B2版:宝兰高铁特刊
钢铁丝路梦圆今朝
——中铁一院宝兰高铁设计纪实
  宝兰高铁宝鸡庵坪沟大桥。
  设计人员深夜仍在设计线路方案。
  宝兰高铁西坪隧道出口高边坡。
  铁一院技术专家组为宝兰高铁勘测提供技术支持。

  ■本报通讯员 魏 勇

  核心提示:近年来,中铁第一勘察设计院集团有限公司在国家战略的指引下,沿着古丝绸之路的方向,以前所未有的速度助力西部高速铁路的崛起。在不断前进的探索创新中,中铁一院参与设计的郑西高铁、大西高铁、西宝高铁、兰新高铁等高速铁路已经相继开通运营。

  中铁一院总体勘察设计、即将通车运营的宝兰高铁,将彻底连通中国高铁横贯东西的最长一横,徐兰高铁实现全线贯通,从而使我国西北地区高铁全面纳入全国高铁网络。

  宝兰高铁由中铁第一勘察设计院集团有限公司总体勘察设计,是中国高铁网络中徐兰高铁的最后开通运营段。线路全长401公里,总投资646.9亿元,设计时速250公里,桥隧比高达93%,共设东岔、天水南、秦安、通渭、下小岔、定西北、榆中、兰州西等8个车站。其中兰州西站为始发站,新建车站均位于甘肃省境内。该项目于2012年10月开工建设,这也是我国在黄土高原沟壑梁峁区修建的第一条高等级铁路客运专线。

  攻坚之路:地质选线稳定方案

  这条地处中国西北咽喉地区的高速铁路,建设任务异常艰巨。

  中铁一院宝兰高铁地质专业负责人张哲用“四强一最”来形容线路所经区域的复杂情况:“线路经过的地形地貌,具有黄土湿陷性最强、黄土陷穴最发育、黄土高原地区滑坡地质灾害最严重和发育最密集的显著特点,沿着天水—兰州地震带和东西向展布的渭河地震带活动频率高、强度大,形成了‘四最一强’的工程地质环境特色,这些都让中铁一院的技术专家们伤透了脑筋。”

  沿线复杂的地质条件首当其冲影响着线路方案的稳定。

  宝兰高铁自东向西,主要走行于南陇山与西秦岭北缘过渡带中山区、天礼盆地黄土覆盖的低山丘陵区和黄土高原沟壑梁峁区。这一地区沿线地形起伏大、交通困难,各种不良地质现象分段集中发育,滑坡、错落、崩塌、泥石流、高湿陷等级黄土、松软土等需要解决的重大工程地质问题众多,并且呈区域性分布。

  其中,天水—秦安地区地质问题尤为突出,被称为“中国的滑坡之乡”,仅元龙到郭嘉之间线路经过的区域范围内,就有大面积、超巨型滑坡,滑坡总长达60公里。能否妥善解决好该地区复杂多变的地质难题,是决定整个工程成败的关键所在。

  中铁一院成立了以中国工程院院士梁文灏、全国勘察设计大师刘培硕、冉理、李国良,院副总工程师李西明、李响、陈应陶以及相关专业总工程师组成的技术专家组,全过程为项目“把脉会诊”。中铁一院有关领导多次前往现场实地踏勘,为项目顺利推进把关指导。

  基于复杂地质方面的考虑,中铁一院技术专家组确定了地质选线的原则。为了能够查明该地区的地质情况,为线路选线工作打好基础,全院共抽调了40余名地质及相关专业骨干,组建了宝兰高铁综合地质组,对宝鸡至通渭段地质条件尤为复杂的部分区域开展前期地质专题调查和线路方案深化研究工作。

  勘测过程中,中铁一院120余名专业技术人员常驻现场,展开了一场勘察及方案研究攻坚战。他们大范围利用航卫片遥感判释、地质调绘、物理勘探、原位测试、钻探、挖探以及室内试验等地质综合勘察方法,重点对西秦岭北缘与南陇山中山区的地质构造和黄土梁峁沟壑区滑坡等不良地质密集区进行了大量的地质勘察工作,秉承“地质选线”的理念,深入开展线路方案的研究工作。

