高速鐵路基礎設施的重大技術問題

2004年1月7日，國務院總理溫家寶主持召開國務院常務會議，討論并原則通過“中長期鐵路網365JT規劃”。會議指出，鐵路具有大運力、低成本優勢，在運輸中占有重要地位。制定中長期鐵路網規劃，加快鐵路發展，對于促進國民經濟持續快速增長，全面建設小康社會是十分必要的，會議的決定是對鐵路發展的重要支持，隨著中長期鐵路網規劃的逐步實施，高速鐵路基礎設施的重大365JT技術問題的研究也提到議事日程。

1 橋梁荷載

橋梁荷載是從既有線到高速鐵路始終存在爭議的問題，也是在高速鐵路基礎設施技術標準討論中沒有采納國際標準的項目。橋梁荷載是進行橋梁365JT設計的依據，各國鐵路都根據運輸條件確定荷載標準。對高速鐵路而言，除日本按軸重19t確定自己的荷載圖式外，其他各國均采用UIC荷載圖式；如德國、法國、英國、西班牙、韓國等。意大利采用1.1UIC。我國臺灣省因為是高速專線，采用修正后的 UIC標準，相當于0.9UIC。我國“高速鐵路設計暫行規定’’中推薦采用 0.8UIC，明顯低于各國標準。橋梁設計的荷載包括靜載和動載。靜載的依據是荷載圖式，動載則是根據經驗，在靜載基礎上乘以動載系數，而動載系數根據經驗確定。我國通常的做法是荷載圖式取值偏小而動載系數取值較大，在既有線上這種做法的結果與 UIC相當而偏低。對于高速鐵路而言，各國均采用UIC標準且經過幾十年的運營實踐，證明UIC標準是先進和成熟的，特別是德國在2003午最新版的標準中仍然采用UIC圖式和經過驗證的計算方法，從理論和實踐上均證明了UIC標準是成熟可靠的。我國鐵路目前采用的方法至少是沒有經過實際運營驗證的，因此是否成熟還難以認定。

另外，從我國鐵路的實際情況看，應該留有一定的發展空間。所以在對常用跨度橋梁動力特性及列車走行性能進行分析研究時，除分析日本E2及德國ICE高速列車外，還對國內機車車輛用動力集中電動車組和SS8牽引高速車輛的列車類型進行檢算，采用最大軸重21 t,而實際運行的SS8機車軸重220kN，神州號動力集中列車機車軸重230kN。在研究高速鐵路的輪軌關系時，強調高速列車軸重不會超過17t，中速車軸重不會超過1 9 t，但在運營初期，由軸重230 kN的機車牽引中速車上高速線運行的可能性是存在的。

2 工后沉降

工后沉降是指路堤建成后鋪軌時的路基剩余沉降。為使列車安全、高速、舒適運行，并盡可能地減少養護維修工作量，嚴格控制路基變形和工后沉降十分重要。

我國“高速鐵路設計暫行規定”規定路基工后總沉降量為10cm，沉降速率小于3cm／年，橋臺臺尾過渡段路基工后沉降不大于5cm，基本沿用日本建設第一條高速鐵路時的標準。通過各方面專家的努力，在“暫規”修改時才將以上相應標準修改為5cm、2cm／年、 3cm，對“暫規”而言，這是個進步，但對高速鐵路而言，這個標準還需驗證。

其他各國高速鐵路對工后沉降都有嚴格的要求。法國提出工后沉降應小于2cm，并且在最后一次搗固和運行第一列高速列車之前，沉降應完全穩定。德國認為在列車開始運行后，路基工后總沉降不應大于1cm，每年沉降總量不應超過2 mm，并應避免在短距離內發生不均勻沉降，在橋臺附近不應有任何不均勻沉降。據資料介紹，日本在第一條高速鐵路以后，工后總沉降已按3cm控制，對使用連續梁和無碴軌道的地段，工后沉降的控制更為嚴格。

2003年9月在與以上三國在技術咨詢的交流中，他們都認為工后沉降是完全可以控制的，特別是橋梁墩臺的沉降必須嚴格控制。根據各國的實踐，橋梁墩臺在鋪軌后都未發生沉降問題。德國專家以臺灣高速鐵路為例，臺灣高速鐵路約有150 km的地質條件與滬寧段類似，通過詳細的地質勘探、增加樁長和365JT施工監測分析等措施，有效控制了工后沉降，而且在高架橋上采用了無碴軌道。上海磁懸浮鐵路也成功地控制了工后沉降。

盡管我國目前對工后沉降暫時取得了一致意見，但這個標準是否科學、合理，還有待進一步的理論分析和實踐檢驗，同時設計和施工部門都要克服畏難情緒，認真采取措施，確?？刂瞥两?。

3 結構壽命

傳統的混凝土結構使用壽命一般認為都在50年以上，實際上各國都未達到這個水平，而且由于各種環境條件的影響，一般混凝土結構壽命實際都在30?40年左右。近20年來，各國掀起了以耐久性為基本要求的高性能混凝土的發展研究，并提出了“按服務年限或按耐久性設計混凝土”的理念。

