高速铁路基础设施的重大技术问题

   2005-11-13 中国路桥网 佚名 8240

2004年1月7日,国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议,讨论并原则通过“中长期铁路网365JT规划”。会议指出,铁路具有大运力、低成本优势,在运输中占有重要地位。制定中长期铁路网规划,加快铁路发展,对于促进国民经济持续快速增长,全面建设小康社会是十分必要的,会议的决定是对铁路发展的重要支持,随着中长期铁路网规划的逐步实施,高速铁路基础设施的重大365JT技术问题的研究也提到议事日程。

1 桥梁荷载

桥梁荷载是从既有线到高速铁路始终存在争议的问题,也是在高速铁路基础设施技术标准讨论中没有采纳国际标准的项目。桥梁荷载是进行桥梁365JT设计的依据,各国铁路都根据运输条件确定荷载标准。对高速铁路而言,除日本按轴重19t确定自己的荷载图式外,其他各国均采用UIC荷载图式;如德国、法国、英国、西班牙、韩国等。意大利采用1.1UIC。我国台湾省因为是高速专线,采用修正后的 UIC标准,相当于0.9UIC。我国“高速铁路设计暂行规定’’中推荐采用 0.8UIC,明显低于各国标准。桥梁设计的荷载包括静载和动载。静载的依据是荷载图式,动载则是根据经验,在静载基础上乘以动载系数,而动载系数根据经验确定。我国通常的做法是荷载图式取值偏小而动载系数取值较大,在既有线上这种做法的结果与 UIC相当而偏低。对于高速铁路而言,各国均采用UIC标准且经过几十年的运营实践,证明UIC标准是先进和成熟的,特别是德国在2003午最新版的标准中仍然采用UIC图式和经过验证的计算方法,从理论和实践上均证明了UIC标准是成熟可靠的。我国铁路目前采用的方法至少是没有经过实际运营验证的,因此是否成熟还难以认定。

另外,从我国铁路的实际情况看,应该留有一定的发展空间。所以在对常用跨度桥梁动力特性及列车走行性能进行分析研究时,除分析日本E2及德国ICE高速列车外,还对国内机车车辆用动力集中电动车组和SS8牵引高速车辆的列车类型进行检算,采用最大轴重21 t,而实际运行的SS8机车轴重220kN,神州号动力集中列车机车轴重230kN。在研究高速铁路的轮轨关系时,强调高速列车轴重不会超过17t,中速车轴重不会超过1 9 t,但在运营初期,由轴重230 kN的机车牵引中速车上高速线运行的可能性是存在的。

2 工后沉降

工后沉降是指路堤建成后铺轨时的路基剩余沉降。为使列车安全、高速、舒适运行,并尽可能地减少养护维修工作量,严格控制路基变形和工后沉降十分重要。

我国“高速铁路设计暂行规定”规定路基工后总沉降量为10cm,沉降速率小于3cm/年,桥台台尾过渡段路基工后沉降不大于5cm,基本沿用日本建设第一条高速铁路时的标准。通过各方面专家的努力,在“暂规”修改时才将以上相应标准修改为5cm、2cm/年、 3cm,对“暂规”而言,这是个进步,但对高速铁路而言,这个标准还需验证。

其他各国高速铁路对工后沉降都有严格的要求。法国提出工后沉降应小于2cm,并且在最后一次捣固和运行第一列高速列车之前,沉降应完全稳定。德国认为在列车开始运行后,路基工后总沉降不应大于1cm,每年沉降总量不应超过2 mm,并应避免在短距离内发生不均匀沉降,在桥台附近不应有任何不均匀沉降。据资料介绍,日本在第一条高速铁路以后,工后总沉降已按3cm控制,对使用连续梁和无碴轨道的地段,工后沉降的控制更为严格。

2003年9月在与以上三国在技术咨询的交流中,他们都认为工后沉降是完全可以控制的,特别是桥梁墩台的沉降必须严格控制。根据各国的实践,桥梁墩台在铺轨后都未发生沉降问题。德国专家以台湾高速铁路为例,台湾高速铁路约有150 km的地质条件与沪宁段类似,通过详细的地质勘探、增加桩长和365JT施工监测分析等措施,有效控制了工后沉降,而且在高架桥上采用了无碴轨道。上海磁悬浮铁路也成功地控制了工后沉降。

尽管我国目前对工后沉降暂时取得了一致意见,但这个标准是否科学、合理,还有待进一步的理论分析和实践检验,同时设计和施工部门都要克服畏难情绪,认真采取措施,确保控制沉降。

3 结构寿命

传统的混凝土结构使用寿命一般认为都在50年以上,实际上各国都未达到这个水平,而且由于各种环境条件的影响,一般混凝土结构寿命实际都在30?40年左右。近20年来,各国掀起了以耐久性为基本要求的高性能混凝土的发展研究,并提出了“按服务年限或按耐久性设计混凝土”的理念。