  经过大量艰苦的前期工作,工程技术人员完成了方案涉及范围及其相关、相邻河谷的地质野外专题调查工作,查明了沿线地质构造、主要岩性分布和不良地质分布特征,完成了工作区地形图的地质填绘以及区域性断层和不良地质的专项调查工作,基本查清了工作区的工程地质、水文地质条件。在初测阶段,他们就完成各类比较方案研究约3256公里,完成各类方案专业踏勘及调查1000余公里。院技术专家组通过综合比选和优化组合,提出了经济合理、技术条件可行的线路方案,一次性得到通过,为全线顺利建成奠定了坚实基础。

  创新之路:科技助力丝路高铁

  中铁一院在破解地质难题的基础上,在线路设计过程当中采用了很多高科技手段,力争建成科技示范线。

  宝兰高铁全线按照分级布网、逐级控制的原则建立了平面和高程精密测量控制网,并将其应用于高速铁路工程勘测设计、施工、竣工验收及运营维护测量全过程。他们在勘测阶段大大提高了线路方案的精确性,将线路测绘误差完全控制在允许范围内,大大减少了因精度不足而造成的返工,提高了勘测工作效率。

  针对沿线湿陷性黄土带来的建设难题,中铁一院在设计阶段大量借鉴了郑西高铁大断面黄土隧道建设经验,结合不同工况确定对应的衬砌支护结构、施工方法。施工阶段,他们针对开挖揭示的部分隧道洞身高含水率黄土,开展了宝兰高铁高含水率黄土大断面隧道关键技术研究等一系列科研课题。通过大量的现场调研统计、数值分析、现场测试、室内试验等,他们研究提出了大断面高含水量黄土隧道的沉降控制参考值、台阶法技术参数及施工辅助措施,制订了黄土隧道软弱地基经济合理的处理方案,提出了黄土隧道围岩的设计计算方法和黄土隧道地基的湿陷变形评价方法。课题研究成果成功应用于宝兰高铁全线黄土隧道的建设,及时解决了大断面高含水率黄土隧道设计、施工中的主要问题,确保了大断面高含水率黄土隧道的安全施工和顺利建成。

  为了解决桥梁伸缩缝处裸露信号电缆不利于安全行车的问题,中铁一院针对不同桥梁和不同接缝大小,专门设计了桥梁伸缩缝电缆防护装置并获得专利;动车运用所首次采用了“车务—机务—电务”合署办公系统,这些部门的系统综合,增加办公大屏、综合系统及电源防雷系统等,加强了动车组的编组和管理,也大大增强了专业间的协作,提高了作业效率,保证了动车组安全管理。

  针对时速250公里隧道断面较小的特点,中铁一院在接触网专业中采用了新型接触网补偿装置并获得国家专利,解决了补偿装置侵占救援通道的问题。该装置采用尼龙滑轮代替常规的防风挡板,避免了隧道风压引起的挡板抽脱,确保了动车组运行安全。

  同时,中铁一院还设置了防灾安全监控系统。据防灾专业负责人马瑛介绍:“宝兰高铁大量采用了防灾安全监控系统,主要用来对自然灾害及异物侵限进行监测,可实现信息的采集、处理、存储、分发以及与相关系统的接口和信息交互。”

  绿色之路:环境保护煞费苦心

  中铁一院延续了“环保设计”的理念,针对宝兰高铁沿线自然环境复杂、不良地质多发以及线路大部分穿行于山区的现状,设计中将高铁工程建设与环境保护统筹考虑。

  在方案设计阶段,中铁一院即对生态敏感区、主要文物和水源保护区进行了绕避,通过方案优化,工程绕避了兴隆山国家级自然保护区等重要生态敏感区;对于无法绕避的小陇山国家森林公园、秦安叶堡水源地、通渭锦屏水库水源地,通过方案比选和技术论证,采用远离核心保护区域的方案,并且提出减少工程占地、控污减排、文明施工的技术方案,降低了对环境的不利影响。宝兰高铁线位与通渭战国秦长城国家文物保护区交叉,经技术论证,中铁一院采用了埋深180米的隧道下穿方案,且施工作业远离地面保护区域,保证了施工和运营不会对文物遗址产生影响。

  宝兰高铁隧道占比大,隧道出渣量达到3815万立方米。中铁一院通过合理调配,坚持优先综合利用的原则,全线共设置127处弃渣场,对隧道开挖产生的弃渣实行分段集中处理,并采取复耕和绿化措施,对车站和铁路路基全部进行了绿化,使环境保护与工程建设协调发展。

