高斯斌

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



哈尔滨至大连高速铁路设计创新及关键技术回顾

高斯斌

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：对哈尔滨至大连高速铁路的设计创新及关键技术进行回顾总结，系统阐述在路基防冻胀技术、大跨度桥梁结构设计、接触网融冰技术、道岔融冰除雪等方面的研究创新及成功应用，以哈大高速铁路设计为依托，形成完整的、系统的高纬度严寒地区修建高速铁路的修建技术。

关键词：严寒地区；高速铁路；设计；关键技术；创新；回顾

1概述

20世纪未，我国铁路规划部门根据我国交通运输的国情，结合国际铁路技术发展方向，提出了全面建设高速铁路的宏伟战略方针，战略性地提出我国”四纵四横”高速铁路网建设的宏伟蓝图，哈尔滨至大连高速铁路(简称哈大高速铁路)是”四纵四横”快速铁路网的重要组成部分。在高纬度季节性冻土地区建设时速350 km的高速铁路，在国内外无成熟设计实践经验和理论可借鉴，2002年原铁道部发展计划司安排开展高纬度严寒地区哈尔滨至大连高速铁路的研究，成立了寒区高速铁路路基及涵洞防冻胀技术研究(铁道部科技司2006G011-B-3)、严寒地区道岔融雪系统试验研究(铁道部鉴定中心追加课题，科技成果评审证书:2014中铁建科评102号)、严寒地区无砟轨道关键技术研究(铁道部科技司2007G044-H)、哈大高速铁路接触网防(融)冰技术研究(铁道部科技司2007J004)、哈大高速铁路大跨度钢箱叠拱梁关键技术研究(铁道部科技司2006G011-C-2)等科研课题进行了专项研究。经过5年多的技术积累，由国内多家科研院所参加、进行了充分的技术论证和探索，形成了完整的高纬度严寒地区高速铁路技术，哈大高速铁路于2007年7月破土动工建设，2012年12月开通运营。近3年来的运营实践，充分证明了哈大高速铁路是一条技术先进的、建设在高纬度严寒地区的高速铁路，对我国北方严寒地区的高速铁路建设有着重要的示范作用，同时为我国高速铁路技术的丰富和发展提供了宝贵经验。

2项目特点

哈大高速铁路位于北纬38°～47°，纵贯东北三省，线路穿越我国东北中部山前平原重度季节冻土区，由沿线三省气象资料可见，本线所经地区极端最低温度-39.9 ℃，最大积雪厚度30 cm，土壤最大冻结深度在93～205 cm，严冬季节历时长达5～6个月。

线路经过东北辽河、松嫩两大平原区，地势平坦，全段软土、松软土广泛分布。软土主要分布于大河的一级阶地和河漫滩及丘陵洼地内，一般厚2.0～6.5 m，统计段落长23.2 km。松软土广泛分布，由南到北逐渐增厚，多为粉质黏土、粉土、黄土及部分粉、细砂层，埋深多在10 m以上，部分埋深达35 m，厚2～25 m，沿线各河流及其支流河床、漫滩及一级阶地内砂、卵、砾石层中的潜水，地下水位埋深多为1～5 m。东北地区雨量充沛，年平均降水量591.5～674.7 mm，受大气降水和地表水补给，水量丰富。冻胀的产生主要取决于充分的水分补给、冻结过程和冻胀敏感性土体。土体中的水分是导致冻胀的物质因素，在这样的严寒地区新建高速铁路面临着冻胀破坏构筑物、严寒气温下机械设备受冻变形及覆冰停止运转等技术问题。冬季沿线最大积雪厚度在17～30 cm，平均风速为2.5～3.7 m/s。由于自然降雪和风吹雪的影响，势必使路基面形成较厚积雪，产生风吹雪埋路和路堑积雪的灾害，影响列车运行。

3取得的主要成就

3.1形成了系统的路基防冻胀技术[1-5]

寒区高速铁路路基及涵洞防冻胀技术研究结合哈大高速铁路沈哈段工程建设，通过在施工现场建立课题试验段进行长达4年的现场测试研究，提出了适用于高纬度严寒地区高速铁路路基及涵洞综合防治冻胀技术。

3.1.1路基基床防冻层防冻胀技术[1]

国内首次提出路基防冻层概念，并对防冻层材料所使用的粗颗粒土的冻胀敏感性判定标准和使用条件、防冻层设置厚度、部位、适用条件等设计参数进行试验研究，对其抑制路基基床冻胀的有效程度进行评估。粗颗粒土作为防冻层材料，要使其完全不冻胀，其中粉黏粒含量不得超过5%。防冻层宜设置在路基基床部位，并尽可能靠近路基面，其厚度根据设计冻深确定。设计冻深需在天然冻深上乘以一个修正系数，根据本试验研究成果，一般粗颗粒土路堑段该系数可取1.3。同时，防冻层设置厚度不宜过大。图1为防冻胀层的施工照片。

