2020年10月24日，由中國工程院、中國鐵道學會、中國土木工程學會、北京茅以升科技教育基金會聯合主辦的“川藏鐵路橋隧工程面臨的挑戰與對策——第十屆橋梁與隧道工程技術論壇”在北京鐵道大廈舉行。來自土木工程領域的院士、專家等近400位嘉賓出席會議。
一、論壇組織背景和論壇召開的基本情況
1、論壇組織背景
規劃建設川藏鐵路，是促進民族團結、維護國家統一、鞏固邊疆穩定的需要，是促進西藏經濟社會發展的需要，是貫徹落實黨中央治藏方略的重大舉措。川藏鐵路是世紀性戰略工程，中央經濟工作會議明確提出，推進川藏鐵路等重點工程建設，這是國家大事，民族大計。2020年是高起點、高標準、高質量開工建設川藏鐵路的第一年，按照“科學規劃、技術支撐、保護生態、安全可靠”的總體思路，為配合川藏鐵路開工建設，聚焦川藏鐵路關鍵科學問題和主要技術難題，對控制川藏鐵路的橋隧工程的關鍵技術和對策進行研討，為川藏鐵路建設提供技術支撐，確保工程科學扎實推進。
川藏鐵路跨越橫斷山區，地處歐亞板塊與印度板塊碰撞隆升形成的青藏高原隆升區，沿線山高谷深、地層巖性混雜多變，新構造運動劇烈，深大活動斷裂密集發育。川藏鐵路雅安至林芝段新建線路全長1011公里，其中橋隧總長958km，橋隧比為94.8%，其中橋梁89座長120公里，占比11.9%，隧道72座長838公里，占比82.9%。工程面臨“極端復雜的地質條件、極其惡劣的自然條件、極度敏感的生態環境”等世界級挑戰，是中國乃至世界上最為復雜困難的鐵路工程，是中國歷史上投資最高的單項工程。雅林段內多座超長隧道和特大橋梁是控制全線建設工期和運營安全的重難點工程，面臨“高海拔、高寒、高地溫、高地應力、高地震烈度、高風險”等鮮明的工程特征。
本次論壇是落實中央領導同志的重要指示批示精神，科學扎實推進川藏鐵路規劃建設的具體行動。橋隧工程是川藏鐵路能否順利建成的關鍵，切實把握黨中央的總體思路，以“技術支撐”為橋隧工程建設的重要抓手，科學務實、依法高效推進工程勘察、設計、施工等各項工作。同時，本次論壇也是踐行“交通強國、鐵路先行”，全方位提升我國橋隧建造技術水平的重要契機，通過學術探討為川藏鐵路建設推薦先進、成熟、可靠的技術方案，為工程建設提供強有力的技術支撐。
2、論壇召開基本情況
本次論壇由中國工程院、中國鐵道學會、中國土木工程學會、北京茅以升科技教育基金會聯合主辦，以“川藏鐵路橋隧工程面臨的挑戰與對策”為主題。由于疫情原因，本次論壇邀請了4位院士做了主旨報告。論壇由清華大學學術委員會主任聶建國院士主持，中國工程院副院長何華武院士、廣西大學教授鄭皆連院士、中鐵大橋勘測設計院集團有限公司董事長秦順全院士和中國鐵道學會理事長盧春房院士在本次論壇做了主旨報告。來自土木工程領域的院士、專家等近400位嘉賓出席會議，大會出版論文集一冊。
1、川藏鐵路雅林段隧道建設重大挑戰與對策
中國工程院副院長何華武院士的報告題目為“川藏鐵路雅林段隧道建設重大挑戰與對策”，何院士從川藏鐵路雅林段工程概況，我國特長、復雜地質隧道防災救援建設案例，以及重大挑戰與對策三個方面，系統闡述了川藏鐵路雅林段隧道建設面臨的系列重大挑戰，并結合隧道建設經驗、技術發展和川藏鐵路隧道工程需求，給出了相關對策建議。川藏鐵路雅林段穿越橫斷山、念青唐古拉山等山脈，跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江等河流，具有“顯著的地形高差”、“強烈的板塊活動”、“頻發的地質災害”、“敏感的生態環境”等特點，建設難度極高。川藏鐵路雅林段正線全長約1011km，大于25‰坡度路段約229km，連續大坡度路段長約70km，其中新建車站24座，新建隧道72座838km，橋梁共89座120km，橋隧比高達95%。