工程科技高速铁路技术简介

工程科技高速铁路技术简介

京沪高速铁路工程概况与技术体系 2021/2/11 2 一、工程概况 二、技术体系构成 三、轨道 四、路基 五、桥梁 六、隧道 七、站后技术 八、质量管理与技术创新 主要内容 2021/2/11 3 一、工程概况 ● 高速铁路一般是指最高行车速度达到 250km/h 及以上的新建铁路和最高行车速度 200km/h 及以上的既有线提速铁路。 ● 高速铁路的发展趋势是：设计速度 350km/h 。 2021/2/11 4 一、工程概况 高速铁路以其占地少、能耗低、污染小、成本低、运量大、全天候的比较优势，在世界范围内呈现出方兴未艾之势。截至目前，世界上其他国家或地区高速铁路已经建成并投入运营的长度达到 7412km ，正在建设的长度达 2934km ，准备建设的线路长度达 9036km ，既有线改造成高速铁路的线路长度达 9732km 。 2021/2/11 5 一、工程概况 我国自 1992 年实施铁路提速以来，先后开展了六次大面积提速， 200km/h 及以上线路长度达到 6003km ；根据中长期铁路网规划，至 2010 年建设客运专线 5000km ，至 2020 年建设客运专线 1.2 万 km 以上，客车速度目标值达到 200km/h 及以上。 2021/2/11 6 京沪高速铁路是目前世界上标准最高、规模最大、一次建成线路最长的高速铁路，是新中国成立以来我国基础设施建设的最大项目。十几年来，国内专家潜心研究，博采众长，逐步形成适合中国国情路情、具有自主知识产权、达到世界一流标准的高速铁路技术体系，为京沪高速铁路建设奠定了坚实的基础。 一、工程概况 2021/2/11 7 一、工程概况 线路经北京、河北、天津、山东、江苏、安徽、上海等四省三市，衔接环渤海湾经济带及长江三角洲经济带。是一条贯穿东部发达地区的交通大通道，线路走向与既有京沪铁路基本平行 线路全长1318 km。 2021/2/11 8 一、工程概况 线路位于东部沿海平原地区,局部地区通过低山丘陵,大部分地形平坦。平原地区地质条件普遍较差,软土、松软土分布较广，基底松软，廊坊、天津、沧州、德州以及常州至上海区域地面沉降较严重。 2021/2/11 9 一、工程概况 冬季施工时间： 北京至黄河： 4 个月（ 11 月至 2 月） 黄河至淮河： 3 个月（ 12 月至 2 月） 淮河至长江： 2 个月（ 12 月中旬至 2 月中旬） 长江至上海： 1.5 个月（ 1 月至 2 月中旬） 沿线土壤最大冻结深度划分如下： DIK0+000—DK75+300 0.8m DK75+300—DK196+900 0.6m DK196+900—DK569+000 0.5m DK569+000—DK667+026 <0.5m DK665+100—DK1309+150 <0.5m 2021/2/11 10 沿线经过海河、黄河、淮河、长江四大水系，河渠、滞洪、行洪区密布 ，跨越 5 级以上通航河流 16 处。 交通便利，等级以上公路 140 条。 跨越既有铁路 59 处。 全线涵洞平均 3.6 处 /km ，宁沪段平均 9.7 处 /km 。 一、工程概况 2021/2/11 11 正线技术标准： 铁路等级：高速铁路。 正线数目：双线。 设计速度： 350km/h ，初期运营速度 300km/h 。跨线列车运营 速度 200km/h 及以上。 线间距： 5.0m 。 最小曲线半径：一般 7000m ；困难 5500m 。 最大设计坡度： 20‰ 。 到发线有效长度： 650m 。 牵引种类：电力。 列车类型：动车组。 列车运行控制方式：自动控制。 行车指挥方式：综合调度。 