我國此項工作起步較晚。目前的做法是待工程驗收后，設計部門和工程承包方就認為完成了任務，不再承擔使用期間的破壞修復、重建等相關義務與責任，因此造成大量工程因耐久性不足引起的由國家或建設方承擔的經濟損失。

1997年，《中華人民共和國建筑法》頒布,1998年開始實施。2000年 1月31日國務院頒發了《建設工程質量管理條例》、《中華人民共和國國務院第279號令》。首次以法律和政令的形式規定了“設計文件應符合國家規定的設計深度要求，注明合理使用年限，建設工程實行質量保修制度”。

為了配合《中華人民共和國建筑法》和《建筑工程質量管理條例》的實施，國家發布了《建筑結構可靠度設計統一標準》(國標GB 50068? 2001)，規定了建筑結構的設計使用年限，其中“特別重要的混凝土結構”使用壽命為100年。很明顯，高速鐵路是非常重要的工程項目，必須按100年設計。劉志軍部長在2003年6月就明確要求，“高速鐵路主要建筑物使用壽命100年應作為設計規定寫入設計規范”，目前在設計規范中已明確了這個要求。

但是，實現這個目標是一個龐大的系統工程。以橋梁結構為例，確保使用壽命100年的主要措施有：嚴格控制墩臺沉降特別是不均勻沉降，避免梁體承受不正常荷載；降低運營荷載下的橋梁應力幅值，延長其疲勞壽命；在設計中對橋梁結構進行優化；采用高性能混凝土等。如果設計和建設理念不改變，任何一個環節工作不到位都可能影響這個目標的實現。

因此，高速鐵路的主要結構物在設計中均應注明使用壽命，建立大結構建設終生責任制和保修制度。

4 連續梁

筒支梁和連續梁是中、小跨度梁的主要形式。連續梁是超靜定結構，具有結構剛度大，彎距分布均勻，跨中撓度小，抗震性能好，在支點處連續，橋面連接處折角小等優點，有利于高速行車。

各國初期修建的高速鐵路連續梁數量較少，但隨著投入運營的高速鐵路數量越來越多，連續梁比簡支梁的優越性表現得更加明顯，因此各國家和地區高速鐵路連續梁數量所占比例也越來越大。法國300km／h高速鐵路 80％－90％采用連續梁。法國還明確提出，20m跨度以下的簡支梁由于存在共振和動力作用過大的問題，因此一般不采用簡支梁而采用箱梁和框架結構；30m左右的橋梁一般采用多跨框架結構；跨度在40－80m的橋梁采用預應力混凝土和組合結構連續梁；更大跨度則可采用預應力混凝土連續梁、下承式鋼桁梁和拱橋。德國1991年建成的漢諾威－維爾茨堡和曼海姆－斯圖加特2條高速線上基本上是采用簡支梁，而隨后修建的科?。ㄌm克福高速線，連續梁數量已多于簡支梁。韓國高速鐵路連續梁占90％以上。臺灣高速鐵路345 km，其中橋梁242km；而橋梁中連續梁157km，占橋梁的65％。

我國高速鐵路應該明確要求優先采用連續結構。

5　無碴軌道

無碴軌道結構因其高平順性和少 (免)維修的優點，在國外高速鐵路獲得了越來越廣的應用，其鋪設范圍巳從橋梁、隧道發展到土質路基和道岔區。無碴軌道結構在高速鐵路上的大量鋪設已成為發展趨勢。日本明確表示350km／h的高速鐵路應采用無碴軌道。日本除在1964年開通的東海道新干線未采用無碴軌道外，20世紀70年代修建的高速鐵路無碴軌道已達 60％以上，20世紀90年代則達80％以上。德國建議高速鐵路采用無碴軌道，認為當運營速度超過300km／h時，有碴軌道會出現道碴粉化現象，需要經常維修。由于維修成本增加，其最終成本要比無碴軌道高。德國初期修建的高速鐵路無碴軌道僅30％，而1998年開通的柏林-漢諾威線，無碴軌道則達到80％以上。臺灣高速鐵路無碴軌道長155km，占45％。荷蘭高速鐵路土質條件不好，軟土較多，但也積極采用無碴軌道。法國是以有碴軌道為主的國家，目前也在鋪設無碴軌道，在技術咨詢中他們推薦高速鐵路采用無碴軌道。

我國對無碴軌道的研究始于20世紀60年代，與國外的研究幾乎同時起步。初期曾試鋪過多種形式，其后正式推廣應用的僅有支承塊式無碴軌道，總鋪設長度曾達到300 km。經過幾十年的努力，我國在無碴軌道的結構設計、施工方法、軌道基礎的技術要求等方面積累了寶貴的經驗。1994年以后，隨著高速鐵路可行性研究的推進和客運專線的建設，無碴軌道在我國重新得以關注，推薦了長枕埋入式、彈性支承塊式和板式等3種無碴軌道結構型式，并在沙河、狗河和雙何3座特大橋進行了鋪設，經靜、動態檢測，效果良好。

