征 途(圖)
時間:2012-12-05 瀏覽次數:

征 途

——院哈大客運專線(沈哈段)技術創新紀實

乘著“十八大”強勁的東風,12月 1日,“和諧號”動車組像一道白色的閃電劃過富饒遼闊的松遼平原,哈大客運專線正式投入運營,為我國正在實施的振興東北老工業基地戰略插上了騰飛的翅膀。

東北老工業基地的騰飛之路

東北老工業基地是新中國工業的搖籃,為共和國工業的誕生和發展做出了巨大的貢獻,創造了輝煌的業績。新中國第一爐鋼水、第一輛汽車、第一艘萬噸輪、第一架飛機、第一臺萬噸水壓機等數不清的第一,都誕生在東北,東北也因此被譽為“共和國的長子”。

新中國成立后,國家在東北等地區集中建設了具有相當規模的以能源、原材料、裝備制造為主的戰略產業和骨干企業,為我國形成獨立、完整的工業體系和國民經濟體系,推動我國工業化、城市化進程作出了歷史性重大貢獻。

隨著改革開放的不斷深入,老工業基地的體制性、結構性矛盾日益顯現,進一步發展面臨著許多困難和問題。

2003年,和煦的春風吹向了富饒遼闊的東北大地。黨中央、國務院提出了“振興東北老工業基地”的戰略方針,這是我國繼沿海發展戰略、西部大開發戰略之后的又一重大戰略部署,也是凸顯東西互動、帶動中部、協調發展的重大戰略布局。

東北老工業基地擁有豐富的自然資源、巨大的存量資產、良好的產業基地、明顯的科教優勢、眾多的技術人才和較完備的基礎條件,具有投入少、見效快、潛力大的特點,是極富后發優勢的地區。能源、水利、交通等基礎設施一體化是東北經濟一體化的基礎,而交通一體化的主要任務就是加強東北三省及蒙東地區交通網絡的建設,加快提高交通運輸能力和質量,形成現代化、高速化、網絡化的綜合交通運輸體系。

哈大客運專線是我國“四縱四橫”客運專線網規劃中的重要一縱,是京哈客運專線的重要組成部分。北端與濱洲、濱綏、拉濱、哈佳等線相連,中部與長圖、長白、沈山、沈丹、沈吉及秦沈客運專線銜接,南端與規劃中的東北東部鐵路新通道及煙大鐵路輪渡相通,形成了東北地區的路網主骨架,在我國路網特別是東北地區路網中起著舉足輕重的作用。

哈大客運專線是哈大鐵路通道的重要組成部分,該通道由既有哈大線和哈大客運專線組成。是東北地區南北向客貨運輸的主干線和脊梁。沿途經過東北經濟最發達的地區,連接了東北三大省會城市和素有“北方明珠”美譽的大連,沿線城市廣布、人口稠密、人流物流頻繁,是東北地區生產、貿易、旅游最繁忙的運輸通道,并與秦沈、沈山等線共同構筑了東北地區最為重要的進出關咽喉。

哈大客運專線位于東北地區中軸線上,南起海濱城市大連,向北經營口、鞍山、遼陽,到達東北地區的經濟和文化中心沈陽,再向北經鐵嶺、四平、長春,直抵我國最北部特大城市哈爾濱。線路縱貫東北三省,線路全長916公里,其中遼寧境內557公里,吉林境內276公里,黑龍江境內83公里。

哈大客運專線的建成通車,將極大提高東北路網主干線的運輸能力和質量,全面盤活東北路網,明顯地緩解東北三省的交通運輸壓力,并充分發揮秦沈客運專線效益,釋放既有哈大線運輸能力,逐步實現客貨分線運輸,有效地緩解貨運緊張狀況,縮短東北與關內廣大地區和沿線城市間的時空距離,增進東北與關內地區的經濟、文化和技術交流,促進地區經濟協調發展。對建設節約型社會,保障國家振興東北老工業基地戰略實施、實現全面建成小康社會宏偉目標,都具有重要的戰略意義,是一條名符其實的振興之路、騰飛之路。

