哈爾濱至大連高速鐵路設(shè)計創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)回顧

高斯斌

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安　710043)

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哈爾濱至大連高速鐵路設(shè)計創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)回顧

高斯斌

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安710043)

摘要：對哈爾濱至大連高速鐵路的設(shè)計創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)進行回顧總結(jié)，系統(tǒng)闡述在路基防凍脹技術(shù)、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、接觸網(wǎng)融冰技術(shù)、道岔融冰除雪等方面的研究創(chuàng)新及成功應(yīng)用，以哈大高速鐵路設(shè)計為依托，形成完整的、系統(tǒng)的高緯度嚴(yán)寒地區(qū)修建高速鐵路的修建技術(shù)。

關(guān)鍵詞：嚴(yán)寒地區(qū)；高速鐵路；設(shè)計；關(guān)鍵技術(shù)；創(chuàng)新；回顧

1概述

20世紀(jì)未，我國鐵路規(guī)劃部門根據(jù)我國交通運輸?shù)膰椋Y(jié)合國際鐵路技術(shù)發(fā)展方向，提出了全面建設(shè)高速鐵路的宏偉戰(zhàn)略方針，戰(zhàn)略性地提出我國”四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)建設(shè)的宏偉藍(lán)圖，哈爾濱至大連高速鐵路(簡稱哈大高速鐵路)是”四縱四橫”快速鐵路網(wǎng)的重要組成部分。在高緯度季節(jié)性凍土地區(qū)建設(shè)時速350 km的高速鐵路，在國內(nèi)外無成熟設(shè)計實踐經(jīng)驗和理論可借鑒，2002年原鐵道部發(fā)展計劃司安排開展高緯度嚴(yán)寒地區(qū)哈爾濱至大連高速鐵路的研究，成立了寒區(qū)高速鐵路路基及涵洞防凍脹技術(shù)研究(鐵道部科技司2006G011-B-3)、嚴(yán)寒地區(qū)道岔融雪系統(tǒng)試驗研究(鐵道部鑒定中心追加課題，科技成果評審證書:2014中鐵建科評102號)、嚴(yán)寒地區(qū)無砟軌道關(guān)鍵技術(shù)研究(鐵道部科技司2007G044-H)、哈大高速鐵路接觸網(wǎng)防(融)冰技術(shù)研究(鐵道部科技司2007J004)、哈大高速鐵路大跨度鋼箱疊拱梁關(guān)鍵技術(shù)研究(鐵道部科技司2006G011-C-2)等科研課題進行了專項研究。經(jīng)過5年多的技術(shù)積累，由國內(nèi)多家科研院所參加、進行了充分的技術(shù)論證和探索，形成了完整的高緯度嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路技術(shù)，哈大高速鐵路于2007年7月破土動工建設(shè)，2012年12月開通運營。近3年來的運營實踐，充分證明了哈大高速鐵路是一條技術(shù)先進的、建設(shè)在高緯度嚴(yán)寒地區(qū)的高速鐵路，對我國北方嚴(yán)寒地區(qū)的高速鐵路建設(shè)有著重要的示范作用，同時為我國高速鐵路技術(shù)的豐富和發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。

2項目特點

哈大高速鐵路位于北緯38°～47°，縱貫東北三省，線路穿越我國東北中部山前平原重度季節(jié)凍土區(qū)，由沿線三省氣象資料可見，本線所經(jīng)地區(qū)極端最低溫度-39.9 ℃，最大積雪厚度30 cm，土壤最大凍結(jié)深度在93～205 cm，嚴(yán)冬季節(jié)歷時長達5～6個月。

