在连接北京、天津两大城市120公里的线路上,是什么技术力量让时速350公里的“和谐导”动车组实现了平稳的“陆地飞行”?奠定高速铁路坚实线路基础的关键在哪里?
我坐在京津城际铁路风驰电掣的高速列车上,窗外色彩宜人的植物群落,被深秋的阳光涂抹成了长长的画卷,远处的田野祥和优美,如同一张凝固的明信片。
京津城际铁路是中国最早开工建设并最先建成的第一条高标准铁路客运专线,在连接北京、天津两大城市120公里的线路上,最高时速达到350公里,实现了平稳的“陆地飞行”。和你一样,我对这一奇迹的实现同样疑惑,是什么技术力量让时速350公里“和谐号”动车组实现平稳的“陆地飞行”?奠定高速铁路坚实线路基础的关键在哪里?这次来到天津,我亲耳聆听了铁道第三勘测设计院集团有限公司副总经理、总工程师,也是京津城际铁路设计总工程师孙树礼讲述京津城际背后的奥秘。
如何实现“陆地飞行”?
在一次测试中,京津城际列车运行创纪录的达到了每小时394.3公里的时速,在当时这是全国最快的,而且在世界范围内也属于先进行列。在实现令人瞩目的高速度背后,要达到预期的安全、平稳、舒适、高速,需要对整个工程项目进行一系列的总体规划及系统设计,正如采访时孙树礼总工程师所言:“速度包含的内涵是很丰富的。”
中国报道:作为中国第一条具有国际一流水平的高速铁路,在工程设上,您认为应当关注哪些问题?需要重点考虑哪些因素?孙树礼:在铁道部领导和组织下,高速铁路建设已形成完整的工程规范,作为设计单位,在高速铁路设计中首先必须符合有关技术政策、工程规范和主要技术标准。
从宏观上来说,工程设计包括固定设施(桥梁、线路、站场等)、移动设施(动车组)和设备设施(用于联系固定设施和移动设施的相关设备等)。这三部分都需要进行精心的规划和设4to往细处说,在工务工程方面要控制桥梁、隧道、路基等的结构变形(包括工程对地基产生的变形和结构本身产生的不可恢复的变形等),要有适宜的刚度匹配,才能满足安全、舒适等的基本要求。
在工程设计时,我们高度重视设计产品的安全性。高速铁路运行速度高,安全上出不得任何问题,这需要在设计的源头上加以研究控制,确保高速铁路的建设与运营安全。线路走向的设计,要查明沿线的地质情况,比如采空区、大型滑坡、活动断裂带等必须绕避;特别是隧道工程,穿过岩溶、断层、大型暗河等等不良地质,以及可能诱发重大环境地质灾害引起高度重视。高舒适性设计上,线路纵断面连接充分考虑到了列车竖向和横向平稳型的舒适度的圆曲线,确保列车平稳运行。大家熟悉的无砟轨道对于轨下结构变形、铺设精度等都有极高的要求。
中国报道:我们知道。京津城际实现了中国高速铁路上的“陆地飞行”。哪些关键技术能够支撑这样的高速度?
孙树礼:高速度是一个表现点,在高速度之下,内涵是很丰富的。为了确保京津城际铁路高速度,在设计之初,我们有针对性的对高速铁路的关键技术及重点问题进行了科研攻关,我们在科研成果和工程试验段实践经验的基础上,积极引进国外先进的技术进行消化、吸收,并针对我国国情、路情进行再创新,最终我们把若干个关键技术及几个重大问题解决得非常好。
我们在无砟轨道方面进行了基础理论、结构设计、制造技术、施工技术及工艺装备等进行研究,我们形成了具有自主知识产权的CRTS(中国铁路轨道系统)技术体系,并成功应用于京津城际铁路。其中,运用CRTS II型板式无砟轨道设计、制造、施工等一系列关键技术,使每块轨道板根据其轨道几何尺寸采用数控打磨,其制造精度大幅度提高,提高生产效率。
高速铁路对轨道的平顺性要求很高,对路基、桥梁基础的沉降要求很高,在路基沉降的过程中,路基采用装桩板结构以及预应力管桩。应用多种理论进行桥梁沉降的预测控制,相邻的不均匀沉降量之差控制在5毫米之内。还有就是降低区域地面沉降的风险,研制了可调高支座,成功应用于京津城际铁路。
我们还采用卫星定位技术,精度达到百万分之一。我们自主研发了一体化测量设备,实现测量数据自动化处理。精测网的建立,实现了无砟轨道的高精度定位,为轨道的稳定提供了技术支持。
中国报道:无砟轨道与现在常见的有砟轨道有什么不一样?无砟轨道上列车的舒适度如何?
孙树礼:无砟轨道和有砟轨道的区别可谓一目了然,以往我们看到的铁路线,在钢轨和枕木下是大量的碎石,也就是我们所说的道砟。列车在运行过程中由于车轮和钢轨的摩擦,会对线路造成很大的震动,这些石砟就起到了减震和保持线路平顺的作用。京津城际铁路对线路的要求是高平顺性,为旅客创造最舒适的出行空间,因此采用了当今世界最先进的无砟轨道技术。它包括了底座板、垫层、CRTS II型板和钢轨四个组成部分,钢轨直接固定在CRTS II型板上,替代了传统的碎石路基。它的好处在于铺设起来的线路平顺性更好,有利于高速列车平稳运行,此外有效避免了碎石路基所产生的粉尘,使得线路更加干净环保。
钢轨下的CRTS II型板都是根据前期精确的勘测数据通过数控机床打磨出来的,每块板都有固定的位置,每个部件连接槽的误差率都控制在一根头发丝直径的范围内。因此京津城际动车组行驶起来相当平稳舒适。我们做过试验,在京津城际列车以300多公里时速运行时,把一根香烟立在小桌子上,可以保持4分钟或更长时间不倒。如何保障安全?
