中國高速鐵路線路工程技術創新與發展

劉曉光 蔡超勛 盧春房

(中國鐵道科學研究院集團有限公司， 北京 100081)

1 高速鐵路線路工程發展歷程

進入21世紀以來，中國鐵路開始進入快速發展時期，鐵路網規模快速增大，路網質量持續提升，路網布局不斷優化，中國鐵路的營業里程由2000年的6.8萬km增長到2019年的13.9萬km，路網規模位居世界第二，電氣化率和復線率基本達到發達國家水平。期間，高速鐵路建設取得舉世矚目的成就，從冰天雪地的東北到溫熱潮濕的海南，從黃土高原的西北到河網密布的東部，在各種復雜地質和氣候環境下，陸續建成了營業總里程達到3.5萬km高速鐵路，擁有了世界上規模最大、設計速度最高的高速鐵路網[1]。

中國高速鐵路的迅速發展離不開線路工程(也稱作工務工程)的技術進步。鐵路線路工程由軌道、路基、橋涵、隧道及其他建筑物構成，其技術發展歷程大致可分為技術積累、積極推進、自主提升和智能化四個階段。

(1)技術積累階段(20世紀90年代初-2002年)

從20世紀90年代至2002年，原鐵道部組織開展了鐵路列車荷載等基礎理論、京滬高速鐵路關鍵技術的科研攻關；進行了廣深鐵路的提速改造，編制了《既有線提速技術條件》(試行)；2002年12月，中國自主研究、設計、施工的第一條時速200 km(預留250 km/h)鐵路客運專線秦皇島-沈陽客運專線投入運營，標志中國形成了時速200 km的鐵路技術體系。

(2)積極推進階段(2002年-2012年)

自2004年以來，在引進國外高速鐵路先進技術的基礎上，全面開展高速鐵路技術國產化。開展了既有線鐵路六次大提速，編制了《既有線提速200 km/h技術條件》(試行)；2007年建成了設計時速250 km的合寧客運專線，系統掌握了時速250 km的鐵路整套技術。

自2008年以來，深入推進高速鐵路技術創新，自主研發了高速鐵路軌道扣件、道岔、900 t級32 m常用跨度簡支箱梁等，建成了京津、京滬等一批設計時速350 km、具有世界先進水平的高速鐵路。2010年12月3日，京滬高速鐵路創造了486.1 km/h的運營列車試驗最高速度新紀錄。

(3)自主提升階段(2012年-2017年)

自主研發了CRTS Ⅲ型板式無砟軌道系統、跨度40 m簡支箱梁、裝配式隧道與路基結構、聚氨酯固化道床、地震預警系統等，進一步完善了中國高速鐵路線路工程技術體系。

(4)智能化階段(2017年至今)

在全面自主化的基礎上，深入推進信息化、數字化、智能化鐵路建設，通過BIM、大數據等新一代信息技術和高速鐵路線路工程技術的集成融合，在基于BIM全生命周期建設管理(如圖1所示)、基于云計算和大數據的全路工程建設智能管理平臺等方面取得顯著成績，全面提升了我國高速鐵路技術水平[2]。

圖1 基于BIM的鐵路工程全生命周期建設管理圖

2 高速鐵路線路工程重大技術成就

(1)基礎理論和系統集成技術

持續開展了輪軌關系、列車荷載圖式及作用特征、線路平順性控制技術等理論與試驗研究，在車輛-軌道-橋梁耦合振動理論、隧道空氣動力學、路基基床動力作用與微變形控制、無縫線路設計理論等方面取得系列成果[3-6]。鐵路列車荷載圖式如表1所示。

表1 鐵路列車荷載圖式

研發了綜合檢測車、移動式線路加載車、線路運營狀態監測系統等檢測監測技術裝備，開展全路聯調聯試及運行試驗，進一步驗證線路工程與移動裝備的匹配性和適應性，建立了集成技術標準和管理體系，確保高速鐵路線路的平順性[7]。

隨著智能京張、智能京雄建設的全面推進，以及智能新技術在鐵路各專業領域研發應用廣度和深度的持續擴大，構建了中國智能高速鐵路體系架構。應用基于BIM的工程建設管理平臺，如路基基樁施工精準控制與信息化管理、路基智能化填筑等，提高了線路工程的建設質量和信息化水平[8-9]。