線路經(jīng)過東北遼河、松嫩兩大平原區(qū)，地勢平坦，全段軟土、松軟土廣泛分布。軟土主要分布于大河的一級階地和河漫灘及丘陵洼地內(nèi)，一般厚2.0～6.5 m，統(tǒng)計段落長23.2 km。松軟土廣泛分布，由南到北逐漸增厚，多為粉質(zhì)黏土、粉土、黃土及部分粉、細(xì)砂層，埋深多在10 m以上，部分埋深達35 m，厚2～25 m，沿線各河流及其支流河床、漫灘及一級階地內(nèi)砂、卵、礫石層中的潛水，地下水位埋深多為1～5 m。東北地區(qū)雨量充沛，年平均降水量591.5～674.7 mm，受大氣降水和地表水補給，水量豐富。凍脹的產(chǎn)生主要取決于充分的水分補給、凍結(jié)過程和凍脹敏感性土體。土體中的水分是導(dǎo)致凍脹的物質(zhì)因素，在這樣的嚴(yán)寒地區(qū)新建高速鐵路面臨著凍脹破壞構(gòu)筑物、嚴(yán)寒氣溫下機械設(shè)備受凍變形及覆冰停止運轉(zhuǎn)等技術(shù)問題。冬季沿線最大積雪厚度在17～30 cm，平均風(fēng)速為2.5～3.7 m/s。由于自然降雪和風(fēng)吹雪的影響，勢必使路基面形成較厚積雪，產(chǎn)生風(fēng)吹雪埋路和路塹積雪的災(zāi)害，影響列車運行。

3取得的主要成就

3.1形成了系統(tǒng)的路基防凍脹技術(shù)[1-5]

寒區(qū)高速鐵路路基及涵洞防凍脹技術(shù)研究結(jié)合哈大高速鐵路沈哈段工程建設(shè)，通過在施工現(xiàn)場建立課題試驗段進行長達4年的現(xiàn)場測試研究，提出了適用于高緯度嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基及涵洞綜合防治凍脹技術(shù)。

3.1.1路基基床防凍層防凍脹技術(shù)[1]

國內(nèi)首次提出路基防凍層概念，并對防凍層材料所使用的粗顆粒土的凍脹敏感性判定標(biāo)準(zhǔn)和使用條件、防凍層設(shè)置厚度、部位、適用條件等設(shè)計參數(shù)進行試驗研究，對其抑制路基基床凍脹的有效程度進行評估。粗顆粒土作為防凍層材料，要使其完全不凍脹，其中粉黏粒含量不得超過5%。防凍層宜設(shè)置在路基基床部位，并盡可能靠近路基面，其厚度根據(jù)設(shè)計凍深確定。設(shè)計凍深需在天然凍深上乘以一個修正系數(shù)，根據(jù)本試驗研究成果，一般粗顆粒土路塹段該系數(shù)可取1.3。同時，防凍層設(shè)置厚度不宜過大。圖1為防凍脹層的施工照片。

圖1　防凍脹層施工

3.1.2路基防水防凍脹技術(shù)[2]

溫度的變化能夠引起土體內(nèi)水分迅速遷移，向凍結(jié)鋒面匯集，從而引發(fā)土體更大的凍脹。因此，防治凍脹的另外一個途徑就是阻止水分在溫度影響下的遷移匯集。采取多重隔斷措施隔斷路基基床各層位土體間水分遷徙，阻斷外界水分補給通道是較為有效的方法。無論是在凍結(jié)期還是在融化期，滲溝均能降低地下水水位至不產(chǎn)生凍脹的地下水的最小高度以下(前述2.92 m)。滲溝最小埋設(shè)深度H根據(jù)最大凍結(jié)深度按下式計算

3.1.3保溫法防治凍脹技術(shù)[3]

保溫材料能夠應(yīng)用于高速鐵路路基防凍脹，試驗路基所使用的保溫材料在凍融循環(huán)和疲勞損傷條件下，其導(dǎo)熱系數(shù)、變形和抗壓強度等物理力學(xué)指標(biāo)損耗率均小于1%。保溫材料能有效保證其下路基基床土體隨時間變化處于一個相對穩(wěn)定的正溫區(qū)間內(nèi)，從而消除路基凍脹發(fā)生的溫度條件。保溫材料宜鋪設(shè)于路基基床表層下部，整個路基面滿鋪，其厚度不宜過大，6 cm左右為較為合理的厚度。路基防凍脹保溫層設(shè)置見圖2。

