在鐵路行業(yè)推廣創(chuàng)新方法的新探索

吳浪

中鐵二院工程集團有限責任公司（簡稱中鐵二院），原名鐵道第二勘察設計院，現(xiàn)隸屬于中國中鐵股份有限公司，是由科技部、國務院國資委、全國總工會等部門命名的創(chuàng)新型企業(yè)。依靠優(yōu)良的創(chuàng)新傳統(tǒng)，中鐵二院先后榮獲國家、省部級科技進步獎、優(yōu)秀工程勘察設計獎、優(yōu)秀軟件等獎項500余項。根據(jù)戰(zhàn)略規(guī)劃要求，中鐵二院堅持以市場需求為導向，加大科技投入力度，“十一五”以來，每年下達科研攻關項目200余項，科研經(jīng)費上億元。

但長期以來，中鐵二院眾多科研項目從立項到研發(fā)過程用得最多的是傳統(tǒng)的工程類比、專家決策等方法，由于研究人員的思路不寬、信息不全，從而使部分項目成果水平不高，周期長，重復研究，造成人力和資金的浪費。相比之下，TRIZ理論和計算機輔助創(chuàng)新（CAI）技術在國際上得到了廣泛應用，韓國三星電子、美國福特汽車以及國內(nèi)中興通訊等世界知名企業(yè)，在引入TRIZ理論體系后，都取得了令人驚喜的創(chuàng)新成果。對此，中鐵二院認識到，要不斷提高企業(yè)核心競爭力，建立自主創(chuàng)新型企業(yè)，引進TRIZ創(chuàng)新理論體系是中鐵二院發(fā)展的必由之路。

首先，中鐵二院隧道專業(yè)研究人員在相關專家級技術人員的指導下，應用TRIZ理論和CAI技術，選擇攻關重點課題“減少調(diào)整列車進入隧道時的空氣壓力”進行了初步嘗試并取得了較好的預期效果，這引起了中鐵二院領導的高度重視，要求相關部門抓好推廣應用工作。為此，中鐵二院先后多次邀請創(chuàng)新方法研究會等創(chuàng)新方法領域優(yōu)勢單位的專家進行講座和培訓，為在企業(yè)內(nèi)部進一步推廣應用打下了基礎。

隨后中鐵二院經(jīng)過市場調(diào)研，最終引進了創(chuàng)新方法輔助工具CAI軟件，并加大推廣應用力度，在咨詢專家的指導幫助下，選擇了高速鐵路關鍵研究課題“控制高速鐵路無碴軌道路基沉降”及“新型鐵路橋梁減隔震支座”研究等課題推廣應用。其中“控制高速鐵路無碴軌道路基沉降”課題組通過應用創(chuàng)新知識庫、創(chuàng)新原理和專利檢索等工具，篩選出多種有新意的加固方法和施工工藝，經(jīng)浙贛鐵路提速改造及遂渝鐵路的工程實踐，成功滿足了時速200公里速度的沉降要求，目前已在其他高速鐵路工程項目中廣泛推廣應用。同樣，“新型鐵路橋梁減隔震支座”研究應用CAI技術也取得較好成果，新研制的ZX型減隔震支座已在部分橋梁工程中推廣應用。

此外，中鐵二院在總結我國現(xiàn)有無碴軌道研究與應用經(jīng)驗的基礎上，吸收各種無碴軌道的優(yōu)點，大膽創(chuàng)新，研制成功的具有完全自主知識產(chǎn)權的、全新的無碴軌道結構體系，對于完善我國適應于不同運營條件下的無碴軌道結構型式具有極其重要的意義。

中鐵二院積極引進和推廣應用TRIZ方法和CAI創(chuàng)新技術，效果立竿見影，科研項目周期明顯縮短，每年完成的科研項目和成果水平大幅度提高，使中鐵二院在眾多高速鐵路核心技術方面走在國內(nèi)同行的前列。特別是在高速鐵路核心技術如精密測量、無碴軌道、控制路基沉降、綜合接地、四電集成、聲屏障、隧道空氣動力學及車橋耦合計算分析等領域取得了大批創(chuàng)新性成果。近年來，中鐵二院申報并被受理的各類專利145項，已獲國家授權95項，特別是2010年引入TRIZ后，公司獲得了6項發(fā)明專利，取得了重大突破。