(2)軌道[10-12]

通過大量研究及工程實踐，掌握了高速鐵路CRTS Ⅰ型板式、CRTS Ⅱ型板式及雙塊式無砟軌道設計、工程材料、建造技術等成套技術；自主研發了CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構及配套扣件，應用里程超過 6 300 km，形成了具有自主知識產權的無砟軌道成套技術體系，并作為中國高速鐵路技術輸出的唯一無砟軌道型式應用于印尼雅萬高速鐵路。開展了聚氨酯固化道床研究，豐富了軌道結構類型。研發了系列化的高速鐵路道岔和扣件系統，自主化產品應用規模占國內用量的70%以上，并實現了向國外市場的技術輸出。應用輪軌接觸理論，提出了具有良好輪軌關系的60N新軌頭廓形鋼軌，并得到應用，開展了強度等級 1 280 MPa新型高強度鋼軌研究。

無縫線路[4]方面，中國無縫線路鋪設突破了寒冷地區、大坡道、小半徑曲線、橋梁、道岔、高海拔等限制，已鋪無縫線路地區最大軌溫幅度102 ℃，線路最大坡度33.3‰，最小曲線半徑300 m，最高海拔達 5 000 m。鐵路干線的車站正線實現道岔無縫化，大跨橋梁上無縫線路理論實現突破。

(3)路基[13-14]

掌握了鐵路路基基床結構的動力響應規律和荷載傳遞特征，形成了鐵路路基基床結構動力分析與累積效應控制理論，建立了高速鐵路路基基床結構設計方法，可有效控制基床的動應變，顯著降低累積效應對基床變形的影響；提出了基于不同填料、環境以及不同等級鐵路的路基基床結構；建立了精細化的鐵路路基填料分組體系，對防凍脹填料提出了明確要求。突破了地基處理、填筑工藝、變形控制等技術難題，實現了高速鐵路線下工程剛度均勻化，保證了線路的平順性。

(4)橋梁[6,15-16]

系統研究了列車與橋梁的相互作用特征，構建了高速鐵路橋梁設計關鍵參數體系，研發了跨度32 m、40 m高速鐵路箱梁，研發了 1 000 t級箱梁運架設備，梁體長期變形控制實現由厘米級到毫米級的突破。在大跨度鋼橋設計參數、疲勞性能、材料、施工裝備和建設組織等方面取得系列突破，建成了跨度、荷載等創世界記錄的高速鐵路橋梁。如武漢天興洲長江大橋主跨504 m，是世界上第一座按四線鐵路修建的雙塔三索面三主桁公鐵兩用斜拉橋；京滬高速鐵路大勝關長江大橋主跨336 m，是世界首座六線鐵路大橋，為設計荷載最大的高速鐵路大橋，設計速度速 300 km/h，處于大跨度橋梁世界領先水平。在建的滬通長江大橋和五峰山長江大橋，主跨均為 1 092 m，分別為世界上最大跨度公鐵兩用斜拉橋何高速鐵路懸索橋。

(5)隧道[17-18]

開展了隧道空氣動力學理論與試驗研究，在贛龍鐵路(310 km/h隧道內交會)、鄭徐高速鐵路(420 km/h明線交會)等開展列車交會試驗，優化了高速鐵路隧道洞口緩沖結構的設置方式。在巖溶、瓦斯、黃土、高地應力、高水壓等復雜條件下的隧道工程修建技術方面取得新突破，研發了TBM、襯砌臺車等系列施工裝備，建成了一批特長、超深埋、超大斷面、高海拔等隧道工程，如石太客運專線太行山隧道全長27.8 km，是中國建成的最長高速鐵路山嶺隧道，也是亞洲最長的高速鐵路隧道。此外，還建成了世界最大水下鐵路盾構隧道—廣深港客運專線獅子洋跨海隧道，世界最長的黃土隧道—鄭西高速鐵路張茅黃土隧道，包含地下車站的特長隧道—京張高速鐵路八達嶺隧道等。

另外，車站與樞紐工程也取得巨大成績[19]，目前已建成一批具有“功能性、系統性、文化性”的新型客站，包括北京南站、新廣州站、武漢站、上海虹橋站等。建設過程中運用大量新技術、新材料、新工藝、新方法，形成客運專線、干線鐵路、城際軌道交通、城市地鐵、公交系統等緊密銜接的現代客運中心，滿足人們出行的新要求。