图1　防冻胀层施工

3.1.2路基防水防冻胀技术[2]

温度的变化能够引起土体内水分迅速迁移，向冻结锋面汇集，从而引发土体更大的冻胀。因此，防治冻胀的另外一个途径就是阻止水分在温度影响下的迁移汇集。采取多重隔断措施隔断路基基床各层位土体间水分迁徙，阻断外界水分补给通道是较为有效的方法。无论是在冻结期还是在融化期，渗沟均能降低地下水水位至不产生冻胀的地下水的最小高度以下(前述2.92 m)。渗沟最小埋设深度H根据最大冻结深度按下式计算

3.1.3保温法防治冻胀技术[3]

保温材料能够应用于高速铁路路基防冻胀，试验路基所使用的保温材料在冻融循环和疲劳损伤条件下，其导热系数、变形和抗压强度等物理力学指标损耗率均小于1%。保温材料能有效保证其下路基基床土体随时间变化处于一个相对稳定的正温区间内，从而消除路基冻胀发生的温度条件。保温材料宜铺设于路基基床表层下部，整个路基面满铺，其厚度不宜过大，6 cm左右为较为合理的厚度。路基防冻胀保温层设置见图2。

图2　路基防冻胀保温层施工

3.1.4涵洞路基防冻胀技术[6]

涵洞周围路基内形成的冻结圈呈倒钟形，冻结圈首先在涵底基础和涵顶填土中形成，然后在侧壁填土中形成。涵周路基和涵底地基中最大冻深远大于天然场地的最大冻深，大致为当地天然冻结深度的2.0倍。处于多向冻结条件下的涵周路基，采用换填改良填料(级配碎石掺水泥)防治路基冻胀是有效的，最小换填范围为当地天然冻深的2.0倍[1]。

3.1.5寒区路基边坡稳定技术[7]

寒区路基边坡的稳定性，主要受土体在经历冻融作用其抗剪强度指标大幅度衰减影响，最重要的影响因素为冻融次数、含水率和地下水位埋深。试验研究采用的“拱形骨架+多层仰斜式排水管+坡脚铺设保温板+植物防护”这种组合式的防护形式对抑制寒区路堑边坡冻胀融沉效果明显。从图3可以详细看出组合式路基边坡结构。

图3　路基边坡防冻胀施工

3.2确立了严寒地区大跨度桥梁上设置钢轨伸缩缝调节器技术[8，9]

哈大高速铁路在第二松江特大桥上设置了钢轨伸缩缝调节器，建立桥梁、无砟轨道、无缝线路一体化模型，通过静、动力学分析和实测试验，揭示了桥梁与无缝道岔作用机理和变形特性，确定了桥上无缝道岔及伸缩调节器位置、桥梁变形等关键参数；提出了适应寒冷环境及特殊轨道部件较高变形要求的无砟轨道结构、轨道限位方式、弹性材料技术指标。解决了轨温变化幅度95 ℃的严寒地区大跨度桥上高速无缝道岔及钢轨伸缩调节器的变形控制方法，完善桥上无砟轨道无缝线路设计理论。图4为哈大高速铁路第二松花江特大桥沈阳端设置的钢轨伸缩缝调节器。

图4　实铺钢轨伸缩缝调节器

3.3建立健全了严寒地区高速铁路大跨度钢箱梁设计理论

哈大高速铁路新开河特大桥中的138 m钢箱叠拱桥为国内首次采用的新型拱桥结构、是国内第一座应用实体圆钢吊杆的铁路桥梁，也是目前国际上同类桥梁中的跨度最大、位于最严寒地区的桥梁[9]。

该工程是铁道部重点科研攻关项目，也是国内铁路领域首次采用的新型拱桥结构，该工程的建成通车，填补了国内桥梁工程领域的空白。图5为哈大高速铁路新开河特大桥跨越长春富民大街采用的138 m钢箱叠拱桥。

图5　钢箱叠拱桥

3.3.1第一次将实体圆钢吊杆应用于铁路叠拱桥梁

通过一系列实体分析及试验研究，首次将实体圆钢吊杆应用于铁路叠拱桥梁，解决了实体圆钢超长吊杆的连接、与系梁拱肋耳板的连接、尤其是长期承受较大动荷载的低温严寒疲劳问题，综合考虑使用低温环境以及高速铁路行车密度的影响后，得到实体圆钢吊杆的疲劳应力幅达到96 MPa以上，能够满足大桥低温下运营100年的使用要求，为今后钢箱叠拱桥、实体圆钢吊杆在铁路桥梁的应用奠定了坚实的基础，为拱桥提供了一种新型的吊杆结构形式。

