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本文来自微信公众号:中国工程院院刊 (ID:CAE-Engineering),作者:何华武,原文标题:《中国的高速铁路技术丨中国工程科学》,题图来自:视觉中国
高速铁路是超大、复杂的系统工程。经过多年的科技攻关、试验验证、工程实践,我国自主创新的高速铁路技术体系已经初步建立,成功建设了具有中国特色的世界一流高速铁路,体现了我国集中力量办大事的优势,更好地服务于我国的经济社会建设。
中国工程院何华武院士在中国工程院院刊《中国工程科学》2007年第9-10期发表《创新的中国高速铁路技术(上和下)》一文。文章论述了我国高速铁路技术在固定设施以及移动设备等方面进行科技攻关、试验验证和工程实践,全面形成了具有自主设计、制造、生产能力的中国高速铁路技术体系。
一、运力不足急切需要发展铁路
铁路作为国民经济的大动脉,国家重要基础设施和大众化交通工具,具有运力大、成本低、占地少、节能环保、安全性好等多种比较优势,是综合交通运输体系的骨干,在我国经济社会发展中具有重要作用。
(一)路网设备与运输业绩
近年来,中国铁路每年投产新线超过1 000 km。截至 2006 年底,中国铁路营业里程为 7.7 万 km,位居世界第三。其中:
复线里程 2.64 万 km,复线率 34.3 %;电气化里程 2.44 万 km,电气化率 31.7 %;
机车拥有量达到 1.78 万辆,其中内燃、电力机车比重为 99.3 %,主要干线全部实现内燃、电力牵引;
客车拥有量达到 4.26 万辆,其中空调车 2.30 万辆,占客车总数的 54.0 %;
货车拥有量达到 56.67 万辆。
2006 年,中国铁路完成旅客发送量 12.6 亿人,旅客周转量 6622 亿 人 · km;完成货物发送量 28.7 亿 t,货物周转量21 715亿 t· km;中国铁路运输密度为3710 万换算吨公里/公里。
中国铁路运输效率创造了运输密度、换算周转量、旅客周转量、货物发送量4个世界第一,见图1。
图 1 与俄罗斯、美国铁路运输效率比较
铁路用科学发展观统领各项工作,挖潜扩能、提速调图提效,并用好建成投产项目能力,合理调整车流径路,强化运输组织,运输生产主要指标进一步提高。2007 年 1 至 7 月货运总发送量 180527 万 t,比上年同期增加 17303 万 t,增长 10.6%;旅客发送量 78310 万 人,比上年同期增加 4628万人,增长6.3%;总换算周转量 17896亿t·km,比上年同期增加 1565.69 亿 t· km,增长 9.6%。在经济和社会发展中发挥了骨干运输作用。
(二)发展滞后与高铁崛起
尽管铁路部门采取强力措施,运输效率为世界之最,建设与科技取得巨大成就,但铁路运输总体上对经济和社会可持续发展的“瓶颈”制约仅仅是有所缓解而已。表1、表2、表3分别为人均乘车数、装车数满足度、与国外铁路主要指标比较。
表 1 人均乘车数
表 2 装车数满足度
表 3 与国外铁路主要指标比较
解读这些数据,中国人年均乘火车不到 1 次,货主请求车往往失望而归,转移给其他交通运输方式的社会成本太大了。路网密度与人口规模、国土面积的大国地位很不相称。这是一组冰冷的数据,是事实。最根本的问题是路网规模总量不足,主要干线能力处于饱和状态,铁路发展滞后问题十分突出。
党中央、国务院对又好又快发展铁路高度重视。2004 年 1 月,国务院审议通过了枟中长期铁路网规划枠。 2005 年 10 月,中央通过了枟国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要枠,明确提出“交通运输要合理布局,做好各种运输方式相互衔接,发挥组合效率和整体优势,形成快捷、通.、高效、安全的综合交通运输体系。加快发展铁路、城市轨道交通,进一步完善公路网络,发展航空、水运和管道运输”。