隧道占正線比例約83%，屬于典型的“高原地下鐵路”，其中長度10km以上的隧道共35座729.8km，占隧道總長87%；長度20km以上的隧道共16座455.9km，占54%；長度30km以上的隧道共6座209.8km，占25%。川藏鐵路隧道具有典型的特長（＞20km）、大埋深（＞1000m）、地質復雜等突出特點，給隧道建設、運營帶來一系列難題，“敏感的生態環境和惡劣的自然環境”也給隧道施工通風、石砟利用、棄砟場設置、防災救援、軌道形位保持及運營維護等方面帶來嚴峻挑戰。
基于上述挑戰，何華武院士以青藏鐵路西格段關角隧道為例，從輔助坑道設置、緊急救援站設計、防災疏散救援技術體系等角度，介紹了關角隧道的建設實踐。該隧道全長32.645公里，是中國首座單個鐵路隧道長度突破30公里的隧道，開創了高海拔地區修建超長隧道的先例，并創造了高海拔世界第一長隧。采用鉆爆法施工，設10座斜井，全長15.26km，用以輔助正洞施工；設計77座聯絡橫通道，平均間隔420m。在緊急救援站設計方面，按照保證人員疏散安全、自救為主的原則，結合中國鐵路的運營管理模式和經濟發展水平，確定了兩管隧道互為疏散場所和救援通道的原則，設置了簡單安全的緊急救援站。在防災疏散救援技術體系方面，建立了由預防系統、疏散救援系統、通風排煙系統、信號系統、通信系統、供電系統、設備監控系統、消防系統、指揮控制系統和其他輔助系統等10個系統組成的防災救援體系。關角隧道的成功建設和運營，為川藏鐵路特長、大埋深和地質復雜隧道的修建提供了有益借鑒。
何院士進一步以三座代表性的市域（城市）鐵路隧道為例，就隧道斷面設計進行了比較分析。其中，溫州市域鐵路S2線甌江北口隧道采用單洞雙線超大直徑盾構法施工，盾構隧道內凈空分三層布置：上層為排煙道（9.54m2），中間層為軌道層，設中墻將兩條線路相互隔開，形成兩條單線隧道；下層為疏散通道。上海軌道交通10號線采用11m級大直徑盾構法施工，隧道內徑10.4m，中隔墻高度7.8m，其中預制部分高度5.3m，上下通過剪力鍵連接。重慶軌道交通1號線中梁山隧道為區間隧道，全長4.33km，單洞雙線，隧道中間設置中隔墻，最大埋深290m，為目前我國最長的城市軌道交通山嶺隧道。隧道內中部設置中隔墻，中隔墻設置防火門，以便事故狀態下的人員疏散。川藏鐵路隧道設計應綜合考慮安全運營和防災疏散救援的需求，根據運營安全可靠、救援有序高效的原則，合理確定隧道斷面的結構形式。
在重大挑戰與對策方面，何院士指出，對于30‰的長大坡段、客貨共線追蹤運行的列車開行場景、62座551km隧道以及最小4.4m線間距，如何保證運營安全可靠是挑戰之一；在構建扁平化、簡統化、標準化防災疏散救援智能運維管控體系的過程中，如何確保救援有序高效是川藏鐵路隧道建設面臨的另一大挑戰。何院士隨后給出了若干對策建設，包括采用防脫軌措施，如普速鐵路橋梁通常采用的護輪軌技術，高速鐵路橋梁采用的防護墻或車輛軸箱上加裝的倒L型裝置；推進隧道建筑工業化，包括研發系列機械化裝備、實現信息高效傳輸、開展隧道施工信息分析，開發管控平臺，對隧道施工全過程進行信息化管控，提高高原超長、深埋、復雜地質隧道的施工安全和效率；做好列車火災工況緊急救援方案，可研階段以緊急救援站定點疏散模式為主方案，應與設置中隔墻、人員準隨機疏散模式方案同精度比選。何院士最后指出，根據川藏鐵路隧道相關研究和試驗驗證結論，修改完善特殊自然環境、特殊運營場景下的隧道建設及防災疏散救援相關標準、規范。最終實現“科學規劃、技術支撐、保護生態、安全可靠”的目標。
2、艱險山區特大跨徑鐵路拱橋