圖2　路基防凍脹保溫層施工

3.1.4涵洞路基防凍脹技術(shù)[6]

涵洞周圍路基內(nèi)形成的凍結(jié)圈呈倒鐘形，凍結(jié)圈首先在涵底基礎(chǔ)和涵頂填土中形成，然后在側(cè)壁填土中形成。涵周路基和涵底地基中最大凍深遠(yuǎn)大于天然場地的最大凍深，大致為當(dāng)?shù)靥烊粌鼋Y(jié)深度的2.0倍。處于多向凍結(jié)條件下的涵周路基，采用換填改良填料(級配碎石摻水泥)防治路基凍脹是有效的，最小換填范圍為當(dāng)?shù)靥烊粌錾畹?.0倍[1]。

3.1.5寒區(qū)路基邊坡穩(wěn)定技術(shù)[7]

寒區(qū)路基邊坡的穩(wěn)定性，主要受土體在經(jīng)歷凍融作用其抗剪強度指標(biāo)大幅度衰減影響，最重要的影響因素為凍融次數(shù)、含水率和地下水位埋深。試驗研究采用的“拱形骨架+多層仰斜式排水管+坡腳鋪設(shè)保溫板+植物防護”這種組合式的防護形式對抑制寒區(qū)路塹邊坡凍脹融沉效果明顯。從圖3可以詳細(xì)看出組合式路基邊坡結(jié)構(gòu)。

圖3　路基邊坡防凍脹施工

3.2確立了嚴(yán)寒地區(qū)大跨度橋梁上設(shè)置鋼軌伸縮縫調(diào)節(jié)器技術(shù)[8，9]

哈大高速鐵路在第二松江特大橋上設(shè)置了鋼軌伸縮縫調(diào)節(jié)器，建立橋梁、無砟軌道、無縫線路一體化模型，通過靜、動力學(xué)分析和實測試驗，揭示了橋梁與無縫道岔作用機理和變形特性，確定了橋上無縫道岔及伸縮調(diào)節(jié)器位置、橋梁變形等關(guān)鍵參數(shù)；提出了適應(yīng)寒冷環(huán)境及特殊軌道部件較高變形要求的無砟軌道結(jié)構(gòu)、軌道限位方式、彈性材料技術(shù)指標(biāo)。解決了軌溫變化幅度95 ℃的嚴(yán)寒地區(qū)大跨度橋上高速無縫道岔及鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的變形控制方法，完善橋上無砟軌道無縫線路設(shè)計理論。圖4為哈大高速鐵路第二松花江特大橋沈陽端設(shè)置的鋼軌伸縮縫調(diào)節(jié)器。

圖4　實鋪鋼軌伸縮縫調(diào)節(jié)器

3.3建立健全了嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路大跨度鋼箱梁設(shè)計理論

哈大高速鐵路新開河特大橋中的138 m鋼箱疊拱橋為國內(nèi)首次采用的新型拱橋結(jié)構(gòu)、是國內(nèi)第一座應(yīng)用實體圓鋼吊桿的鐵路橋梁，也是目前國際上同類橋梁中的跨度最大、位于最嚴(yán)寒地區(qū)的橋梁[9]。

該工程是鐵道部重點科研攻關(guān)項目，也是國內(nèi)鐵路領(lǐng)域首次采用的新型拱橋結(jié)構(gòu)，該工程的建成通車，填補了國內(nèi)橋梁工程領(lǐng)域的空白。圖5為哈大高速鐵路新開河特大橋跨越長春富民大街采用的138 m鋼箱疊拱橋。