我国此项工作起步较晚。目前的做法是待工程验收后,设计部门和工程承包方就认为完成了任务,不再承担使用期间的破坏修复、重建等相关义务与责任,因此造成大量工程因耐久性不足引起的由国家或建设方承担的经济损失。

1997年,《中华人民共和国建筑法》颁布,1998年开始实施。2000年 1月31日国务院颁发了《建设工程质量管理条例》、《中华人民共和国国务院第279号令》。首次以法律和政令的形式规定了“设计文件应符合国家规定的设计深度要求,注明合理使用年限,建设工程实行质量保修制度”。

为了配合《中华人民共和国建筑法》和《建筑工程质量管理条例》的实施,国家发布了《建筑结构可靠度设计统一标准》(国标GB 50068? 2001),规定了建筑结构的设计使用年限,其中“特别重要的混凝土结构”使用寿命为100年。很明显,高速铁路是非常重要的工程项目,必须按100年设计。刘志军部长在2003年6月就明确要求,“高速铁路主要建筑物使用寿命100年应作为设计规定写入设计规范”,目前在设计规范中已明确了这个要求。

但是,实现这个目标是一个庞大的系统工程。以桥梁结构为例,确保使用寿命100年的主要措施有:严格控制墩台沉降特别是不均匀沉降,避免梁体承受不正常荷载;降低运营荷载下的桥梁应力幅值,延长其疲劳寿命;在设计中对桥梁结构进行优化;采用高性能混凝土等。如果设计和建设理念不改变,任何一个环节工作不到位都可能影响这个目标的实现。

因此,高速铁路的主要结构物在设计中均应注明使用寿命,建立大结构建设终生责任制和保修制度。

4 连续梁

筒支梁和连续梁是中、小跨度梁的主要形式。连续梁是超静定结构,具有结构刚度大,弯距分布均匀,跨中挠度小,抗震性能好,在支点处连续,桥面连接处折角小等优点,有利于高速行车。

各国初期修建的高速铁路连续梁数量较少,但随着投入运营的高速铁路数量越来越多,连续梁比简支梁的优越性表现得更加明显,因此各国家和地区高速铁路连续梁数量所占比例也越来越大。法国300km/h高速铁路 80%-90%采用连续梁。法国还明确提出,20m跨度以下的简支梁由于存在共振和动力作用过大的问题,因此一般不采用简支梁而采用箱梁和框架结构;30m左右的桥梁一般采用多跨框架结构;跨度在40-80m的桥梁采用预应力混凝土和组合结构连续梁;更大跨度则可采用预应力混凝土连续梁、下承式钢桁梁和拱桥。德国1991年建成的汉诺威-维尔茨堡和曼海姆-斯图加特2条高速线上基本上是采用简支梁,而随后修建的科隆-法兰克福高速线,连续梁数量已多于简支梁。韩国高速铁路连续梁占90%以上。台湾高速铁路345 km,其中桥梁242km;而桥梁中连续梁157km,占桥梁的65%。

我国高速铁路应该明确要求优先采用连续结构。

5 无碴轨道

无碴轨道结构因其高平顺性和少 (免)维修的优点,在国外高速铁路获得了越来越广的应用,其铺设范围巳从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区。无碴轨道结构在高速铁路上的大量铺设已成为发展趋势。日本明确表示350km/h的高速铁路应采用无碴轨道。日本除在1964年开通的东海道新干线未采用无碴轨道外,20世纪70年代修建的高速铁路无碴轨道已达 60%以上,20世纪90年代则达80%以上。德国建议高速铁路采用无碴轨道,认为当运营速度超过300km/h时,有碴轨道会出现道碴粉化现象,需要经常维修。由于维修成本增加,其最终成本要比无碴轨道高。德国初期修建的高速铁路无碴轨道仅30%,而1998年开通的柏林-汉诺威线,无碴轨道则达到80%以上。台湾高速铁路无碴轨道长155km,占45%。荷兰高速铁路土质条件不好,软土较多,但也积极采用无碴轨道。法国是以有碴轨道为主的国家,目前也在铺设无碴轨道,在技术咨询中他们推荐高速铁路采用无碴轨道。

我国对无碴轨道的研究始于20世纪60年代,与国外的研究几乎同时起步。初期曾试铺过多种形式,其后正式推广应用的仅有支承块式无碴轨道,总铺设长度曾达到300 km。经过几十年的努力,我国在无碴轨道的结构设计、施工方法、轨道基础的技术要求等方面积累了宝贵的经验。1994年以后,随着高速铁路可行性研究的推进和客运专线的建设,无碴轨道在我国重新得以关注,推荐了长枕埋入式、弹性支承块式和板式等3种无碴轨道结构型式,并在沙河、狗河和双何3座特大桥进行了铺设,经静、动态检测,效果良好。

