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把酒临风的博客

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日志

 
 

论在东北修高铁的难度:轨道就像架在冰淇淋上  

2017-09-26 15:20:49|  分类: 文化教育 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  高铁不怕冷,也不怕热,但就怕“忽冷忽热”,中国东北的“冻融循环”堪称高铁噩梦,通过运用创新的无砟轨道、高性能混凝土等,东北高铁在“冰火两重天”里越走越远。

         对于高铁,中国人已经再熟悉不过了,我们深深地受惠于它的迅速、准时与便捷,并且已经将它当做生活中不可缺少的一部分。十几年来,中国铁路人将高铁修遍了大江南北,惠及大半个中国。可当他们将要走出山海关时,却遇到了前所未有的困难。

  翘首以盼的金链大哥不乐意了:“干瞅啥?咋不修了?”

  大哥,不是不修,是你们这嘎嗒实在太冷了!

论在东北修高铁的难度:轨道就像架在冰淇淋上 - 老泉 - 把酒临风的博客

  (高寒地区的高铁修建难度与一般地区不可同日而语)

  高铁的噩梦:夏天热死,冬天冻死

  在中国东北,一年四季的气温变换十分鲜明。七月,与全国一样,这里也沐浴在酷暑之下,温度时而超过40℃。可到了一月,这里又能时常“享受”到其它地方没有的严寒,零下20℃是家常便饭,黑龙江省的中部、北部最低气温甚至可低至零下40℃。

  在东北长达5个月的冬天里,这样的低温足以将几米厚的土壤冻得坚如磐石。若是就这样一直冻下去还好,像青藏高原的永久性冻土一样,铁路可以结结实实地修在上面,可是,春天一来,这些冻土还会化掉。

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  (东北高铁线路冬季施工场景)

  严寒地区的高铁就像是修在了冰淇淋上,开化了就会四处翻浆,发生变形。等到来年冬天再上冻时,土壤中的水结冰膨胀,会进一步将高铁的路基胀裂。这样的反复称为“冻融循环”。冻融循环个几年之后,高铁轨道就被折腾得凹凸不平。然而由于高铁动车组的运行速度极快,对于路的平整要求极高,一个小小的颠簸就会带来严重的安全问题。在这种环境下修高铁,难度要比南方高上几倍。

  冻融循环就像一个噩梦,始终环绕在高寒地区高铁的周围。在高铁桥跨过洼地时,冻融循环会破坏桥墩基础,使桥墩胀裂,强度受损。高铁穿山时,冻融循环又会使隧道发生裂缝,使隧道在夏天雨季变成“水帘洞”,冬天又变成“冰窟”。因为冻融循环的存在,高寒地区的工程对设计、材料、工艺以及工程精细度的要求都远高于一般地区。

  冷,阻挡不了高铁走遍东北

  除了已建成的工程需要面临挑战外,冬季施工也是个大问题。东北的冬天长达5个月,不可能一到冬天就停止施工。然而,低温下的水泥凝结硬化速度极慢,影响工期;温度太低时还会干脆结冰,让混凝土中的水泥孔隙体积增大,降低水泥与石子等骨料的黏结力,造成不可恢复的损害。

  寒冷对于混凝土强度而言是致命的,一旦结冰,辛辛苦苦打好的混凝土就必须全部打掉重来。就连最基本的挖土也因为土壤被冻硬而变得极其艰难。而最困难的莫过于现场的工人和工程师:有过经验的人都知道,在零下20、30℃的严寒中,就是站上半个小时也会冻得连嘴都张不开,更别提工作上一整天了。

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  (东北高铁网络示意图)

  然而,就是在这样艰难的条件下,2012年12月,全长921公里的哈尔滨-大连铁路建成通车。2015年8月,全长279公里的哈尔滨-齐齐哈尔客运专线建成通车。预计到2018年,哈尔滨到牡丹江的高铁也将建成。在工程人员不断的攻坚克难下,高铁网络正在逐渐遍布东北,惠及1.2亿人口。老铁们必须双击一波666。

  要在东北修高铁,首先要克服冻融循环

  在要想在东北修高铁,首先必须要克服的就是冻融循环。与普通铁路不同,高铁线路为了平整,使用的是无砟轨道。而在哈大高铁之前,在寒冷地区铺设无砟轨道尚无可以借鉴的经验。