從線下到線上的全方位難題

哈大高鐵是我國目前在高緯度嚴寒地區設計建設的標準最高、速度最快的一條高速鐵路,也是世界上首條在高緯度嚴寒地區建成運營的高速鐵路,基礎設施按時速350公里設計建造,初期采用冬季時速200公里、夏季300公里運行圖運營。

東北地區山環水繞、沃野千里,是我國重要的農林產業基地。獨特的自然環境給農業發展帶來了得天獨厚的有利條件,但同時也給工程建設帶來了前所未有的許多難題。嚴寒低溫產生的“接觸網覆(掛)冰、路基凍脹、道岔積雪”是高鐵安全運營的最主要威脅。故此,“接觸網融冰、防凍脹路基、道岔融雪系統”等課題也成為國際上公認的高寒地區高鐵建設的三大技術難題。

地處我國高緯度區域的東北屬寒溫帶和中溫帶濕潤、半濕潤季風氣候區,其特點是四季分明,春季干旱多風,夏季濕潤多雨,秋季涼爽多霜,冬季寒冷漫長。年平均氣溫4.4℃~8.4℃,極端最低溫度接近零下四十度。哈大客專沿線河流眾多,分屬遼河及松花江兩大水系,水位隨季節漲落,沿線地表及地下水豐富,每年從10月底開始凍結,翌年5~6月融化,最大凍結深度超過兩米,冰凍期長達半年以上。哈大高鐵能否經受冰凍嚴寒的考驗,確保運營安全是設計建設者面臨的最大挑戰。

高速鐵路對軌道的平順度有著極高的標準,這關乎著高速列車的運營安全和旅客乘坐的舒適度。嚴寒區的建設經驗表明,在季節性凍土區,尤其是深季節凍土區,路基在周期性凍融循環作用下,凍害對路面壽命有著嚴重的影響,直接表現為凍脹變形和融沉破壞,凍脹導致路基產生的不均勻變形,會破壞軌道的平順性,危及行車安全。對整個線路而言路基凍脹是最大威脅之一,這成為設計者必須直面并加以解決的難題。

2008年初席卷我國南方的冰凍雨雪災害人們至今還記憶猶新。這場災害造成多地鐵路、公路、民航交通中斷,電力受損、煤炭運輸受阻,造成了巨大的經濟損失。而對地處嚴寒地區的客運專線而言,接觸網出現覆冰現象會直接影響和破壞機車的正常受電,導致接觸網過量磨損、受電弓損傷加劇等一系列危害,嚴重時會造成接觸網系統的癱瘓,使列車失去動力,危及行車安全,有效解決接觸網覆冰現象成為高鐵設計必須攻克的一道難關。

隨著鐵路客運專線的不斷發展,行車密度不斷增加,安全正點率要求越來越高,要求客運專線道岔在冰雪天也能夠正常轉換,保證列車全天候正常通行作業。目前,我國北方冬季道岔清雪工作主要依靠人工清掃、壓縮空氣清除等人工清雪方式,費工費時、效率低下,且存在人身安全隱患。因此,采用適應我國現代化鐵路高速、高效、高可靠性的道岔融雪系統勢在必行,在冰凍期長達半年的東北地區設計采用現代化的道岔融雪設施更顯得當務之急。

艱辛而漫長的探索之路

哈大客運專線沈(陽)哈(爾濱)段是我院通過競標獲得的第一條特殊地質氣候環境下的高速鐵路。2005年4月,正當我院全力以赴投入青藏鐵路建設決勝攻堅之際,哈大客運專線的競標成功,激發了一院人探索、求勝的欲望和熱情,為廣大設計者搭建了施展才華、實現理想的廣闊舞臺。

八年來,全體設計者竭盡心智、全身投入;各專業分工協作、整體推進。對工程的認識也經歷了由表及里、由淺入深的深化過程,工程設計愈發成熟和自信。全院在借鑒青藏鐵路攻克多年凍土設計成果的基礎上,調動各專業技術力量踏上了艱辛而漫長的探索之路。

筑牢安全、質量的基礎防線

橋梁、路基和無砟軌道是客運專線的三大基礎工程。在高寒地區設置橋梁,其抗凍脹效果最好、可靠度最高,這在青藏鐵路大量以橋代路工程成功穿越長達550余公里的多年凍土區得到了印證,但建設成本也隨之加大。