加快建立便捷、通.、高效、安全的综合运输体系,以最小的资源和环境代价满足经济社会对运输的总要求。铁路网的发展“通”、“畅”结合,服务质量和效率效益均要有较大程度的提高。
铁路“十一五”路网规划中,加快铁路客运专线建设,以及重点线路扩能改造,尽早实现客货分线运行。到 2010 年,将新建铁路 17000 km,其中,客运专线 7000 km,既有线增建二线 8000 km,既有线电气化改造 15000 km;铁路营业里程达到 9 万 km 以上,复线和电气化率分别达到 45 %以上。图 2为我国大陆“十一五”铁路网规划。
铁路网节点的枢纽布局应综合考虑各条线路的顺.连通,遵循客运“零距离换乘”和货运“无缝衔接”的原则,铁路枢纽设施纳入城市发展规划,与城市空间布局相协调,并与城市交通体系有机衔接。
“十一五”期间,建设北京、上海、广州、武汉、成都、西安6个路网性客运中心,配备技术先进、能力强大的机客车运用检修设备,储备一定数量的应急移动设备和救援设备,形成全国性、现代化的机客车检修中心、调剂中心。
建设哈尔滨、沈阳、济南、南昌、郑州、福州、昆明、南宁、兰州、乌鲁木齐等 10 个区域性客运中心,配备适量的机客车检修整备设备,形成区域性的机客车运用检修设备基地。
建设省会级城市客站 25 座,地市级城市客站 95 座。
受人口、资源、环保等问题的困扰,人们把解决交通运输问题的目光转向了公共交通体系的轨道交通,具有国际性和时代性概念的高速铁路是其中的佼佼者。欧经委定义列车最高运行速度客运专线 300 km/h,客货共线 250 km/h为高速铁路;铁盟认为,高速列车运行速度不低于 200 km/h。自 1964 年日本东海道新干线开通以来,目前世界上投入运营的时速不低于 250 km/h 高速铁路总长达8 000余km,拥有高速铁路的国家和地区主要有德国、法国、西班牙、意大利、荷兰、比利时、英国、日本、韩国、中国。
世界高速铁路建设方兴未艾,中国高速铁路奋力崛起。2004 年以来,已批准开工不低于 200 km/h铁路约 4700 km。高速是铁路现代化的重要标志,建设高速铁路是超大、复杂的系统工程。经过 40 多年的发展,高速铁路技术日臻完善、成熟,形成了以日、法、德 3 个技术原创国为代表,适合各自国情、路情和各具特点的技术格局。
中国铁路网特色鲜明:路网覆盖的超长性,路网密度的单薄性,线路标准的统一性,调度指挥的集中性,地质条件的差异性,分建成网的复杂性,不可能完全照搬任何一国的高速铁路技术。
我国近 20 年来,在走出去、请进来,学习、考察、交流、咨询、培训高速铁路技术的同时,长期投入研究、试验,取得上百项研究成果。立足自我,充分利用我国多年来积累的技术储备,认真学习和借鉴国外高速铁路建设和运营的成功经验,坚持博采众长,加强包括原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新在内的全面自主创新,系统设计,系统集成。在此基础上,构建具有中国特色和世界先进水平的高速铁路技术体系。
二、中国高速铁路技术体系
(一)系统构成及集成
1. 系统构成及接口关系高速铁路由高质量及高稳定的基础设施、性能优越的高速列车、先进可靠的列车运行控制、高效的运输组织与运营管理架构等综合集成。各子系统之间既自成体系,又相互关联,既有硬件接口,又有软件联系,围绕整体统一的经营管理目标,彼此兼容,完整结合。图3为高速铁路系统构成,图4为电动车组与各子系统主要技术接口。
2. 系统设计原则实现高速铁路目标,系统设计尤为重要,它是高速铁路建设项目的龙头和灵魂。
