铿锵之律
已阅读:6265次    发布时间:2010-02-01 09:06:00          

铿 锵 之 律

——郑西客运专线勘察设计工作回眸

2010年1月28,郑州至西安客运专线渭河特大桥上,“和谐号”高速动车组如一道白色电光,风驰电掣闪过。郑州至西安高速铁路今天成功试运行。从西安站至郑州站,高速动车组用时1小时48分,“陆地飞行”最高时速达到352公里。几天之后,郑西客专将正式投入运营,不仅标志着我国在黄土地区修建高速铁路技术世界领先,也标志着铁一院高速铁路的勘察设计结出了丰硕的成果,迈入了国内领先行列。

  此刻,一切不同的表达都诉说着同一种情感。十月怀胎的艰辛,一朝分娩的欢愉。那些难忘的日日夜夜在每一个一院人的心中翻滚潮涌,从2004年首次参与高速客运专线勘察设计,2005年执刀捉笔515公里的哈大客专设计,再到2009年担纲主演超过2800多公里的西宝、宝兰、西成、西运、兰新第二双线等高速铁路项目主角,铁一院的领导和全体职工倾尽了多少心血、经历了多少艰辛,在这出投身高速客运专线建设的活剧里,面对诡谲的市场,突变的风云,一院人运筹帷幄,千里纵横,多少起伏跌宕,多少柳暗花明……虽然铁一院承担设计的郑西客专只是其中的一部分,但却是第一个修成正果,即将投入正式运营的项目,给铁一院人带来的感受自然非同寻常。

  

一、弄潮儿向涛头立

  

  纵有千古,横有八荒。《中长期铁路网规划》明确了我国高速客运专线“四纵四横”的主体构架。这个构架中自东向西的“一横”——徐(州)兰(州)郑(州)客运专线的中段,就是郑西线。

  郑州至西安客运专线东接京沪高速,中连京广客专,线路由郑州站引出,途经荥阳、巩义、洛阳、渑池、三门峡、灵宝,陕西华山、渭南、临潼等地,贯穿西安铁路枢纽,全长459.5公里。建成后将使陇海铁路最繁忙的郑州至西安段实现客货分线运输,实现运输效能跨越式增长;可缓解西安东出铁路能力紧张状况,大大缩短西北、西南中心城市与东部特大城市间的时空距离。开通后西安至北京、上海运行时间可由目前的11小时和15小时缩短至4小时和5小时,西安至郑州运行时间由目前的6个多小时缩短至2小时以内。建设郑西高速客专对促进东西部经济文化交流、推进西部大开发战略具有重要意义。

2004年,铁道部对郑西客运专线进行方案竞选,确定铁一院承担陕西境内的勘察设计任务,这是我院首次参与高速客运专线勘察设计。陕西省境内线路长164.74公里,其中桥梁工程133.036公里/10座,隧道13.8公里/ 4座,桥隧占线路总长的89%

由于铁一院此前一直将大部分精力投入到了青藏铁路的建设中,在设计创新方面取得了举世瞩目的成绩,而在高速客运专线建设上却起步较晚,在客专技术储备及关键技术的掌握上,在当时不仅与国外而且与兄弟院也有一定差距。因此,从某种意义上说,郑西客专勘测设计的质量、工期,将决定着我院在客运专线领域能否占领一席之地。如何借一战之威,扭转不利局面,再树一院市场形象?全院上下深知肩头的“分量”。

  郑西客专作为设计时速350公里的高速客运专线,对线路有极高的平顺性要求,而沿线80%地层为湿陷性黄土地基,在这种地质条件下修建高速客运专线,这在国内是第一次,在国外也没有先例。为了确保高速客车安全地运行,控制线路沉降成为关键:路基地基如何处理?桥梁桩基长度怎样确定?大断面隧道开挖采取什么方法?无砟轨道铺设如何达到高精度的要求?