  此外,中铁一院还设计采用了防治噪声的声屏障和消烟、除尘以及废水处理和排放、固体废物处置等一系列环保设施。沿线路桥采取声屏障措施76处,共计46.68公里,采取隔声窗措施39处,共计12710平方米。这些节能减排、控制污染的措施,有效降低了施工对环境的影响。

  东岔站是宝兰高铁全线唯一一个桥上车站。该站位于秦岭腹地,这里山高坡陡、沟谷深切、地势险峻,设站条件极差。中铁一院采用了设置高架桥车站的方案,不仅大量节约了土地,还尽可能地降低了对环境的影响。今后,当人们沿着进站道路远远看到与自然景观融为一体的车站时,相信他们也能体会到铁路建设者们对环境保护的良苦用心。

  据了解,在整个设计过程中,中铁一院通过弃土和弃渣造地208万平方米、造林42万平方米,栽种各种乔木和灌木近100万株、植草83万平方米,不仅妥善处置了弃土和弃渣,而且增加了林草覆盖率,为干涸的黄土高原播下一片充满希望的绿色。

  安全之路:用心呵护生命安全

  中铁一院全面细致地对宝兰高铁重大技术方案的合理性,项目批复意见的执行情况,强制性标准、规范、规程等执行情况,勘察基础资料质量、专业设计质量安全可靠性等问题进行了认真梳理,并且将围岩监控量测信息化管理系统应用到全线隧道施工中,有效确保了隧道施工安全。

  据宝兰高铁副总设计师、隧道专业负责人王新东介绍,宝兰高铁穿越秦岭和黄土高原,隧道以软岩地质为主,施工中发生变形、塌方的安全风险极高。对此,业主与中铁西南科学研究院联合进行科技攻关,研发了围岩监控量测信息化管理系统,实现了现场数据采集、实时传输分析、动态监控预警、分层分级管理等功能,其优点包括覆盖至每个工点、杜绝人为干预和造假、实现及时分级预警和处置等。

  宝兰高铁全线隧道洞口多数位于黄土地层,黄土隧道共有65座,总长达52公里。天水至兰州段是黄土湿陷性最强、黄土陷穴最发育、黄土滑坡地质灾害最严重和发育最密集的区域,隧道施工难度极大、风险极高。全线隧道均采用了围岩监控量测信息化管理系统,由全站仪采集数据,运用互联网并通过蓝牙技术上传到后台,后台专家系统即时分析得出结论并向客户终端推送,业主、监理、施工等相关人员用电脑或手机,可以实时查看。

  2013年9月5日,围岩监控量测信息化管理系统在宝兰高铁投入使用,仅仅半个月,就见到效果。当年9月21日,在甘肃定西境内的徐家川隧道出口一处工点,系统发出红色预警,施工人员迅速采取停止掌子面开挖、增设竖撑、斜撑等紧急措施,消除了隐患。1个月后,宝兰高铁魏家嘴隧道进口的系统数据显示,隧道一处拱顶围岩变化超出10毫米的红色预警设定值,根据预警信息和现场情况,施工方赶紧撤出施工人员,5小时后掌子面塌方。

  “要是按传统方式量测,很可能会耽误撤离时间,造成人员伤亡。现在有了这套监测系统,大大降低了隧道施工风险,提高了安全生产率。”王新东说。

  2017年1月,宝兰高铁全线71座隧道全部顺利贯通。据统计,在4年多的建设期,这套系统至少预防了5起可能造成人员伤亡的较大安全事故,全线隧道施工未发生人员死亡事故。如今,这套系统被全面推广使用,大大提升了我国隧道安全施工的水平。

  和谐之路:设计尖兵情牵宝兰

  中铁一院人对宝兰高铁这项“家门口工程”对有着特殊的情感。为了早日建成宝兰高铁,勘察设计工作者付出了极为艰辛的努力,用智慧和实力实现了多年来让家乡通高铁的心愿。

  从宝鸡到天水段的公路经常堵车。为了避免被堵在路上,司机常常只能把车开下便道,说起铁路沿线的便道,地质工程师付伟应该是最有发言权的。从队伍进入现场勘测,小付几乎每过几天就要在这“能把肠胃给颠出来”的道路上走一个来回,路旁的沟沟坎坎对他而言,已经是再熟悉不过的了。

