征 途(图)
已阅读:7263次    发布时间:2012-12-05 08:35:42          

征 途

——院哈大客运专线(沈哈段)技术创新纪实

乘着“十八大”强劲的东风,12月 1日,“和谐号”动车组像一道白色的闪电划过富饶辽阔的松辽平原,哈大客运专线正式投入运营,为我国正在实施的振兴东北老工业基地战略插上了腾飞的翅膀。

东北老工业基地的腾飞之路

东北老工业基地是新中国工业的摇篮,为共和国工业的诞生和发展做出了巨大的贡献,创造了辉煌的业绩。新中国第一炉钢水、第一辆汽车、第一艘万吨轮、第一架飞机、第一台万吨水压机等数不清的第一,都诞生在东北,东北也因此被誉为“共和国的长子”。

新中国成立后,国家在东北等地区集中建设了具有相当规模的以能源、原材料、装备制造为主的战略产业和骨干企业,为我国形成独立、完整的工业体系和国民经济体系,推动我国工业化、城市化进程作出了历史性重大贡献。

随着改革开放的不断深入,老工业基地的体制性、结构性矛盾日益显现,进一步发展面临着许多困难和问题。

2003年,和煦的春风吹向了富饶辽阔的东北大地。党中央、国务院提出了“振兴东北老工业基地”的战略方针,这是我国继沿海发展战略、西部大开发战略之后的又一重大战略部署,也是凸显东西互动、带动中部、协调发展的重大战略布局。

东北老工业基地拥有丰富的自然资源、巨大的存量资产、良好的产业基地、明显的科教优势、众多的技术人才和较完备的基础条件,具有投入少、见效快、潜力大的特点,是极富后发优势的地区。能源、水利、交通等基础设施一体化是东北经济一体化的基础,而交通一体化的主要任务就是加强东北三省及蒙东地区交通网络的建设,加快提高交通运输能力和质量,形成现代化、高速化、网络化的综合交通运输体系。

哈大客运专线是我国“四纵四横”客运专线网规划中的重要一纵,是京哈客运专线的重要组成部分。北端与滨洲、滨绥、拉滨、哈佳等线相连,中部与长图、长白、沈山、沈丹、沈吉及秦沈客运专线衔接,南端与规划中的东北东部铁路新通道及烟大铁路轮渡相通,形成了东北地区的路网主骨架,在我国路网特别是东北地区路网中起着举足轻重的作用。

哈大客运专线是哈大铁路通道的重要组成部分,该通道由既有哈大线和哈大客运专线组成。是东北地区南北向客货运输的主干线和脊梁。沿途经过东北经济最发达的地区,连接了东北三大省会城市和素有“北方明珠”美誉的大连,沿线城市广布、人口稠密、人流物流频繁,是东北地区生产、贸易、旅游最繁忙的运输通道,并与秦沈、沈山等线共同构筑了东北地区最为重要的进出关咽喉。

哈大客运专线位于东北地区中轴线上,南起海滨城市大连,向北经营口、鞍山、辽阳,到达东北地区的经济和文化中心沈阳,再向北经铁岭、四平、长春,直抵我国最北部特大城市哈尔滨。线路纵贯东北三省,线路全长916公里,其中辽宁境内557公里,吉林境内276公里,黑龙江境内83公里。

哈大客运专线的建成通车,将极大提高东北路网主干线的运输能力和质量,全面盘活东北路网,明显地缓解东北三省的交通运输压力,并充分发挥秦沈客运专线效益,释放既有哈大线运输能力,逐步实现客货分线运输,有效地缓解货运紧张状况,缩短东北与关内广大地区和沿线城市间的时空距离,增进东北与关内地区的经济、文化和技术交流,促进地区经济协调发展。对建设节约型社会,保障国家振兴东北老工业基地战略实施、实现全面建成小康社会宏伟目标,都具有重要的战略意义,是一条名符其实的振兴之路、腾飞之路。

