時(shí)速350公里 福廈高鐵何以穿山跨海

8月31日，福廈高鐵運(yùn)營試驗(yàn)列車行駛在泉州灣跨海大橋上。（記者林輝 通訊員丁波 攝）

新建廈門北站換乘中心屋面安裝了大面積的天氣感應(yīng)式智能天窗，體現(xiàn)了智慧節(jié)能的理念。（記者林輝 攝）

新建廈門北站智慧監(jiān)控室 （記者林輝 攝）

高空俯瞰，新建廈門北站宛如海上的滔滔巨浪。 （記者林輝 攝）

遠(yuǎn)眺泉州灣跨海大橋 （記者林熙 攝）

湄洲灣跨海大橋全景 （記者林熙 攝）

經(jīng)過6年多建設(shè)，全國首條設(shè)計(jì)時(shí)速350公里的跨海高鐵——福廈高鐵具備年內(nèi)通車條件，“坐著高鐵看大?！奔磳⒆哌M(jìn)現(xiàn)實(shí)。

全長(zhǎng)277.42公里，先后跨越湄洲灣、泉州灣、安海灣的三座跨海大橋，在海上穿行長(zhǎng)度達(dá)19.9公里；正線橋梁84座、隧道29座，橋隧比高達(dá)85.1%……大量采用數(shù)字化仿真、智能建造、智能傳感、智能分析等技術(shù)，福廈高鐵的建設(shè)是我國智能高鐵最新科技成果的集成化應(yīng)用；在橋梁、隧道、站房等方面，設(shè)計(jì)建設(shè)單位一共建成了91個(gè)具有代表意義的樣板工程，填補(bǔ)了高鐵建設(shè)領(lǐng)域的多項(xiàng)空白。

福廈高鐵開啟了中國沿海智能高鐵建設(shè)的新篇章。

11級(jí)暴風(fēng)下，跨海大橋的交通也可不封閉；僅新建廈門北站的光纖照明系統(tǒng)全年可節(jié)約用電約72萬千瓦時(shí)；“數(shù)字孿生”技術(shù)，聯(lián)結(jié)起高鐵的虛擬與現(xiàn)實(shí)……本期深讀聚焦福廈高鐵穿山跨海背后的科技。

減隔震技術(shù)，風(fēng)大也不怕

新設(shè)計(jì)使橋體繞開風(fēng)向，減少了復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)致振動(dòng)，讓動(dòng)車可在8級(jí)大風(fēng)下不限速、11級(jí)暴風(fēng)下不封閉交通

結(jié)構(gòu)迥異、外形多樣、技術(shù)各具千秋的橋梁，是福廈高鐵最大的特色。

福廈高鐵是由中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院（以下簡(jiǎn)稱“鐵四院”）負(fù)責(zé)勘察設(shè)計(jì)的，鐵四院橋梁院總工程師嚴(yán)愛國表示，福廈高鐵是我國高鐵中橋梁結(jié)構(gòu)最多樣復(fù)雜的，線路上林立的橋梁橫跨湄洲灣、泉州灣、安海灣、烏龍江、九龍江等海灣與大江大河，福廈高鐵還上跨G324國道及沈海、福泉、廈蓉、泉州繞城等高速公路以及福廈、鷹廈、廈深等鐵路。據(jù)統(tǒng)計(jì)，福廈高鐵正線就新建了橋梁84座，橋梁長(zhǎng)度合計(jì)181公里，占比65.3%。

與普通橋梁相比，跨海大橋設(shè)計(jì)難度更大。為此，福廈高鐵的設(shè)計(jì)建設(shè)方開展了海上大跨度簡(jiǎn)支梁建造技術(shù)、獨(dú)塔混凝土斜拉橋裸塔轉(zhuǎn)體技術(shù)、耐海洋大氣環(huán)境腐蝕技術(shù)以及BIM（建筑信息模型）技術(shù)、橋梁健康監(jiān)測(cè)等專項(xiàng)研究。

以泉州灣跨海大橋?yàn)槔?，泉州灣位于沿海高風(fēng)速帶，風(fēng)速大，風(fēng)況復(fù)雜，全年6級(jí)及以上風(fēng)力天數(shù)達(dá)91天。

為解決風(fēng)的問題，保證該橋梁在大風(fēng)中穩(wěn)固，又能保持動(dòng)車高速運(yùn)行的連續(xù)性，他們采用了大量新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)。

首先是橋梁主塔造型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。中交二航局新建福廈鐵路六標(biāo)項(xiàng)目總工程師羅長(zhǎng)維介紹說，主梁采用流線箱形結(jié)構(gòu)，并附加導(dǎo)流板、減振欄桿、拉索電渦流阻尼器等有效氣動(dòng)措施?！斑@些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使橋體繞開風(fēng)向，減少了復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)致振動(dòng)?！?/p>

