趙留輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

新建鐵路西安至成都高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“西成高速鐵路”)西安至江油段的建設(shè)，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)西部地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展有著十分重要的作用，但同時(shí)也會(huì)對(duì)所經(jīng)秦嶺局部地區(qū)的珍稀野生動(dòng)物造成一定程度的影響[1]。朱鹮作為“秦嶺四寶”中唯一的鳥(niǎo)類(lèi)物種，其具有“我國(guó)特有鳥(niǎo)類(lèi)”、“國(guó)際保護(hù)鳥(niǎo)”、“吉祥之鳥(niǎo)”、“東方保護(hù)明珠”等多重身份，因此，朱鹮的防護(hù)成為修建西成高速鐵路的關(guān)注熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2-6]。鐵路工程設(shè)計(jì)工作中的鳥(niǎo)類(lèi)防護(hù)設(shè)計(jì)研究目前在全球范圍內(nèi)仍處于初始階段，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提升，因?yàn)樘右莶患盎蝻w行穿越而造成的鳥(niǎo)類(lèi)碰撞事故概率逐步增大，目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的高速鐵路多次發(fā)生飛鳥(niǎo)撞裂列車(chē)車(chē)窗玻璃事件。這不僅對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)造成傷害，同時(shí)對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全也具有一定的潛在威脅，為降低交通工程對(duì)野生動(dòng)物的影響，設(shè)計(jì)緩解措施已是可持續(xù)交通發(fā)展戰(zhàn)略的必要組成部分[7-9]。

為了更好地保護(hù)朱鹮及確保列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全，及早掌握工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中朱鹮等鳥(niǎo)類(lèi)與列車(chē)運(yùn)營(yíng)的相互影響，開(kāi)展西安至成都高速鐵路朱鹮防護(hù)措施研究。首先借鑒國(guó)內(nèi)外不同領(lǐng)域的驅(qū)鳥(niǎo)經(jīng)驗(yàn)及防鳥(niǎo)撞技術(shù)，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)和選取適合的防護(hù)措施開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，而后對(duì)防護(hù)措施進(jìn)行分析比較，最后選取最優(yōu)的防護(hù)措施在西成高速鐵路進(jìn)行施工。

1 工程概況

新建西成高速鐵路行經(jīng)陜西省洋縣，無(wú)法繞避陜西漢中朱鹮國(guó)家自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)，在DK213+650～DK215+200段線(xiàn)路以特大橋形式跨越朱鹮保護(hù)區(qū)湑水河段實(shí)驗(yàn)區(qū)約1.55 km。另外，線(xiàn)路DK188+100～DK213+700段主要以橋梁形式從保護(hù)區(qū)內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)之間的預(yù)留建設(shè)通道經(jīng)過(guò)，與保護(hù)區(qū)內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)邊緣距離1～5 km，部分地段橋梁高度大于10 m。新建西成高速鐵路工程在朱鹮自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，除修筑橋梁及新增少量永久用地外，無(wú)其他工程。

2 朱鹮生態(tài)行為特征及相關(guān)的防護(hù)啟示

(1)朱鹮覓食地偏好于水田、稻田、河灘、池塘等地[10-12]，因此在允許條件下應(yīng)盡量使朱鹮覓食地遠(yuǎn)離西成高速鐵路。

(2)朱鹮屬晝間活動(dòng)鳥(niǎo)類(lèi)，夜間無(wú)活動(dòng)。防護(hù)措施應(yīng)主要圍繞日間防護(hù)為主，可不考慮夜間燈光驅(qū)趕、視覺(jué)引導(dǎo)功能[13-14]。

(3)朱鹮對(duì)鮮艷顏色較為敏感，故可將防護(hù)表面涂刷較為鮮艷的顏色，同時(shí)考慮與區(qū)域整體背景景觀(guān)的協(xié)調(diào)性[15]。

(4)朱鹮飛行高度集中于15～30 m空域，當(dāng)覓食地與夜宿地距離較遠(yuǎn)時(shí)飛行高度會(huì)適當(dāng)提高。西成高速鐵路防護(hù)措施集中設(shè)置于橋梁上，橋梁本體架空高度多位于8～15 m，局部淺山段橋梁高度18～27 m，主要為溝谷地段[16-17]。故防護(hù)措施自身高度結(jié)合橋梁板厚度應(yīng)小于15～20 m為宜。

(5)當(dāng)夜宿、覓食地距離較遠(yuǎn)時(shí)，朱鹮飛行高度多大于30 m[18-19]，所以對(duì)飛行高度小于30 m的起落位置進(jìn)行重點(diǎn)觀(guān)測(cè)調(diào)查。