廣西大學鄭皆連院士的報告題目為“艱險山區特大跨徑鐵路拱橋”，鄭院士從拱橋的結構特點和發展概況、鋼管混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋三方面介紹了拱橋的技術優勢和關鍵技術創新，并針對拱橋這一橋型在川藏鐵路的應用提出了建議。拱橋型式多樣，包括鋼筋混凝土拱橋、鋼管混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋、鋼桁拱橋等，這種以拱圈受壓為主要受力特征的橋梁在我國西南山區分布廣為廣泛，其中已建跨度最大的高速鐵路拱橋-滬昆高鐵北盤江大橋主跨跨度達445m，重慶朝天門大橋主跨達到552m，在建世界最大跨徑拱橋-平南三橋的主跨則達到575m，拱橋的跨度已達到600m級，并正在朝更大跨徑方向發展。鄭院士結合川藏鐵路建設特點，針對鋼管混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋進行了詳細介紹。針對鋼管混凝土拱橋，鄭院士指出該類橋梁在剛度、造價兩方面與懸索橋、斜拉橋比較具有明顯優勢，自上世紀90年代以來，其建造數量出現較快增長，2015年以來數量已超過400座，顯示出該類橋型的生命力。
鄭院士團隊在鋼管混凝土拱橋方面取得了一系列技術創新，包括：首次研發了基于懸拼單元的新型主拱結構，使單元重量減輕33%，高空接頭焊接減少了33%，減少了涂裝損傷，一天1段的施工速度是原有施工的2~3倍，有效降低了施工風險和費用；首次研發了組合式主拱橫撐和內橫隔的新型構造，使得橫撐與主拱連接處的振動應力峰值降低20%，減少現場焊接接頭58%，使得現場安裝更為方便；首次提出了“過程最優、結果可控的”斜拉扣掛一次張拉線形控制方法；塔頂水平位移控制方面研發了主動施力、智能控制技術和裝備；開展了真空輔助灌注鋼管混凝土及智能控制技術；在大型鋼管混凝土結構新型材料方面，研發了新型自密實、無收縮混凝土材料；在拱橋基礎方面開展了相關創新工作，如怒江特大橋的垂直、水平樁基礎，平南三橋的地連墻基礎；在溫度參數取值方面，通過開展現場實測工作，提出了有效溫度概念。
在勁性骨架混凝土拱橋方面，鄭院士指出該類橋梁結構涉及到的關鍵技術包括：鋼管勁性骨架技術、轉體技術、斜拉扣掛懸拼技術、真空灌筑混凝土技術、應力變形控制技術等。勁性骨架混凝土拱橋在公路、鐵路大跨度橋梁中均有應用，代表性的橋梁包括滬昆鐵路北盤江大橋、成貴鐵路鴨池河大橋、云桂鐵路南盤江大橋、萬縣長江大橋等。針對主跨416m的云桂鐵路南盤江大橋，提出采用分環、多工作面施工，斜拉索調載合理控制混凝土的應力。針對主跨600m級的上承式勁性骨架混凝土拱橋-龍灘天湖特大橋，鄭院士介紹該橋橋面總寬24.5m，橋面主梁采用12×40m預制T梁，造價10億，比斜拉橋低1億，經多方案優化，拱圈應力水平與跨徑400m相當，恒載12.6萬噸，活恒比不到1：9，水平推力6.7萬噸。
3、橋梁跨度、構件尺度與工程創新
中鐵大橋勘測設計院集團有限公司董事長秦順全院士的報告題目為“橋梁跨度、構件尺度與工程創新”。秦院士以常泰長江大橋為工程背景，從橋梁跨度與構件尺度、荷載效應與結構體系創新、構件尺度與主塔結構形式、基礎埋深與結構創新、大平面尺度沉井下沉方法研究等五個方面，系統闡述了隨橋梁跨度增加、構件尺度增大后引起的結構力學性能的變化，以及對應開展的結構體系、新型結構等工程創新研究。在橋梁跨度方面，公鐵合建斜拉橋從2000年建成的厄勒海峽大橋開始，從主跨跨度490m，經過武漢天興洲公鐵兩用大橋（504m）、銅陵鐵路長江大橋（主跨630m），發展到滬蘇通長江公鐵大橋（主跨1092m），主跨實現了千米級的跨越。近年來又相繼涌現出了馬鞍山長江公鐵兩用大橋、常泰長江大橋等超千米跨度的公鐵合建斜拉橋。