其次是適應(yīng)高鹽高濕的海洋腐蝕大氣環(huán)境，解決海洋環(huán)境對(duì)橋梁的銹蝕問題。在泉州灣跨海大橋，遠(yuǎn)觀會(huì)發(fā)現(xiàn)橋墩下半部呈現(xiàn)一截白色?！斑@是特殊的防腐蝕材料。”羅長(zhǎng)維表示，福廈高鐵的幾座跨海大橋索塔鋼錨梁和支座均采用了新材料，在國內(nèi)首次采用耐海洋大氣腐蝕鋼，以及免涂裝（不涂油漆）、不設(shè)除濕系統(tǒng)，成為全球首座采用免涂裝耐候鋼的大型跨海工程。

主跨400米，南北兩座主塔高160.254米，相當(dāng)于50多層樓高，泉州灣跨海大橋作為長(zhǎng)聯(lián)高墩跨海大橋，位于臺(tái)灣海峽西岸地震高烈度區(qū)，還得面對(duì)抗震難題。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用縱向黏滯阻尼器、可剪斷的耐候雙曲面球型鋼支座、金屬阻尼器的綜合減隔震體系及技術(shù)，以及無支座整體剛構(gòu)橋，解決了這一難題。

經(jīng)風(fēng)洞測(cè)試，福廈高鐵幾座跨海大橋均達(dá)到了在不設(shè)風(fēng)屏障等防風(fēng)措施下，動(dòng)車可在8級(jí)大風(fēng)下以時(shí)速350公里行駛不限速、11級(jí)暴風(fēng)下不封閉交通。

可以自豪地說，福廈高鐵讓中國橋梁建造技術(shù)邁上新臺(tái)階。在湄洲灣跨海大橋設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將主橋設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)矮塔斜拉橋，主跨180米，跨越湄洲灣規(guī)劃3000噸級(jí)航道，設(shè)南北兩座雙柱式主塔，橋面以上塔高30米，造就了全國首座跨海高鐵矮塔斜拉橋。建設(shè)過程中，大橋海上引橋全部采用40米簡(jiǎn)支梁預(yù)制架設(shè)施工，極大縮短了海上施工工期。在高鐵建設(shè)中實(shí)現(xiàn)跨度從32米到40米簡(jiǎn)支梁的規(guī)?；こ虘?yīng)用，標(biāo)志著高鐵建造技術(shù)的重大提升和突破。

在6年多的建設(shè)時(shí)間里，福廈高鐵建設(shè)者堅(jiān)持“一橋一策”，成功破解海風(fēng)海水腐蝕、季節(jié)性臺(tái)風(fēng)影響、高速鐵路橋梁變形等一系列難題。采用泥沙分離器、混凝土超灌提醒儀、超聲波檢孔儀、智能溫控系統(tǒng)等10余種最新施工技術(shù)、工藝，不僅打通了施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也填補(bǔ)了我國高鐵建設(shè)領(lǐng)域的多項(xiàng)空白，實(shí)現(xiàn)了高鐵建設(shè)技術(shù)的新突破。

無砟與有砟，跨海不減速

橋面或鋪設(shè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無砟軌道，或鋪設(shè)科技含量高的有砟軌道，保證高鐵列車以350公里時(shí)速跨越大海

在跨海大橋上行車，受海上風(fēng)力影響很大。通常來說，為了確保行車安全，通過這樣的路段需要減速慢行，但福廈高鐵卻實(shí)現(xiàn)了“跨海過橋不減速”。

安海灣特大橋，不僅是福廈高鐵跨海橋梁的收尾之作，也是世界無砟軌道橋梁“大跨”“跨?！钡摹伴_山之作”。

砟，在鐵路中指鐵軌周圍的小石塊。之所以將安海灣特大橋建成無砟軌道跨海大跨斜拉橋，主要是因?yàn)闊o砟軌道可避免道砟飛濺，其平順性、穩(wěn)定性好，車輛通過無需減速。但這種軌道對(duì)施工工藝、沉降控制等要求極高。

安海灣特大橋自身“大跨”“跨?！钡膶傩?，讓無砟軌道上橋極具挑戰(zhàn)。經(jīng)過反復(fù)模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)找到了適應(yīng)“大跨”“跨?！睏l件的鋼混結(jié)合梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用全聯(lián)長(zhǎng)鋼混結(jié)合梁，主梁采用有效氣動(dòng)措施，滿足了跨海大橋通行高鐵列車的技術(shù)要求；橋面鋪設(shè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，實(shí)現(xiàn)時(shí)速350公里高鐵列車跨海過橋不減速。通車之后，時(shí)速350公里的高鐵列車駛過650米長(zhǎng)的主橋用時(shí)不到7秒，跨過整個(gè)海域也只需98秒。