圖5　鋼箱疊拱橋

3.3.1第一次將實體圓鋼吊桿應(yīng)用于鐵路疊拱橋梁

通過一系列實體分析及試驗研究，首次將實體圓鋼吊桿應(yīng)用于鐵路疊拱橋梁，解決了實體圓鋼超長吊桿的連接、與系梁拱肋耳板的連接、尤其是長期承受較大動荷載的低溫嚴(yán)寒疲勞問題，綜合考慮使用低溫環(huán)境以及高速鐵路行車密度的影響后，得到實體圓鋼吊桿的疲勞應(yīng)力幅達到96 MPa以上，能夠滿足大橋低溫下運營100年的使用要求，為今后鋼箱疊拱橋、實體圓鋼吊桿在鐵路橋梁的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，為拱橋提供了一種新型的吊桿結(jié)構(gòu)形式。

3.3.2首次對大跨雙箱疊拱拱腳合理構(gòu)造進行試驗研究

雙層疊拱在拱腳相交在一起，其傳力途徑發(fā)生改變，其構(gòu)造處理最為重要；針對新開河138 m鋼箱疊拱橋拱腳，設(shè)計并加工1∶2比例的拱腳模型進行模擬靜力加載試驗和焊接殘余應(yīng)力測試。首先采用9.0版ANSYS空間有限元結(jié)構(gòu)分析通用軟件建造有限元模型進行數(shù)值分析，優(yōu)化加載方案，提出了測試重點。

通過加載試驗掌握了拱腳結(jié)構(gòu)的受力和傳力途徑，實測結(jié)果與有限元分析相符。研究表明，拱腳應(yīng)力流具有指向性，主應(yīng)力基本上順著拱肋方向向支座方向和系梁方向傳遞，上下拱肋對應(yīng)拱腳隔板應(yīng)力分布比較均勻，驗證了拱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

3.3.3新建了世界上第一座鋪設(shè)無砟軌道的鋼箱疊拱橋

在東北嚴(yán)寒、且溫差達74.5°的地區(qū)，按照常規(guī)方式布置支座，均無法滿足“鋪設(shè)無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支承點橫向相對位移不應(yīng)大于1 mm”的規(guī)范要求，經(jīng)認(rèn)真分析研究，設(shè)計完成豎向可自由伸縮，但能夠限制橫向位移的限位支座，打破常規(guī)在端橫梁上布置3個支座，中間為橫向限位支座，兩側(cè)均為橫向活動支座，既不改變原結(jié)構(gòu)的受力方式，又圓滿解決了“無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支承點橫向相對位移”難以滿足要求的難題。

3.4建立了成熟的嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路無砟軌道修建技術(shù)[13]

3.4.1提出了適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)的環(huán)境氣候條件、線下基礎(chǔ)及無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點，通過軌道結(jié)構(gòu)選型研究、多種類型的無砟軌道的創(chuàng)新研究，首次提出寒冷地區(qū)高速鐵路無砟軌道采用單元結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)有利于減小溫度應(yīng)力，控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，提高軌道結(jié)構(gòu)的耐久性?；谏鲜鲈O(shè)計理念，確定區(qū)間正線軌道采用I型板式無砟軌道，道岔區(qū)采用軌枕埋入式單元無砟軌道。圖6為哈大高速鐵路昌圖段路塹段鋪設(shè)的Ⅰ型板無砟軌道照片。

圖6　路塹段Ⅰ型板無砟軌道

3.4.2建立了嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路Ⅰ型板式無砟軌道修建技術(shù)

