成渝中線高速鐵路時速400 km關鍵技術創(chuàng)新研究

謝 毅 黃艷磊 邱鈺峻

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

高速鐵路的發(fā)展是衡量國家工業(yè)發(fā)展水平和科技創(chuàng)新能力的重要指標。在世界范圍內，當前日本正在開展新一代新干線列車“ALFA-X”測試，擬按時速360 km 運營；英國擬建高速鐵路運營時速402.3 km；《歐洲鐵路技術發(fā)展戰(zhàn)略》提出，2035年前將運營速度提升至時速360 km。世界各國紛紛投入研究，競相搶占更高速度高速鐵路技術的戰(zhàn)略制高點。2021年1月19日，總書記考察京張高速鐵路時指出“我國自主創(chuàng)新的一個成功范例就是高速鐵路，從無到有，從引進、消化、吸收再創(chuàng)新到自主創(chuàng)新，現(xiàn)在已經領跑世界。要總結經驗，繼續(xù)努力，爭取在“十四五”期間取得更大的發(fā)展”。中共中央制定的“十四五”規(guī)劃和《二〇三五年遠景目標建議》也明確提出“深入實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，完善國家創(chuàng)新體系，加快建設科技強國”。在此背景下，中國開展研究更高設計速度的高速鐵路，并率先實現(xiàn)更高標準高速鐵路的成功運營是十分必要和迫切的。

1 項目概況

成渝中線高速鐵路是成渝地區(qū)雙城經濟圈的標志性工程。線路起自重慶樞紐重慶北站，經重慶科學城、銅梁、大足、安岳、樂至、成都東部新城，終至成都樞紐成都站，線路全長約291.3 km ，共設置8座車站。項目設計時速為350 km（其中大足至簡州段建設綜合試驗段），建設總工期5年。項目已于2022年11月底開工建設。成渝中線高速鐵路建成后，將成為我國建設標準最高、運行速度最快的高速鐵路。

2 創(chuàng)新目標

國鐵科法〔2021〕45號《“十四五”鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃》［1］中明確提出：在技術裝備領域重點工程要實施CR450科技創(chuàng)新工程、建立時速400 km高速鐵路技術標準體系；在工程建造領域重點工程要依托滬渝蓉沿江高速鐵路等工程項目開展CR450科技創(chuàng)新工程基礎設施工程化技術驗證。為鞏固我國鐵路技術世界領先優(yōu)勢，中國國家鐵路集團有限公司正依托成渝中線高速鐵路實施CR450科技創(chuàng)新工程，并計劃在成渝中線高速鐵路上系統(tǒng)開展更高速度相關試驗驗證，以期最終實現(xiàn)我國時速400 km 高速鐵路的運營新速度。

圍繞國家規(guī)劃要求及中國國家鐵路集團有限公司成渝中線高速鐵路實施CR450科技創(chuàng)新工程的任務要求，確定成渝中線高速鐵路時速400 km 關鍵技術創(chuàng)新目標為：一是深化我國既有高速鐵路理論研究與實踐成果轉化，優(yōu)化完善技術體系，形成自主完備的時速250～350 km 高速鐵路設計建造和既有鐵路向更高速度提速改造技術標準體系；二是開展400 km／h + 更高速度技術攻關及試驗驗證，構建世界領先的時速400 km 高速鐵路全生命周期基礎理論及規(guī)范標準體系。

3 技術難點及主要研究內容

國內外學者近年來對時速400 km 移動裝備和基礎設施進行了全面研究，成果涵蓋土建工程［2-5］、站后系統(tǒng)［6-7］、輪軌關系［8-10］、振動噪聲［11-12］等方面。目前研究成果雖然可為成渝中線高速鐵路的設計建造提供較為豐富的理論技術支撐，但尚有技術難點亟需攻克，未形成完整的技術體系，需要進一步對成渝中線高速鐵路時速400 km 關鍵技術進行系統(tǒng)性研究。