3 線路工程技術發展展望

3.1 發展趨勢

隨著“交通強國”和“走出去”戰略的快速推進，中國西部和海外地區逐步成為鐵路建設的主戰場。為進一步提升鐵路建設水平，提高技術經濟性，鐵路線路工程將朝智能化、綠色化、裝配化、精細化的方向發展。

(1)智能化

世界經濟的快速發展對高速鐵路的運輸需求、運營效率、服務品質、安全水平提出了更高的要求，歐盟、德國、法國、英國、日本、韓國等相繼提出了高速鐵路數字化、智能化的發展戰略和實施路徑，圍繞智能高速鐵路的相關技術開展了系列創新實踐，智能化將成為世界高速鐵路發展的必然趨勢。線路工程智能化體現在設計、施工和運維全生命周期，設計上充分運用BIM技術，按全生命周期成本計算；智能建造方面要覆蓋建造過程智能化和管理決策智能化，逐步實現少人化和無人化施工；智能運維主要從研發智能感知裝備和PHM技術入手，搭建線路工程運維技術體系，實現線路工程狀態檢修，降低高速鐵路運營成本，提高工程韌性。

(2)綠色化

全球氣候變化是21世紀人類發展的挑戰之一，綠色發展、節能減排對鐵路線路工程提出了新要求。鐵路線路工程綠色化工作要點如表2所示。

表2 高速鐵路線路工程綠色化要點表

(3)裝配化[20]

隨著現代工業技術的發展，預制構件的加工精度與裝配式施工技術和管理水平的提高，裝配式施工獲得了長足發展。裝配化施工可以縮短建設周期，實現資源集約；施工快速、干擾低；工廠化、集約化的管理也更利于保障施工質量。快速施工、無人化或少人化施工、工廠化施工、高質量施工將是未來施工技術的主流，這些技術均要求線路工程實現更高程度的裝配化。要大力開展裝配式房屋、橋梁、隧道等結構物的一體化集成設計研究；開展大部件裝配化施工設備的研制；開展預制件工廠化、標準化生產研究，建設異地、重復使用的工廠，研制標準化的部件以及生產工裝和工藝；開展裝配化施工質量檢測、評估技術研究，制定質量評判標準，建立指標體系。

(4)精細化

精細化是解決粗放管理的有效途徑。線路工程精細化設計要研究基于性能的設計方法，開展可靠性設計和驗證，因地制宜開展路基橋隧設計，減少對標準圖的依賴。精細化施工主要體現在三個方面：一是施工管理精細化，包括施工組織細化到工點，勞動組織細化到班組，工程質量管理細化到單項作業、每個工序，安全管理細化到每個崗位等；二是施工現場的精細化布局和管控，如場內道路、材料堆放場地的規劃，現場標識的設置，人員的文明施工等；三是成本控制的精細化，包括變更設計要嚴格控制，材料、機械、人工等使用的精打細算，以節約投資，提高效益。精細化運維要結合先進檢測、監測技術，開展基于成本模型的線路工程設備精細化健康管理和精準養修，目的是既要保證良好的線路狀態，又要大量地減少過度維修，節約費用，避免浪費。

另外，車站樞紐特別是大型客運站應朝一體化、輕量化、大跨度方向發展。一體化方面，鐵路車站與城市軌道、道路交通一體設計，與土地開發、商業布局一體考慮，盡可能與民航機場一體建設，以實現各種交通方式的無縫銜接、零換乘，實現鐵路與城市的融合發展。輕量化方面，大型車站結構一般為鋼結構、鋼筋混凝土結構，其重量大，給施工和站內布局造成困難。隨著材料工業的不斷發展，高強鋼材、超高強混凝土、輕型材料應廣泛應用于車站建設。大跨度方面，寬闊、敞亮的候車大廳會給旅客帶來舒適和獲得感，這就需要車站的屋架結構有更大的跨度，目前最大跨度為72 m，應向100 m發展。

