Вызовы и контрмеры для железной дороги Сычуань-Тибет
В Китае на стадии строительства находится новый «эпический проект» под названием Сычуань-Тибетская железная дорога, связывающая Чэнду и Лхасу. Эта железная дорога протяженностью 1592 км проходит через западную часть бассейна Сычуани, затем поднимается на 5 000 м и пересекает «крышу мира» Тибетское плато, которое называют «дорогой Sky High Road». Об этом в журнале «Инновация» (The Innovation) рассказала группа китайских учёных и проектировщиков из Центра геотехнических и структурных исследований в Шаньдунском университете, расположенном в Цзинани.
За последние десятилетия регион вдоль железной дороги Сычуань-Тибет был признан «запретной зоной» для железнодорожных проектов в результате самого замечательного топографического рельефа в мире, самого активного тектонического движения, самых многочисленных горных опасностей и наиболее уязвимых экологическая среда. Таким образом, эта беспрецедентная железнодорожная программа признана самой сложной проблемой в мире - с технической, экономической и экологической точек зрения.
Большая высота и невероятный рельеф местности
Большая высота сопровождается гипоксией плато и экстремальным климатом. Большой разброс топографического рельефа приводит к неудобным транспортным условиям и слабой инфраструктуре электроснабжения и связи. Эти экстремальные условия действительно создают огромные проблемы для строительства и обслуживания железных дорог. От Яана до Лхасы средняя высота вдоль железной дороги Сычуань-Тибет остается на уровне 3800 м, а перепад высот составляет от 2000 до 5000 м. Кроме того, высокая температура представляет серьёзную угрозу для здоровья рабочих и оборудования, работающего в туннеле.
Учитывая большое неравенство в рельефе рельефа, более 70% железной дороги состоит из туннелей с большой глубиной (> 1000 м), в значительной степени подверженных проблемам высоких геонапряжений и высоких геотемператур. В частности, высокое геонапряжение приводит к частым и серьезным рискам ударов горных пород в туннелях, угрожая безопасности строительного персонала и оборудования.
Многочисленные активные разломы и сильные землетрясения
Поскольку Индийская плита столкнулась с Евразийской около 50 миллионов лет назад, Тибетское плато пострадало от самого активного тектонического движения в мире. Следовательно, многочисленные активные разломы широко распространены в регионах, охватывающих железную дорогу Сычуань-Тибет. Большинство активных разломов характеризуются большой скоростью движения и частой сейсмичностью. Одним из ярких примеров является зона разлома Сяньшуйхэ, которая скользит со скоростью 9–12 мм в год -1 и пережила более 10 землетрясений магнитудой M > 6.5 более 1700 лет.
Серьёзные проблемы для железной дороги Сычуань-Тибет, вызванные активными разломами, отражены в трех основных аспектах. Во-первых, железная дорога могла быть нарушена из-за пересекающихся активных разломов. Эта дислокация зависит не только от непрерывной ползучести по разломам, но и от разрушения поверхности, вызванного землетрясениями. Во-вторых, разрушительное землетрясение может разрушить железнодорожные конструкции, включая мосты, туннели и здания станций из-за подземных толчков. Оползни могут блокировать реки и вызывать образование огромных озер, впоследствии обрушиваясь и затопляя районы ниже по течению. Предыдущие сейсмические события предполагают, что цепи опасности будут влиять на железную дорогу Сычуань-Тибет гораздо дольше, чем относительно короткие подземные толчки от землетрясений.
Наконец, движение разлома может вызвать цепочки геологических опасностей. В частности, ползучесть и сейсмическая активность при разломах могут образовывать и расширять трещины на горных гребнях или склонах, увеличивая частоту камнепадов, оползней или селевых потоков.
Многочисленные горные опасности и возрастающие опасные цепи
Эти опасности могут разрушить железную дорогу, инфраструктуру и экосистемы, затрудняя работу железных дорог и, возможно, спровоцировав цепочки опасностей. Вдоль железной дороги Сычуань-Тибет крутой рельеф и литология с плотными трещинами возникают в результате взаимодействия между тектоническим поднятием, врезанием долины и движением разломов, что в конечном итоге вызывает самые многочисленные горные опасности в мире. Вдоль железной дороги легко встречаются крупномасштабные горные опасности, которые отражаются в 418 камнепадах, 580 оползнях и 1132 селевых потоках. Между тем, горные опасности группируются в гораздо более широкий коридор вдоль активного разлома.
