我国首条跨海高铁 如何实现“跨海不减速”

 2022-09-03    6  

建设中的福厦铁路湄洲湾跨海大桥。新华社发

8月30日上午,在新建福厦铁路厦门北站施工现场,随着最后一组500米长钢轨顺利铺设,我国首条跨海高铁——新建福(州)厦(门)铁路全线铺轨贯通。中国铁路南昌局集团有限公司相关负责人介绍,由于海上水文环境复杂,风险系数高,新建福厦铁路全线铺轨有三处难度极大的施工地点,分别为湄洲湾、泉州湾、安海湾三座跨海大桥。

我国首条跨海高铁 如何实现“跨海不减速”

施工单位采用国内先进的本邻两线铺轨作业设备,左右两线长钢轨同时铺设,比传统铺轨机组提高60%的作业效率,日进度可铺设长轨约6公里,为新建福厦铁路按期开通打下坚实基础。从跨江大桥到跨海大桥,中国高铁桥已突破江海阻隔,迈入高速时代。时速350公里的高铁在平地上风驰电掣,如何能在跨海大桥上不降速行驶?有何先进技术?

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无砟轨道铺设 国产“抗风神器” 实现高铁跨海不减速

8月4日,福厦高铁安海湾特大桥完成无砟轨道施工,这是我国高铁建设历程中首次在跨海斜拉桥上实现无砟轨道铺设,整个项目建成投用后将实现高铁跨海不减速的目标。

由中国铁建铁四院设计、中国铁建大桥局承建的安海湾特大桥是福厦高铁全线控制性工程之一,不仅是福厦高铁跨海桥梁的“封箱之作”,也是世界无砟轨道桥梁“大跨”跨海的“开山之作”。

安海湾特大桥全长9.46公里,其中,跨海区段长1.56公里,主桥为双塔双索面半漂浮体系钢混结合梁斜拉桥。据悉,这是我国高铁建设首次在跨海斜拉桥上铺设无砟轨道,投用后可实现时速350公里的高铁列车跨海过桥不减速,高铁驶过650米主桥用时将不到7秒。

高铁轨道分为“有砟”和“无砟”轨道两种形式,相比之下,无砟轨道的平整度更高、稳定性更强,列车通过“有砟”轨道时需要减速,而通过“无砟”轨道则“如履平地”。但由于技术瓶颈,国内高铁大跨度桥梁大多采用有砟轨道。

“在大跨度桥梁上铺设无砟轨道并通行高速列车,对桥梁结构刚度、徐变变形、动力性能等要求极高。”中国铁建铁四院副总工程师严爱国介绍,大跨度高铁桥一般采用斜拉桥,结构变形较大,如何保证跨度又兼顾刚度是设计的关键。

经过反复试验,他们创新性提出采用混凝土桥面板与槽形钢梁组成的钢混组合梁,破解了难题。“钢梁自重轻、适应大跨度桥梁建设,混凝土桥面提升了桥梁刚度,两者的结合满足了列车高速通过的要求。”严爱国说。

由于跨海大桥位于沿海高风速带,海上多风,不仅要满足速度要求,还要防止桥梁因风产生严重的横向晃动和涡振现象。严爱国和团队为泉州湾跨海大桥做了诸多结构创新。中国铁建铁四院福厦高铁桥梁设计负责人杨恒介绍,大桥主梁采用流线箱形结构并附加导流板、减震栏杆、拉索电涡流阻尼器等气动措施,减小了复杂风环境下的风致振动,避免了异常涡振的发生。

值得一提的是,被称为国产“抗风保稳”神器的阻尼器,安海湾特大桥主桥每一根斜拉索上都设置一个外置阻尼器以及2个内置阻尼器,当斜拉索遇到大风产生高频振动时,阻尼器可以抵消振动,保证斜拉索稳定。同时在主桥钢梁下部也安装阻尼器,以抵抗地震引起的快速大位移。

这些设计,让列车可以在不设风屏障等防风措施的情况下,在8级大风中以时速350公里通过跨海大桥,在11级暴风下也不会封闭交通。

和普通桥梁相比,跨海大桥还面临着另一项考验,就是海风海水腐蚀。高铁工程结构的抗腐蚀标准是百年抗腐。“在沿海地区高盐高湿的气候条件下,依靠在钢梁表面刷漆的传统防腐方式,很难达到这一标准。”中国铁建铁四院福厦高铁桥梁设计负责人曾甲华介绍,为了保证大桥的寿命长久,福厦高铁安海湾跨海大桥的索塔钢锚梁和支座采用了耐海洋大气腐蚀钢,填补了我国的钢种空白。