  要给出令人满意的答案,其难度之大,毋庸置疑。

  弄潮儿向涛头立。正是因为难,更加激发了一院人征服的激情,因为这是一支善于攻坚克难的精锐之师。针对郑西客专实际情况,铁一院一方面分批派出技术人员到京津城际高速铁路、国内院所参观取经,前往欧洲发达国家和日本、韩国等地进行全方位的考察学习,并聘请国内外专家来院讲座交流,举办高速铁路勘察、设计培训班等;另一方面,迅速组织科研攻关,充分发挥院研发中心的作用,开展一系列关键技术研究:确立了“湿陷性黄土地基处理及填料设计研究”、“湿陷性黄土地区桥梁桩基研究”、“大断面黄土隧道开挖及工后沉降研究”、“轨道关键技术研究”等十余项课题,同时积极与有关大专院校进行合作,使得设计标准的确定有了坚实的理论依据。院领导在铁道部立下了军令状。所有设计人员更是卯足了劲,苦练内功,只待再创佳绩,扬眉吐气。

  铁一院对郑西客专勘察设计实行了集中统一和强有力的管理,建立起以主管副院长、院副总工程师牵头,各专业处领导组成的项目领导班子,要求勘察设计人员打破常规,跳出习惯思维,转变设计理念,结合项目特点,通过科技创新,把郑西客运专线建设成适合我国国情的、有中国特色的高速客运专线。

  总体战略部署停当后,马上抽调各专业精兵强将50余人,组成郑西线项目总体设计组,数百名勘察设计人员兵分几路,投入会战。

  2004年,郑西客运专线勘察设计工作全面铺开。

  

二、狭路相逢勇者胜

  

  设计时速350公里的郑西客专为双线无砟轨道,对技术标准和质量要求极高,不同于常规铁路。线路经过地区80%的湿陷性黄土是主要工程技术问题,也是世界性难题。

  按照铁道部提出的“三个一流”中“一流的工程质量”的要求,在执行“选线标准”的同时,为了线路走向最优化,总体组着力抓一流的选线、一流的勘察以及黄土地域客专土建工程关键技术研究等重点工作,并落实到方案设计的每一个细节。

  ——铁路选线方面。结合三门峡水库引起渭河流域水文地质变化和渭南地区活动断裂带的特殊情况,委托水利部门、邀请水文专家对该区域进行现场调查,认真研讨,完成了“三门峡库区渭河及其南山之流泄洪区”线路方案选择和“渭南地区活动断裂区铁路选线及场地工程地质条件评价”,组织路内外专家论证,并结合专题报告进行线路方案选择,确保了工程的万无一失。

  ——地质勘察方面。结合黄土的特性,在“青藏高原铁路冻土分区”成果的启发下,对不同类型、不同等级的黄土进行分区研究,完成了“黄土地区主要工程地质问题及湿陷性黄土等级分区研究”的专题报告,从而提出了黄土地区选线原则及工程设置原则,并对地质综合勘探、试验工作提出了一系列要求,确保一流的工程勘察质量。

  ——设计研究方面。进一步加大科研攻关力度,先后投入上千万元资金用于科技攻关。组织各专业骨干,配合院研发中心博士后工作站开展专题研究。与国外知名设计咨询公司加强技术合作,将国际上最先进的设计理念和项目管理经验应用于客专的设计之中。紧密结合工程试验段开展关键技术攻关,保证了建设项目的质量和进度。

  陕西,盛夏,赤日炎炎,测旗飘飘。勘察队员们在关中平原上挥汗如雨,注解着他们别样厚重的人生。

  勘察是工程质量的源头性、基础性工作,郑西客专在速度目标值等技术参数上都确立了较高的标准,建成后列车能否跑得又快又安全,勘察设计者责任重大。标准高、时间紧,给勘察工作提出了“前所未有”的挑战!譬如定测,20045月中旬展开,8月所有初步设计文件必须按时交付。连勘测带设计只有短短的3个月时间!但工作量却远远高于同样长度的常规铁路。仅勘探、土工试验工作量就增加了几倍。

  在平原地带,常规铁路只要在不同地质钻孔取样就行了,而为摸清郑西客专地质情况,保证勘察质量,要求每50100米打一个孔,每100200还要布设一定数量的控制性断面,像这样的长度,正常的钻探量大约在1万米左右,而郑西客专达到了15万米!钻孔也都加深了,一般涵洞位置的钻孔都是810米,路基2030米,而郑西客专达到了4050米。土工化验达到5.45万组。郑西客运专线的原位,主要是静力触探,要求每1001个孔,每个孔深10几米到20余米,总共孔深近2万米

  勘测也同样。郑西客专勘测时进行了大面积线路方案研究,设计人员立足当前,着眼长远,加强设计的前瞻性,对不同渭河桥位方案和不同秦东隧道方案做了深入细致研究;同时还重点研究了郑西客专引入西安枢纽方案,对不同站位、不同疏解方案进行了大面积、多功能、全方位地研究,研究线路长度达上万公里。除了桥、隧的标准和要求都大大提高外,勘测中连普通的路基都必须按工点设计,平均30左右就要做一个断面。在渭南,仅一个勘测队就用了近万个板桩。……勘察人员每天都是超负荷工作,几乎每天晚上都要加班到凌晨。