一、工程概况 2021/2/11 12 主要工程内容和数量： 全线正线长度 1318km ，共有 19 条联络线，长度 136.012km （单线），动车组走行线累计长度 28.481km （单线），既有线改建 35.064km （单线），设 5 个始发站、 16 个中间站和 2 个越行站。 一、工程概况 2021/2/11 13 主要工程内容和数量： 全线正线桥梁 247 座， 1061km ，占全长的 80.5% ，箱梁 31013 孔， T 梁 2587 孔，各种特殊结构 397 处。设箱梁预制场 48 处。 路基 241km ，占全长的 18.3% ，主要分布在济南至徐州、滁州至镇江段，以及廊坊、沧州、德州、宿州、虹桥等站场内。地基处理主要采用 CFG 桩，总长度 2300 万 m 。土石方 5682 万 m 3 。 隧道 22 座 16km ，占全长的 1.2% ，主要分布在济南至徐州、滁州至镇江段。 一、工程概况 2021/2/11 14 主要工程内容和数量： 无砟轨道 1200.366km( 双线 ) ，占 91% ，设预制板场 24 处；正线铺轨 2618km （单线）；联络线及动车走行线铺轨 160km （单线），站线铺轨 355km ；道岔 1007 组。 一、工程概况 2021/2/11 15 主要工程内容和数量： 房屋面积 32.6 万 m 2 （不含虹桥站及相关工程面积）；接触网约 4000 条 km ；牵引变电所 27 座；光纤传输系统 1318 正线 km ；列车控制系统 1318 正线 km 。 征地 66908 亩；房屋拆迁 509.1 万 m 2 。 一、工程概况 2021/2/11 16 工程总体特点 本工程是世界上一次建设标准最高、线路最长、穿越城镇最多、社会影响最大的高速铁路，其主要特点是： ● 建设标准高： 速度高：设计时速 350km 、初期运营时速 300km 。 密度大：行车间隔 3min 。 寿命长：主体工程使用寿命 100 年以上，无砟轨道使用寿命 60 年以上。 从而对轨道的平顺性和稳定性、基础工程的沉降和结构变形、列控系统和电力系统的配置以及工程结构的耐久性提出了高标准要求。 一、工程概况 2021/2/11 17 工程总体特点 ● 工程规模大： 一次建设线路最长：正线长度 1318km 。 桥梁和无砟轨道数量最大：桥梁 1061km ，箱梁 3 万多孔，桩基 础 30 多万根；无砟轨道 1200km ，轨道板 48 万多块；混凝土 6000 多万方。 地基处理和路基土石方数量大： CFG 桩 2300 多万延米，土石方 5600 多万方。 从而出现施工设备多、作业面多、上场人员多的“三多”场面。 一、工程概况 2021/2/11 18 工程总体特点 ● 技术难点多： 施工控制高精度对土木工程理念的挑战：基础沉降、结构变形、无砟轨道铺设都要求毫米级控制，对土木工程理论提出新的挑战甚至颠覆，理论与实践的矛盾将日益突出，并影响高速铁路标准的统一和技术的成型。 地质条件复杂，基础沉降控制难度大：软土、松软土广泛分布，区域性地面沉降范围大，岩溶、膨胀土、黄土、采空区、断裂带多有分布。 一、工程概况 2021/2/11 19 工程总体特点 ● 技术难点多： 特殊结构和特大型结构多，结构变形控制与施工协调难度大：特殊结构桥梁数量达到 397 处，大型枢纽 4 处，高架车站 6 座，南京大胜关长江大桥为 6 线最大跨度 336m 钢桁拱桥，最长桥梁达 164km 。 线长点多，环境变化大，原材料尤其是地材来源复杂，工程质量及耐久性控制难度大。 一、工程概况 2021/2/11 20 工程总体特点 ● 技术难点多： 环保问题多：地处东部经济发达地区，工程主要分布在两大平原和三大水系范围内，施工泥浆和取弃土量大，处理困难；城市化程度高，宁沪段城市群基本形成，减振降噪难度大；多为高架结构，低频噪声还没有好的处理措施。 