京津城际高铁正常每日开行70对,周末每日开行75对,节假日每日开行85对,遇客流高峰期开行100对。统计显示,在2010年8月1日京津城际高铁运营两周年之际,高铁运行两年间共运送旅客4096万人,日均运送旅客5.96万人,京津城际高铁的平均上座率达70%,列车正点率接近100%,在促进京津同城化、打造“半小时经济圈”上起到了重要作用。在这种大运量、高密度、公交化运输组织模式的背后,如何达到预定的安全?中国高铁技术能否经得住检验?
中国报道:京津城际铁路在防范灾害、环境保护上有什么特别设计吗?
孙树礼:为了避免出现意外情况特别是自然灾害影响铁路行车安全,对旅客生命财产造成威胁,我们在京津城际铁路全线建立了一整套防灾安全监控系统,包括防风预警监测、异物侵限监测、防雪预警监测等。防风预警检测系统的作用在于,当风速超过每秒15米时,列车就会减速运行,当风速达到每秒35米时,全线列车会停止运行。异物侵限检测系统一旦监测到线路上有不明物体,列车就会收到中央控制系统的指令停止运行。
此外,我们还设置了地震监测系统,铁路全线的桥墩下都设置了感应装置和检测器,可以随时监测桥墩的沉降情况,进而判断线路是否适宜行车,再将指令发给运行 列车以便随时作出反应。在环境工程设计中采用了环保及减震降噪措施,第一次采用承插式高速声屏障设备,满足了环保要求等等。
《中国报道》:在平时的运营过程中,主要依靠什么来确保安全运营?
孙树礼:京津城际铁路在平时的运营中遵循“重检慎修”的原则,我们作为设计者会比较多参与“重检”。每个月建设单位和运营单位会组织夜间上线,我们称为“天窗时间”。进行检测。
在检测过程中,我们最关注的还是轨道的平顺性,观察桥梁路基的沉降情况,轨道变形情况等等,一旦发现异常情况,就要及时研究采取应对措施。京津城际铁路位于京津地区,属于软土地区,如果大量抽取地下水会很容易形成“区域性地面沉降”,应对这种沉降给我们研究及设计带来了新的课题,我们通过课题攻关,预测未来可能发生的变化,针对软土地区的特点,采取了应对措施,比如在线路纵断面设计时不用是最大坡度,留有适当余量;在桥梁设计时尽量采用简支梁,以减小差异性沉降对桥梁结构的影响;全线采用可调高支座,增加结构对沉降的适应性。
如何“自主创新”?
运营时速350公里,工程精确度以毫米计算,人均百公里能耗不到8度电……京津城际铁路在节能环保、持续运营时速以及舒适度等多个方面均站在世界高速铁路的最前列。仅用几年时间,中国走完了发达国家几十年的高铁研发之路,一举成为第四个系统掌握时速300公里高铁技术的国家。面对国外媒体的质疑,孙总工程师说:“我们通过消化吸收国外先进技术使之为我所用,从而提高自主创新的能力。”中国报道:我们注意到,欧洲的高铁公司对外媒说中国只是在他们的技术体系上改变了5%,然后就称自己进行了再创新。是这样吗?
孙树礼:并非如此。拿京津城际来说,德国是我们的合作方,当时他们只进行了一个十公里试验段的实验,最终他们的试验成绩还落后于我们设计的其他试验段。德国向我们转让的技术,比如博格型板的技术,最终是在京津城际这个项目中大面积研发、应用,通过检验成功的,而这个技术德国当时并没有研发成熟,也没有正式用于工程。德国路基比重大,大约占90%,中国桥梁占到接近90%,所以德国的技术与我们的适用性不同,他们在桥梁技术上只是做了一点实验。这是事实。
此外,无砟轨道与国外也有不一样的地方,我们用于车辆运行控制提供信息采用的是轨道电路传输,他们则是没有绝缘的电缆,这是我们自主研究的成果。在材料方面,德国转让的技术都是德国标准,但我们的材料如钢材、水泥等完全国产化,技术内涵完全不一样。在随后的京沪高铁中,我们还在进一步创新和优化,比如挡块的调整,这些都是国外没有想到的。
中国报道:京津城际铁路具有什么样的示范意义?它对中国高速铁路的建设将起到什么样的作用?
孙树礼:京津城际2005年7月开工建设,2008年8月1日正式开通。汇集了当今世界高速铁路建设的最新成果和先进技术,作为我国高速铁路的试验线,为今后高速铁路的发展奠定了基础。
京津城际铁路是中国高速铁路的示范性和标志性工程,具有典型的示范意义:首先,京津城际的成功无论在综合技术、单项技术上都有借鉴和示范作用,为正在大规模展开的客运专线建设提供借鉴;其次,通过京津城际铁路的实践,我们看到了高铁对于拉动区域经济增长的作用;再次,在这个过程中,验证了中国技术的可行性、合理性,这极大地增强了中国技术人员建设高铁的自信心。从技术本身来说,尽管中国目前已达到世界的领先水平,但我们技术人员还要不断努力,在高速铁路设计中不断创新。