6 輪軌關系

正確處理固定設備和移動設備的關系是實現高速行車的關鍵，而輪軌之間是極為復雜的系統工程，現在仍有一個很重要的問題沒有引起足夠重視。

在既有線上，標準軌距是1435mm，輪對內側距是1353 mm±3mm，這種匹配關系在120km／h以下的線路上基本適應，在這種匹配關系時，輪軌游間為16 mm。當列車速度超過 120km／h時，由于游間較大，容易引起蛇形運動。歐洲鐵路聯盟的國家標準軌距1435mm，輪對內側距1360mm±2mm，經過多年運營的實踐，這種匹配關系是科學、合理和安全的。我國應該如何確定這個標準，應進行深入的研究。

另外，如何選定軌底坡也是一個重要的問題。我國既有線的軌底坡是 1／40，這是根據輪踏面的錐度確定的。在高速鐵路道岔的交流中，法國道岔采用1／20的軌底坡，與區間正線一致，法方還提供了試驗資料,認為這是最合理的軌底坡，1/40軌底坡的動力響應測試結果表明比沒有軌底坡還差。德國采用1／40的軌底坡。兩個國家的結論完全不同。而我國缺乏對這個問題的研究，在理論根據不夠充分的情況下，只能暫按1／40設置軌底坡，但為安全起見，需要進一步開展研究。

7　開通速度

開通速度是整個工程設計、建設水平的總檢驗。多年來我國鐵路建設基本按限額設計、限期開通、現狀交接的模式運作，留下不少隱患。在開通速度上，則體現為因陋就簡、先通后備、低速連通。例如一些大干線，設計速度為120km／h，但由于修建工期短、開通時間限定，在質量沒有達到要求的情況下就以45km／h的低速開通，大量未完工程、配套工程和施工質量未達標工程都在臨管期間完成，實質上是粗放型管理。這種方式帶來的問題是突出和嚴重的。例如京九線壓縮一半工期，開通速度僅45 km／h。開通時存在大量病害，運營部門又投入大量資金進行整治。鄭州鐵路局管轄京九線僅68km，投入運營7年，已投入8 000多萬元整治線路病害。南昆線是更為嚴重的實例，開通至今仍需每天封鎖區間整治病害，不僅嚴重限制了運輸能力，而且病害也不可能徹底整治，留下了隱患。這樣的實例數不勝數，形成惡性循環。特別是這種國際上無人采用的模式在我國反倒根深蒂固，廣有市場。

在建設高速鐵路的過程中要摒棄很多不適應高速的理念，開通速度即為一例。國外修建高速鐵路十分重要而且成功的經驗就是嚴格要求，一次達標，開通速度就是設計速度。開通時如果遺留病害，開通后是不可能徹底整治的，開通后整治病害最高只能達到開通的水平，而且不可能更高。根據軌道不平順研究的成果，線路不平順一旦形成即有記憶功能，例如新線鋪設有縫線路在鋼軌接頭處勢必出現接頭病害，即使在通車幾年后換鋪無縫線路，線路病害仍在原鋼軌接頭處出現。所以高速鐵路要堅持技術標準，確保一次建成，一次達標。

8 世界一流

鐵道部在鐵路跨越式發展規劃中明確提出建設世界一流高速鐵路的要求。高速鐵路是20世紀365JT交通運輸的重大成果，是人類的共同財富。各國高速鐵路都是在既有鐵路基礎上，借鑒或借用相關技術裝備和其他國家高速鐵路標準進行修建的。中國作為鐵路大國，在國際上發揮著重要作用，完全有條件建設世界一流高速鐵路。

一流高速鐵路的主要標志應該表現在以下幾個方面：技術標準，科技含量，建設質量，投資水平，運營管理，經濟效益。

分析我國鐵路的現狀，要從以上幾個方面達到一流水平是困難的，特別是在觀念方面，很難擺脫既有鐵路的思維定式。例如對技術標準修改的阻力及難度從一開始就表現得極為突出，可以預測，貫徹和落實一流技術標準的困難將貫穿整個建設過程。從目前的設計看，盡管采用了一些近年來的研究成果和國外高速鐵路的成功經驗，但總的來講，科技含量還不夠高，例如國際上巳普遍采用的無碴軌道、連續梁等，我國采用的比例還很小。

因此，既要肯定多年來為高速鐵路所做的一系列卓有成效的工作，同時又必須清醒地看到存在的差距，克服存在的就是合理的思想，樹立與時俱進的觀念；克服無所作為的思想，樹立時不我待的觀念；克服專業分割的思想，樹立系統論的觀念；克服等、靠、要的思想，樹立市場化觀念；克服大而全、小而全思想，樹立工業化大生產觀念；克服片面強調國產化的思想，樹立利用成熟技術、形成后發優勢的觀念；克服規章就是一切的思想，樹立對工程質量和壽命負全責的觀念；克服任務觀點，樹立設備全壽命的觀念，真正按照鐵道部黨組提出的“先進、成熟、經濟；實用、可靠”的技術方針建設世界一流的高速鐵路。