3 朱鹮防護(hù)措施試驗(yàn)方案與監(jiān)測(cè)方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位置選定為胥水河特大橋DK214+899.55～DK215+128.45處，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為228.9 m。

3.1 防護(hù)措施試驗(yàn)方案

采用3種防護(hù)措施方案，分別為防護(hù)透光板、不透明防護(hù)板、防護(hù)網(wǎng)，其中防護(hù)透光板65.4延m，防護(hù)板65.4延m，防護(hù)網(wǎng)98.1延m。同時(shí)在3種方案基礎(chǔ)上增加輔助驅(qū)鳥(niǎo)措施方案。

(1)防護(hù)透光板

防護(hù)透光板采用高強(qiáng)度、帶紫外線(xiàn)、加筋亞克力板，設(shè)置高度為4.0 m，見(jiàn)圖1。

(2)不透明防護(hù)板

不透明防護(hù)板為高強(qiáng)度非金屬輕質(zhì)板，設(shè)置高度為4.0 m，材料應(yīng)滿(mǎn)足防火、防腐蝕、防潮(水)、防老化、防眩光、防塵等要求，見(jiàn)圖2。

圖1 防護(hù)透光板

圖2 不透明防護(hù)板

(3)防護(hù)網(wǎng)

采用金屬焊接網(wǎng)(圖3)和金屬編織防護(hù)網(wǎng)(圖4)兩種形式，防護(hù)網(wǎng)高度均為4 m。防護(hù)網(wǎng)為彈性材質(zhì)，降低朱鹮碰撞致死、致傷發(fā)生概率，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足工程安全性，對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)無(wú)干擾。

圖3 金屬焊接防護(hù)網(wǎng)

圖4 金屬編織防護(hù)網(wǎng)

金屬焊接防護(hù)網(wǎng)：網(wǎng)格尺寸根據(jù)朱鹮個(gè)體形態(tài)及碰撞后逃逸行為等要素控制設(shè)計(jì)，無(wú)捕捉能力。為保證朱鹮喙和頭部移動(dòng)暢通且不會(huì)竄過(guò)防護(hù)裝置，確定網(wǎng)格橫向間距在2～4 cm。網(wǎng)格高度滿(mǎn)足朱鹮喙在擺頭動(dòng)作后能脫離格柵束縛，確定為25 cm。金屬焊接防護(hù)網(wǎng)選用黃色紫外線(xiàn)反射涂料，提高辨別能力。

金屬編織防護(hù)網(wǎng)：采用立柱加單絞菱形網(wǎng)片以及反光條的防護(hù)形式組成。網(wǎng)格尺寸依據(jù)防護(hù)對(duì)象而定，網(wǎng)孔尺寸3 cm×3 cm、有一定的伸展度和足夠的柔性和彈性，可以緩解在大風(fēng)濃霧等極端天氣條件下朱鹮發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的傷害。防護(hù)網(wǎng)骨架外側(cè)配以鮮艷識(shí)別度高反光條，足以讓朱鹮辨別出防護(hù)網(wǎng)而避開(kāi)。防護(hù)網(wǎng)采用防腐性能良好的5%鋅-鋁-稀土合金鋼絲，同時(shí)采用熱浸鋅鋼柱和滲鋅連接構(gòu)件。

(4)輔助驅(qū)鳥(niǎo)措施

在多雨霧氣象條件的洋縣地區(qū)，僅采用結(jié)構(gòu)防護(hù)措施尚存在不足，視覺(jué)上的不利及防護(hù)措施支撐骨架的非彈性特質(zhì)也會(huì)增加朱鹮碰撞、躲閃不及的事故幾率，因此在防護(hù)措施骨架處設(shè)置兼具色彩明顯且具有一定自發(fā)聲功能的設(shè)施，以達(dá)到從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)角度對(duì)飛行朱鹮進(jìn)行事前預(yù)警以及達(dá)到標(biāo)定防護(hù)輪廓的目的。

通過(guò)對(duì)機(jī)場(chǎng)、電力設(shè)施、果園等地所采用的驅(qū)鳥(niǎo)、防鳥(niǎo)設(shè)備進(jìn)行匯總甄別分析，在結(jié)構(gòu)防護(hù)措施基礎(chǔ)上，在防護(hù)措施連接骨架及H型鋼立柱外側(cè)貼反光膜，在接觸網(wǎng)不同構(gòu)件頂部安裝風(fēng)車(chē)驅(qū)鳥(niǎo)器。

3.2 監(jiān)測(cè)方法

(1)定點(diǎn)觀(guān)察

設(shè)置固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處，配備2名監(jiān)測(cè)人員，在固定地點(diǎn)，采用高倍望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行全天候多方位觀(guān)測(cè)。固定監(jiān)測(cè)站點(diǎn)每個(gè)月進(jìn)行1次監(jiān)測(cè)。