3.2 重點工作

3.2.1 線形

線路設計平縱斷面參數主要包括最小曲線半徑、超高參數、線間距、豎曲線半徑和最大坡度等，這些參數控制線路設計，對線路占地和工程造價影響極大，如川藏鐵路采用24‰和30‰的最大坡度限值，對工程直接費將產生上百億元的影響。因此要從線路運營的安全性、平穩性和適度的舒適性方面考慮，結合不同的運營組織模式、已開通運營線路測試試驗數據和不同運行工況下的列車運行狀態，進行車-線動力學分析和系統性研究，在新建更高速度高速鐵路線路關鍵參數取值和既有高速鐵路提速工程方面取得重大突破。

(1)設計關鍵參數取值

針對線形參數開展專項研究，以更高速度專項試驗為基礎，以仿真分析為輔助手段，對部分關鍵參數取值進行優化，如適當提高外軌超高、欠超高限值，適當減小線間距，為新建線路和400 km/h及以上更高速度的鐵路設計提供依據。

(2)提速改造

結合既有高速鐵路工程現狀，開展調超高扣件等專項工程技術手段研究，對既有高速鐵路提速的限制點進行工程改進，使既有高速鐵路能夠適應更高速度運行條件。

3.2.2 軌道

(1)鋼軌

發展具有更高韌塑性的高速鐵路用鋼軌，以提高其抗滾動接觸疲勞、抗折斷和抗擦傷等性能。

(2)道岔

研究將客運專線道岔和CN道岔兩種技術融合的可行性，研發兼具各自優點的下一代高速鐵路道岔，并進一步開展道岔簡化統型，實現譜系化，開展新一代時速400 km/h智能高速道岔關鍵技術研究和應用。此外，還應開展提高道岔側向通過速度關鍵技術研究，研發道岔故障識別、診斷與預測技術。

(3)道床

深度融合信息化、工業化技術發展裝配式無砟軌道，研發基于智能制造的裝配式無砟軌道部件制造及現場裝配技術，突破無砟軌道結構現場接縫可靠連接技術，解決現有無砟軌道適應線下變形能力不足、病害整治困難等難題。進一步發展預制裝配式聚氨酯軌道；開展彈性軌枕、道砟墊等減振技術研究，改善有砟軌道運營狀態、延長道床使用壽命，提高全生命周期的技術經濟性。

3.2.3 路基

(1)發展輕質路基

輕質路基可有效解決既有高速鐵路近接幫寬工程的變形控制和安全運營難題，也可為過渡段、軟土路基、陡坡路基等地段沉降控制提供新的解決方案。需要解決高速鐵路輕質路基“材料-結構”和“設計-施工”關鍵技術。

(2)發展綠色路基

開展巖質邊坡、土質邊坡的生態防護技術研究。開展建筑垃圾再生料的物理力學性能、化學特性與耐久性研究，制定出建筑垃圾再生料作為鐵路路基填料的試驗方法、質量控制要求及相應的處理標準，形成建筑垃圾再生料綜合利用技術。

(3)路基智能建造技術

研發路基結構設計，施工技術到專業設備相融合的路基智能建造技術體系，研發路基自動化監測技術和無人化維修設備。

3.2.4 橋涵

(1)設計理論與標準體系

基于高速鐵路建設經驗的積累，不斷深化對高速列車荷載特征和高速鐵路橋梁設計關鍵控制要素的認識，形成發揮高性能材料優勢、保證結構安全、維持平順橋面線形的先進設計方法。以極限狀態法設計理論為主線推動鐵路橋梁建設標準體系的進步，建立高烈度、近斷層地區地震作用下和峽谷復雜風場作用下橋梁結構動力可靠度評估體系，考慮高性能混凝土和機制砂混凝土的材料特性，建立以更長壽命結構為目標的結構耐久性評價體系。

(2)工程材料

發展機制砂制備技術和管理模式，推動C60以上高標號、高性能混凝土的應用，研究C100以上超高性能混凝土(UHPC)的制備技術、材料特性和應用技術，建立耐候鋼耐候指標體系，推廣免涂裝耐候鋼在橋梁主體結構、螺栓、附屬結構中的應用，研究Q690鋼材的應用技術并開展更高強鋼材的研究，研究 2 200 MPa級鋼絞線及鋼絲的錨固技術和應用技術，進一步研究 2 400 MPa級鋼絞線及鋼絲的制備技術，研究 2 200 MPa級橋梁纜索體系的錨固技術和應用技術。