為筑牢安全至上、質量第一的哈大高鐵基礎防線,設計者們從青藏鐵路設計中汲取靈感。在全線設計了占線路總長73.32%的各類橋梁162座,共計662765米。其中特大橋98座651031米;大中橋64座11734米;涵洞480座12441.16米。

在全長56.46公里的第二松花江特大橋的設計中,針對沿途水文情況非常復雜,百年一遇設計流量高達8280立米/秒,線路所經河段為Ⅳ級航道的特殊要求,將主橋設計成氣勢宏偉,經濟實用的一聯大跨度預應力混凝土連續箱梁結構,一經落成即成為第二松花江上靚麗的工程,為第二松花江增添了亮色。

哈大客運專線地處東北經濟走廊帶,多次跨越高等級公路、國道、省道、縣道及城市快速干道。為了滿足城市規劃的立交要求,橋梁設計者大膽創新、勇于突破,多次采用一系列大跨度預應力混凝土連續箱梁結構。在跨越長春市富民大街立交特大橋設計中,設計者開創性地采用了一跨138米的鋼箱疊拱結構,相繼攻克了結構復雜、技術難度大等諸多工程難點,使之成為整個哈大客專中跨度最大的橋梁,一舉摘取了我國時速350公里客運專線同類橋梁最大跨度的桂冠。該橋造型優美、氣勢恢宏,猶如一道美麗的彩虹坐落在長春市城西,與富民大街交相輝映,成為象征長春市高速發展的時代地標。

哈大高鐵沈哈段多次跨越既有哈大鐵路,為了不影響鐵路正常運營,設計者創新施工設計方案,面對施工環境復雜等不利情況,創造性的提出了“梁體現澆成型后再轉體合龍”的施工方案。并在劉房子及運糧河兩處運用此法,完成了大跨度預應力混凝土連續箱梁轉體合龍技術,大大減少了施工天窗時間,避免了施工對既有線正常行車的影響,保證了哈大線的運營安全,得到沈陽鐵路局及哈大公司的高度評價。

為了滿足軌道道岔在橋梁上的布設要求,設計者們打破常規、迎難而上,積極開展特殊結構橋梁設計。在沿線多處軌道道岔區采用了大跨度預應力混凝土連續箱梁結構及變寬度鋼筋混凝土長聯小跨度剛構—連續梁結構設計,為軌道道岔上橋奠定了堅實的基礎、積累了豐富的實戰經驗。

針對高寒地區混凝土結構凍融剝蝕的現象,橋梁設計者廣泛進行了防(抗)凍研究、開展專項設計。他們對所有存在凍融剝蝕、凍脹危害的橋梁墩臺、橋涵工點,設計采用了外包耐候鋼板、強化排水設計、提高混凝土抗凍融等級、鋪設高聚物防水卷材、沉降縫加設橡膠止水帶、聚硫橡膠密封膏密封、設置破冰棱等一系列防凍、防冰及防凌設計,以確保高鐵橋梁工程的安全可靠。

哈大客專沈哈段線路全長465.45公里,路基總長102.92公里,占全段總長的22.11%,其中路堤長67.22公里,路塹35.7公里。

為攻克路基凍脹這一難題,設計者們從凍脹產生的機理入手,圍繞凍脹發生的三要素——溫度、水分及凍脹性的土展開科研設計攻關。綜合采取保溫,隔、排水,換填改良填料等措施,設計了具備防凍層、隔斷層功能的路基基床及路堤支擋結構;強化了適應嚴寒地區特點的完整、系統的排水設施;研究改良了能抑制土體凍脹、降低凍脹等級的路堤填料;設計了穩定路堤邊坡的防凍脹護道等一系列專業設計。

為了進一步驗證這些設計的有效性和可靠性,我院在鐵道部科技司和哈大公司的領導下,聯合中科院寒旱所、哈爾濱工業大學、中南大學等科研院所,共同確立并開展了《高寒地區客運專線路基及涵洞防凍脹技術研究》課題。并在濱綏線成高子試驗段結合實際工程進行了系統、嚴謹的研究試驗,取得了豐碩的科研成果,收到了良好的效果。經過近三個完整凍融循環過程考驗后,現場監測數據表明,路基防凍脹效果良好。在2012年4月開始的聯調聯試期間,動車組列車運行安全平穩,列車時速一度達到380公里,達到了設計標準。在9月份全線開始的試運行期間,列車時速始終保持在300 公里以上,列車運行的安全性、平穩性、舒適性給人們留下了良好的印象。

