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卢春房:中国高速铁路的技术特点
2015年05月23日

  目前,中国是世界上高铁规模最大、发展速度最快的国家,截止到去年年底,我们的运营历程已经达到1.6万公里,占世界总里程的60%。在党中央、国务院的领导下,在社会各界特别是科技界的大力支持下,我们用短短十多年的时间,走出了一条具有中国特色的高铁发展之路。这里需要说明的是,这条路涉及到高铁创新要解决什么问题,如何解决,目前解决的程度如何。这里,我就汇报后面一个问题,即中国高铁创新的水平目前怎么样。概括的讲,那就是技术先进、安全可靠、性价比高。

  一、中国高铁技术先进

  运营速度高。2008年以来,我国先后建成了京津、京沪、哈大等一批设计时速350公里的高铁,开通运营里程已经达到8000多公里,每小时350公里的速度,是世界上高铁的最高运行速度,这种运行速度需要靠多项先进技术和装备给予支撑。

  首先是高速列车。21世纪初,我国自主研制了“中华之星”、“先锋”等动车组,为高速动车组的发展奠定了坚实的基础。2004年以来,根据国务院“引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”的指导方针,大力推进院士创新、引进消化吸收再创新和集成创新,攻克了高速转向架等九大核心技术,受电弓等十大配套技术难题,成功研制了时速350公里和250公里两种速度等级的高速动车组,创造了时速486.1公里的运营列车试验的最高速度。到2014年年底,中国动车组总保有量是1700多组。

  其次是线路工程。线路工程主要包括轨道及空间线路,路基、桥梁、隧道等。轨道方面,研发了无渣轨道成套技术和三网合一的经测网,研发了高速钢轨、扣件、道岔等轨道设备,满足了线路高平顺、高稳定的要求。空间线形,研究确定了不同速度等级高铁线间距、最小曲线半径、竖曲线半径取值范围、限制坡度、最小隧道断面等关键技术参数,满足了不同速度和不同线路类型的建设运营要求。这张图是说到350公里时速的一些空间线路的主要指标。比如曲线半径是7000米,竖曲线半径是25000米。

  路基:高铁将路基工程由传统的“土石方”理念转变为“结构物”进行设计,形成了地基处理、路基填筑设计施工技术标准,确保高铁路基长期稳定和平顺。

  桥梁:进行高铁较量结构设计、结构选型、材料等方面技术攻关,确保高速列车通过时,桥梁有足够的强度和稳定性。

  隧道:采取特殊洞口结构,增加隧道断面,优化断面型式,有效降低列车进入隧道和会车时的压力波,满足旅客舒适度的要求。

  列控系统:列车每秒钟前行近100米的运行,必须要靠设备自动控制,我们分别研发了满足时速250和350公里的二级和三级列控系统,最小间隔时间是三分钟。

  牵引供电:研发25千牛以上大张力接触网系统,其中在京沪高铁试验的时候,我们把张力放到了40千牛。还研发了特种接线AT牵引变压器和远程控制系统等先进设备,满足动车组可靠受流和实时监控监测。

  建设环境复杂。这是不同于外国的特殊情况,这里主要有在世界上没有遇到过的,比如说东北冰天雪地,气温的变化零下-40度到+40度,海南地处亚热带温热潮湿,西北黄土高原存在大面积失陷性的黄土,东部河网密布,大量淤泥质软土,需要解决这六个特殊的问题。

  一是沉降问题。针对高铁面临的区域地面沉降,采取稳定地下水,桥梁轨道设置调高部件等综合措施,及时调整线路平顺度。尤其是在京津地区和上海这一带地面沉降比较厉害,这些措施已经起到很好的作用。针对软土、岩溶等地区,采取桩板桩网及堆载预压等新结构、新工艺控制沉降。针对路基、桥梁、隧道下沉规律不同,通过在连接处设置过渡措施控制下沉差异。

  二是解决冻胀问题。针对北方地区防冻研究采取专门路基材料,提高路基防冻能力。强化路基排水能力,降低地下水,并采取封堵措施。哈大高铁冬季冻胀值控制在了5毫米以内,未对高铁运行造成影响。

