京津城際是這樣建成的

在連接北京、天津兩大城市120公里的線路上,是什么技術力量讓時速350公里的“和諧導”動車組實現了平穩的“陸地飛行”?奠定高速鐵路堅實線路基礎的關鍵在哪里?

我坐在京津城際鐵路風馳電掣的高速列車上,窗外色彩宜人的植物群落,被深秋的陽光涂抹成了長長的畫卷,遠處的田野祥和優美,如同一張凝固的明信片。

京津城際鐵路是中國最早開工建設并最先建成的第一條高標準鐵路客運專線,在連接北京、天津兩大城市120公里的線路上,最高時速達到350公里,實現了平穩的“陸地飛行”。和你一樣,我對這一奇跡的實現同樣疑惑,是什么技術力量讓時速350公里“和諧號”動車組實現平穩的“陸地飛行”?奠定高速鐵路堅實線路基礎的關鍵在哪里?這次來到天津,我親耳聆聽了鐵道第三勘測設計院集團有限公司副總經理、總工程師,也是京津城際鐵路設計總工程師孫樹禮講述京津城際背后的奧秘。

如何實現“陸地飛行”?

在一次測試中,京津城際列車運行創紀錄的達到了每小時394.3公里的時速,在當時這是全國最快的,而且在世界范圍內也屬于先進行列。在實現令人矚目的高速度背后,要達到預期的安全、平穩、舒適、高速,需要對整個工程項目進行一系列的總體規劃及系統設計,正如采訪時孫樹禮總工程師所言:“速度包含的內涵是很豐富的。”

中國報道:作為中國第一條具有國際一流水平的高速鐵路,在工程設上,您認為應當關注哪些問題?需要重點考慮哪些因素?孫樹禮:在鐵道部領導和組織下,高速鐵路建設已形成完整的工程規范,作為設計單位,在高速鐵路設計中首先必須符合有關技術政策、工程規范和主要技術標準。

從宏觀上來說,工程設計包括固定設施(橋梁、線路、站場等)、移動設施(動車組)和設備設施(用于聯系固定設施和移動設施的相關設備等)。這三部分都需要進行精心的規劃和設4to往細處說,在工務工程方面要控制橋梁、隧道、路基等的結構變形(包括工程對地基產生的變形和結構本身產生的不可恢復的變形等),要有適宜的剛度匹配,才能滿足安全、舒適等的基本要求。

在工程設計時,我們高度重視設計產品的安全性。高速鐵路運行速度高,安全上出不得任何問題,這需要在設計的源頭上加以研究控制,確保高速鐵路的建設與運營安全。線路走向的設計,要查明沿線的地質情況,比如采空區、大型滑坡、活動斷裂帶等必須繞避;特別是隧道工程,穿過巖溶、斷層、大型暗河等等不良地質,以及可能誘發重大環境地質災害引起高度重視。高舒適性設計上,線路縱斷面連接充分考慮到了列車豎向和橫向平穩型的舒適度的圓曲線,確保列車平穩運行。大家熟悉的無砟軌道對于軌下結構變形、鋪設精度等都有極高的要求。

中國報道:我們知道。京津城際實現了中國高速鐵路上的“陸地飛行”。哪些關鍵技術能夠支撐這樣的高速度?

孫樹禮:高速度是一個表現點,在高速度之下,內涵是很豐富的。為了確保京津城際鐵路高速度,在設計之初,我們有針對性的對高速鐵路的關鍵技術及重點問題進行了科研攻關,我們在科研成果和工程試驗段實踐經驗的基礎上,積極引進國外先進的技術進行消化、吸收,并針對我國國情、路情進行再創新,最終我們把若干個關鍵技術及幾個重大問題解決得非常好。

我們在無砟軌道方面進行了基礎理論、結構設計、制造技術、施工技術及工藝裝備等進行研究,我們形成了具有自主知識產權的CRTS(中國鐵路軌道系統)技術體系,并成功應用于京津城際鐵路。其中,運用CRTS II型板式無砟軌道設計、制造、施工等一系列關鍵技術,使每塊軌道板根據其軌道幾何尺寸采用數控打磨,其制造精度大幅度提高,提高生產效率。

高速鐵路對軌道的平順性要求很高,對路基、橋梁基礎的沉降要求很高,在路基沉降的過程中,路基采用裝樁板結構以及預應力管樁。應用多種理論進行橋梁沉降的預測控制,相鄰的不均勻沉降量之差控制在5毫米之內。還有就是降低區域地面沉降的風險,研制了可調高支座,成功應用于京津城際鐵路。

我們還采用衛星定位技術,精度達到百萬分之一。我們自主研發了一體化測量設備,實現測量數據自動化處理。精測網的建立,實現了無砟軌道的高精度定位,為軌道的穩定提供了技術支持。

中國報道:無砟軌道與現在常見的有砟軌道有什么不一樣?無砟軌道上列車的舒適度如何?

孫樹禮:無砟軌道和有砟軌道的區別可謂一目了然,以往我們看到的鐵路線,在鋼軌和枕木下是大量的碎石,也就是我們所說的道砟。列車在運行過程中由于車輪和鋼軌的摩擦,會對線路造成很大的震動,這些石砟就起到了減震和保持線路平順的作用。京津城際鐵路對線路的要求是高平順性,為旅客創造最舒適的出行空間,因此采用了當今世界最先進的無砟軌道技術。它包括了底座板、墊層、CRTS II型板和鋼軌四個組成部分,鋼軌直接固定在CRTS II型板上,替代了傳統的碎石路基。它的好處在于鋪設起來的線路平順性更好,有利于高速列車平穩運行,此外有效避免了碎石路基所產生的粉塵,使得線路更加干凈環保。

鋼軌下的CRTS II型板都是根據前期精確的勘測數據通過數控機床打磨出來的,每塊板都有固定的位置,每個部件連接槽的誤差率都控制在一根頭發絲直徑的范圍內。因此京津城際動車組行駛起來相當平穩舒適。我們做過試驗,在京津城際列車以300多公里時速運行時,把一根香煙立在小桌子上,可以保持4分鐘或更長時間不倒。如何保障安全?