哈大客運專線為國內外首次在嚴寒地區鋪設無砟軌道。深入研究軌道結構關鍵材料及部件對嚴寒地區的適應性和耐久性十分緊迫。項目前期,我院在鐵道部科技司主持下,對嚴寒地區無碴軌道關鍵技術、無砟軌道結構設計理論和方法、軌道結構選型進行深入研究。并在濱綏線成高子站試驗段進行軌道試鋪試驗,通過無砟軌道選型研究及結構設計、多種類型砂漿調整層、不同施工工藝的軌道板試鋪試驗研究,確定了合理的軌道結構型式、結構設計參數,驗證了無砟軌道結構及關鍵部件對嚴寒氣候條件適應性,通過試驗段試鋪、系統測試、實車試驗及動測、運營考驗,為嚴寒地區無砟軌道設計、施工提供了有力的科學依據和技術支持。

連接哈大客專和長春站聯絡線的62號道岔是我國自主研發的高速道岔,為國內首次鋪設的世界上最大號碼無縫道岔,代表了當今國際高速鐵路道岔設計制造的最高水平。該道岔全長201米,結構道床長約660米,最大寬度8.8米。設計允許通過速度直向為350公里/小時,側向為220公里/小時。

結合鐵道部62號道岔科研課題研究,我院完成了62號道岔軌道結構設計,成功解決了道岔區道床混凝土結構裂縫難以控制的問題,提出了62號道岔無砟軌道所采用的單元結構。通過合理設置道床單元及伸縮縫、設置傳力桿等措施,保證混凝土結構裂縫控制效果良好,而且結構工藝簡單、穩定可靠。經過高速列車運營試驗,62號道岔平順度高、舒適性好且安全可靠,填補了我國獨立自主研發和鋪設大型高速鐵路專用道岔領域的空白,也突破了制約高速列車進出站速度的關鍵性瓶頸。

哈大客運專線正線鋪設無砟軌道長929.892 公里,按一次鋪設跨區間無縫線路設計。根據橋梁、路基、道岔區及伸縮調節器等不同的基礎及設備類型,設計者研究設計了多種類型的無砟軌道結構型式,主要包括CRTS I型板式、軌枕埋入式及雙塊式無砟軌道。鋪設跨區間無縫鋼軌長923.407公里,鋪設無縫道岔長6.425公里,其中橋梁上鋪設無縫道岔10組,鋪設鋼軌伸縮調節器4組。

通過哈大高鐵無砟軌道及專用道岔的設計研究,我院成功地解決了高寒地區無砟軌道及跨區間無縫線路設計中的多項關鍵技術難題,全面系統掌握了高速鐵路軌道設計的成套技術,極大地促進我院軌道專業的技術進步,提升了我國高寒地區高速鐵路無砟軌道設計水平。

富有智能化、自動化的防冰除雪及防災設計

接觸網覆冰覆雪是一種特定氣象條件下產生的冰凍現象,在氣溫、濕度和風速的共同作用下,電力線路及電氣化鐵道接觸網存在著由液態水結冰的覆冰現象。如果在接觸網導線上大范圍形成覆冰,將直接影響高速鐵路的正常安全運行。

為解決接觸網覆冰造成的供電故障和除冰難題,自2007年開始,我院全面系統的開展了《哈大客運專線接觸網防(融)冰技術研究》。對接觸網覆、融冰機理進行了深入的理論研究和現場試驗驗證,取得了融冰電流、時間與環境溫度、風速等因素的相關經驗公式;導線臨界融冰電流曲線、導線安全性校驗方法等一系列科研成果。并在此基礎上,提出了適應各種環境,不影響動車運行的交流融冰方案和接觸網覆冰在線監測系統方案:通過在接觸網上、下行回路中串聯交流融冰裝置,通過大電流產生焦耳熱進行融冰。利用在線監測系統中圖像壓縮技術、通訊技術、電子技術、軟件技術等手段,實現接觸網覆冰情況的遠程在線監測。運用視頻智能分析技術、覆冰厚度經驗公式分析得出接觸網的覆冰情況,計算得出融冰電流和融冰時間,為接觸網融冰提供重要依據,便于運營管理人員及時采取融冰、除冰措施,以消除接觸網覆冰隱患,為鐵路安全運行提供保障。