橋梁跨度的持續增大，給結構設計帶來了很多技術挑戰，現有設計理論和施工技術能否適用于更大尺度的結構，需要開展深入研究。另一方面，結構設計應服從功能要求，以常泰長江大橋為例，該橋是長江上首座集高速公路、城際鐵路、一級公路“三位一體”的過江通道，主跨1176m的公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋，上層為6車道公路，下層為兩線鐵路、4車道一級公路，原有的對稱布置斷面將鋼桁主梁下層的兩線鐵路布置在中間，而汽車車道在鐵路兩側對稱布置，使得與兩岸引橋接線占用大量土地，造成資源浪費?？紤]到兩岸接線對土地資源的影響，該橋在下層采用鐵路、公路非對稱布置，從而使得4車道公路同在一側，明顯節約了土地資源（見圖13）。由此引起的荷載偏心問題，通過調整斜拉索索力的技術手段解決，也即讓鐵路側的張力大于公路側，最終把主梁的橫向變形控制在2厘米之內，從而保證兩側橋面一樣高。由于兩側索力不一樣，斜拉索的強度級別也不一樣，鐵路側將使用2100兆帕強度的索，公路側使用1860兆帕的索。
橋梁跨度的增大，帶來構件尺度也隨之明顯增大，構件尺度增大對設計和施工均帶來影響，引起結構力學行為的改變和可實施性，這是一個從量變發展到質變的過程。以大型橋梁的沉井基礎為例，以往施工經常采用的大鍋底開挖，對于上百米尺度的沉井而言，由于中間缺少支承，相當于形成了跨度達百米的簡支梁結構，在巨大彎矩作用下，沉井可能存在拉裂或撕裂的情況，此時就需要從工藝工法上進行調整和改進。對更大跨度橋梁而言，秦院士提出通過結構體系創新，降低結構荷載效應；通過結構創新，保障構件安全耐久；通過工法創新，實現施工高效可控。以長泰長江大橋為例，提出了溫度自適應體系、臺階型沉井基礎、空間鉆石型橋塔、鋼箱-核芯混凝土組合結構，其中，溫度自適應體系用于解決梁端縱向位移過大的問題；臺階型沉井基礎用于減小沉井基礎沖刷和沉井結構自重；空間鉆石型橋塔用于抵抗巨大的塔根彎矩，避免橋塔混凝土開裂；鋼箱-核芯混凝土組合結構則主要用于解決塔柱斷面巨大軸力、以及超高索塔混凝土的開裂控制難題。秦院士提出的這一觀點對于指導當前特大跨度橋梁的設計和施工具有重要意義。
4、川藏鐵路智能化建造
中國鐵道學會理事長盧春房院士的報告題目為“川藏鐵路智能化建造”，他從智能建造體系架構、智能化勘察、智能化設計、智能化工程施工、智能化建設管理、智能化災害監測和智能化應急救援等七個方面系統闡述闡述川藏鐵路智能化建造的總體方案。盧院士指出川藏鐵路智能建造包括勘察設計智能化、工程施工智能化和建設管理智能化，并向運營維護延伸，包含勘察、設計、施工、建設管理、檢測監測和應急救援六個方面，以BIM+GIS為智能平臺，融合物聯網、大數據、云計算等先進手段，實現工廠化加工、精密測控、自動化施工、動態監測、信息化管理等智能建造，最終目的是保障川藏鐵路“技術支撐、安全可靠”。
針對智能勘察，指出為提高地形地質極其復雜條件下川藏鐵路的勘察精度和效率，須開展空天地一體化勘察，推進“表生和地下地質數據化、地質分析智能化”，利用3S技術、熱紅外遙感解譯技術等先進手段，快速、大面積獲取地形、地貌、地表變形、覆蓋物、地層巖性、構造、不良地質等信息，結合地質調繪、鉆探等資料，綜合形成GIS+BIM成果集中展示平臺，實現數據的存儲、分析和共享，全面提高勘察精度和效率。
針對川藏鐵路智能設計，指出川藏鐵路在智能勘察、建立三維綜合地理地質信息模型基礎上，開展了智能選線和BIM協同設計，提升了設計效率和質量，優化了設計方案。具體包括利用“復雜環境鐵路復雜選線系統”實現了鐵路智能選線；通過隧道設計數據一體化管理，實現了二三維聯動交互式設計，同時開展隧道BIM正向設計、隧道工程數量自動計算等探索研究；建立了基于BIM+GIS的橋梁智能化設計技術，實現了信息的聯動管理和應用；充分利用前期勘察基礎數據，采用BIM技術建立了折多塘路基三維綜合地理地質信息模型，優化了折多塘路基中的創新性路基結構。