案例一：利用CAI技術輔助解決既有路堤修建無碴軌道路基技術研究

中鐵二院在相關專家的指導和幫助下，利用CAI技術輔助解決了既有路堤修建無碴軌道路基技術研究的科研項目。

首先，課題組針對既有路堤在穩(wěn)定、沉降和路橋等過渡段平順性方面影響高速列車行車運營的幾個方面的問題，通過利用創(chuàng)新知識庫、創(chuàng)新原理和專利檢索等工具以及CAI軟件分析，篩選出了一些有一定新意的加固方法和施工機械設備等。如利用“地基延緩固結處理法”來延緩固結時間、控制地基沉降以滿足路基沉降和工后沉降要求；利用“熱等離子體電弧焊炬”加熱土壤來改善松散土壤的物理特性以控制路基本體的沉降；利用“沖擊碾壓補強結合封閉排水”填筑加固；利用“壓入式一次成孔器”打樁鞏固路基；利用注射石炭酸樹脂材料提高路基基床的承載力；利用水，堿金屬硅酸鹽與硅酮物、藍綠海藻或鈣化菌等材料來強化土壤加固路基；利用“階梯型協(xié)調(diào)結構”、“鋼制寬梁替代部分枕木”、“混凝土大枕木”、“軟枕木”或“浮動床結構”來實現(xiàn)路橋過渡段的剛度匹配和平滑過渡等技術措施或設備工藝，使其更經(jīng)濟合理地進行既有路堤適應高速行車的加固補強。

浙贛線時速200km/h電化提速改造工程對路堤基礎要求很高，而我國很多地區(qū)合格填料缺乏，因此，課題組根據(jù)CAI軟件的分析，在眾多的加固方法中，選取了紅色粉砂巖“沖擊碾壓補強結合封閉排水”加固方案。對紅砂巖水泥改良進行了現(xiàn)場填筑試驗，研究成果可以直接用于高速鐵路路基施工，對高速鐵路設計和施工具有重要的指導意義，該技術成果已經(jīng)應用于浙贛線200km/h提速改造工程，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益，具有較高的應用和推廣價值。

案例二：鐵路橋梁減隔震支座研究

傳統(tǒng)的橋梁結構一般采用普通抗震支座，地震發(fā)生時，支座不能給橋梁提供減震、隔震的作用，地震對橋梁的破壞會使橋梁倒塌，交通中斷，對經(jīng)濟的發(fā)展造成直接和間接影響，而且重造新橋還需要投入大量的資金、人力和物力。

做好橋梁結構的抗震措施是保證交通暢通的關鍵。鐵路橋梁減隔震支座研究的提出，目的就是為了給鐵路橋梁設計提供一種減隔震新技術。中鐵二院課題組運用創(chuàng)新原理和專利檢索等工具及CAI軟件的分析，得出以下結論：“在橋梁結構系統(tǒng)中，預先加入一個結構，該結構在地震時發(fā)揮作用，減小地震時橋梁結構受到破壞的程度”；“改變橋梁結構系統(tǒng)中各部件作用關系的恒定不變?yōu)榭勺?，使得橋梁結構各部件在地震和非地震時有不同的力作用關系”；“改變梁與墩之間在非地震和地震時的相對位移關系：靜止或可動”等。通過以上創(chuàng)新原理的啟示，課題組得出以下初步設計概念：在系統(tǒng)中預先加入一個部件，該部件在地震發(fā)生時改變系統(tǒng)中各部件的相互作用關系，使系統(tǒng)在地震和非地震時分別表現(xiàn)為不同的動態(tài)特征。

結合各種減震、隔振的技術發(fā)明，利用“How to”模型知識庫，在不同行業(yè)里實現(xiàn)“reduce shock”/“dissipate force”等功能的專利中找到多個原理級的類比方案。如LUB速度鎖定支座、E型鋼阻尼支座、ZX型減隔震支座等。