  自从2004年承担郑西客运专线勘察任务到20059月工程正式开工建设,铁一院先后投入近千人,组织400余台钻机,战酷暑、斗严寒,全面开展了勘测、勘探大会战。为适应跨越式发展的战略意图,技术标准一再刷新,精度要求也不断提高,致使工作量大幅增长,勘测难度急遽增加。勘测人员坚决贯彻“科技是第一生产力”的精神,采用先进的GPS动态测量法,显著提高功效,同时还扩大了勘察范围,为线路设计和后期方案优化奠定了可靠的基础。

  郑西客运专线是国内首批开工的采用整体式无砟轨道结构的高速铁路,也是首批需要建立精密控制测量系统的建设项目之一。高速铁路成功建设的一个重要技术保障,就是必须有一套完整、高效且非常精确的测量系统。

  铁一院承担郑西客专陕西境内无砟轨道精密控制测量工作后,院高度重视,立即部署无砟轨道精密测量系统成套技术的研究工作,在较短的时间内组建了专业的精密控制测量生产队伍,建立了完整的精密控制测量技术体系,高标准、高质量地完成了基础平面控制网(CPI)、线路平面控制网(CPII)和贯通二等水准测量工作;由铁一院负责组织参与郑西全线精密测量的三家设计院完成了全线的控制网整体平差。平面控制网采用一点一方向的平差方法,保证了控制网的高精度;采用窄带高斯正形投影,使投影变形值小于10毫米/公里,满足了无砟轨道测量要求;首次采用大尺寸标志石和深埋水准点相结合的方式埋设控制点,为施工及运营维护奠定了基础。在完成全线CPICPII及二等水准测量工作的同时,院还采取“早关注、早投入、早研究、早出成果”的策略,自主研发了“轨道控制网CPⅢ精密控制测量数据采集与处理系统”,并通过了铁道部建设司组织的鉴定,被确定为郑西客运专线CPIII测设平差处理软件。该系统可广泛应用于客运专线CPIII施工测设平差处理。“郑州至西安客运专线(陕西境内)无砟轨道精密工程控制测量”成果荣获2009年度全国优秀测绘工程银奖。

三、山高何惧人为峰

  

  科技创新,赢在设计。郑西客运专线标准高、工期紧、任务重,建设意义可谓举足轻重。铁一院在开展郑西客专勘察设计之初,就按照“建设一流客运专线”的目标,创新设计理念,以一流的设计再攀高峰。针对重点难点设计开展了多项研究,采取了一系列创新型结构设计,攻克了工程难题,使设计水平达到了一个新的高度。

  一院人敢于创新。于是,山高人为峰,成为一院设计人员的事业信条。

  这是一个繁忙的星期天,一个围绕线路路基方面的专题会议从上午一直持续到了晚上。与会者们为路基设计中的湿陷性黄土问题展开了激烈讨论……这些曾经攻克过青藏铁路工程“三大难题”的一院将帅们,在西部黄土高原地区碰到了铁路设计的“老对手”—— 湿陷性黄土。要知道,设计时速350公里的高速客运专线,其路基承受的荷载非同于常规铁路。湿陷性黄土之于高速,是一个十分棘手的难题。

  智者的思虑有如四月的细雨般严密。一院人把自己的智慧毫无保留地奉献给了郑西客专。下面就让我们追寻设计人员的脚步,“点亮”郑西客专设计中的一个个闪光点。

  埋入式连续桩板路基结构 华山北站和临潼东站采用的埋入式连续桩板结构,为国内外首创的一种新型路基结构。

  湿陷性黄土在工程界被公认为“问题土”,它欠压密、大孔隙、承载力低、遇水浸湿快速下沉,对建筑物危害性很大。路基处理成了“难啃的硬骨头”。华山北站和临潼东站所处湿陷性黄土厚度达2~3,为Ⅰ级到Ⅱ级自重性湿陷,且地下水位高,埋深4~10,常规的地基处理方法已经不能满足无砟轨道工后沉降不得大于15毫米的要求。设计人员经过反复研究,创新性地设计了埋入式连续桩板结构,埋入地下的桩深约50,每5间距设一排桩基,上铺没有接缝的钢筋混凝土板,一联最大连续长度达到1000,总延米达5381,相当于把一条现代化铁路“桥梁”铆在了土地上。