曾甲华口中的钢种是世界超级钢技术前沿水平的系列钢种之一,通过向钢材里加入微量镍元素,让钢材自身生成致密稳定的钝化锈层,阻止海水中氯离子的渗透,实现了“以锈制锈”的长效防腐效果。此外,铁四院还运用最新研发的超长耐久防腐涂装材料,让桥梁的涂装防护寿命达到30年以上。

负责项目建设的中国铁建大桥局相关负责人介绍,铺设无砟轨道时对施工工艺、沉降控制等要求极高,为扫清大桥“限速点”,施工过程中,大桥局的建设者们在主桥区段安装多种传感器,对不同温度、不同时段下的桥梁变形数据进行监控,经过多次分析验证,最终实现无砟轨道精调施工,也一举攻克跨海斜拉桥无砟轨道测量难题。

和普通桥梁相比,跨海大桥面临更多更大的考验,既要抵挡住海上大风,又要耐海风海水腐蚀,一项比一项艰难,哪项都是世界难题。

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被称为桥梁博物馆 桥型复杂“一桥一策”

“福厦高铁就是一座桥梁博物馆,我们遇到了各种复杂桥型。”中国铁建铁四院桥梁院福厦高铁主管工程师王德志介绍,福厦高铁先后跨越湄洲湾、泉州湾、安海湾三个海湾,上跨多条高等级公路和既有铁路,正线新建桥梁170座,长度共计181公里,占比65.3%。

“福厦高铁三座跨海大桥各有风采。”王德志说,首屈一指的是泉州湾跨海大桥。2021年7月合龙的泉州湾大桥,全长20.3公里,主跨400米。它不仅是国内首座跨海高速铁路桥,也是世界上首座行车时速超过300公里的大跨度跨海斜拉铁路桥。

泉州湾铁路桥紧挨着一座已建成的公路桥,两桥最近距离仅28.7米,这也带来了新的挑战。“新桥要尽量和老桥对孔布置,使水流通畅、减少风干扰,也更美观,因此很多常规设计需要突破。”严爱国说,比如,在国内铁路桥上首次采用无支座整体式桥梁,既适应外观要求,也能满足速度及抗震等要求;为了保持和公路桥主跨一致,铁路桥主桥选择了400米的“大跨”结构……

此外,泉州湾跨海大桥在轨道上也进行了创新。铁轨下面一般都是碎石道床,这种有砟轨道最高运营速度只有250公里。而无砟轨道采用混凝土、沥青混合料等整体基础的轨道结构,时速更高。但是,相较于陆地,在大跨度的桥梁上铺设无砟轨道并通行高铁,对桥梁的结构刚度、徐变变形等要求极高。这在国外没有先例。

湄洲湾跨海大桥长14.7公里,海域施工长10.8公里,是国内首座跨海高铁矮塔斜拉桥。出于对当地传统文化的保护,减少对湄洲湾自然环境的扰动,在2021年11月13日合龙的湄洲湾跨海大桥设计中,桥梁设计师们采用主跨180米预应力混凝土连续钢构部分斜拉桥,跨越3000吨级主航道,索塔采用双柱式桥塔,打造了湄洲湾独特的桥梁景观。

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简支梁建造技术等新技术 助高铁桥突破江海阻隔

“从跨江大桥到跨海大桥,高铁桥早已突破江海阻隔。”王德志介绍,2020年底建成通车的平潭海峡铁路公铁大桥,是我国首座跨海公铁两用大桥。到了福厦高铁,从开始谋划到施工至今,桥梁工程师们“十年磨一剑”,开展海上大跨度简支梁建造技术等多项专题研究,应用多种新型桥梁结构,造就我国跨海高铁桥的新速度。

福厦高铁在跨海大桥技术上的突破,不仅仅是将350公里时速高铁技术从陆地搬到了海上,也不仅仅是铁路桥从江到海的跨越,更代表我国铁路桥质的飞跃,对于未来发展有着重要的推动作用。

新中国有70多年的建桥历史,但铁路跨海工程起步较晚。虽然起步晚,但很快就走上了快速发展的道路。2005年开工建设的温福、甬台温铁路开启了我国沿海、跨海铁路桥梁建设的序幕。

仅十几年时间,我国跨海高铁桥梁长度越来越长、跨度越来越大、结构越来越多样。严爱国说,目前国内设计的高铁桥最大跨度已超过1000米。

高铁跨海桥的发展,与国家发展的历史进程紧密结合。党的十八大提出建设海洋强国,2016年修编的《中长期铁路网规划》实施,沿海铁路进入快速发展的新时期。随着“八纵八横”高速铁路主通道以及沿海普速铁路的陆续开建或建成,我国开始建造更大规模的沿海、跨海铁路大桥,并逐步拓展到大型海湾、海峡等宽阔海域。随着我国经济发展不断稳步前行,高铁跨海桥也将迎来更广阔的发展空间。

综合新华社

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