3.1 需攻克的技術難點

我國目前高速鐵路的最高運營速度為350 km／h，為世界第一。若要成功實現(xiàn)時速400 km商業(yè)運營，首先需要解決基礎理論、高速列車、標準體系三方面難題。基礎理論方面，雖然時速400 km高速鐵路的輪軌關系、弓網關系、氣動效應、減振降噪等具備較多的科研及試驗成果，但尚未經過系統(tǒng)試驗驗證；高速列車方面，對比CR400在時速350 km 運營條件下的能耗指標和制動性能，時速400 km運營條件下節(jié)能、環(huán)保、制動性能相當或指標參數(shù)增加不多的動車組尚未下線；規(guī)范標準方面，在世界范圍內暫無時速400 km + 高速鐵路商業(yè)運營經驗，勘察設計、施工、驗收、運營等標準體系尚未完全建立。

3.2 主要研究內容

基于成渝中線高速鐵路時速400 km關鍵技術創(chuàng)新目標，從移動裝備、基礎設施兩個方面開展成渝中線高速鐵路時速400 km關鍵技術創(chuàng)新研究，分別由《國家重點研發(fā)計劃：時速400 km高速列車工程化技術研究與CR450高速動車組研制》《國家重點研發(fā)計劃：時速400 km高速鐵路線路基礎設施關鍵技術研究》課題組開展相關研究及試驗驗證。

（1）移動裝備

對時速400 km 高速列車動車組總體技術條件、技術方案及標準體系進行研究，從核心控制系統(tǒng)、轉向架系統(tǒng)、車體系統(tǒng)三方面開展時速400 km 移動裝備關鍵技術創(chuàng)新研究，以實現(xiàn)高可靠性、高安全核心控制系統(tǒng)，高臨界速度、高運行安全性轉向架，輕量化、低阻力、低振動、低噪聲等多目標優(yōu)化車體系統(tǒng)的設計與研制，并依托成渝中線開展工程化驗證和運用考核。移動裝備主要研究要點如圖1所示。

圖1 移動裝備主要研究要點圖

（2）基礎設施

列車時速由350 km提高至400 km后，線路基礎設施動力學響應顯著增大，面臨輪軌動力作用加劇、基礎變形影響敏感、振動噪聲增加、空氣動力學效應增強等方面的技術挑戰(zhàn)。因此，從輪軌關系、路橋結構、氣動效應、振動噪聲四方面開展時速400 km基礎設施關鍵技術創(chuàng)新研究，并依托成渝中線高速鐵路進行試驗驗證，研究成果為新建時速400 km高速鐵路、時速250～350 km既有鐵路提速改造提供技術支撐和理論指導。基礎設施主要研究要點如圖2 所示。

圖2 基礎設施主要研究要點圖

4 工程方案設置與綜合試驗部署

4.1 工程方案設置

結合最新科研課題的研究成果，為系統(tǒng)驗證目前時速400 km高速鐵路相關理論研究成果，并滿足開通后能夠以時速400 km運營的需求，同時為確保高質量建設，成渝中線高速鐵路較常規(guī)時速350 km高速鐵路的設計在以下方面存在差異。

（1）線路

一方面是平縱斷面技術參數(shù)限值不同。平面最小曲線半徑、豎曲線半徑、緩和曲線長度、夾直線長度等限值較時速350 km標準略有增加。如成渝中線高速鐵路平面最小曲線半徑一般為8 500 m、困難為7 500 m；夾直（圓）線最小長度一般為320 m，困難為240 m。另一方面是針對時速400 km高速鐵路運營對質量的高要求，為規(guī)避既有時速350 km高速鐵路在運營中常見的病害情況，選線設計過程中有針對性地提高橋梁占比，盡量“以橋代路”，盡可能減少過渡段、高陡邊坡、深挖方、短隧道、短路基等工點的處數(shù)，對選線難以規(guī)避的特殊工點，從專業(yè)設計上采取加強措施，有針對性地進行工程處理。