从线下到线上的全方位难题

哈大高铁是我国目前在高纬度严寒地区设计建设的标准最高、速度最快的一条高速铁路,也是世界上首条在高纬度严寒地区建成运营的高速铁路,基础设施按时速350公里设计建造,初期采用冬季时速200公里、夏季300公里运行图运营。

东北地区山环水绕、沃野千里,是我国重要的农林产业基地。独特的自然环境给农业发展带来了得天独厚的有利条件,但同时也给工程建设带来了前所未有的许多难题。严寒低温产生的“接触网覆(挂)冰、路基冻胀、道岔积雪”是高铁安全运营的最主要威胁。故此,“接触网融冰、防冻胀路基、道岔融雪系统”等课题也成为国际上公认的高寒地区高铁建设的三大技术难题。

地处我国高纬度区域的东北属寒温带和中温带湿润、半湿润季风气候区,其特点是四季分明,春季干旱多风,夏季湿润多雨,秋季凉爽多霜,冬季寒冷漫长。年平均气温4.4℃~8.4℃,极端最低温度接近零下四十度。哈大客专沿线河流众多,分属辽河及松花江两大水系,水位随季节涨落,沿线地表及地下水丰富,每年从10月底开始冻结,翌年5~6月融化,最大冻结深度超过两米,冰冻期长达半年以上。哈大高铁能否经受冰冻严寒的考验,确保运营安全是设计建设者面临的最大挑战。

高速铁路对轨道的平顺度有着极高的标准,这关乎着高速列车的运营安全和旅客乘坐的舒适度。严寒区的建设经验表明,在季节性冻土区,尤其是深季节冻土区,路基在周期性冻融循环作用下,冻害对路面寿命有着严重的影响,直接表现为冻胀变形和融沉破坏,冻胀导致路基产生的不均匀变形,会破坏轨道的平顺性,危及行车安全。对整个线路而言路基冻胀是最大威胁之一,这成为设计者必须直面并加以解决的难题。

2008年初席卷我国南方的冰冻雨雪灾害人们至今还记忆犹新。这场灾害造成多地铁路、公路、民航交通中断,电力受损、煤炭运输受阻,造成了巨大的经济损失。而对地处严寒地区的客运专线而言,接触网出现覆冰现象会直接影响和破坏机车的正常受电,导致接触网过量磨损、受电弓损伤加剧等一系列危害,严重时会造成接触网系统的瘫痪,使列车失去动力,危及行车安全,有效解决接触网覆冰现象成为高铁设计必须攻克的一道难关。

随着铁路客运专线的不断发展,行车密度不断增加,安全正点率要求越来越高,要求客运专线道岔在冰雪天也能够正常转换,保证列车全天候正常通行作业。目前,我国北方冬季道岔清雪工作主要依靠人工清扫、压缩空气清除等人工清雪方式,费工费时、效率低下,且存在人身安全隐患。因此,采用适应我国现代化铁路高速、高效、高可靠性的道岔融雪系统势在必行,在冰冻期长达半年的东北地区设计采用现代化的道岔融雪设施更显得当务之急。

艰辛而漫长的探索之路

哈大客运专线沈(阳)哈(尔滨)段是我院通过竞标获得的第一条特殊地质气候环境下的高速铁路。2005年4月,正当我院全力以赴投入青藏铁路建设决胜攻坚之际,哈大客运专线的竞标成功,激发了一院人探索、求胜的欲望和热情,为广大设计者搭建了施展才华、实现理想的广阔舞台。

八年来,全体设计者竭尽心智、全身投入;各专业分工协作、整体推进。对工程的认识也经历了由表及里、由浅入深的深化过程,工程设计愈发成熟和自信。全院在借鉴青藏铁路攻克多年冻土设计成果的基础上,调动各专业技术力量踏上了艰辛而漫长的探索之路。

筑牢安全、质量的基础防线

桥梁、路基和无砟轨道是客运专线的三大基础工程。在高寒地区设置桥梁,其抗冻胀效果最好、可靠度最高,这在青藏铁路大量以桥代路工程成功穿越长达550余公里的多年冻土区得到了印证,但建设成本也随之加大。