  要战胜冻融,首先要战胜水,为此,工程人员先通过强夯、冲击碾压等方式将土壤硬化,防止它像海绵一样吸水“搞事情”。随后,在压实的土层以上设置了比较厚且级配良好的路基,具有很好的排水性能。

  冬天来临时,由于路基中已经基本将水排走,故而不会上冻,而下层土壤中的冻融循环由于有路基的隔离,对于高铁轨道的影响也很小。此外,工程师们还在路基下部设置了防水隔断层,有效阻隔地表水渗入路基。

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  (无砟轨道施工现场)

  高性能混凝土无处不在,铁路不再怕冷

  在风化岩石等地质不良路段,除以上措施,工程师们还会将混凝土桩打入地下进行加固。为了将冻融循环对桩基的破坏降到最低,高铁项目部创造性地采用了长短混凝土桩交错布置并配合垫层与钢筋混凝土板的全新结构形式。它可以同时起到提高承载能力、减小沉降量以及与土层紧密结合的作用。在哈大高铁中一经使用,这种能够有效应对冻融循环的桩基形式被迅速推广到高寒带高铁轨道的建设中。

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  (组合桩型复合地基示意图)

  冻融循环不仅作用于土壤,也作用于工程结构中的混凝土本身。高铁使用的无砟轨道本质上就是一块坚固的钢筋混凝土板,可以将轨道牢牢地钉死在地上,不会因为热胀冷缩、不均匀沉降等原因发生变形,可以始终保持平整,保证高铁的高速运行。在冻融循环中,混凝土中的水会反复结冰膨胀,将结构胀裂。这对于高铁这种对质量要求极高的工程而言是不能容忍的。

  因此,在高寒高铁工程中,无论是桥墩还是无砟轨道,都要使用高性能混凝土在制造。这种高性能混凝土强度高,含水量低,内部微结构致密。这种高性能混凝土的内部的水分少,不容易结冰“搞事”,外界的水、有害离子也难以通过缝隙侵入,结构的耐久性好,就连其中掺加的砂子、石子都是精心筛选过的,级配优良,可以最大限度地提高混凝土的密实性和体积稳定性,使之更不容易热胀冷缩。

  “林海雪原”里的最长隧道

  中国东北地区多为平原,这多少为中国高寒高铁的修建降低了一点难度。但这样的好运不常有,正在修建的哈尔滨到牡丹江高铁就要穿过著名的“林海雪原”,并从其中的虎峰岭中穿山而过。

  8月20日,全长8755米的虎峰岭高铁隧道全线贯通,成为中国高寒铁路中的最长隧道。

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  (建设中的虎峰岭隧道)

  这里的山间环境极为特殊。在冬季,黑龙江东部的降雪量惊人,夏季更是雨雾环绕,这使得虎峰岭隧道山体内山石裂隙水层极为丰富。在隧道的开挖过程中,这些水会在山体压力的作用下被挤入隧道中,不仅严重地影响施工,更会在隧道周围的冻土上形成一个冻融交替的冻融圈,使得隧道的内壁不断地受到往复作用的力,进而导致开裂甚至塌方。

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  (山体含水层示意图)

  可以说,水是一切病害的根源。为此,工程项目组对地下水及裂隙水采取了以排为主,防、排、截、堵相结合的综合治理方案。在隧道的周边布置密密麻麻的纵向软排水管和竖向泄水孔,将山间的水排走;同时,在隧道周围设置了复合防水层,将隧道相关结构与地下水隔离开来。

  比排水更要紧的是冬季施工时的保温。隧道外面是零下二三十度的大风雪,隧道里面还要施工。要是里面一旦结了冰,莫说“冰窟”里的人会被冻傻,辛辛苦苦砌好的混凝土也全部废掉了。若是维持隧道环境的送风管、排出地下水的排水管也冻上了,那结果更是不堪设想。

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  为了保障洞内温度不过低,工程部在隧道的里里外外都设置了各式保温措施:对于送风管和排水管,从进洞之前就包裹保温材料,并及时排空送风管中的水,防止局部结冰;在隧道口还设置了“大棉被”:隧道防风保温门,以减少隧道内外的热量交换。

  从开工到建成,虎峰岭隧道的施工历时800余天,期间无论严寒酷暑,施工从未间断。

  结语

  十年来,高寒高铁的建设者们战胜了风雪和严寒,遇山开山,为茫茫东北大地带来了便捷的交通。到2018年底,哈牡客专将建成通车,与哈齐高铁一起构成中国“八纵八横”高铁网络最北边的“一横”。

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