开展川藏铁路桥隧工程基础理论、工程应用技术等的深入研究,在川藏铁路科技支撑、咨询建议等方面发挥核心作用。