(3)結構選型

通過優化構造、橋面布置、預應力體系進一步提升標準簡支梁結構的技術經濟性，推廣簡支梁在客貨共線鐵路的應用，提升其全生命技術經濟性。發展裝配式箱梁、墩臺和管樁結構以及整體裝配橋面附屬設施。推廣鋼混組合結構的應用，將常用簡支梁跨度提升至80 m，并取代同跨度現澆預應力混凝土連續梁。深化研究復雜地震地區、復雜風環境下大跨度拱橋、斜拉橋、懸索橋的建造技術。結合工程需要，鐵路斜拉橋和懸索橋跨度向 1 500 m發展。研究深水區超大沉井建造技術和跨海橋梁建造技術。

(4)施工設備

重點突破基于人工智能技術的大型施工架設裝備，大型提升吊裝設備、自動化安裝設備、精密測控設備、結構安全動態檢測設備、大直徑鉆機、水下機器人等關鍵技術。研究大型架橋機、提梁機、纜索吊機的安全防護技術。

(5)智能建造

提升BIM技術在鐵路橋梁設計、施工中的應用水平。研究鐵路橋梁標準設計的三維化，實現三維模型交付、三維交底、精細工程量的平臺式服務。提升BIM技術、GIS技術在施工管理中的應用水平。完善建設管理的信息化模塊，研究建造信息在橋梁結構全生命周期傳遞模式，提升智能設備對人工的替代率。

(6)養護維修

研究基于性能保持和提升的鐵路橋梁養護維修技術，研究基于INSAR、無人機、機器人的鐵路橋梁養護設備，降低鐵路橋梁養護用工人數，提升橋梁養護維修效率。

3.2.5 隧道

(1)長大復雜艱險隧道建設

研發譜系化工程裝備，形成完備的工藝工法，實現高海拔超深特長隧道與跨海峽隧道快速建造。

(2)智能建造

發展涵蓋勘察、設計、施工、建設管理及運維管控的全生命周期智能建造技術體系，實現工程裝備無人化、智能化，設計方法動態化、集約化，管理手段信息化、多樣化，運維保障全面化。

(3)裝配式隧道

著力于結構設計選型和新型高強增韌材料研究與應用，在基底、軌下結構預制裝配式建造工藝成熟的基礎上，發展涵蓋拱墻在內的全環預制裝配式隧道建造方式。

(4)隧道斷面優化

依托新建線路綜合試驗、既有線升級改造試驗與理論計算成果，進一步優化(減小)高速鐵路隧道斷面凈空面積，同時考慮速度的進一步提升，如400 km/h條件下的高速鐵路隧道斷面優化。將高速鐵路優化成果、經驗與方法論應用于真空管道磁懸浮等相關技術領域。

(5)防災疏散救援與結構服役性能保持

發展城市高速鐵路地下車站與長大隧道智能防災疏散救援場景構建與安全綠色控制技術，研發鐵路隧道高性能支護結構及成套譜系化智能整治裝備。

3.2.6 車站與樞紐

借鑒國外現代鐵路客站 “站城融合”、“便捷舒適”、“智能高效”、“綠色環?！薄ⅰ叭宋奶厣钡冉涷?，既有車站能力提升方面，要應用現代化裝備和信息技術，開發智能旅客服務和車站管理系統，不斷提升鐵路客站管理與服務水平，提高車站與城市的融合度，以人為本，便捷旅客出行。新型車站設計方面，要開發、推廣智能車站建造技術，提出超大跨度空間結構系統設計理論和方法，通過深化BIM技術應用，提高工程項目全生命周期各參與方的工作質量和效率，保障工程建設優質、安全、環保、節能。

4 結束語

近年來，隨著鐵路改革的深入發展，"復興號奔馳在祖國廣袤的大地上"，高速鐵路已成為一張亮麗的國家名片。作為高速鐵路關鍵技術之一的高速鐵路線路工程技術也取得了不菲的成就，然而按照新時代高質量發展要求和高速鐵路線路工程智能化、綠色化、裝配化和精細化需求，在更高速度鐵路建設、智能建造與運維、既有結構優化、復雜惡劣環境施工、全裝配式結構、更大跨度的橋梁工程建設、線路工程系統集成等方面尚有一系列難題需要攻克。因此，鐵路線路工程的發展依然任重道遠，且大有可為。