专业协调问题多：桥、隧、路、轨道过渡段多，站前站后工程接口多，三电迁改与地下管线迁改工作量大。 从而要求增强技术创新力度，突破关键技术，形成具有自主知识产权时速 300km 到 350km 的高速铁路技术体系。 一、工程概况 2021/2/11 21 一、工程概况 工程建设管理 贯彻“以人为本，服务运输，强本简末，系统优化，着眼发展”的理念，全过程按“质量、安全、工期、投资、环保和技术创新”六位一体统筹建设工作，把京沪高速铁路建设成资源节约型、环境友好型的世界一流高速铁路。 按照“整体设计、系统建设、优质高效、一次建成”的原则，全线工期按 60 个月安排。 2021/2/11 22 二、技术体系构成 体系（ system ）：也就是系统，包括组成该系统的子系统、相关技术标准、技术方案。体系突出的是各子系统的相互关联和协调。 2021/2/11 23 2021/2/11 24 高速铁路 与普通铁路的区别： 惟一指标是高速度。 高速铁路技术就是实现高速度的技术。 高速度对铁路技术体系提出哪些要求将是高速铁路技术体系需要研究和解决的关键问题。 二、技术体系构成 2021/2/11 25 高速度对轨道的要求： 高平顺和高稳定性。 高平顺的核心：保持轨道结构良好的几何状态。 高稳定性：指轨道保持高平顺性的能力，是指轨道在高速运营条件下保持高平顺性与均衡弹性、维持部件有效性与完整性的能力， 标志是少维修或免维修。 措施：以无砟轨道为主要轨道结构形式，铺设跨区间无缝线路。 条件：运用高精度和高可靠性的轨道部件。 要求：铺设高精度，养护高质量 三、轨道 2021/2/11 26 三、轨道 铺设高精度 项目 EN 标准 法国 德国 西班牙 日本 中国 速度（ km/h ） 250 ～ 300 200 ～ 250 >200 >200 >200 >200 ≥300 轨距（ mm ） ±2 ± 2 ±3 ±1 （ ±2 ） 水平（ mm ） ±2 ±2 3 ±2 4 2 1 （ 2 ） 高低（ mm ） 2/10m 3/20m 3/10m 4/20m 3/10m 2/5m 3/10m 2/10m 2/10m 轨向（ mm ） 2/10m 3/20m 3/10m 4/20m 2/10m 2/10m 3/10m 2/10m 2/10m 扭曲（ mm ） 3/3m 3/3m 3/3m 4/3m 1.5/2.5m 2/6.25m 2021/2/11 27 三、轨道 养护高质量 内容 日本新干线 法国高速铁路 德国高速铁路 项目 计划维修 舒适性 安全性 VA VI VR SR A SR 100 SR lim SR 极限 高低 / mm 6/10m 7 ～ 10/40m 7/10m 7 ～ 10/40m 10/10m 7 ～ 10/40m 5/12.2m 10/31m 10/12.2m 18/31m 15/12.2m 24/31m 5/6m 7/6m 9/6m 18/6m 轨向 / mm 4/10m 6 ～ 7/40m 4/10m 6 ～ 7/40m 6/10m 6 ～ 7/40m 6/10m 12/33m 8/10m 16/33m 12/10m 20/33m 5/6m 7/6m 9/6m 18/6m 轨距 / mm +6 -4 +6 -4 +6 -4 +5 +10 -3 +15 -4 水平 / mm 5 5 7 5 7 9 10 扭曲 / mm 4/2.5m 5/2.5m 6/2.5m 2/2.5m 3/2.5m 车体垂加 /g 0.25* 0.25* 0.35* 0.10 0.13 0.15 车体横加 /g 0.20* 0.20* 0.30* 0.12* 0.22* 0.28* 0.10 0.13 0.15 2021/2/11 