  地质专业负责人张喆介绍,勘测期间,从宝鸡到天水这一段路况很差,在外业调查中大家吃了不少苦头,但这些都不算什么,铁路经过区域地质条件的复杂多变、线路引入兰州枢纽等问题,才是真正的拦路虎,而且一个比一个复杂,一个比一个棘手。

  为了早日稳定线路方案,线路专业高级工程师樊广平经常通宵加班,消瘦的脸颊上写满了疲惫。勘测阶段,作为一队的队长,他不但要负责本专业的线路方案研究工作,还要负责队伍的各项管理和对外协调沟通,责任重大。现场勘测期间,专业人员每天都工作到深夜,一天最多只能休息三四个小时。他们负责的宝鸡至天水段交通状况很差,经常堵车。遇到堵车,技术人员常常不得不下车步行到达目的地开展野外调查,回到驻地往往已是22时以后了,紧接着他们又得投入到调查资料的整理、核对和方案的完善工作中。由于线路方案一改再改,100多公里的线路仅方案他们就编制了100多个。

  李显伟是水文地质专业的技术负责人,是勘测现场为数不多的女性。她每天跟男同事一起去野外调查,翻山越岭,采集水样。一次在工作中,她突然晕倒,后来大家才知道她患有心肌炎。领导让她多休息几天,但她依然带病坚持工作,不想因此影响整体工作进度。

  张喆在一次外业调查滑坡过程中崴伤了脚,当天晚上回到驻地,脚脖子已经肿得跟小腿一样粗。第二天,他忍着疼痛继续到现场调查。“人手实在太紧张,只要能走得动,就必须抓紧一切时间完成工作。”张喆说。

  天水至定西段是宝兰高铁全线地质条件最为复杂的区域。沿线分布滑坡共有109处,其中以县家上河、王家墩滑坡群情况最为严重。勘测二队技术人员在队长刘廷玺的带领下,加班加点,任劳任怨,各项工作进展顺利。为有效地加强选线工作,院领导专门抽调兰青高铁总体设计罗艳前往二队进行技术支援。作为中铁一院屈指可数的女总体,年过50的她和小伙子们一起做外业调查,一起熬夜研究方案,一丝不苟的专业精神和工作态度成为年轻人争相学习的榜样。此外,还有许多参加工作没几年的小伙子,自开展勘测工作以来就一直奋战在现场,为了方案的细化稳定,熬夜加班已是家常便饭。一心扑在方案上,他们有时甚至连自己中午饭吃了什么都不记得。

  勘测三队队长、线路高级工程师丁廉斌是个朴实的西北汉子。为了方案的稳定,每天风尘仆仆地进行外业踏勘、收集资料、研究方案,他是队里起得最早、睡得最晚、操心最多的人,为方案的研究深化付出了巨大的艰辛。队员们都说跟着丁队长干活很累,但是内心很舒畅。在他的带领下,队员空前团结,大家干劲十足,互相帮助,工作效率很高。通过共同努力,他们提出的线路方案得到了院总体组的认可和表扬。

  勘测阶段的辛苦不言而喻,开工以后的施工图设计和配合施工则要面对更为常态化的压力。中铁一院宝兰高铁甘肃段配合施工指挥部常务副指挥长李肖伦说:“宝兰高铁建设节奏非常紧凑,从2012年指挥部成立至今,我院所有参与现场配合施工人员几乎没有休过一个节假日。”自开工以来,需要协调解决的事务十分繁杂,李肖伦在全线跑了不知多少个来回,副指挥长郭俊奇、张哲、王新东也都常驻现场,随时沟通协调解决施工过程中遇到的各类技术问题。各专业人员舍小家、顾大家,为了宝兰高铁的顺利建成,有的告别新婚的妻子,在现场一待就是几个月;有的放下重病的亲人,坚守在工作第一线,为确保工程顺利推进提供了坚强的技术支撑。

  4年多的时间,对李肖伦和铁一院配合施工团队而言既短暂又漫长。他感慨地说:“这些年虽然大家干得很辛苦,但是看着我们中铁一院人亲手设计的铁路由蓝图变为现实,真是打心眼里感到高兴,过去的一切付出和辛劳在此时此刻都是值得的。”

  本文图片均由中铁一院提供