为筑牢安全至上、质量第一的哈大高铁基础防线,设计者们从青藏铁路设计中汲取灵感。在全线设计了占线路总长73.32%的各类桥梁162座,共计662765米。其中特大桥98座651031米;大中桥64座11734米;涵洞480座12441.16米。

在全长56.46公里的第二松花江特大桥的设计中,针对沿途水文情况非常复杂,百年一遇设计流量高达8280立米/秒,线路所经河段为Ⅳ级航道的特殊要求,将主桥设计成气势宏伟,经济实用的一联大跨度预应力混凝土连续箱梁结构,一经落成即成为第二松花江上靓丽的工程,为第二松花江增添了亮色。

哈大客运专线地处东北经济走廊带,多次跨越高等级公路、国道、省道、县道及城市快速干道。为了满足城市规划的立交要求,桥梁设计者大胆创新、勇于突破,多次采用一系列大跨度预应力混凝土连续箱梁结构。在跨越长春市富民大街立交特大桥设计中,设计者开创性地采用了一跨138米的钢箱叠拱结构,相继攻克了结构复杂、技术难度大等诸多工程难点,使之成为整个哈大客专中跨度最大的桥梁,一举摘取了我国时速350公里客运专线同类桥梁最大跨度的桂冠。该桥造型优美、气势恢宏,犹如一道美丽的彩虹坐落在长春市城西,与富民大街交相辉映,成为象征长春市高速发展的时代地标。

哈大高铁沈哈段多次跨越既有哈大铁路,为了不影响铁路正常运营,设计者创新施工设计方案,面对施工环境复杂等不利情况,创造性的提出了“梁体现浇成型后再转体合龙”的施工方案。并在刘房子及运粮河两处运用此法,完成了大跨度预应力混凝土连续箱梁转体合龙技术,大大减少了施工天窗时间,避免了施工对既有线正常行车的影响,保证了哈大线的运营安全,得到沈阳铁路局及哈大公司的高度评价。

为了满足轨道道岔在桥梁上的布设要求,设计者们打破常规、迎难而上,积极开展特殊结构桥梁设计。在沿线多处轨道道岔区采用了大跨度预应力混凝土连续箱梁结构及变宽度钢筋混凝土长联小跨度刚构—连续梁结构设计,为轨道道岔上桥奠定了坚实的基础、积累了丰富的实战经验。

针对高寒地区混凝土结构冻融剥蚀的现象,桥梁设计者广泛进行了防(抗)冻研究、开展专项设计。他们对所有存在冻融剥蚀、冻胀危害的桥梁墩台、桥涵工点,设计采用了外包耐候钢板、强化排水设计、提高混凝土抗冻融等级、铺设高聚物防水卷材、沉降缝加设橡胶止水带、聚硫橡胶密封膏密封、设置破冰棱等一系列防冻、防冰及防凌设计,以确保高铁桥梁工程的安全可靠。

哈大客专沈哈段线路全长465.45公里,路基总长102.92公里,占全段总长的22.11%,其中路堤长67.22公里,路堑35.7公里。

为攻克路基冻胀这一难题,设计者们从冻胀产生的机理入手,围绕冻胀发生的三要素——温度、水分及冻胀性的土展开科研设计攻关。综合采取保温,隔、排水,换填改良填料等措施,设计了具备防冻层、隔断层功能的路基基床及路堤支挡结构;强化了适应严寒地区特点的完整、系统的排水设施;研究改良了能抑制土体冻胀、降低冻胀等级的路堤填料;设计了稳定路堤边坡的防冻胀护道等一系列专业设计。

为了进一步验证这些设计的有效性和可靠性,我院在铁道部科技司和哈大公司的领导下,联合中科院寒旱所、哈尔滨工业大学、中南大学等科研院所,共同确立并开展了《高寒地区客运专线路基及涵洞防冻胀技术研究》课题。并在滨绥线成高子试验段结合实际工程进行了系统、严谨的研究试验,取得了丰硕的科研成果,收到了良好的效果。经过近三个完整冻融循环过程考验后,现场监测数据表明,路基防冻胀效果良好。在2012年4月开始的联调联试期间,动车组列车运行安全平稳,列车时速一度达到380公里,达到了设计标准。在9月份全线开始的试运行期间,列车时速始终保持在300 公里以上,列车运行的安全性、平稳性、舒适性给人们留下了良好的印象。