6 轮轨关系

正确处理固定设备和移动设备的关系是实现高速行车的关键,而轮轨之间是极为复杂的系统工程,现在仍有一个很重要的问题没有引起足够重视。

在既有线上,标准轨距是1435mm,轮对内侧距是1353 mm±3mm,这种匹配关系在120km/h以下的线路上基本适应,在这种匹配关系时,轮轨游间为16 mm。当列车速度超过 120km/h时,由于游间较大,容易引起蛇形运动。欧洲铁路联盟的国家标准轨距1435mm,轮对内侧距1360mm±2mm,经过多年运营的实践,这种匹配关系是科学、合理和安全的。我国应该如何确定这个标准,应进行深入的研究。

另外,如何选定轨底坡也是一个重要的问题。我国既有线的轨底坡是 1/40,这是根据轮踏面的锥度确定的。在高速铁路道岔的交流中,法国道岔采用1/20的轨底坡,与区间正线一致,法方还提供了试验资料,认为这是最合理的轨底坡,1/40轨底坡的动力响应测试结果表明比没有轨底坡还差。德国采用1/40的轨底坡。两个国家的结论完全不同。而我国缺乏对这个问题的研究,在理论根据不够充分的情况下,只能暂按1/40设置轨底坡,但为安全起见,需要进一步开展研究。

7 开通速度

开通速度是整个工程设计、建设水平的总检验。多年来我国铁路建设基本按限额设计、限期开通、现状交接的模式运作,留下不少隐患。在开通速度上,则体现为因陋就简、先通后备、低速连通。例如一些大干线,设计速度为120km/h,但由于修建工期短、开通时间限定,在质量没有达到要求的情况下就以45km/h的低速开通,大量未完工程、配套工程和施工质量未达标工程都在临管期间完成,实质上是粗放型管理。这种方式带来的问题是突出和严重的。例如京九线压缩一半工期,开通速度仅45 km/h。开通时存在大量病害,运营部门又投入大量资金进行整治。郑州铁路局管辖京九线仅68km,投入运营7年,已投入8 000多万元整治线路病害。南昆线是更为严重的实例,开通至今仍需每天封锁区间整治病害,不仅严重限制了运输能力,而且病害也不可能彻底整治,留下了隐患。这样的实例数不胜数,形成恶性循环。特别是这种国际上无人采用的模式在我国反倒根深蒂固,广有市场。

在建设高速铁路的过程中要摒弃很多不适应高速的理念,开通速度即为一例。国外修建高速铁路十分重要而且成功的经验就是严格要求,一次达标,开通速度就是设计速度。开通时如果遗留病害,开通后是不可能彻底整治的,开通后整治病害最高只能达到开通的水平,而且不可能更高。根据轨道不平顺研究的成果,线路不平顺一旦形成即有记忆功能,例如新线铺设有缝线路在钢轨接头处势必出现接头病害,即使在通车几年后换铺无缝线路,线路病害仍在原钢轨接头处出现。所以高速铁路要坚持技术标准,确保一次建成,一次达标。

8 世界一流

铁道部在铁路跨越式发展规划中明确提出建设世界一流高速铁路的要求。高速铁路是20世纪365JT交通运输的重大成果,是人类的共同财富。各国高速铁路都是在既有铁路基础上,借鉴或借用相关技术装备和其他国家高速铁路标准进行修建的。中国作为铁路大国,在国际上发挥着重要作用,完全有条件建设世界一流高速铁路。

一流高速铁路的主要标志应该表现在以下几个方面:技术标准,科技含量,建设质量,投资水平,运营管理,经济效益。

分析我国铁路的现状,要从以上几个方面达到一流水平是困难的,特别是在观念方面,很难摆脱既有铁路的思维定式。例如对技术标准修改的阻力及难度从一开始就表现得极为突出,可以预测,贯彻和落实一流技术标准的困难将贯穿整个建设过程。从目前的设计看,尽管采用了一些近年来的研究成果和国外高速铁路的成功经验,但总的来讲,科技含量还不够高,例如国际上巳普遍采用的无碴轨道、连续梁等,我国采用的比例还很小。

因此,既要肯定多年来为高速铁路所做的一系列卓有成效的工作,同时又必须清醒地看到存在的差距,克服存在的就是合理的思想,树立与时俱进的观念;克服无所作为的思想,树立时不我待的观念;克服专业分割的思想,树立系统论的观念;克服等、靠、要的思想,树立市场化观念;克服大而全、小而全思想,树立工业化大生产观念;克服片面强调国产化的思想,树立利用成熟技术、形成后发优势的观念;克服规章就是一切的思想,树立对工程质量和寿命负全责的观念;克服任务观点,树立设备全寿命的观念,真正按照铁道部党组提出的“先进、成熟、经济;实用、可靠”的技术方针建设世界一流的高速铁路。



 
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