  三是解决复杂地质条件下的隧道施工问题。隧道穿越山岭、城市、水下,修建中常常会遇到岩溶、高地应力等问题,通过超前地质预报,钻探等获取围岩准确信息,通过“注浆封堵、加固底层”解决涌水突泥问题。通过疏排或封堵岩溶水,加固岩溶,修“隧中桥”,解决岩溶问题。通过预释放应力和特殊支护,解决高低应力变形问题。

  四是解决深水大跨桥梁施工问题。研发900吨提运架设备和大口径钻机、爬坡吊机等设备,成功解决深水大跨桥梁施工难题。武汉天兴洲长江大桥是世界上设计时速250公里、主跨跨度最大(504米),设计荷载最高的公铁两用斜拉桥。在建的沪通公铁两用长江大桥主跨达到1092米,成为中国乃至世界桥梁建造史上新的里程碑,这个正在建设过程当中。

  五是解决风沙问题:风力较大时要影响弓网受电,横向风对车体产生侧向力,12级风以上有可能导致高速列车脱轨,风沙堆积严重时会掩埋钢轨,为此研究采用防风墙,研发除沙车等设施解决风沙问题。

  六是解决高温胀轨问题。我国高铁全部采用无缝线路,京沪高铁1318公里没有一个轨缝,现在坐高铁听不到过去的声音了,为什么,因为没有轨缝了。无缝线路面临强大的温度力,为避免高温胀轨影响行车,研发的高强度钢轨、高标准扣件和道岔、无砟轨道等新产品,通过强大的线路阻力限制钢轨伸缩,通过合理确定锁定温度,采取合理施工工艺,确保道床和钢轨不产生突变。

  运营场景多样。这也是中国的一个特点。中国高铁规模大,动车组运行时间长,如京广高铁2298公里,运行8小时,哈尔滨到上海运行12个多小时,而国外一般动车组最长运行3个小时左右。

  气候变化大,给运营管理带来诸多挑战,为此我们通过下列措施予以解决。

  一是建立高铁试验考核体系。我国高速动车组正式上道前,要经过严格的试验和试用考核,全新型动车组要经过60万公里和1年的考核,比国外高速动车组更加严格。高铁开通前还要验证固定设计、移动装备的安全性、匹配性,达不到技术要求的不开通。

  二是构建动车组维修保障体系。针对动车组应用环境复杂和长距离运输需求,制定了动车组1-5级维修,构建了完备的维修保障体系,确保动车组保持良好的运营状态。以CRH380AL型动车组为例:一级修需要48小时。五级修需要240万公里或者6年,到时候必须现场维修。

  三是创新高铁养护维修模式。推行工务、电务、供电设备“三合一”养修管理检修体系,在夜间专门安排4小时维修天窗,按照预防修、故障修和大修组织作业,保证高铁设备始终处于良好状态。

  中国高铁技术兼容。中国铁路技术在工程建设、动车组、列控、牵引供电等主要领域与世界先进技术具有较好的兼容性。比如与国际铁路联盟的标准、国际电控委员会的标准都是兼容的,我们在创新的时候注意了这个兼容性。中国高铁技术已实现引进技术——中国制造——中国创造的跨越。形成自主知识产权,高铁“走出去”时与其他高铁国家不存在知识产权纠纷。中国高铁技术覆盖面广,可以适用于世界绝大部分地区。

  二、中国高铁安全可靠

  建立高铁技术体系,从技术体系上保安全。高铁的技术体系是由6个部分组成:工务工程、高速动车、列控系统、牵引供电、运营管理和风险防控。

  强化工程质量管理,从源头上保安全。勘察设计中,充分运用遥感地质、大地电磁深层物探等先进技术,判识滑坡、崩塌及活动性断裂等地质区。建立高铁建设技术、管理、作业三大标准,施工过程中做到“事事有标准,事事有流程,事事有责任人”。建立涵盖目标体系、责任体系、制度体系、方法体系和控制体系的高铁质量管理体系,创新以联调联试和运行试验为核心的高铁动态验收方法,确保高铁工程质量。