(1)科隆至法兰克福高速铁路系统设计概述。20 世纪 70 年代初期,德国计划在最大居民区和经济区莱茵/鲁尔—莱茵/美因间修建新线,以减轻沿莱茵河两岸运输负荷已饱和的两条双线铁路的运输压力。预可研新线客货列车共线运行,客车速度300 km/h;货运产品是运载卡车的快速驼背运输、固定编组、200 km/h的直达货物列车。为此,线路最大坡度由开始的 18 ‰减小为 12.5 ‰,牵引质量由1 200 t提高到2 500 t。
图 3 高速铁路系统构成
图 4 电动车组与各子系统主要技术接口
70 年代中期,情况发生变化,开始研究科隆—法兰克福之间的选线方案,并研究莱茵/美因机场连接线(机场连接线在交通政策方面得到很高评价)。到 80 年代中期,在制定德国交通线路发展规划时,重新确认了这条新线:原则上定为客运专线,线路走向紧靠 A3 号高速公路,设去机场的连接线及连接威斯巴登和法兰克福铁路总站,速度 250 km/h,最大坡度25 ‰,最小曲线半径3 250 m。80 年代末期,为响应欧经委高速铁路定义并适应竞争需要,加大选线灵活性,确定速度300 km/h,最大坡度40 ‰,与 80 年代中期方案相比,约节省工程投资10 %( 2002 年价)。
采用陡坡线路,要求列车具有较大起动力,当一个动力转向架发生故障时,列车仍必须以最大的功率起动,达到牵引电机冷却装置容许的最大速度;要求精确分析在制动过程中有关设备的发热和冷却情况,把制动力自动分配到各制动系统。通过反复研究,20 世纪 90 年代中期找到了线路—列车匹配的解决方案,即采用动力分散式动车组 ICE3 型列车。这就是研发、设计、制造 ICE3 型速度330 km/h列车的依据。 ICE3 型列车还装备了线性涡流制动机。以上事实说明,应根据运输需求研发制造相适应的电动车组。
在同一轨道区段反复使用涡流制动机时,钢轨会因吸收一部分制动能而变热,焊接长轨会产生与温升成正比的纵向压力。当轨道结构太轻或道床不稳定时,轨排就可能压曲,通常叫胀轨跑道。为此必须根据安全性要求,把钢轨最高容许温升限制在可接受的范围。无砟轨道不会因温升而出现胀轨跑道现象,与处在“蠕动状态”的有砟轨排相比,轨道状态能稳定更长时间,维修工作量较小,维修费用较少。尽管建设成本较高,审慎比选后,高速新线全部采用无砟轨道。
欧盟 2001 年底编制了泛欧高速铁路互连互通技术标准。在坡段方面,10 km范围内25 ‰,6 km范围内35 ‰,40 ‰坡度作为个案处理;在隧道断面方面,根据乘车舒适度要求,列车通过隧道时产生的最大空气压差10 kPa,隧道净断面积92 m2,速度300 km/h通过最大空气压差7 kPa;在列车运行控制系统方面,采用欧洲统一的 ETCS 系统,但开发、试验、鉴定过程太长,为不影响投入运营,采用改进型 LZB 连续式列车自动控制系统,无线列调采用GSM-R 系统。
设计运营条件,按小时节拍开行列车,每方向每小时开行不小于 8 列的能力;安排 4 类列车,其中一类采用多电流制式开行国际列车,一类开行 ICE3 重联长列车,其余两类开行8辆编组的短列车。票价设计把 ICE 二等车厢的票价在城间列车 IC 票价基础上提高40 %,旅客上座率按年平均60 %计算。
科隆—法兰克福高速铁路系统设计取得显著成果,大坡度和新线全部采用无砟轨道,采用单电流制和多电流制结构的 ICE3 列车,尽管没有装备 ETCS 系统,但考虑了互联互通技术标准中若干重要因素。系统设计结合了穿越德国中部山脉的地形、地貌、地质条件,妥善处理了需求关系、轮轨关系、车控关系、弓网关系、互通关系,实现了运营目标,总体上展示了高速铁路的当前水平。