針對工程施工智能化，重點介紹了在BIM設計的基礎上，可供川藏鐵路隧道、橋梁、路基和軌道采用的一些智能建造技術。在隧道智能施工方面，實現開挖、支護等設計參數動態優化與智能輔助決策，同時采用隧道施工的智能化裝備，并構建了“地-隧-機-信-人”智能建造協同管控系統，基于二維碼編碼及無線射頻識別技術，搭建隧道關鍵原材料或構配件全生命周期質量管控系統；在橋梁智能施工方面，混凝土梁橋研發了預應力自動張拉和管道壓漿系統，研發了架橋機安全監控和精確落梁系統，實現簡支梁的智能化制造、運輸和架設；在路基智能施工方面，形成以“數字化機械施工、北斗定位引導和BIM系統指揮”為核心的技術體系，實現路基填筑全過程的機械智能施工、質量連續檢測和施工組織的在線管理；軌道智能化施工方面，主要實現了軌道工程的數字化和信息化管理、軌道板的智能化生產、雙塊式/板式無砟軌道智能化施工等。
在建設管理的智能化方面，需要開展面向智能化的全生命周期建設管理，用智能化手段固化管理手段，建設數字川藏一體化平臺，建立了工程調度指揮系統作為數字川藏平臺前期的對外主要界面，并逐步添加防災減災、科研協作等新的應用，實現資產數據化。
在智能化應急救援方面，為應對建設和運營期可能的自然災害、地質災害、工程災害、高原災害，川藏鐵路需加強智能化應急救援體系建設，實現應急救援體系建設與工程建設“同步規劃、同步設計、同步建設、同步運維”，通過建設基于大數據的川藏鐵路應急管理平臺，實現應急預案數字化、應急資源共享化、應急指揮智能化。最終以數字化和可視化的形態，形成一張圖應急指揮、一張圖調度、一張圖分析和一張圖決策。在智能化救援設備方面，要配置包括無人機在內的智能化救援設備。在職業健康和疫情監控方面，建設前期以防治慢性高原病為主，運營期以防治急性高原反應、重癥高原病為主，要建設川藏鐵路職業健康監護系統。
盧院士最后指出，川藏鐵路智能化建造是手段而不是目的，目的是提高建設的效益效率，提高環保、職業健康管理水平，確保工程質量和安全。
四位院士分別從“川藏鐵路雅林段隧道建設重大挑戰與對策”、“艱險山區特大跨徑鐵路拱橋”、“橋梁跨度、構件尺度與工程創新”、“川藏鐵路智能化建造”幾個方面介紹了復雜服役環境下特大跨度橋梁以及超深埋特長隧道建設面臨的技術挑戰和對策，為川藏鐵路橋隧工程建設提供了參考。本次論壇形成了相關共識，具體為川藏鐵路的建設難度世所罕見，必須按照“科學規劃、技術支撐、保護生態、安全可靠”的總體思路穩步推進，工程建設時間應服從于工程質量，需要從設計、施工和運維角度統籌考慮川藏鐵路工程建設。
論壇提出的具體工程建議包括：川藏鐵路隧道在設計階段就應綜合考慮安全運營和防災疏散救援的需求，做好斷面設計、應急救援專項設計等工作，同時研發高效可靠的隧道施工裝備；川藏鐵路深切峽谷區的地形特點比較適合建設大跨度拱橋，在600m級具有較強競爭力；橋梁跨度和構件尺度增大至一定規模后，將會引起結構力學行為的改變及其可實施性，需從材料、結構構造、新體系等層面解決關鍵問題；川藏鐵路的智能建造應重點著眼于先進智能化裝備和工藝的研發和應用，通過先進裝備和工藝保證建造質量，實現智能運維，在此過程中借助BIM等信息化手段，實現高效管理。
作為交通基礎設施建設大國，我國未來將朝著交通基礎設施建設強國邁進，在川藏鐵路建設中創新設計方法、施工工藝和運維管理模式，在川藏鐵路橋隧工程相關基礎科學問題上通過聯合攻關實現突破。建議工程院發揮自身優勢，通過設置專門機構，組織協調國內最強的科研團隊資源，開展川藏鐵路橋隧工程基礎理論、工程應用技術等的深入研究，在川藏鐵路科技支撐、咨詢建議等方面發揮核心作用。