（2）軌道

為提升結構耐久性，成渝中線高速鐵路CRTS雙塊式無砟軌道道床板與底座間設置2 mm厚EPDM隔離層，CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土與底座間設置2 mm厚EPDM隔離層。為降低無砟軌道周期性不平順，在大足至簡州段采取控制軌道板初始翹曲量、優(yōu)化自密實混凝土灌注扣壓裝置、優(yōu)化軌道板精調、控制鋼軌廓形偏差、提高鋼軌接頭平直度、增加 20 m和60 m弦控制不平順等工程技術措施。在安岳至樂至段鋪設優(yōu)化型WJ-8B扣件；在安樂站1號、3號、5號、7號岔位鋪設優(yōu)化型18號道岔。在蜀安隧道內（長280 m）鋪設減振型CRTS Ⅲ型板式無砟軌道、在永愛村1號大橋（長469 m）鋪設減振型CRTS Ⅲ型 板式無砟軌道、在鄧家嘴雙線大橋（長240 m）鋪設減振型CRTS雙塊式無砟軌道。

（3）路基

因橋臺臺背影響，傳統(tǒng)過渡段臨近臺背無法使用大型機械碾壓，施工質量難以控制，在成渝中線高速鐵路155處橋路填方連接處采用樁板-倒梯形組合過渡結構，180處橋路挖方連接處采用倒梯形過渡結構，基坑采用混凝土回填，有效解決因差異沉降造成的平順性問題。選取安岳站和安岳—樂至區(qū)間2段共3.1 km的路基，基床表層采用全斷面瀝青混凝土封閉結構，具體結構形式為0.1 m瀝青混凝土+0.3 m 級配碎石，開展路基基床結構性能和防水優(yōu)化示范應用。隨著列車運行速度的提高，列車荷載引起路基線下基礎設施及環(huán)境振動增大，基礎設施自身缺少有效的減隔振措施，在正線DK 160+480～DK 160+563線路一側路堤段設置隔振排樁試驗工點，研究時速400 km高速鐵路排樁減隔振技術，評價減隔振效果。結合川渝地區(qū)紅層軟巖一般具有膨脹性、局部為弱膨脹巖的特點和既有工程路基基底上拱案例，對中心挖高15～30 m且邊坡挖高大于35 m，或中心挖高大于30 m地段采取樁板結構加固，對邊坡高度大于20 m路塹地段（已設置樁板結構的除外）軌道預留上拱變形量，為運營期可能發(fā)生的基底上拱提前準備預防整治措施。

（4）橋梁

全線推廣采用預制裝配式橋面系，有效提高建造速度、保證施工質量。在成渝中線高速鐵路安岳東梁場（DK 102～DK 131）供應范圍采用40 m跨度、2.8 m高32 m跨度的簡支箱梁，開展在時速400 km 條件下的簡支箱梁工點的示范應用及驗證。針對列車速度增加而引起鐵路橋梁對周圍環(huán)境的振動危害加劇問題，在成渝中線高速鐵路龍泉高架特大橋和部分振動敏感區(qū)橋梁，開展豎向隔振支座的研究應用。在大足石刻至簡州試驗段內，橋面處風速超過12.5 m／s 且發(fā)生的概率大于10%時，設置長度約20 km的風 屏障。

（5）隧道

為建立時速400 km高速鐵路隧道洞口設計和改造技術體系，選擇石橋溝隧道、何家壩隧道、伍家灣隧道、文昌村隧道、高峰村隧道、許家坡隧道6座隧道，開展不同隧道洞口緩沖結構氣動效應綜合緩解技術研究；選擇棕樹坡隧道（120 m2）、榮家灣隧道（110 m2）、何家壩隧道（100 m2）3座隧道開展不同隧道凈空面積條件下隧道氣動效應研究。

（6）聲屏障

時速400 km運行速度下，既有聲屏障存在降噪效果下降、氣動荷載超出設計值等問題，成渝中線高速鐵路對聲屏障的降噪性能進行優(yōu)化提升研究。選擇DK 68和DK 149附近2處橋梁，開展2.3 m高和 3.3 m高優(yōu)化Ⅰ型聲屏障工點示范應用；選擇DK 224和DK 238附近2處橋梁，開展3.3 m高和2.3 m高減載式聲屏障工點示范應用；選擇DK 67處1處橋梁，開展既有聲屏障加裝頂端降噪結構工點示范應用。

（7）牽引供電方式

CR450動車組較時速350 km動車組功率增大約30%，對牽引供電能力提出了更高的要求。計劃在成渝中線高速鐵路大足石刻至簡州段采用雙邊供電方式，可有效提高牽引供電能力，滿足時速400 km高速鐵路安全運行的要求。