(2)秦沈客运专线的启示。2003 年 1 月 1 日,秦沈客运专线开通试运行,8 月正式运营。实践证明,其系统设计取得重大成果,达到了国家要求的建设目标;同时,也给我们高速铁路系统设计若干启示:
a. 客运专线如何满足旅客舒适度要做更多的考虑。最小坡段长400 m,设计时为节省土石方工程,短坡、碎坡取的较多,列车达速运行过程中上下起伏频繁,乘客舒适度不理想;个别缓和曲线长度的取值,竖曲线和圆曲线重叠等问题,影响运行平稳性。
b. 客运专线如何充分考虑旅客乘车的安全、方便,尤其残疾旅客便捷上、下车,节省站停时间。由于列车类型未定,车厢中间开门的双层客车下层车底板高度为347 mm,25 型单层客车车底板高度为1293 mm,国产动车组车底板高度1210~1345 mm,难于做到站台高度与客车底板高度基本一致,不得不设为500 mm。
c. 路基标准、基底填料、沉降、观测、防冻、排水等问题必须得到足够重视,客运专线对路基工后沉降要求高,尤其要改变先修建桥隧后填筑路基的传统习惯,使路基有一个合理的沉降压密时间,即置放期。
d. 桥涵设计应进一步重视改善耐久性,适应现场制梁或桥位制梁,桥梁结构形式应深入进行技术经济比选,并有利于检查与养护维修。
e. 每站设 4 组 38 号大号码道岔,侧向开通机会少,建设投资多,运营养护维修工作量大,成本高。
f. 采用双红灯防护方案,在一定程度上影响了股道有效长度和行车间隔。
g. 多专业、系统化综合工程实施中,常发生桥梁与路基、桥梁与轨道、站场与信号、站场与轨道、路基与排水、通信与运调及旅服、信号与信息化的接口界面不明,甚至设计参数的测定和提出也相互推诿,验收中发现问题各有托词,这是专业接口和系统设计尤其要注意的。
(3)高速铁路系统设计总体原则是:
a. 符合安全适用、技术先进、经济合理的要求。考虑设备的兼容性,具备本线旅客列车和跨线旅客列车共线运行、正线双方向行车的运输组织条件。具体说,应充分发挥新建线路骨干作用和既有线路网络作用,扩大服务范围,使高速、提速的成果惠及广大城镇百姓。法国、德国目前新建投入运营的高速铁路分别为1 859,964 km,高速列车通达里程分别为6 200,6 326 km。中国建设社会主义和谐社会,铁路新线、既有线、枢纽是一张完整的路网,高速、快速客运必须覆盖更大的地区和更多的人口。
b. 线路基础设施和不易改建的建筑物和设备,应适应长远发展要求;对易改建的建筑物和设备,宜按近期运量和运输性质设计,预留发展条件。
c. 最小曲线半径、最大坡度、到发线有效长度、动车组类型、列车运行控制方式、运输调度方式、追踪列车最小间隔时间,须根据行车速度、沿线地形地质条件、输送能力和用户需求等,以及经济技术比选后确定。
d. 车站位置根据沿线城市的经济、客运量、铁路运输组织、通过能力和技术作业需要,结合工程条件等综合研究确定。车站的布局、规模,根据铁路技术政策,结合城市规划等统筹考虑。
e. 选线设计宜避开高填、深挖和长路堑等路基工程,并绕避不良地质条件地段。无法避开时,采用桥涵通过或选用其他适宜的工程措施处置。
f. 路基、桥涵、隧道、轨道等各类结构物的设计要满足强度、刚度、稳定性、耐久性要求,并加强各结构物的协调和统一,使车、线、桥(或路基、隧道)的组合具有良好的动力特性,严格控制结构物的变形及工后沉降。
g. 认真执行国家节约能源、节约用水、节约材料、节约用地等有关方针政策,因地制宜地利用太阳能、风能、地热能等可再生能源,提高能源、资源的利用效率,减少污染。
h. 坚持科学用地、合理用地、统一规划的原则,在满足运输生产和安全防护要求的基础上,节约用地,少占耕地。
i. 重视保护生态环境、自然景观和人文景观;重视水土保持,生态环境敏感区、湿地的保护和防灾减灾及污染防治工作。选线、选址宜绕避自然保护区、风景名胜区、饮用水源保护区、国家重点文物保护单位等环境敏感区;通过城市或居民集中地区时,应采用适宜的速度值或降噪减震措施,满足国家环保标准和要求。路基边坡宜采用绿色植物与工程相结合的防护措施,兼顾美观与环保、水保、节约土地等要求。