京津城際高鐵正常每日開行70對,周末每日開行75對,節假日每日開行85對,遇客流高峰期開行100對。統計顯示,在2010年8月1日京津城際高鐵運營兩周年之際,高鐵運行兩年間共運送旅客4096萬人,日均運送旅客5.96萬人,京津城際高鐵的平均上座率達70%,列車正點率接近100%,在促進京津同城化、打造“半小時經濟圈”上起到了重要作用。在這種大運量、高密度、公交化運輸組織模式的背后,如何達到預定的安全?中國高鐵技術能否經得住檢驗?

中國報道:京津城際鐵路在防范災害、環境保護上有什么特別設計嗎?

孫樹禮:為了避免出現意外情況特別是自然災害影響鐵路行車安全,對旅客生命財產造成威脅,我們在京津城際鐵路全線建立了一整套防災安全監控系統,包括防風預警監測、異物侵限監測、防雪預警監測等。防風預警檢測系統的作用在于,當風速超過每秒15米時,列車就會減速運行,當風速達到每秒35米時,全線列車會停止運行。異物侵限檢測系統一旦監測到線路上有不明物體,列車就會收到中央控制系統的指令停止運行。

此外,我們還設置了地震監測系統,鐵路全線的橋墩下都設置了感應裝置和檢測器,可以隨時監測橋墩的沉降情況,進而判斷線路是否適宜行車,再將指令發給運行

列車以便隨時作出反應。在環境工程設計中采用了環保及減震降噪措施,第一次采用承插式高速聲屏障設備,滿足了環保要求等等。

《中國報道》:在平時的運營過程中,主要依靠什么來確保安全運營?

孫樹禮:京津城際鐵路在平時的運營中遵循“重檢慎修”的原則,我們作為設計者會比較多參與“重檢”。每個月建設單位和運營單位會組織夜間上線,我們稱為“天窗時間”。進行檢測。

在檢測過程中,我們最關注的還是軌道的平順性,觀察橋梁路基的沉降情況,軌道變形情況等等,一旦發現異常情況,就要及時研究采取應對措施。京津城際鐵路位于京津地區,屬于軟土地區,如果大量抽取地下水會很容易形成“區域性地面沉降”,應對這種沉降給我們研究及設計帶來了新的課題,我們通過課題攻關,預測未來可能發生的變化,針對軟土地區的特點,采取了應對措施,比如在線路縱斷面設計時不用是最大坡度,留有適當余量;在橋梁設計時盡量采用簡支梁,以減小差異性沉降對橋梁結構的影響;全線采用可調高支座,增加結構對沉降的適應性。

如何“自主創新”?

運營時速350公里,工程精確度以毫米計算,人均百公里能耗不到8度電……京津城際鐵路在節能環保、持續運營時速以及舒適度等多個方面均站在世界高速鐵路的最前列。僅用幾年時間,中國走完了發達國家幾十年的高鐵研發之路,一舉成為第四個系統掌握時速300公里高鐵技術的國家。面對國外媒體的質疑,孫總工程師說:“我們通過消化吸收國外先進技術使之為我所用,從而提高自主創新的能力。”中國報道:我們注意到,歐洲的高鐵公司對外媒說中國只是在他們的技術體系上改變了5%,然后就稱自己進行了再創新。是這樣嗎?

孫樹禮:并非如此。拿京津城際來說,德國是我們的合作方,當時他們只進行了一個十公里試驗段的實驗,最終他們的試驗成績還落后于我們設計的其他試驗段。德國向我們轉讓的技術,比如博格型板的技術,最終是在京津城際這個項目中大面積研發、應用,通過檢驗成功的,而這個技術德國當時并沒有研發成熟,也沒有正式用于工程。德國路基比重大,大約占90%,中國橋梁占到接近90%,所以德國的技術與我們的適用性不同,他們在橋梁技術上只是做了一點實驗。這是事實。

此外,無砟軌道與國外也有不一樣的地方,我們用于車輛運行控制提供信息采用的是軌道電路傳輸,他們則是沒有絕緣的電纜,這是我們自主研究的成果。在材料方面,德國轉讓的技術都是德國標準,但我們的材料如鋼材、水泥等完全國產化,技術內涵完全不一樣。在隨后的京滬高鐵中,我們還在進一步創新和優化,比如擋塊的調整,這些都是國外沒有想到的。

中國報道:京津城際鐵路具有什么樣的示范意義?它對中國高速鐵路的建設將起到什么樣的作用?

孫樹禮:京津城際2005年7月開工建設,2008年8月1日正式開通。匯集了當今世界高速鐵路建設的最新成果和先進技術,作為我國高速鐵路的試驗線,為今后高速鐵路的發展奠定了基礎。

京津城際鐵路是中國高速鐵路的示范性和標志性工程,具有典型的示范意義:首先,京津城際的成功無論在綜合技術、單項技術上都有借鑒和示范作用,為正在大規模展開的客運專線建設提供借鑒;其次,通過京津城際鐵路的實踐,我們看到了高鐵對于拉動區域經濟增長的作用;再次,在這個過程中,驗證了中國技術的可行性、合理性,這極大地增強了中國技術人員建設高鐵的自信心。從技術本身來說,盡管中國目前已達到世界的領先水平,但我們技術人員還要不斷努力,在高速鐵路設計中不斷創新。