“中國芯”掃清“限速點”高鐵速穿世界級橋梁

  4月22日,中國鐵建所屬鐵四院總體設計的商合杭高鐵合湖段試驗列車順利跑出最高測試時速385公里,實現了聯調聯試階段性目標,為今年的全線通車運營奠定了基礎。商合杭高鐵是我國“八縱八橫”高鐵網京港(臺)通道和京滬通道的重要組成部分,設計時速350公里,其中北段即商丘至合肥段全長378公里,已于2019年12月1日建成運營。南段即此次聯調聯試的合肥至湖州段,全長約311公里,線路從合肥向南進入馬鞍山市含山縣時,將誕生一座世界級橋梁——裕溪河特大橋。

  裕溪河特大橋全長686米,主跨324米,橋面鋪設采用我國自主知識產權的CRTS Ⅲ型板式無砟軌道。這是我國時速350公里高鐵大跨度斜拉橋建設中,首次在300米以上跨度橋梁中采用無砟軌道結構形式,是當前世界最大跨度的無砟軌道高鐵橋梁。

  無砟軌道具有高平順、高穩定、高耐久性、以及少維修等優點。商合杭高鐵全線軌道類型統一,意味著高鐵通過裕溪河特大橋時,無須降速,即可以350公里的時速通過該大橋。

  讓大橋“脫胎換骨”

  世界一跨千米的斜拉橋并不罕見,但能讓高鐵飛馳的斜拉橋目前主跨都在200米以下,而且列車最高運行時速多在250公里以下。要想讓動車組列車過橋時不降速,且能平穩行駛,就要嚴格控制橋梁和軌道的震顫和變形幅度。

  “這就需要在橋梁結構創新上動腦筋、下功夫?!辫F四院副總工程師文望青介紹,大橋需要先“脫胎換骨”。裕溪河大橋324米的主跨,設計中首次在高鐵斜拉橋上采用箱桁組合結構,大大提高了結構剛度,使容易變形的大跨度橋梁更“硬氣”,保證了對無砟軌道適應性要求。

  


  商合杭高鐵裕溪河特大橋

  大橋還需要“微整形”。在無砟軌道橋梁上,鐵四院設計師首次實現了國產鋼軌伸縮調節器與梁端伸縮裝置一體化設計,保證了行車更加平穩,減少后期養護維修工作量,再破世界難題。

  也有人不解,一座主橋長度不到1公里的大橋,動車組以350公里還是250公里的時速通過,過橋時間不過相差幾秒,為何還要如此殫精竭慮?

  “立足國情為百姓提供高質量的高鐵網,需要這樣的創新?!辫F四院橋梁院總工程師嚴愛國介紹,隨著立交、防洪、通航要求不斷提高,以及高鐵線路逐漸延伸到更多崇山峻嶺、江河湖海,大跨度橋梁越來越多?!澳壳爸袊诮ǜ哞F線路上,跨度在200米及以上的橋梁就有近40座,如果不破解大跨度橋梁鋪設無砟軌道難題,中國高鐵網就會陷入運行速度時高時低的碎片化狀態。因此這樣的創新,不僅必要,而且緊迫?!?/p>

  掃清“限速點”

  我國高鐵目前采用的主要軌道結構形式為無砟軌道,經過十幾年的高鐵建設實踐,我國高鐵大量在100米左右跨度的橋梁上鋪設了無砟軌道,運營情況良好。但大量200米以上跨度的高鐵橋梁仍然沒有攻克鋪設無砟軌道難題。由于有砟軌道限制了行車時速不能超過250公里,這意味著時速350公里的動車行駛到高鐵橋梁上時必須把速度降下來,而且全線無砟軌道線路也因為橋梁被分割成零碎狀態。

  為推動在高速鐵路更大跨度橋梁上鋪設無砟軌道,鐵路總公司依托昌贛高鐵贛州贛江特大橋主跨300米斜拉橋,委托鐵四院于2015年立項《大跨度橋梁鋪設無砟軌道技術深化研究》課題。2019年,贛江特大橋通車運營。

  


  裕溪河特大橋是世界最大跨度的無砟軌道高鐵橋梁

  在鐵四院設計研發團隊的努力下,從主跨228米的商合杭高鐵淮河特大橋,到主跨300米的昌贛高鐵贛江特大橋,再到主跨324米的商合杭高鐵裕溪河特大橋,我國時速350公里高鐵鋪設無砟軌道橋梁的跨度不斷突破。

  “目前我國大跨度高鐵橋梁鋪設無砟軌道技術已達到世界領先水平?!辫F四院線站處副總工程師李秋義說,作為世界最長的鋪設無砟軌道的350公里時速大跨度高鐵斜拉橋,商合杭高鐵裕溪河特大橋對突破無砟軌道在大跨度斜拉橋上的鋪設具有里程碑意義。