  施工完成之后,路基承载力试验达到要求,路基工后沉降小于15毫米,造价比同类工程条件的桥梁降低了20%,达到了国际领先水平。

  渭河特大桥多联大跨连续梁 渭南渭河特大桥是全线最长的桥梁,也是我国目前已建成的最长的桥梁,东起华阴华山北站,西至临潼东站,全长79.7公里。桥梁2次横跨渭河主河槽,20次跨越渭河南岸支流,与108国道立交1次、与既有铁路相交4次,并多次与城市干道及规划道路相交。为了避免高路堤难以控制的工后沉降问题,设计人员经过集思广益,将初始设计的几座特大桥改为一座超长特大桥,其中在两跨渭河主河槽处采用长联大跨连续结构,孔跨分别为(40+564+40)米连续梁和(48+480+48)米连续梁,长度分别达1.0公里3.2公里。这种连续梁结构达到了国内同类型梁体先进水平。

  渭南渭河特大桥“以桥代路”的形式,大量地节约了耕地,减少了路桥频繁交替过渡段的设置,提高了高速列车运行的平稳性和舒适度,还结合城市建设风格及周围特定环境设计,从而使桥式布置及其构造充分适应城市道路及市政建设的规划、规模,也满足了城市景观要求。渭河特大桥已成为关中平原上一道亮丽的风景线。

  渭南北高架车站 渭南北站是国内第一座高架桥客运专线车站,处于渭河松软土地基地段,受跨越渭河及沿河洪水位、道路立交等因素限制,车站平均填土高约7,最高达到9。根据车站地形条件和有效空间,设计人员开动脑筋,创造性地设计为高架车站。车站设计为4股道,股道及站台位于2座并行的高架桥上,8组无缝道岔位于变宽度连续梁上。由于高架桥站梁型众多,梁体受力复杂,设计困难自然很大。为了使上部车站和下部桥梁美观协调、浑然一体,设计人员精心构思孔跨式样,合理地确定了桥梁跨度;同时通过大量细致地计算,确定了梁体断面形式和结构配筋,建成后的渭南北高架车站达到了既美观又经济的效果。这无疑成为郑西客专设计中的又一个经典之作。

  秦东隧道 秦东隧道全长7.7公里,是郑西客专重点控制性工程之一。隧道设计为单洞双线,开挖宽度15、开挖高度13,最大开挖面积达164平方米,为目前国内最大断面的黄土隧道,在国内外均没有类似的工程实例,设计难度大、施工风险大。经过刻苦攻关,无数次的理论分析和计算,设计人员创新设计,提出了隧道合理的衬砌内轮廓形式和支护参数,采用代表当今最高水平的弧形导坑法、双侧壁导坑法及CDCRD等施工方法,既保证了隧道结构的安全,又巧妙地减少了圬工;设计中还首次提出了湿陷性黄土隧道基础采用水泥土挤密桩“换填”处理的方案,消除了黄土的湿陷性,工后沉降值达到了小于15毫米的要求。由于高速列车进入隧道时活塞效应加剧,为减缓空气动力学效应,设计人员在隧道进口设置了缓冲结构,避免了高速列车通过隧道时出口产生的音爆对建筑物造成破坏。秦东隧道的建设,对黄土地区客运专线隧道的修建具有重要的指导意义,推动了黄土隧道建设技术的进步,巩固并提高了我院在黄土隧道设计的领先地位。

  无砟轨道及桥上无缝线路、无缝道岔 郑西客专全线采用CRTS Ⅱ型双块式无砟轨道,一次铺设跨区间无缝线路,国外虽有成熟的铺设经验,但完全适合我国国情的设计标准、参数及规范有待实践检验。设计人员结合我国铁路运营等要求,对原双块式轨枕进行优化设计,解决了郑西客专大跨度桥上、大梁缝处、钢轨伸缩调节器区等地段的无砟轨道结构设计难题,完成了郑西客专无砟轨道的设计。

  在超长特大桥多联大跨连续梁上铺设无缝线路既无标准,也无规范,是国内外公认的一项难题。为攻克在渭河特大桥多联大跨连续梁上铺设无缝线路的设计难题,院专门成立了重点科研课题组,设计人员经过潜心研究,最终确定了“一跨渭河铺设一组、二跨渭河铺设四组曲线型钢轨伸缩调节器”的设计方案,成功解决了这一棘手问题,顺利通过专家的评审。