哈大高鐵沈哈段設計安裝了296套RD1型道岔融雪裝置,設計采用電熱融雪方式。該裝置可根據動態監測環境溫度、鋼軌溫度、降雪狀況和融雪系統工作狀態等參數,自動接通和關閉,具備完善的自檢、診斷、監測、報警、遠程監控和管理等功能,適應了現代化鐵路高速、智能、自動化的要求。

全線防災安全監控系統則以實時性、安全性、可靠性為設計原則,監控中心由防災系統主機、顯示控制終端、維護終端、通信接口設備及局域網組成。能夠將沿線各信息采集終端采集到的各類信息傳送至運營指揮調度中心進行分析、處理,及時有效地避免各類災害對高速鐵路行車安全的影響。

注重可持續發展、人性化、生態化的設計理念

哈大高鐵連接著東北地區經濟最活躍、農業最發達、客貨及信息流最頻繁的經濟走廊帶,具有大型樞紐多、交叉干擾多、河流農田多、生態敏感點多等特點。設計者們以促進地方經濟發展、服務城鄉規劃建設、節約農業耕地、保護生態環境為目標,以適應城市、農村協調發展和生態保護的戰略眼光全盤考慮線路及站位布局。以占全線長度73.32%的橋梁工程來最大限度的減少占用耕地,并對沿線各級自然保護區和風景名勝區進行合理繞避,使高鐵成為助力沿線經濟發展的引擎和紐帶。

哈大高鐵在生態環保設計方面以少占耕地、節約用地、合理調配土石方,充分利用棄土棄渣和隧道棄碴作為工程填料,最大限度減少棄土棄碴場為原則。采取了完工復墾、植被恢復等一系列措施恢復生態,全線各站區、路基均采用喬木、灌木、草坪、花木相結合的方式進行綠化美化。共栽植喬木17.5萬余株,灌木73.8萬余株,種植草皮18.5萬平米,實現了工程與自然的完美融合、和諧統一。

大型鐵路站房設計一直是我院建筑設計的軟肋,縱橫祖國大江南北的鐵路線中一直沒有叫人過目難忘的設計作品。

走進哈大客運專線立即讓人眼前一亮,感到心曠神怡、久久駐足。典雅秀美的沈陽站、莊重大氣的長春西站、時尚亮麗的哈爾濱西站等大型客站及樞紐明珠般矗立在各城市最為重要的發展結點上,熠熠生輝。

建筑風格各異的雙城北站、德惠西站、扶余北站、公主嶺南站、昌圖西站、開原西站、四平東站、鐵嶺西站等中間站房新穎時尚、設施完備,散發著清新亮麗的時代氣息。

這些寬敞明亮、時尚現代的空港式候車大廳,一應俱全的各種自動化售票、檢票、信息傳播及安檢系統,周到便利、無障礙的零換乘型式及各種服務設施,碧綠如茵的站前廣場和路基邊坡,處處體現著設計者人性化、生態化的設計理念,一改人們對火車站擁擠、嘈雜、昏暗、雜亂的老印象。所有車站從細微處著眼,針對嚴寒地區的氣候特點,在設計上對各站房、站臺無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傷,又避免了雨、雪水散排影響路基邊坡穩定。

設計者們用新技術、新結構、新材料和新穎的建筑造型,很好地詮釋了“安全、適用、經濟、美觀”和“以人為本”的設計理念,使建筑的功能性、系統性、先進性、文化性和經濟性達到了完美的統一,體現了我國鐵路客運專線的時代特征。

雄關漫道真如鐵,而今邁步從頭越。在我院即將迎來建院60周年之際,伴隨著世界上第一條高寒地區高速鐵路的開通運營,哈大高鐵的設計者們歷經了八年春秋寒暑,以堅定執著的探路者的姿態,從容地跨越了從祖國西部山川到東北大地的漫漫征途。

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