3.3.2首次对大跨双箱叠拱拱脚合理构造进行试验研究

双层叠拱在拱脚相交在一起，其传力途径发生改变，其构造处理最为重要；针对新开河138 m钢箱叠拱桥拱脚，设计并加工1∶2比例的拱脚模型进行模拟静力加载试验和焊接残余应力测试。首先采用9.0版ANSYS空间有限元结构分析通用软件建造有限元模型进行数值分析，优化加载方案，提出了测试重点。

通过加载试验掌握了拱脚结构的受力和传力途径，实测结果与有限元分析相符。研究表明，拱脚应力流具有指向性，主应力基本上顺着拱肋方向向支座方向和系梁方向传递，上下拱肋对应拱脚隔板应力分布比较均匀，验证了拱脚结构设计的合理性。

3.3.3新建了世界上第一座铺设无砟轨道的钢箱叠拱桥

在东北严寒、且温差达74.5°的地区，按照常规方式布置支座，均无法满足“铺设无砟轨道桥梁相邻梁端两侧的钢轨支承点横向相对位移不应大于1 mm”的规范要求，经认真分析研究，设计完成竖向可自由伸缩，但能够限制横向位移的限位支座，打破常规在端横梁上布置3个支座，中间为横向限位支座，两侧均为横向活动支座，既不改变原结构的受力方式，又圆满解决了“无砟轨道桥梁相邻梁端两侧的钢轨支承点横向相对位移”难以满足要求的难题。

3.4建立了成熟的严寒地区高速铁路无砟轨道修建技术[13]

3.4.1提出了适应严寒地区高速铁路的无砟轨道结构形式

根据严寒地区的环境气候条件、线下基础及无砟轨道的结构特点，通过轨道结构选型研究、多种类型的无砟轨道的创新研究，首次提出寒冷地区高速铁路无砟轨道采用单元结构，单元结构有利于减小温度应力，控制混凝土结构裂缝，提高轨道结构的耐久性。基于上述设计理念，确定区间正线轨道采用I型板式无砟轨道，道岔区采用轨枕埋入式单元无砟轨道。图6为哈大高速铁路昌图段路堑段铺设的Ⅰ型板无砟轨道照片。

图6　路堑段Ⅰ型板无砟轨道

3.4.2建立了严寒地区高速铁路Ⅰ型板式无砟轨道修建技术

针对严寒低温、冻融环境，通过Ⅰ型板式无砟轨道关键技术的系统研究、试验段铺设试验，研制了适应-40 ℃低温条件的低弹模耐寒型沥青水泥砂浆，制订了寒冷地区沥青水泥砂浆调整层的技术标准；系统研究了先张法及后张法2种轨道板的结构尺寸、预应力体系、轨道板抗裂防冻、制板工艺，编制了轨道板通用图，形成了严寒地区轨道板制造关键技术；创新严寒地区底座、凸台、树脂及防排水结构，提出路基地段底座每隔10 m左右设置横向伸缩缝，防止轨道板离缝，避免底座裂缝；提出路基上采用混凝土底座预埋排水管的排水方式，适应季节性冻土区防冻胀要求。该结构填补了国内外在严寒地区应用无砟轨道的技术空白。

3.5接触网融冰技术

高速铁路接触网防(融)冰技术及运行试验项目的接触网覆(融)冰特性理论模型、防(融)冰状态下牵引供电系统仿真模型、最大限度保证列车运行的在线防(融)冰工程实施方案、接触网防融冰相关装置等研究成果，均属于填补国内外空白，研究成果可直接指导接触网防(融)冰工程设计及施工，研制的产品可直接应用于工程现场。

(1)提出了接触网融冰工程计算公式

根据接触网覆(融)冰时不能扭转的特殊性，建立了带冰棱覆冰导线的覆融冰模型、接触网融冰的仿真模型，提出了接触网融冰计算公式。

(2)建立防(融)冰工况下牵引供电系统通用的仿真计算模型

依据多导线理论，结合防(融)冰装置电气特性建立特殊节点防(融)冰工况下牵引供电系统通用的仿真计算模型。

(3)提出并现场试验了具有能最大限度保证列车运行、在线防(融)冰功能、可靠性高且工程易实施的“接触网-地回路交流融冰方案”。

(4)研制了采用隔离开关(或无励磁分接开关)对融冰功率进行分级调节的接触网防(融)冰装置，研制了可直接测量接触网导线温度并通过光纤或无线传送测试数据的在线监测装置。

