钢铁“丝绸之路”的“智造”密码

2015-01-05 15:26:03 来源: 浏览次数:
本文摘要:作为一条长达1776公里的长大干线,兰新高铁沿途所经地区包含了高原、高山、黄土、戈壁、沙漠、绿洲、湿地以及干旱、大风、极寒等各种地质类型和极端气候,堪称中国最复杂、最具挑战性的高铁。 除软土和西南地区常见的喀斯特岩溶地貌外,其他工程地质难题在兰新高铁都能遇到,其综合修建技术最能代表中国高铁的综合技术水平。兰新高铁在哪些方面体现了中国“智”造的技术水平?

   2014年12月26日,兰新高铁全线开通运营。

    作为一条长达1776公里的长大干线,兰新高铁沿途所经地区包含了高原、高山、黄土、戈壁、沙漠、绿洲、湿地以及干旱、大风、极寒等各种地质类型和极端气候,堪称中国最复杂、最具挑战性的高铁。

    除软土和西南地区常见的喀斯特岩溶地貌外,其他工程地质难题在兰新高铁都能遇到,其综合修建技术最能代表中国高铁的综合技术水平。兰新高铁在哪些方面体现了中国“智”造的技术水平?

    近日,记者采访了兰新高铁总设计师、铁一院教授级高工王正邦。

中国高铁“一半路基在兰新”

    王正邦介绍,兰新高铁的路基工程占全线总长度的66.8%以上,主要集中在祁连山以西至乌鲁木齐以东的河西走廊地区,全长接近1200公里,相当于之前中国已建成高铁的路基总长度。

    高速铁路对轨道的平顺性有着近乎苛刻的要求,目前国内高铁大范围采用桥梁和隧道结构。从经济性和合理性考虑,兰新高铁采用造价相对低廉的路基工程。

    铁一院进行了大量前期科研和试验,设计采用加强填方、减少挖方,以疏为主、以堵为辅的防排水加强措施和先期施工、自然沉降等一系列综合手段,选用防冻性较好的路基填料。经过连续3年的观测,已建成路基的最大沉降值仅为8毫米,而路基沉降许可范围在15毫米以内。

“内服外敷”解决养护难题

    兰新高铁全线采用无砟轨道铺设,承载轨道的整体道床板为大面积现浇混凝土。其穿越戈壁地段超过线路总长的50%,年均降雨量小于100毫米,中心地带甚至不足50毫米。如果采用传统的覆盖洒水养护方式,在施工过程中水分蒸发的速度要远远大于洒水的速度,很容易造成混凝土一直处于干湿循环状态,有可能形成大量的收缩裂缝,会对工程质量和后期的运营安全造成严重影响。

    为此,铁一院针对大风干旱环境提出“内服外敷”的解决办法。“内服”即预先在混凝土内部掺入塑性阶段表面保水、硬化阶段内部补水的内养护材料;“外敷”则是指混凝土收面完成后立即在道床板表面喷涂保水率不小于85%的外养护材料。通过“内外兼治”,起到了很好的保湿作用,从而有效防止了混凝土的水分蒸发,满足了高铁施工严格的质量要求。

“化整为零”避免道床开裂

    兰新高铁沿线的昼夜温差非常大,极端情况下可以达到80摄氏度。如果采用常规的连续道床板结构,在强烈的热胀冷缩作用下,极易发生温度裂缝且裂缝的宽度难以控制,同时隧道洞口段还易受雨水侵袭影响混凝土的耐久性。

    为解决无砟轨道开裂难题,铁一院将整体道床化整为零,在路基地段设计采用19.5米长的双块式单元无砟轨道结构,每隔19.5米设置一道横向伸缩缝,每3.9米设置一道横向假缝,并通过支承层设置纵向锯齿形的凹槽,在道床板的伸缩缝设置传力杆装置,实现了道床变形的调节和控制;隧道段采用6.5米的单元双块式无砟轨道结构,每隔6.5米设置一道横向伸缩缝,并通过在道床板与隧道仰拱间设置连接钢筋等措施,避免了连续式道床板温度裂缝的产生,提高了道床板混凝土的可靠性和耐久性。