(2)全天候遠(yuǎn)紅外自動(dòng)相機(jī)監(jiān)控

在防護(hù)措施試驗(yàn)段兩側(cè)監(jiān)測(cè)區(qū)域安裝遠(yuǎn)紅外觸發(fā)拍攝裝置，并配備相應(yīng)光電互補(bǔ)系統(tǒng)以滿(mǎn)足連續(xù)觀(guān)測(cè)需要，定期對(duì)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集，見(jiàn)圖5。

圖5 全天候遠(yuǎn)紅外自動(dòng)相機(jī)監(jiān)控設(shè)備準(zhǔn)備

(3)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

沿試驗(yàn)段進(jìn)行動(dòng)態(tài)巡查。并采用高倍望遠(yuǎn)鏡觀(guān)察鳥(niǎo)類(lèi)動(dòng)態(tài)、訪(fǎng)問(wèn)有關(guān)人員(如保護(hù)站工作人員、當(dāng)?shù)鼐用竦?等方法對(duì)監(jiān)測(cè)方法的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充、完善。每個(gè)月進(jìn)行1次動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 防護(hù)措施比選

對(duì)西成高速鐵路試驗(yàn)段3種防護(hù)方案的防護(hù)效果進(jìn)行了1年的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：朱鹮飛越防護(hù)措施次數(shù)為4 615只次，均選擇主動(dòng)避讓防護(hù)措施，未發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)類(lèi)碰撞防護(hù)措施的現(xiàn)象，3種防護(hù)方案均具有防護(hù)效果。

防護(hù)透光板及不透明防護(hù)板均為剛性板，一旦發(fā)生碰撞事故，可能對(duì)朱鹮造成傷害；防護(hù)板相對(duì)風(fēng)阻較大，對(duì)橋梁基礎(chǔ)要求較高，對(duì)列車(chē)行駛安全存在隱患；防護(hù)板安裝之后外側(cè)清洗工作是一個(gè)技術(shù)難題；不透明防護(hù)板一定程度上會(huì)影響乘客的視野，會(huì)對(duì)周?chē)坝^(guān)產(chǎn)生視覺(jué)干擾。而相對(duì)防護(hù)透光板及不透明防護(hù)板，防護(hù)網(wǎng)具有一定的彈性，可以降低碰撞對(duì)朱鹮個(gè)體的損傷，且防護(hù)網(wǎng)風(fēng)阻較小，對(duì)列車(chē)行駛幾乎不存在安全隱患，對(duì)乘客視覺(jué)干擾相對(duì)較小[20]。因此，綜合考慮安全性、景觀(guān)協(xié)調(diào)性及運(yùn)營(yíng)期視覺(jué)干擾等因素，防護(hù)網(wǎng)優(yōu)于防護(hù)板。

對(duì)金屬焊接防護(hù)網(wǎng)和金屬編織防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行比較，兩種防護(hù)網(wǎng)對(duì)朱鹮及其他鳥(niǎo)類(lèi)都起到很好的防護(hù)效果。金屬焊接防護(hù)網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)：(1)工藝簡(jiǎn)單，制作方便，材料購(gòu)買(mǎi)便捷，僅需將網(wǎng)制作成尺寸為2 000 mm×1 800 mm規(guī)格后用角鋼四周固定，并于角鋼上預(yù)留螺栓孔即可；(2)具有一定的彈性。網(wǎng)格本身具有一定的彈性特征，可以降低碰撞過(guò)程中的個(gè)體損傷。缺點(diǎn)：(1)捕捉能力較強(qiáng)，朱鹮自主逃逸能力降低，孔徑較小，朱鹮喙、頭伸進(jìn)孔徑后，受喙、頭長(zhǎng)度影響而無(wú)法自主逃逸，即便擴(kuò)大孔徑，也容易導(dǎo)致孔徑對(duì)朱鹮胸部卡掐；(2)彈性作用力無(wú)法詳細(xì)控制。既有研究表明，動(dòng)物骨骼受力的安全系數(shù)不大于10，雖鋼質(zhì)網(wǎng)格自身具有一定的彈性特性，但無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)或施工來(lái)調(diào)節(jié)彈性力度大小，很有可能造成彈性力大于朱鹮骨骼受力極限，造成個(gè)體損傷[21]。