  “跨度和速度不斷提升的背后,是大跨度橋梁建設成套技術的支撐?!崩钋锪x說,鐵四院用技術硬實力掃清了商合杭高鐵的限速點,標志著中國在高鐵超級跑道的設計、建造、新技術推廣應用領域再下一城。

  埋下“中國芯”

  商合杭高鐵全線鋪設的我國擁有自主知識產權的CRTSⅢ型無砟軌道,自主研發的商合杭無砟軌道設計建造信息化系統,融合人工智能、物聯網、智能感知和移動互聯等“黑科技”,以云計算為平臺架構,打通信息技術與傳統建設之間的“梗阻”,實現融合創新。并配套研發了數字化建造的成套工藝裝備、系列軟件和信息化平臺,建立了設計、制造、施工信息數據倉庫,積累了海量的設計和建造數據,通過對施工數據和設計數據的關聯分析,實現了無砟軌道建造質量精度管控和進度管控。

  高鐵建設的核心技術包括軌道技術、車組技術和軌道控制技術。而軌道技術是這些核心技術的根本,軌道板鋪設,是實現整個高鐵核心技術的第一步。

  藏在商合杭高鐵軌道板里的芯片又名“中國芯”,是軌道板的“身份證”,它記錄了軌道板從制造到運營全生命周期的歷史數據。用鐵四院自主研發的手簿設備掃描一下芯片,軌道板的所有信息即可接入信息化平臺。

  “中國芯在軌道板60年的生命周期里可以持續使用,芯片被激活后,將實現“聯網”,并接入軌道所自主研發的軌道信息化平臺?!鄙毯虾几哞F軌道專業負責人韋合導說。

  安裝“千里眼”

  動車高速通過大跨度無砟橋梁,最關鍵的是軌道受力變形監測。為保證軌道結構安全服役狀態,鐵四院為量身定做了軌道“千里眼”——“鐵路軌道服役狀態監測與評估”。

  “高速鐵路橋梁的跨度超過一定長度時,為調節軌線的脹縮,需在梁端兩側設伸縮調節器,是軌道結構的薄弱環節和敏感區域?!辫F四院軌道健康監測系統的技術負責人林超說,為提高高鐵行車舒適性和安全性,對伸縮調節器的測試已成為日常作業。

  


  軌道監測設備

  據介紹,傳統的高鐵軌道監測主要以人工巡查為主,盡管輔之以相應的檢測設備,但很難做到對軌道特別是重點軌道區段實時、全天候的監控,而大跨橋要實現350公里時速安全通過,軌道平順度必須時時保持在“±1毫米”精度內。

  為及時掌握軌道服役狀態的變化規律,根據鐵路運營部門的養護維修需求,鐵四院于近年開始立項“鐵路軌道服役狀態監測與評估”,在全國范圍內各種類型軌道結構重點區段開展監測,建立了涵蓋中國高鐵所有軌道類型的服役狀態演變數據庫,包含無砟軌道、鋼軌伸縮調節器、道岔和小半徑曲線共4個服役狀態數據集。于2019年建立起基于光纖傳感技術和視覺測量技術的軌道綜合監測系統,實現了高鐵軌道毫米級變形識別和多源數據全天候采集傳輸。

  為裕溪河大橋安裝軌道監測系統時,正值武漢疫情封城階段。為確保項目順利推進,鐵四院軌道專業緊急由省外人員組建黨員攻關隊,歷時25天,完成了現場軌道監測系統的安裝和調試。

  有了軌道“千里眼”,鐵四院設計人員在武漢總部軌道所的綜合監控中心,就可以看到實時監控的畫面。當監測數據超限時會產生報警,并實時將預警信息發送至養護人員。

  2019年5月26日,以中國工程院院士何華武、中國科學院院士翟婉明為組長的專家組,對“鐵路軌道服役狀態監測與評估”作出評價,認為“本成果為保障高速鐵路軌道結構正常服役提供了技術支撐,研究成果總體達到國際先進水平”。

  據悉,繼裕溪河特大橋后,“鐵路軌道服役狀態監測與評估”創新成果目前正推廣應用至其他高鐵軌道監測中。

  “將智能設計融入高鐵技術,是我國鐵路轉型升級的發展方向,也是我們新時代鐵路人義不容辭的奮斗目標?!辫F四院軌道所所長王森榮說。鐵四院將進一步利用大數據、云計算、BIM、5G等先進技術,有效推進鐵路建設智慧、高效、綠色、協同發展。


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