針對嚴(yán)寒低溫、凍融環(huán)境，通過Ⅰ型板式無砟軌道關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究、試驗段鋪設(shè)試驗，研制了適應(yīng)-40 ℃低溫條件的低彈模耐寒型瀝青水泥砂漿，制訂了寒冷地區(qū)瀝青水泥砂漿調(diào)整層的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)研究了先張法及后張法2種軌道板的結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力體系、軌道板抗裂防凍、制板工藝，編制了軌道板通用圖，形成了嚴(yán)寒地區(qū)軌道板制造關(guān)鍵技術(shù)；創(chuàng)新嚴(yán)寒地區(qū)底座、凸臺、樹脂及防排水結(jié)構(gòu)，提出路基地段底座每隔10 m左右設(shè)置橫向伸縮縫，防止軌道板離縫，避免底座裂縫；提出路基上采用混凝土底座預(yù)埋排水管的排水方式，適應(yīng)季節(jié)性凍土區(qū)防凍脹要求。該結(jié)構(gòu)填補了國內(nèi)外在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用無砟軌道的技術(shù)空白。

3.5接觸網(wǎng)融冰技術(shù)

高速鐵路接觸網(wǎng)防(融)冰技術(shù)及運行試驗項目的接觸網(wǎng)覆(融)冰特性理論模型、防(融)冰狀態(tài)下牽引供電系統(tǒng)仿真模型、最大限度保證列車運行的在線防(融)冰工程實施方案、接觸網(wǎng)防融冰相關(guān)裝置等研究成果，均屬于填補國內(nèi)外空白，研究成果可直接指導(dǎo)接觸網(wǎng)防(融)冰工程設(shè)計及施工，研制的產(chǎn)品可直接應(yīng)用于工程現(xiàn)場。

(1)提出了接觸網(wǎng)融冰工程計算公式

根據(jù)接觸網(wǎng)覆(融)冰時不能扭轉(zhuǎn)的特殊性，建立了帶冰棱覆冰導(dǎo)線的覆融冰模型、接觸網(wǎng)融冰的仿真模型，提出了接觸網(wǎng)融冰計算公式。

(2)建立防(融)冰工況下牽引供電系統(tǒng)通用的仿真計算模型

依據(jù)多導(dǎo)線理論，結(jié)合防(融)冰裝置電氣特性建立特殊節(jié)點防(融)冰工況下牽引供電系統(tǒng)通用的仿真計算模型。

(3)提出并現(xiàn)場試驗了具有能最大限度保證列車運行、在線防(融)冰功能、可靠性高且工程易實施的“接觸網(wǎng)-地回路交流融冰方案”。

(4)研制了采用隔離開關(guān)(或無勵磁分接開關(guān))對融冰功率進行分級調(diào)節(jié)的接觸網(wǎng)防(融)冰裝置，研制了可直接測量接觸網(wǎng)導(dǎo)線溫度并通過光纖或無線傳送測試數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測裝置。

3.6大號碼道岔融冰除雪技術(shù)的突破[14-15]

針對東北地區(qū)鐵路道岔易被雪埋，容易造成道岔轉(zhuǎn)換困難、道岔不密貼，影響行車安全和運輸效率氣候特點、高速鐵路封閉運營的使用特點和廣泛采用大號碼道岔的技術(shù)特點，對嚴(yán)寒地區(qū)的道岔融雪系統(tǒng)設(shè)備配置進行了對比研究，確定了嚴(yán)寒地區(qū)電加熱道岔融雪系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成，確定了不同類型道岔加熱功率的配置和更加有效的加熱條安裝位置及安裝方式等，并在哈爾濱鐵路局夏家線路所進行了試驗驗證。圖7為在長春西站試鋪的國內(nèi)唯一的1組62號特大號融冰除雪道岔。

圖7　62號融冰除雪道岔

3.6.1確定嚴(yán)寒地區(qū)大號碼道岔不同部位的加熱要求

針對高緯度嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點，確定各種類型道岔在嚴(yán)寒條件下的加熱元件功率配置并經(jīng)過試驗驗證：尖軌自尖端起3～5 m范圍內(nèi)加熱功率按700 W/m配置能夠滿足嚴(yán)寒地區(qū)大雪氣候條件下的融雪要求；心軌部位加熱功率按350 W/m配置能夠滿足嚴(yán)寒地區(qū)大雪氣候條件下的融雪要求。