（8）接觸網

時速400 km接觸網在系統(tǒng)參數(shù)、線材、張力組合、關鍵裝備等方面較時速350 km高速鐵路均有變化，成渝中線高速鐵路對接觸網部分參數(shù)和結構形式進行優(yōu)化。評價指標上采用135 N≤平均接觸力Fm≤ 225 N、最大接觸力Fmax≤400 N；線材張力組合采用JTMH-120（28 kN）+銅合金接觸線-150（36 kN）； 關鍵裝備上對腕臂支撐、定位及下錨補償?shù)汝P鍵裝備的結構形式進行及性能進行優(yōu)化提升，以滿足更大張力荷載及更強振動疲勞的要求。

（9）信號

對ATP（含ATO）的控車曲線算法、列車自動駕駛算法，與CR450動車組安裝與電氣接口適配等進一步優(yōu)化提升，確保時速400 km高速鐵路安全運營。

4.2 綜合試驗方案部署

根據(jù)中國國家鐵路集團有限公司規(guī)劃部署，選擇大足石刻至簡州段約150 km，開展新建時速400 km高速鐵路示范應用和更高速度試驗驗證，構建時速400 km 高速鐵路技術標準體系，挑戰(zhàn)輪軌速度極限；選擇成渝中線高速鐵路其余段落，開展提速至時速400 km示范應用和試驗驗證，建立既有高速鐵路提速至時速400 km適應性評估和提速改造技術體系，優(yōu)化完善時速250～350 km高速鐵路設計建造及提速改造技術標準體系。同時基于成渝中線高速鐵路時速400 km 關鍵技術體系，開展基礎設施適應性、CR450動車組及站后系統(tǒng)功能性驗證。試驗方案流程如圖3 所示。

圖3 成渝中線綜合試驗方案流程圖

5 預期創(chuàng)新成果

通過對成渝中線高速鐵路時速400 km關鍵技術的系統(tǒng)研究及依托成渝中線高速鐵路開通前的綜合試驗，預期將取得移動裝備、系統(tǒng)驗證、優(yōu)化標準、構建體系、速度界限、輪軌極限六方面試驗成果。移動裝備方面，更高速度、更加安全、環(huán)保、節(jié)能、智能的CR450動車組下線。系統(tǒng)驗證方面，時速400 km運行條件下固定設施、移動裝備安全性、匹配性和適用性得到驗證。優(yōu)化標準方面，優(yōu)化完善了我國既有時速250 ～350 km高速鐵路設計建造及提速改造技術標準體系。構建體系方面，全面建立了世界領先的時速400 km高速鐵路全生命周期基礎理論及規(guī)范標準體系。速度界限方面，確定了輪軌經濟、安全的最高運營速度與高速磁浮之間的速度界限。輪軌極限方面，將沖擊輪軌系統(tǒng)試驗速度極限時速600 km的世界新紀錄。

6 結束語

本文針對成渝中線高速鐵路實現(xiàn)時速400 km商業(yè)運營關鍵技術路線進行了系統(tǒng)性研究，分析了時速400 km高速鐵路技術需要攻克的難點和主要研究方向，提出了成渝中線高速鐵路滿足時速400 km運行條件下各專業(yè)工程方案設置和綜合試驗驗證方案部署意見，總結了時速400 km高速鐵路關鍵技術研究和綜合試驗的預期創(chuàng)新成果。

通過成渝中線高速鐵路時速400 km關鍵技術的研究與試驗驗證，我國時速250 ～ 400 km高速鐵路的建造體系得到了系統(tǒng)性的優(yōu)化和完善。這一重要進展不僅為我國高速鐵路裝備的升級和高速鐵路成套建造技術的持續(xù)創(chuàng)新提供了有力支撐，也確保了我國高速鐵路技術在全球的領先地位，為實施高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略奠定了堅實基礎。同時，這一技術成果也為我國既有高速鐵路網，特別是西部地區(qū)面臨復雜地形地質條件的西安至成都、成都至貴陽等時速 250 km標準高速鐵路，提供了在較小經濟代價下提升運營速度的技術指導。這一進步對于推動區(qū)域社會經濟發(fā)展方面具有深遠而重大的意義。