Более того, всё более суровые погодные условия увеличивают частоту цепей опасности вдоль железной дороги. Климатическое потепление способствует абляции ледников и образованию многих ледниковых озер, которые позже могут разрушиться и вызвать наводнения, которые, вероятно, превратятся в селевые потоки. Также сильная засуха может повредить растительный покров. Открытая порода чувствительна к ливням, вызывающим больше селей, чем обычно. Кроме того, экстремальные осадки могут вызвать камнепады и оползни. Оползневые обломки на склонах могут быть дополнительно восстановлены дождями и вызвать селевые потоки.
Сложная экосистема и уязвимая экологическая среда
Плато Тибет является источником многих рек, а также играет важную роль в регулировании климата Северного полушария. Таким образом, экосистема сложна, и защита окружающей среды является главным приоритетом при строительстве железной дороги. Железная дорога Сычуань-Тибет проходит через экологический барьер Китайское Лессовое плато-Сычуань-Юньнань, экологический барьер Тибетского плато, горный заповедник биоразнообразия Цюнлай и национальный природный заповедник Гунгашань. В этих местах обитает около 100 редких видов растений и животных.
В связи с разнообразным рельефом местности и экстремальными погодными условиями, скалы на Тибетском плато могут быстро выветриваться, что делает экологическую среду подверженной эрозии почвы, опустыниванию земель и опасностям гор. Таким образом, экологическая среда вдоль железной дороги Сычуань-Тибет является наиболее уязвимой в мире и легко подвержена влиянию социально-экономической деятельности.
В частности, прокладка железной дороги путём строительства мостов, рытья туннелей и отрезания склонов холмов может уничтожить растительность, что в конечном итоге приведет к эрозии почвы и геологическим опасностям. Известно, что восстановление растительности на территориях с биологическим разнообразием является сложной задачей. Также строительство железной дороги может затруднить миграционный путь диких животных. Таким образом, уязвимость природы создаст беспрецедентные проблемы для сохранения экологической среды.
Следующий шаг к контрмерам
Относительно успешного строительства железной дороги Сычуань-Тибет, Национальный фонд естественных наук Китая, Министерство науки и технологий, Министерство экологии и окружающей среды, Министерство природных ресурсов, Национальная комиссия по развитию и реформам и Группа компаний Railway Group впервые провела коррелированное исследование несколько десятилетий назад и начала проект специальных фондов в 2019 году. Здесь также рекомендуется принять несколько контрмер, чтобы преодолеть некоторые из существующих проблем.
Чтобы предвидеть краткосрочные или долгосрочные риски опасностей, необходимо создать интегрированную систему мониторинга и раннего предупреждения «аэрокосмическая авиация-земля-подземелье» с использованием IoT (Интернета вещей) и интеллектуальных искусственных технологий. Спутники глобального позиционирования, дистанционное зондирование, беспилотные летательные аппараты, наземный SAR (радар с синтезированной апертурой) и технология интеграции датчиков будут использоваться для мониторинга информации о предвестниках горных или подземных геологических опасностей. Собранные данные могут быть впоследствии обработаны с помощью искусственного интеллекта, где можно определить уровень предупреждения об опасности. Наконец, информация о предупреждении об опасности будет опубликована в режиме реального времени.
Одновременно требуются новые строительные материалы и конструкции, чтобы противостоять смещению разломов при землетрясении. Новый материал может автоматически залечивать сейсмические трещины, высвобождая полимерные композиты. Новые строительные конструкции для туннелей, в которых используются гибкие соединения, содержащие гиперупругие и самовосстанавливающиеся элементы из сплава с памятью формы (SMA), потенциально могут противостоять дислокации разломов. Кроме того, демпферы SMA с самовозвратом могут расходовать энергию удара землетрясения. Более того, чтобы защитить экологическую среду, поле каменного и почвенного мусора должно быть удалено от редких мест обитания диких животных и регионов с водными ресурсами. Восстановление растительности на полях мусора необходимо для предотвращения эрозии почвы и вторичных геологических опасностей.
В целом, чтобы преодолеть существующие проблемы, необходимо будет разработать новые теории катастроф, материалы и конструкции; и человечество должно сосредоточиться на том, чтобы научиться реализовывать гармоничное слияние природы и железных дорог. Все эти инновации будут способствовать научно-техническому развитию Китая и, в конечном итоге, всего мира.