“穿衣盖被”确保隧道畅通

    兰新高铁全线共有隧道64座,总长185.15公里。其中,50座隧道集中在甘肃和青海境内,总长166.197公里,占全线隧道的92%。

    全线最长的隧道是位于青海西宁市大通县和海北州门源县的大坂山隧道,全长15.918公里;最高的隧道是大梁隧道,轨面标高海拔3607米;最著名的隧道是祁连山隧道,全长9490米,与大梁隧道仅一沟之隔,遥遥相望。

    这些隧道位于极度严寒地区,夜间最低温度达零下40多摄氏度。祁连山区地下水极其丰富,隧道先后通过十几条大的断裂带,新构造运动强烈,开挖后经常会遇到突然涌水。其中,祁连山隧道的最大涌水量甚至达到每天10万立方米。更雪上加霜的是,高铁隧道的开挖断面往往达到160平方米,远远超过一般铁路隧道的50平方米到60平方米,直接表现为极高的地应力。刚刚开挖成型的隧道在强大的压力下会迅速变小,常规支护的钢架和仰拱会扭曲、隆起,甚至连钢筋混凝土衬砌都会被挤爆、开裂。

    借鉴青藏铁路的成功经验,铁一院在高寒隧道建设中沿袭了保温的设计思想,并在此基础上再增加一层衬砌,形成双层保温衬砌结构,铁一院隧道设计负责人田鹏将其形象地称为“穿棉袄”;针对隧道开挖后岩石松动造成的涌水尤其是洞口渗水形成的冻结带,则用“盖被子”的方式,设计采用压浆法施工,在衬砌内部紧贴岩石注入一层水泥浆,以最大程度地封闭岩石缝隙,避免流水的侵蚀;为了解决地应力大变形问题,设计采用分步开挖、临时支护以及增设钢支撑加固“钢腰带”等方法,有效地解决了这个施工难题。

    与此同时,铁一院先期设计开展平行导坑的验证性施工,用平导的施工随时指导、调整正洞施工,并充分利用这一设施,在隧道正下方和侧下方增设防寒泄水洞,利用隧道的自然落差将涌水排出洞外,在洞口设置保温出水口,以通畅的排水确保了隧道的畅通。

“明挡暗钻”通过四大风区

    兰新高铁新疆段穿越举世闻名的内陆四大戈壁风区,占此段线路总长的65.1%,且大风频发、风速极高,部分区段年均大于8级大风的天气达到208天,最高风速达60米/秒,相当于17级大风,对高铁设施和行车安全造成严重危害。

    为确保运营安全,铁一院在高铁路基的迎风侧设置了高度为3.5米至4米的挡风墙,并根据不同区域的风力、风向、频率、地形及线路条件,因地制宜地设计了悬臂式、扶臂式、柱板式等多种结构形式的钢筋混凝土挡风墙,其中仅新疆境内的路基挡风墙总长度就达到345公里。

    针对大风区的124座桥梁,铁一院分别设计了T形、箱形、槽型桥梁结构和总长达95公里的挡风屏,根据风力大小,由不同尺寸的H型钢柱和开孔波形钢板组成,固定在桥梁的两侧或一侧。在大风频繁、风力最为强劲的百里风区,更是采用结构受力和防风结构相结合的槽型梁形式,这也是该结构在高铁的首次应用。

    在百里风区的核心地带,他们还设计建成了长达1.2公里的防风明洞,相当于在路基上拼装一座完整的“地上隧道”,迎风一侧为实体墙,背风一侧留有通风和照明窗口,有效确保了高速列车的运行安全。

    兰新高铁的防风工程建设规模在世界高速铁路中位居首位,防风工程技术的运用在高速铁路建设中尚属首次。通过路基挡风墙、桥梁挡风屏、防风明洞3类主要防风结构和沿线的隧道、渡槽明洞及深路堑等兼顾防风工程,兰新高铁实现了“明挡”和“暗钻”的结合,将大风的影响降到最低程度,将每年因大风限速的时间从既有兰新铁路的60天大幅度缩减至10天以内。

相关文章

专题
 
行业资讯
 
投资融资