  渭南北站高架桥上的无缝道岔也是设计中的难题之一,国内目前对于桥梁与无缝道岔的相互作用关系还处于理论研究阶段,没有一个成熟的结论,为此铁道部专门立项课题进行研究。我院与参研单位对高架桥无缝道岔的设计计算方法共同探索研究,最终攻克了这一难题,得到了专家的一致认可。

四、不待扬鞭自奋蹄

  

  在设计师们的构想中,郑西客运专线的形象不仅仅是中国铁路现代化的一个缩影,而且应当是一道中国小康社会的风景线。在设计中,设计人员贯彻“以人为本,强本简末”的设计理念,结合城市规划,努力节约用地、减少拆迁、降低投资、优化设计,把郑西客专铸造成现代化精品工程。

于是,一组组颇富前瞻性和人性化的创新设计应运而生:

  ——与城市规划协调,充分满足沿线城市规划发展的要求;

  ——对沿线居民区、学校、医院等进行了有效的噪声保护设计;

  ——对沿线风景名胜、自然保护区、饮用水源进行保护设计;

  ——为满足高质量的沿线水土保持要求,结合当地人文景观,进行立体的混植绿化设计,把郑西线建成绿色长廊;

  ——在线路方案优化的同时,对沿线环境也进行了充分优化;

  暑往寒来,呕心沥血,一院人向新的高度发起了一次又一次的冲刺。

  这是2005年春节的一天。大年初二,电化处设计室里,工程师们正围绕电力设计进行攻关。设计时速350公里的郑西客专具有行车密度高、牵引负荷大的特点,陕西省境内牵引变电所采用330千伏等级电源进线,是我国电气化铁路建设史上首次使用;采用的330千伏 AT牵引变压器在国际上也属首次,既没有相应的技术规范也没有相应的成熟产品。面对困难,设计人员对变电所及牵引变压器的设计方案、技术关键点等深入分析研究,从设备选型、平面布置、保护配置等方面创新,成功解决了难题,确保了330千伏牵引变电一次送电成功,顺利投运。同时为西宝、西成、西运、宝兰、兰新第二双线等客运专线采用330千伏电压等级供电奠定了基础。

  又是一个不眠的夜晚。城建院设计室内,灯火通明。设计人员正在为渭南北高架车站和华山北站站房设计更好地体现“以人为本”的思想而绞尽脑汁。渭南北站是我国铁路客运专线建成的第一座具备候车功能的“桥式”车站,空间的整体化结合建筑造型的审美诉求,把站房、站台和无柱雨棚整合形成一体化空间,外观简洁,极富动感和活力。由于候车大厅设于桥下,会受到上层高速运行列车噪音的影响,设计人员强化了对车站建筑物的隔振、降噪细部设计,采用多种隔音材料,降低了列车高速运行时对站房产生的振动和噪声。华山北站外部形象具有华山雄伟奇险的气势,车站入口采用的倾斜式石材外墙和玻璃幕墙面形成强烈对比,与华山之“险”遥相呼应,成为一景。

  通信信号的创新设计也是颇费心血的。设计人员采用了具有世界先进水平的CTCS-3列控系统,以保障高速列车安全、可靠、高效、准时运行。通信系统信息传输,实现了车与地双向互通;关键设备采用多重冗余设计,增加了系统的可靠性和安全性;采用安全数据传输网,为系统提供了安全信息高速公路;车载设备采用一次模式曲线,保证了列车在追踪间隔3分钟的高密度运行条件下运行;自动列车调度指挥CTC系统,保障了列车调度的高效和准时;综合接地系统,实现强、弱电设备和金属构筑物的等电位连接,有效保证了乘客安全和设备安全;集中监测网络系统,实现了运营设备运行状态实时监督。

  2005年金秋如期而至,郑西铁路客运专线开工的号角昂然吹响。

  20095月,郑西客专陕西境内铺轨工作正式展开,客运专线建设全面进入冲刺阶段。

  20099月,郑西客专列控C3系统试验和联调联试进行,目前已累计运行20多万公里。

  20091211,铁道部部长刘志军在添乘郑西客运专线“和谐号”高速动车组试验列车后,对建设和运营准备工作取得的显著成绩给予了充分肯定,他指出:“郑西客运专线作为我国又一条时速350公里的长大客运专线,质量可靠,技术先进,安全得到了充分保障。”

  

2004年到2009年,历经6年艰苦奋斗,铁一院人在高速客运专线设计这场艰苦卓绝的翻身仗中,力挽狂澜,奏响了铿锵之律。

  一院人坚持以诚信服务的精神,上下求索,继续开路先锋的英雄之梦……

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