3.6.2對加熱元件進行了創(chuàng)新

制定在基本軌、尖軌分別配置加熱元件的方案，在傳統(tǒng)道岔融雪系統(tǒng)加熱元件的配置方案基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，有利于提高道岔融雪系統(tǒng)的融雪效果，節(jié)約能源。

3.6.3設(shè)計了自動控制軌溫啟動應(yīng)用系統(tǒng)

確定道岔融雪系統(tǒng)應(yīng)采用以自動控制軌溫方式為主、手動控制方式為輔的控制方案。該方式在保證融雪效果的前提下節(jié)省人工、節(jié)約能源、延長設(shè)備使用壽命，符合鐵路裝備節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展方向。

3.6.4提出采用鋼軌軌腰打孔方式安裝加熱元件

消除了采用傳統(tǒng)彈性卡具安裝加熱元件方式存在的卡具易斷裂、脫落，對行車安全帶來的隱患。研究試驗證明打孔安裝加熱元件的方式能夠滿足融雪要求，并使加熱元件安裝更加牢固、可靠。

4結(jié)語

哈大高速鐵路開通運營近3年來，經(jīng)工務(wù)部門檢測，線路運行狀態(tài)良好，沉降控制在15 mm以內(nèi)，2013～2014年兩年間采用夏季運行速度300 km/h，冬季運行速度200 km/h的冬夏運行表，沒有發(fā)生任何運營的安全事故，2015年開始采用全年一張運行圖運行，列車運行速度采用300 km/h，實踐證明本線防凍害設(shè)計是可行的。開通3年以來運營情況統(tǒng)計如下：2013年旅客運送量1901.6萬人，營業(yè)收入41.5億元；2014年旅客運送量1992萬人，比上年增加4.7%，營業(yè)收入45.7億元，比上年增加10%； 2015年1～10月份旅客運送量1946.1萬人，營業(yè)收入44.3億元； 2015年全年預(yù)計完成旅客運送量2250萬人，預(yù)計比上年增加13%，營業(yè)收入預(yù)計50億元，預(yù)計比上年增加9%。隨著運營時間跨度增加，運營收益必將持續(xù)穩(wěn)定地增長，由此可見鐵路總公司運營收入有保障，同時哈大高速鐵路的建成和安全運營為振興東北老工業(yè)基地，實現(xiàn)東北地區(qū)騰飛夢奠定了良好基礎(chǔ)。

本項目一系列研究試驗成果不但全面應(yīng)用在哈大高速鐵路的修建過程中，還在哈齊高速鐵路、蘭新鐵路第二雙線，以及蘭州、西寧、烏魯木齊站改等工程項目中推廣應(yīng)用，同時為俄羅斯莫斯科至喀山等北歐高速鐵路項目咨詢工作打下了堅實的理論基礎(chǔ)，為我國高速鐵路走向世界提供了寶貴經(jīng)驗。

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收稿日期：2015-08-26； 修回日期：2015-11-19

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2006G011-B-3，2006G011-C-2，2007G044-H，2007J004，Z2010-028 )；中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司科研課題(院科06-28)

作者簡介：高斯斌(1966—)，男，高級工程師，1989年畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：120356793@QQ.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0009-05

中圖分類號：U238

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.003

Design Innovation and Key Technology Review of Harbin to Dalian High-speed Railway

GAO Si-bin

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China)

Abstract：This paper reviews the design innovation and key technology of Harbin-Dalian High-speed Railway，and systematically describes the innovation and successful application of subgrade frost-heaving technology，structural design of large span bridge，catenary ice-melting technology，and turnout snow-removing and ice-melting technology. A complete and systematic theory for high-speed railway construction in regions of high latitude and severe cold is established based on the summary of Harbin-Dalian High-speed Railway design．

Key words：Severe cold area; High speed railway; Design; Key technology; Innovation; Review