28 三、轨道 国家 轨道结构 钢轨 轨枕 扣件 道床 日本 有砟轨道 60kg/m JIS E 1101 整体式 长 2.4m 重 325kg 120 双重弹性，扣压力 6kN ， 垫板厚 10mm ，刚度 60kN/mm 颗粒级配 19/63 ， 厚度 300mm 无砟轨道 板式无砟轨道 直结 4 或直结 8 ，扣压力取决于扭矩， 轨下垫板厚 10mm ，刚度 30kN/mm 德国 有砟轨道 60kg/m UIC60E1* 900A 整体式 长 2.6m 或 2.8m 重 330kg 或 380kg HM Vossloh ，扣压力 11kN ， 垫板厚 10mm ，刚度 60kN/mm 颗粒级配 22.4/60 ， 厚度 350mm 无砟轨道 以轨枕埋入式 无砟轨道为主 Vollsoh 300 ，扣压力 10kN ， 弹性基板厚 10mm ，刚度 22.5kN/mm 法国 有砟轨道 60kg/m UIC60E1 900A 双块式 / 整体 长 2.4m 重 248kg/290kg Nabla ，扣压力 11kN ， 垫板厚 9mm ，刚度 150kN/mm 颗粒级配 25/50 ， 厚度 300mm 西班牙 有砟轨道 60kg/m UIC60E1 900A 整体式 长 2.6m 重 320kg HM Vossloh ，扣压力 11kN ， 垫板厚 6mm ，刚度 500kN/mm 颗粒级配 30/60 ， 厚度 300mm 意大利 有砟轨道 60kg/m UIC60E1 900A 整体式 长 2.6m 重 315kg Pandrol ，扣压力 14kN ， 垫板厚 10mm ，刚度 100kN/mm 颗粒级配 30/60 ， 厚度 350mm 韩国 有砟轨道 60kg/m UIC60E1 900A 整体式 长 2.6m 重 300kg Pandrol ，扣压力 14kN ， 垫板厚 10mm ，刚度 65 ～ 95kN/mm 颗粒级配 22.4/63 ， 厚度 350mm 中国 有砟轨道 CHN60 U71Mn(K) U75V 整体式 长 2.6m 重 350kg 扣压力 10kN 垫板刚度 55 ～ 75kN/mm 颗粒级配 22.4/63mm 厚度 350mm 无砟轨道 板式无砟轨道 扣压力 10kN 垫板刚度 20 ～ 30kN/mm 2021/2/11 29 三、轨道 有砟轨道具有建设费用低、噪音传播范围小、建设周期短、破坏时修复时间短、自动化及机械化维修效率高、轨道超高和几何状态调整简单等优点。 有砟轨道对高速度的适应性？ 2021/2/11 30 三、轨道 有砟轨道能否满足高速铁路平顺性的要求 ？ 比如：我国高速铁路要求高低和方向的铺设 精度为2 mm/10m 目前最先进的养路机械作业精度为 4 mm/16mm 有砟轨道难以达到我国高速铁路平顺性要求 2021/2/11 31 三、轨道 有砟轨道是否具备保持轨道高平顺的能力 ？ 传统铁路：道床维修量占线路维修量的70%以上 DB： 高速铁路线路维修量是传统铁路的2倍，通过总重5亿 t 需要更换道砟（传统铁路为10亿 t） SNCF ： TGV 东南线820 km 线路，14年统计结果是 每年需要对400 km 线路进行大机作业，最多的一年达600 km 大机作业后需要慢行，对运输的干扰比较大 有砟轨道保持高平顺的能力比较差，维修量大 2021/2/11 32 三、轨道 桥上有砟轨道的稳定性问题 ： 道砟粉化，共振导致道床液化，道床失稳解决的措施： ①桥梁结构优化：目前已经取了2倍的安全系数，对经济性已造成影响，优化空间有限 ②采用道砟垫：虽然起到了隔振作用，但减少了道砟与桥面的摩擦力，加剧了道床的振动 ③弹性轨枕：减少了振动的传递，但纵横向阻力的减少对无缝线路稳定不利 京沪 HSR 桥梁比例大，一些长桥长度长达数十 km， 最长的甚至达100多 km， 如此长大高速铁路桥梁上铺设有砟轨道，国外没有相应的经验可借鉴 由于上述工程措施可靠性较差，问题还没有解决 2021/2/11 33 三、轨道 软土路基上有砟轨道能否实现350 km/h ？ 