在泉州灣跨海大橋上，有砟軌道也可以跑出無砟軌道的感覺。傳統(tǒng)有砟軌道的最高運(yùn)營時(shí)速為250公里，而泉州灣跨海大橋首次采用了聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)“固定”道砟，使得在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下，高鐵列車也可以350公里時(shí)速通過大橋。

在創(chuàng)造速度奇跡的背后，如何保障橋軌安全？鐵四院福廈高鐵橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人梁金寶透露，目前通過集成應(yīng)用智能傳感、智能物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、地理信息等現(xiàn)代信息技術(shù)，“橋-軌一體化”24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)近期已開始運(yùn)行。

梁金寶告訴記者：“在高鐵進(jìn)入運(yùn)營階段后，這個(gè)系統(tǒng)將對(duì)整個(gè)橋軌結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行快速診斷，克服了海上橋梁人為運(yùn)維的短板。強(qiáng)大的信息收集能力實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，定期生成日?qǐng)?bào)、月報(bào)和季報(bào)，從而幫助我們研判整個(gè)橋梁軌道的具體情況?！?/p>

數(shù)字“孿生”，樹智慧標(biāo)桿

將圖紙上的鐵路立體化，解決原來圖紙上看不到的“死角”，并與智慧建造、智慧運(yùn)維相協(xié)同

福建依山向海，水網(wǎng)交錯(cuò)，山水阻隔，是福廈高鐵設(shè)計(jì)師們繞不開的難題。

從圖紙上的線條圖案到現(xiàn)實(shí)中的鋼筋水泥，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要考慮很多。

作為跨海鐵路，福廈高鐵全線瀕臨海灣，橋隧比高達(dá)85%，其中還包含4座高風(fēng)險(xiǎn)隧道，存在涌水涌泥、斷層破碎帶、采空區(qū)等不良地質(zhì)，再加上特殊橋跨多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，建設(shè)施工難度很大。與此同時(shí)，福廈高鐵全線有百余處與現(xiàn)有高速公路、鐵路交叉或鄰近，安全管控難度大。

數(shù)字施工與智慧建造技術(shù)在福廈高鐵全生命建設(shè)周期中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS、北斗等先進(jìn)技術(shù)，樹起了高鐵智能建設(shè)的新標(biāo)桿。

鐵四院福廈高鐵BIM總設(shè)計(jì)師孫澤昌介紹說，BIM技術(shù)首次在福建的鐵路建設(shè)中得到全線全專業(yè)的應(yīng)用，包括線路、橋梁、隧道、路基、地質(zhì)、站場(chǎng)、軌道、接觸網(wǎng)、供變電、環(huán)保、通信、信號(hào)等20個(gè)專業(yè)工程。

“BIM技術(shù)相當(dāng)于在數(shù)字世界里對(duì)福廈高鐵進(jìn)行‘孿生’，將圖紙上的鐵路‘立起來’，更加直觀、更好地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖。不僅可以從設(shè)計(jì)源頭上解決原來圖紙上看不到的‘死角’，同時(shí)它還能向下游延伸，協(xié)同智慧建造和智慧運(yùn)維?！睂O澤昌說道。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的三維選線設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)建了全線超過3500平方公里的數(shù)字地面模型、13類共計(jì)489個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模型，實(shí)現(xiàn)了全線303公里橋梁、路基、隧道、站場(chǎng)、接觸網(wǎng)與軌道、立交道路的模型構(gòu)建，提供了77處立交道路與7處站場(chǎng)概念模型的構(gòu)建。

鐵路“四電”即通信、信號(hào)、電力及電氣化工程，分別相當(dāng)于人的經(jīng)脈、眼睛、體能和神經(jīng)，共同為高速奔跑的列車提供動(dòng)能及指引。有了它們，高鐵才能跑得動(dòng)、跑得快、跑得穩(wěn)。在以BIM為開發(fā)平臺(tái)的智慧工地系統(tǒng)上，“四電”智能裝備不再是“單機(jī)版”，而是進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)模式。智慧安全體驗(yàn)區(qū)、接觸網(wǎng)智能預(yù)配區(qū)、智能建造基地等一系列成果，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路“四電”工程全生命周期的可視化、數(shù)字化、全過程管理，減少碰撞與返工，提高建造質(zhì)量、保證施工安全。

低碳環(huán)保，高鐵“綠”意濃

選線過程中，繞避森林公園、飲用水源保護(hù)區(qū)；新站房裝有屋面采光機(jī)，將太陽光輸送到地下空間用于照明，大大減少碳排放

不僅橋隧建造創(chuàng)造奇跡，福廈高鐵及站房的設(shè)計(jì)與建設(shè)也體現(xiàn)了綠色低碳環(huán)保。

福廈高鐵沿線設(shè)福州南、福清西、莆田、泉港、泉州東、泉州南、廈門北、漳州8座客運(yùn)車站。鐵四院設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人羅俊文介紹，福廈高鐵經(jīng)過福建東南沿海，這里經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密集，自然生態(tài)環(huán)境良好。沿線分布有自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園、飲用水源保護(hù)區(qū)等。