  强化产品质量管理,以设备保安全。实行动车组整车及部件生产资质管理和设计型号合格证管理,对动车组制造实行验收制度。设置高铁设备产品认证、上道质量检验等准入制度,质量不合格产品不能进入高铁领域。

  严格高铁运营管理,在高铁运行过程中保安全。建立高铁运营调度指挥体系。构建了以铁路总公司为全路指挥中心,以铁路局为地区调度中心,以车站为执行中心的调度指挥系统,高峰期每天开行动车组3000列以上,实现有序正点的运行。

  实施固定设施和移动装备动态检测监测。建立由高速综合检测车、沿线检测传感装置等设备组成的线路设备检测体系,对线路状况进行定期和实时检测。在动车组上设置监测与诊断系统,实时监测列车运行状况,如380B型动车组设置了1100多个传感器,检测点多达1800多项。

  建立高铁人员管理和培训教育体系。对高铁调度员、动车组司机、机械师等主要工种人员实行严格的准入考核制度,定期开展实战培训。

  全面开展自然灾害风险防控,全方位保安全。建立高铁防灾安全监控系统,对风、雨、雪异物侵限等灾害实时预警和监控;建立高铁地震监控预警系统、牵引供电和通信信号的雷电防护体系,保证在自然灾害情况下高铁的安全。同时加强治安防范,防止人为破坏。

  三、中国高铁性价比高

  建设工期合理。创新施工组织动态管理模式,以工厂化、机械化、专业化、信息化为支撑,实现施工方案、资源配置与控制目标的最佳匹配,大大提高了施工效率,确保了合理工期和工程质量。我们的工期相对外国是短的,但是,我们不是抢工期,是通过科学测算、合理确定的这些工期。比如京沪高铁我们用了3年半时间,而京广高铁我们大体上用了5年,是根据不同情况、不同类别,科学论证来确定的。但是,工期过长会影响投资效益。单位成本比较低。根据世界银行2014年7月的研究报告,中国高铁每公里建设成本约为发达国家的三分之二。

  节能环保。首先是节能节地。中国高速动车组人均百公里耗电不到8度,高铁车站采用太阳能光伏发电、地缘热泵等新能源技术,大量采用以桥带路方式,以路基比,桥梁每公里节约土地五分之三。  其次是保护环境。施工时采取路基边坡植物防护、覆土复耕复植等水土保持措施,通过设置声屏障和减振措施,有效降低高铁噪声对环境的影响。

  经济社会效益显著。首先加快了城镇化发展。其次促进了旅游业发展,推动了产业升级、企业经营效益向好的方面转变。比如京沪高铁开通运营3年半以后,在去年已经实现了盈利,而且盈利了20多个亿。当然,在西部的一些高铁,盈利的时间会长一些,达到盈利的年份要长一些。近期,国家还给予了铁路土地开发等新政策,我们将积极努力,推动高铁盈利水平不断提高。

  到2014年底,我国高铁营业里程超过1.6万公里。在建高铁总历程10000公里,规划高铁总里程10000公里左右。围绕国家一带一路和走出去战略实施,加大境外铁路项目工作力度,推动与周边国家铁路互联互通建设,加快发展国际联运业务,构建中国铁路跨国物流平台,努力打造国际物流业知名的品牌。今年上半年,我们预计中欧班列开行的列数要比去年超过1倍。

  我国高铁进一步发展,下一步我们主要要研制运行水平更高、安全性和舒适型更好的高速动车组,研制基于LTE通信的列控系统,研究基于Vi-Fi及移动互联的旅客服务技术,研制不设分相、远程监控的牵引供电系统,研发与全国地震监测台网监测的地震监控预警系统,研究基于大数据的固定、移动设备智能监测和预警技术等,实现中国高铁技术更先进、更可靠、更经济,确立在世界高铁的领先地位。

  我就汇报这么多。谢谢大家。