哈大客运专线为国内外首次在严寒地区铺设无砟轨道。深入研究轨道结构关键材料及部件对严寒地区的适应性和耐久性十分紧迫。项目前期,我院在铁道部科技司主持下,对严寒地区无碴轨道关键技术、无砟轨道结构设计理论和方法、轨道结构选型进行深入研究。并在滨绥线成高子站试验段进行轨道试铺试验,通过无砟轨道选型研究及结构设计、多种类型砂浆调整层、不同施工工艺的轨道板试铺试验研究,确定了合理的轨道结构型式、结构设计参数,验证了无砟轨道结构及关键部件对严寒气候条件适应性,通过试验段试铺、系统测试、实车试验及动测、运营考验,为严寒地区无砟轨道设计、施工提供了有力的科学依据和技术支持。

连接哈大客专和长春站联络线的62号道岔是我国自主研发的高速道岔,为国内首次铺设的世界上最大号码无缝道岔,代表了当今国际高速铁路道岔设计制造的最高水平。该道岔全长201米,结构道床长约660米,最大宽度8.8米。设计允许通过速度直向为350公里/小时,侧向为220公里/小时。

结合铁道部62号道岔科研课题研究,我院完成了62号道岔轨道结构设计,成功解决了道岔区道床混凝土结构裂缝难以控制的问题,提出了62号道岔无砟轨道所采用的单元结构。通过合理设置道床单元及伸缩缝、设置传力杆等措施,保证混凝土结构裂缝控制效果良好,而且结构工艺简单、稳定可靠。经过高速列车运营试验,62号道岔平顺度高、舒适性好且安全可靠,填补了我国独立自主研发和铺设大型高速铁路专用道岔领域的空白,也突破了制约高速列车进出站速度的关键性瓶颈。

哈大客运专线正线铺设无砟轨道长929.892 公里,按一次铺设跨区间无缝线路设计。根据桥梁、路基、道岔区及伸缩调节器等不同的基础及设备类型,设计者研究设计了多种类型的无砟轨道结构型式,主要包括CRTS I型板式、轨枕埋入式及双块式无砟轨道。铺设跨区间无缝钢轨长923.407公里,铺设无缝道岔长6.425公里,其中桥梁上铺设无缝道岔10组,铺设钢轨伸缩调节器4组。

通过哈大高铁无砟轨道及专用道岔的设计研究,我院成功地解决了高寒地区无砟轨道及跨区间无缝线路设计中的多项关键技术难题,全面系统掌握了高速铁路轨道设计的成套技术,极大地促进我院轨道专业的技术进步,提升了我国高寒地区高速铁路无砟轨道设计水平。

富有智能化、自动化的防冰除雪及防灾设计

接触网覆冰覆雪是一种特定气象条件下产生的冰冻现象,在气温、湿度和风速的共同作用下,电力线路及电气化铁道接触网存在着由液态水结冰的覆冰现象。如果在接触网导线上大范围形成覆冰,将直接影响高速铁路的正常安全运行。

为解决接触网覆冰造成的供电故障和除冰难题,自2007年开始,我院全面系统的开展了《哈大客运专线接触网防(融)冰技术研究》。对接触网覆、融冰机理进行了深入的理论研究和现场试验验证,取得了融冰电流、时间与环境温度、风速等因素的相关经验公式;导线临界融冰电流曲线、导线安全性校验方法等一系列科研成果。并在此基础上,提出了适应各种环境,不影响动车运行的交流融冰方案和接触网覆冰在线监测系统方案:通过在接触网上、下行回路中串联交流融冰装置,通过大电流产生焦耳热进行融冰。利用在线监测系统中图像压缩技术、通讯技术、电子技术、软件技术等手段,实现接触网覆冰情况的远程在线监测。运用视频智能分析技术、覆冰厚度经验公式分析得出接触网的覆冰情况,计算得出融冰电流和融冰时间,为接触网融冰提供重要依据,便于运营管理人员及时采取融冰、除冰措施,以消除接触网覆冰隐患,为铁路安全运行提供保障。