“設(shè)計(jì)過程中，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的考量貫穿了全過程。”羅俊文告訴記者，在選線過程中，他們?nèi)嬲{(diào)查了沿線植被、浮游植物類型，兩棲動(dòng)物、爬行類、鳥類、獸類、浮游動(dòng)物等，通過繞避森林公園、飲用水源保護(hù)區(qū)等措施，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保效益的最大化，將福廈高鐵打造成一條生態(tài)景觀畫廊。

同時(shí)，福廈高鐵在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到如何與周邊人文自然相協(xié)調(diào)，烏龍江主橋高低塔的選擇，既滿足航道要求而又與烏龍江兩岸山峰呼應(yīng)；泉州灣大橋主橋形似貝殼，橋上欄桿也采用海絲風(fēng)帆的LOGO標(biāo)志，從高空看整座大橋就像一條飄移的絲帶，契合了泉州作為海絲文化發(fā)源地的特點(diǎn)；湄洲灣引橋采用大跨度簡(jiǎn)支梁，減少海域施工風(fēng)險(xiǎn)又簡(jiǎn)潔明朗，與遼闊的海域融為一體。

福廈高鐵在設(shè)計(jì)和建設(shè)中，綠色環(huán)保理念還體現(xiàn)在許多細(xì)節(jié)。例如，新建廈門北站換乘中心屋面安裝了目前全國高鐵站房面積最大的天氣感應(yīng)式智能天窗，其面積1400平方米，約有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)大小。中鐵建設(shè)廈門北站項(xiàng)目總工程師潘峰潭介紹說，通過分布在四周的風(fēng)雨感應(yīng)器，天窗可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的光照、降雨、風(fēng)力等環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)開合玻璃及窗簾，充分改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，為旅客帶來舒適的換乘體驗(yàn)。據(jù)測(cè)算，智能天窗每年將減少40天通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，相當(dāng)于減少14.13噸二氧化碳排放。

在換乘中心地下負(fù)10米，專門建設(shè)的旅客集散空間，環(huán)境封閉，但在這里，不用燈具就有自然光照，旅客可獲得不輸于地上空間的舒適感，這得益于新建廈門北站在國內(nèi)首次全面運(yùn)用的智能光纖系統(tǒng)。

這套智能光纖系統(tǒng)又是如何運(yùn)作呢？原來，安裝在屋面的82套采光機(jī)，每天如向日葵般自動(dòng)蘇醒，精準(zhǔn)追蹤太陽方位，將所采集的陽光，通過大通量特種光纖輸送至地下空間替代燈具照明。

“光纖照明覆蓋面積達(dá)7000平方米，相當(dāng)于為地下部分安裝了一扇巨大天窗?！迸朔逄督榻B道，系統(tǒng)一次能源利用效率高達(dá)80%，全年節(jié)約用電約72萬千瓦時(shí)，相當(dāng)于減少排放565噸二氧化碳。

在新建廈門北站，2萬多平方米的候車大廳在15分鐘內(nèi)可實(shí)現(xiàn)快速制冷，上千個(gè)燈具可分組控制實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景化照明?！罢痉克锌照{(diào)、照明、通風(fēng)等機(jī)電設(shè)備都受iBMS智慧管控系統(tǒng)管理。”鐵四院福廈高鐵電力專業(yè)負(fù)責(zé)人朱榮釗表示，系統(tǒng)還能代替人工巡檢，自動(dòng)分析、判斷機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在不同環(huán)境參數(shù)下自動(dòng)實(shí)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，讓所有設(shè)備始終處于最優(yōu)能耗狀態(tài)。據(jù)悉，車站正式運(yùn)營后，該系統(tǒng)每年可為站房節(jié)能100萬千瓦時(shí)，相當(dāng)于減排960噸二氧化碳。

新建廈門北站順利亮相的背后，智能施工設(shè)備功不可沒。摒棄傳統(tǒng)人工收面，改用自動(dòng)收面機(jī)器人，施工速度提升2倍；引進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)焊接機(jī)器人替代人工焊接，焊接時(shí)長(zhǎng)縮短3倍，焊接質(zhì)量提升2倍……“通過智能化施工，我們實(shí)現(xiàn)了工序的高效推進(jìn)，雖然新站規(guī)模比既有老站增加了34%，但工期卻縮短了18%，關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)均提前半個(gè)月以上完成?！迸朔逄墩f。（記者張穎 通訊員張啟山）

來源：福建日?qǐng)?bào)