最終，課題組選取了ZX型減隔震支座。該支座主要由上擺、不銹鋼板、聚四氟乙烯板、下擺、底座和鋼懸臂耗能器構成。ZX型減隔震支座在承受的水平地震荷載到達一定值時，支座本身將產(chǎn)生相對移動，其承受的地震水平荷載不再繼續(xù)增加，隔離了地震加速度峰值傳遞給橋梁上部結構，降低了橋梁墩臺承受的地震作用力，同時，耗能器限制支座相對位移在一定允許范圍內(nèi)。

ZX型減隔震支座，通過圓柱面、橫橋向斜滑動面和縱橫向懸臂曲桿的協(xié)同作用，可實現(xiàn)在高地震設防烈度地區(qū)橋梁支座的減隔震要求。該支座具有自復位能力，通過簡單的修復，即可恢復支座的正常使用功能。ZX型減隔震支座結構簡單、新穎，減隔震機理明確，試驗證明采用ZX型減隔震支座來降低高烈度地震區(qū)橋梁墩臺承受的水平地震力效果明顯，可大大減少墩臺的配筋量，解決高烈度地震區(qū)橋梁墩臺配筋困難的問題，同時提高橋梁抗震的安全性。

在貴昆線沾益至昆明段增建二線DK589+082八家村2號雙線大橋（11X32）試用了44套經(jīng)過改造研制的ZX型減隔震支座，經(jīng)受了數(shù)次5級以上的地震，該支座仍然運行完好，未出現(xiàn)任何損傷。

案例三：遂渝鐵路時速200公里隧道洞口微壓波及緩沖設施研究

高速列車進入隧道時將產(chǎn)生復雜的空氣動力學效應。隧道洞口如不設緩解微壓波措施，運營中可能出現(xiàn)明顯氣動噪聲即微壓波帶來的環(huán)境影響問題。遂渝鐵路是我國第一條時速200公里的山區(qū)客貨混運鐵路，隧道有效凈空斷面積為48.6m2，全線共有隧道41座，為解決遂渝鐵路建設今后可能出現(xiàn)的微壓波環(huán)境影響，開展了遂渝鐵路時速200公里隧道洞口微壓波及緩沖設施研究。

針對洞口微壓波與隧道長度的關系、減少洞口微壓波的措施、隧道不設置洞口緩沖結構時的最小斷面積以及隧道洞口設置緩沖結構型式等問題，課題組通過創(chuàng)新知識庫和專利檢索等工具以及CAI軟件的分析，根據(jù)TRIZ創(chuàng)新原理和專利查詢中得到的多個解決方案，梳理出“預先對物體（全部或至少部分）施加必要的改變”，“在隧道前加設緩沖段，設計上考慮在緩沖段壁開設減壓孔”等辦法。

課題組根據(jù)TRIZ創(chuàng)新理論及CAI軟件分析的解決方案，首先認真調(diào)研了國內(nèi)目前旅客列車如“中華之星”、“長白山”號等車體參數(shù)、車頭形狀，然后結合遂渝線技術標準、線路條件、隧道斷面及長度，開展研究和試驗工作。通過三維空氣動力學數(shù)值仿真分析與模型試驗的相互印證，確保研究結論的合理、可靠。模型試驗的條件是：遂渝線48.6 m2有效凈空斷面、通過“中華之星”、時速200km/h、洞口加設1～2D（D為隧道橫斷面凈空水力直徑）長緩沖結構，結果在洞口20m處產(chǎn)生的微壓波峰值小于50Pa，滿足洞口微壓波環(huán)境控制標準要求。目前遂渝線采用1倍水力直徑拱形開口緩沖結構，項目研究成果“時速200公里單線電化鐵路隧道洞口緩沖結構參考圖”已直接應用于遂渝線劉家溝、蘇家灣、羅盤石、手板巖、茶盤溝、松林堡、西山坪等隧道，且所有工程已安全、優(yōu)質(zhì)完成建設。