速度提高到一定限度，轮轨关系以及轮轨振动在轨下基础的传播机理还没有完全被掌握 轮轨振动在轨道中传播的是体波，在路基中传播的是表面波，体波和表面波波速至少是线路设计速度的1.5 ～ 2倍才能以设计速度开通运营 对于设计速度350 km/h 的线路来说，要求轨道体波和路基表面波达到（525 ～ 700） km/h。 目前国内还没有试验资料能够证明采取措施能够满足此要求，技术风险依然存在 2021/2/11 34 三、轨道 防止道砟飞散引发的安全措施？ 道砟飞散引发车辆和钢轨伤损以及相应的 安全问题 法国国铁有一支专门的钢轨表面伤损焊补队伍，说明法国由于道砟飞散造成的钢轨伤损是一种客观存在 我国目前高速铁路采用的有砟轨道结构与既有铁路有砟轨道结构没有本质区别，防止道砟飞散问题还没有引起足够重视，安全隐患依然存在 2021/2/11 35 三、轨道 对设计速度350 km/h 的高速铁路来说，有砟轨道不仅存在平顺性和稳定性难以满足问题，还存在其他技术风险需进一步研究。 2021/2/11 36 三、轨道 无砟轨道具有满足高速要求的技术优势和综合效益 无砟轨道作为混凝土工程，工厂预制和现场浇注精度能够控制，可以满足铺设高精度的需要，而且现有的轨检小车与全站仪组合的测量系统，测量精度能够保证铺设精度要求 2021/2/11 37 三、轨道 无砟轨道具有满足高速要求的技术优势和综合效益 影响无砟轨道平顺性的因素中，作为轨下基础的混凝土变形和位移都能够控制，除扣件外，对平顺性影响的因素很少，因此维持平顺性能力强，能够保持轨道稳定，少维修。据统计，无砟轨道维修工作量仅为有砟轨道的 18 ～ 35% 2021/2/11 38 三、轨道 无砟轨道具有满足高速要求的技术优势和综合效益 桥上无砟轨道与桥面系形成一个完整的系统，提高了轨道的整体性，有利于改善整体振动性能，从标准上来看，有砟轨道桥梁竖向振动限值为0.35 g， 而无砟轨道桥梁为0.5 g， 后者抗振性能优于前者 由于无砟轨道单位重量轻（有砟轨道107 kN/m， 单元板式轨道65 kN/m， 双块式轨道74 kN/m）， 可以减轻桥梁二期恒载，降低造价。我国目前设计的桥梁无砟轨道梁部结构比有砟轨道要减少23万元/ km 2021/2/11 39 三、轨道 无砟轨道具有满足高速要求的技术优势和综合效益 随着无砟轨道质量的减轻，轨道体波和路基表面波速度都能大幅度提高，容易满足设计速度 350km/h 的要求 无砟轨道可减少传递到路基上的荷载，改善路基承载条件。国内对有砟和无砟轨道路基认识有偏差，认为前者工后沉降标准可以低于后者，从而可以减少路基建筑成本。从国外标准来看，没有看到两者工后沉降的区别；特别是 DB 标准，有砟轨道路基面压实标准 E v2 =80MPa，E vd =40MPa 反而高于无砟轨道 E v2 =60MPa，E vd =35MPa 路基基床的填筑费用要高于无砟轨道 2021/2/11 40 三、轨道 无砟轨道具有满足高速要求的技术优势和综合效益 国外资料表明，传统有砟轨道、日本板式、德国双块式建设费用依次为1037、1345、1315美元/ km, 年维修费用则依次为125、114和114美元/ km， 一般情况下可在10 ～ 12年内无砟轨道收回投资。 国内根据试验段投资情况和国外维修资料推算，采用无砟轨道可在30 ～ 35年收回投资。 不管国外还是国内，在无砟轨道整个生命周期（60年）内，其综合效益都比有砟轨道好。