j. 加强对桥、隧和路基上电缆槽、接触网、声屏障,综合接地线、通信、信号电缆过轨等设备的系统设计,充分考虑综合利用设施。
k. 按全封闭、全立交设计。设置防灾安全监控系统,根据需要对自然灾害和异物侵限等进行监测。
l. 统筹运作、详细研究、科学论证工务工程、牵引供电、通信信号、信息系统、电动车组、运用维修各子系统的协调配合及系统优化和集成,实现高速度、高密度、高安全性。
3. 系统集成为确保系统的完整性和各子系统之间紧密衔接,必须按系统工程施作,加强系统设计,强化系统集成,实现整体优化。参考国外高速铁路系统集成做法,结合我国国情,中国高速铁路系统集成框架见图5至图8。
图 5 系统集成关系
中国高速铁路系统集成目标:通过合理利用各种资源,实现优化配置,使建设高速铁路这一超大、复杂的系统工程达到一流的工程质量、一流的装备水平、一流的运营管理。
(二)工务工程
1. 线路、枢纽与站场
(1)线路
线路平、纵断面设计应重视线路的平顺性,提高旅客的乘坐舒适度。车站及两端正线的设计标准,与区间线路相同;均停车的车站、环保等因素要求限速通过的车站、自然特征要求限速通过地段以及利用既有铁路地段,采用与行车速度相适应的技术标准。
图 6 系统集成过程
图 7 系统工程
图 8 系统集成项目管理
a. 线路平面。最小曲线半径取决于实设超高 h、旅客列车最高速度vG 和最低速度vD ,即:
因地制宜,按表 4 合理选用曲线半径。必要时,采用100 m整倍数的曲线半径。
表 4 线路平面圆曲线半径
由表4可以看到,相同设计速度条件下,无砟轨道较有砟轨道 R 小。
为保证线路测设和检测精度,使铺设、养护、维修达到要求的标准,Rmax一般控制在12 000 m。
铁路线间距主要受列车交会运行时的气动力作用控制。线间距窄,会车压力波大,对动车组的车体流线、头型、车宽、气密性、门窗设计和制造要求高,但线间距窄,可节省土建工程投资。线间距确定有灵活性,日本线间距最窄,1972 年以后投入运营的线路线间距为4.3 m,设计速度为260 km/h,其他国家有所加宽。我国高速铁路正线按线间距不变的并行双线设计,曲线地段设计为同心圆,列车时速350 km时正线线间距为5.0 m,时速300 km时为4.8 m。
经6种线型的缓和曲线对比分析,缓和曲线采用三次抛物线形。缓和曲线的长度取决于超高顺坡率、未被平衡的横向加速度时变率 、车体倾斜角度 等参数取值,在下式中取最大值,再取为10 m的整数倍。
在舒适度良好条件下,imax=2‰,β=23 mm/s,f=25 mm/s。
无砟轨道与有砟轨道采用相同的设计超高,缓和曲线长度标准相同。
缓和曲线间夹直线和圆曲线的长度主要受列车运行平稳性和旅客乘坐舒适条件控制,一般条件下该值不小于0.8vmax。
缓和曲线与道岔前后接缝间直线段长度,应考虑列车在曲线上产生的振动与道岔上产生的振动不叠加。试验表明,车辆振动的周期约为1.0 s,按 1.5~2.0 个周期内基本衰减完,一般条件下该值不小于0.6vmax。
b. 线路纵断面。客货共线运行的铁路,其坡度由货物列车牵引质量决定,用限制坡度表示,设计坡度还要考虑曲线半径、隧道附加阻力的折减。高速铁路移动设备牵引和制动性能优良,适应大坡度运行,不考虑折减,用最大坡度表示。坡度大小对选线、选址、工程数量、运营费用等影响大,是高速铁路设计的主要技术指标之一。
日本除北陆新干线的坡度为30 ‰以外,其余各线15 ‰延长不足1 km,10 km内均坡不大于12 ‰。法国平均坡度25 ‰时,最大坡长不大于4 km。东南