哈大高铁沈哈段设计安装了296套RD1型道岔融雪装置,设计采用电热融雪方式。该装置可根据动态监测环境温度、钢轨温度、降雪状况和融雪系统工作状态等参数,自动接通和关闭,具备完善的自检、诊断、监测、报警、远程监控和管理等功能,适应了现代化铁路高速、智能、自动化的要求。

全线防灾安全监控系统则以实时性、安全性、可靠性为设计原则,监控中心由防灾系统主机、显示控制终端、维护终端、通信接口设备及局域网组成。能够将沿线各信息采集终端采集到的各类信息传送至运营指挥调度中心进行分析、处理,及时有效地避免各类灾害对高速铁路行车安全的影响。

注重可持续发展、人性化、生态化的设计理念

哈大高铁连接着东北地区经济最活跃、农业最发达、客货及信息流最频繁的经济走廊带,具有大型枢纽多、交叉干扰多、河流农田多、生态敏感点多等特点。设计者们以促进地方经济发展、服务城乡规划建设、节约农业耕地、保护生态环境为目标,以适应城市、农村协调发展和生态保护的战略眼光全盘考虑线路及站位布局。以占全线长度73.32%的桥梁工程来最大限度的减少占用耕地,并对沿线各级自然保护区和风景名胜区进行合理绕避,使高铁成为助力沿线经济发展的引擎和纽带。

哈大高铁在生态环保设计方面以少占耕地、节约用地、合理调配土石方,充分利用弃土弃渣和隧道弃碴作为工程填料,最大限度减少弃土弃碴场为原则。采取了完工复垦、植被恢复等一系列措施恢复生态,全线各站区、路基均采用乔木、灌木、草坪、花木相结合的方式进行绿化美化。共栽植乔木17.5万余株,灌木73.8万余株,种植草皮18.5万平米,实现了工程与自然的完美融合、和谐统一。

大型铁路站房设计一直是我院建筑设计的软肋,纵横祖国大江南北的铁路线中一直没有叫人过目难忘的设计作品。

走进哈大客运专线立即让人眼前一亮,感到心旷神怡、久久驻足。典雅秀美的沈阳站、庄重大气的长春西站、时尚亮丽的哈尔滨西站等大型客站及枢纽明珠般矗立在各城市最为重要的发展结点上,熠熠生辉。

建筑风格各异的双城北站、德惠西站、扶余北站、公主岭南站、昌图西站、开原西站、四平东站、铁岭西站等中间站房新颖时尚、设施完备,散发着清新亮丽的时代气息。

这些宽敞明亮、时尚现代的空港式候车大厅,一应俱全的各种自动化售票、检票、信息传播及安检系统,周到便利、无障碍的零换乘型式及各种服务设施,碧绿如茵的站前广场和路基边坡,处处体现着设计者人性化、生态化的设计理念,一改人们对火车站拥挤、嘈杂、昏暗、杂乱的老印象。所有车站从细微处着眼,针对严寒地区的气候特点,在设计上对各站房、站台无柱雨棚冬季融化的雪水采取了集中收集站外排水措施,既防止了旅客滑倒摔伤,又避免了雨、雪水散排影响路基边坡稳定。

设计者们用新技术、新结构、新材料和新颖的建筑造型,很好地诠释了“安全、适用、经济、美观”和“以人为本”的设计理念,使建筑的功能性、系统性、先进性、文化性和经济性达到了完美的统一,体现了我国铁路客运专线的时代特征。

雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。在我院即将迎来建院60周年之际,伴随着世界上第一条高寒地区高速铁路的开通运营,哈大高铁的设计者们历经了八年春秋寒暑,以坚定执着的探路者的姿态,从容地跨越了从祖国西部山川到东北大地的漫漫征途。

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