金屬編織防護(hù)網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)：(1)視覺(jué)效果明顯。采用醒目的反光條擋板，避免了朱鹮看不見(jiàn)防護(hù)網(wǎng)的存在。反光條采用特殊工藝制成的高分子材料的反光材料，反射效果明顯。(2)柔性好，采用單絞格柵網(wǎng)，該單絞格柵采用柔性好的低碳鋼絲，且網(wǎng)中鋼絲成形為波浪形，具有一定的伸展性。(3)使用壽命長(zhǎng)，格柵網(wǎng)采用5%鋅-鋁-稀土合金鋼絲具有良好的防腐性能，鹽霧試驗(yàn)結(jié)果表明1 300 h未出現(xiàn)銹蝕。(4)易修復(fù)，產(chǎn)品中用到的網(wǎng)片和反光條均采用可拆卸設(shè)計(jì)，菱形網(wǎng)片(獨(dú)立可更換單元)通過(guò)壓板和螺絲固定于鋼柱上，反光條同樣也通過(guò)螺絲固定于鋼柱上，當(dāng)菱形網(wǎng)片或反光條受到破壞后，可簡(jiǎn)單地通過(guò)單獨(dú)更換網(wǎng)片或反光條對(duì)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行修復(fù)。(5)材料環(huán)保，不污染朱鹮生活的環(huán)境，能與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。綜上分析，金屬編織網(wǎng)優(yōu)于金屬焊接防護(hù)網(wǎng)。

5 西成高速鐵路朱鹮防護(hù)措施工程

結(jié)合《新建鐵路西安至成都高速鐵路朱鹮防護(hù)措施試驗(yàn)段研究技術(shù)報(bào)告》及措施比選結(jié)果，在洋縣沿線(xiàn)朱鹮分布區(qū)對(duì)于高度大于10 m的橋段，結(jié)合聲屏障設(shè)置措施，對(duì)未設(shè)置聲屏障的路段設(shè)置金屬編制防護(hù)網(wǎng)(圖6)，共33 014.62單延米，具體參數(shù)見(jiàn)表1。同時(shí)選定輔助驅(qū)鳥(niǎo)措施：硬橫梁吊柱底座、AF線(xiàn)門(mén)型架底座處設(shè)風(fēng)車(chē)光片式驅(qū)鳥(niǎo)器，每底座1處；棘輪補(bǔ)償裝置下底座設(shè)風(fēng)車(chē)光片式驅(qū)鳥(niǎo)器，每底座1處；AF肩架上設(shè)風(fēng)車(chē)光片式驅(qū)鳥(niǎo)器，每肩架1處；隧道外對(duì)向下錨處設(shè)風(fēng)車(chē)光片式驅(qū)鳥(niǎo)器，每對(duì)錨設(shè)1處；隧道外隔離開(kāi)關(guān)底座處設(shè)風(fēng)車(chē)光片式驅(qū)鳥(niǎo)器，每底座2處；輕型硬橫梁及上網(wǎng)門(mén)形架處設(shè)風(fēng)車(chē)光片式驅(qū)鳥(niǎo)器，每組2處；另外在朱鹮活動(dòng)頻繁的佛坪(DK143+165)至城固北(DK217+750)區(qū)段，在隔離開(kāi)關(guān)底座附近、棘輪補(bǔ)償裝置底座附近、硬橫跨附近增設(shè)超聲波驅(qū)鳥(niǎo)器。

圖6 西成高速鐵路朱鹮金屬編織防護(hù)網(wǎng)防護(hù)措施

序號(hào)性能參數(shù)指標(biāo)1鋼柱抗彎曲荷載/(kN·m)82網(wǎng)片頂破力/kN353抗沖擊/J5004防腐工藝符合《金屬覆蓋層和鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》(GB/T 13912—2002)5檢測(cè)鹽霧試驗(yàn)鋼絲符合《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》(GB/T 10125—2012)6防火性符合《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》(GB8624—2012)B級(jí)7抗風(fēng)壓最大彈性撓度不應(yīng)超過(guò)L/100(L為構(gòu)件最大自由長(zhǎng)度),殘余變形不應(yīng)超過(guò)L/5008抗疲勞性符合《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 旋轉(zhuǎn)彎曲方法》(GB/T 4337—2015)9反光膜符合《道路交通反光膜》(GB/T 18833—2012)二級(jí)反光膜要求10使用年限不低于50年(不含反光膜)

6 結(jié)論

西成高速鐵路于2017年9月27日試運(yùn)行，2017年12月6日正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，列車(chē)開(kāi)通運(yùn)行以來(lái)，無(wú)朱鹮及其伴生鳥(niǎo)類(lèi)與列車(chē)或線(xiàn)路接觸網(wǎng)設(shè)備相撞事故的發(fā)生，說(shuō)明朱鹮對(duì)高鐵工程及防護(hù)措施已具備一定的適應(yīng)性，且防護(hù)措施具備防止朱鹮撞傷的防護(hù)效果，對(duì)今后類(lèi)似的鐵路工程的防鳥(niǎo)措施具有一定的借鑒作用。