3.6大号码道岔融冰除雪技术的突破[14-15]

针对东北地区铁路道岔易被雪埋，容易造成道岔转换困难、道岔不密贴，影响行车安全和运输效率气候特点、高速铁路封闭运营的使用特点和广泛采用大号码道岔的技术特点，对严寒地区的道岔融雪系统设备配置进行了对比研究，确定了严寒地区电加热道岔融雪系统的设备构成，确定了不同类型道岔加热功率的配置和更加有效的加热条安装位置及安装方式等，并在哈尔滨铁路局夏家线路所进行了试验验证。图7为在长春西站试铺的国内唯一的1组62号特大号融冰除雪道岔。

图7　62号融冰除雪道岔

3.6.1确定严寒地区大号码道岔不同部位的加热要求

针对高纬度严寒地区的气候特点，确定各种类型道岔在严寒条件下的加热元件功率配置并经过试验验证：尖轨自尖端起3～5 m范围内加热功率按700 W/m配置能够满足严寒地区大雪气候条件下的融雪要求；心轨部位加热功率按350 W/m配置能够满足严寒地区大雪气候条件下的融雪要求。

3.6.2对加热元件进行了创新

制定在基本轨、尖轨分别配置加热元件的方案，在传统道岔融雪系统加热元件的配置方案基础上进行创新，有利于提高道岔融雪系统的融雪效果，节约能源。

3.6.3设计了自动控制轨温启动应用系统

确定道岔融雪系统应采用以自动控制轨温方式为主、手动控制方式为辅的控制方案。该方式在保证融雪效果的前提下节省人工、节约能源、延长设备使用寿命，符合铁路装备节能、环保的发展方向。

3.6.4提出采用钢轨轨腰打孔方式安装加热元件

消除了采用传统弹性卡具安装加热元件方式存在的卡具易断裂、脱落，对行车安全带来的隐患。研究试验证明打孔安装加热元件的方式能够满足融雪要求，并使加热元件安装更加牢固、可靠。

4结语

哈大高速铁路开通运营近3年来，经工务部门检测，线路运行状态良好，沉降控制在15 mm以内，2013～2014年两年间采用夏季运行速度300 km/h，冬季运行速度200 km/h的冬夏运行表，没有发生任何运营的安全事故，2015年开始采用全年一张运行图运行，列车运行速度采用300 km/h，实践证明本线防冻害设计是可行的。开通3年以来运营情况统计如下：2013年旅客运送量1901.6万人，营业收入41.5亿元；2014年旅客运送量1992万人，比上年增加4.7%，营业收入45.7亿元，比上年增加10%； 2015年1～10月份旅客运送量1946.1万人，营业收入44.3亿元； 2015年全年预计完成旅客运送量2250万人，预计比上年增加13%，营业收入预计50亿元，预计比上年增加9%。随着运营时间跨度增加，运营收益必将持续稳定地增长，由此可见铁路总公司运营收入有保障，同时哈大高速铁路的建成和安全运营为振兴东北老工业基地，实现东北地区腾飞梦奠定了良好基础。

本项目一系列研究试验成果不但全面应用在哈大高速铁路的修建过程中，还在哈齐高速铁路、兰新铁路第二双线，以及兰州、西宁、乌鲁木齐站改等工程项目中推广应用，同时为俄罗斯莫斯科至喀山等北欧高速铁路项目咨询工作打下了坚实的理论基础，为我国高速铁路走向世界提供了宝贵经验。

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收稿日期：2015-08-26； 修回日期：2015-11-19

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2006G011-B-3，2006G011-C-2，2007G044-H，2007J004，Z2010-028 )；中铁第一勘察设计院集团有限公司科研课题(院科06-28)

作者简介：高斯斌(1966—)，男，高级工程师，1989年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业，工学学士，E-mail：120356793@QQ.com。

文章编号：1004-2954(2016)06-0009-05

中图分类号：U238

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.003

Design Innovation and Key Technology Review of Harbin to Dalian High-speed Railway

GAO Si-bin

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China)

Abstract：This paper reviews the design innovation and key technology of Harbin-Dalian High-speed Railway，and systematically describes the innovation and successful application of subgrade frost-heaving technology，structural design of large span bridge，catenary ice-melting technology，and turnout snow-removing and ice-melting technology. A complete and systematic theory for high-speed railway construction in regions of high latitude and severe cold is established based on the summary of Harbin-Dalian High-speed Railway design．

Key words：Severe cold area; High speed railway; Design; Key technology; Innovation; Review