西安至成都高速铁路设计创新技术综述

王争鸣

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司；2.轨道交通工程信息化国家重点实验室，西安 710043)

西安至成都高速铁路设计创新技术综述

王争鸣1，2

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司；2.轨道交通工程信息化国家重点实验室，西安 710043)

我国已成为高速铁路设计、建造及运营技术的世界强国。艰险山区高速铁路设计、建设及运营时间相对较短，技术难度大，仍需要从设计源头开始进行攻坚克难，创新提升技术。结合西成高铁的特点，有针对性地从克服复杂地形，满足环保及安全等需要，对项目设计创新进行综述，提出创新的体会，为满足国家“一带一路”和“走出去”战略要求；研发更先进、更可靠、更绿色的高铁技术奠定基础，为类似高速铁路的技术创新提供参考。

高速铁路；勘察设计；创新技术;综述

1 项目概述

西安至成都高速铁路(以下简称“西成高铁”)于2017年12月6日正式开通运营，线路行经秦巴山地，连接关中平原、汉中盆地和成都平原，为世界首条穿越秦巴山区的艰险山区高速铁路，途径西安、汉中、广元、绵阳、德阳至成都，西安北至成都东线路全长658 km，其中陕西境内343 km。陕西境内线路穿越我国地理上最重要的南北分界线秦岭以及米仓山，地形地质条件复杂，工程艰巨。该段设计时速250 km，共新设车站8座，隧道总长189 km，桥梁总长131 km，桥隧比例高达93%，其中超过10 km的特长隧道有7座，秦岭隧道群规模为全国之最。

2 项目特点与创新要求

2.1 项目特点

西成高铁陕西境内线路经关中平原，穿越秦岭，连通汉中盆地，翻越米仓山进入四川境内，由于沿线地形、地质及地物的状况，集中体现项目有以下几个特点。

(1)关中平原地形平坦，地势开阔，铁路、公路较发达，路网交织，尤其是线路需跨越已运营的西宝高铁，交角小，难度大。

(2)秦岭山区地形艰险、山势巍峨高耸，山体厚度达120 km，高差大，尤其秦岭北坡，在航空距离30 km范围内高差达1500～3 260 m，项目工程艰巨[1]。秦岭山区山体厚，山势巍峨高耸，坡陡、高差大，形成逾越十分困难的自然屏障，项目线路穿越难度大，长大隧道密集分布，间距短，防灾救援困难。

(3)秦岭是中国中部重要的水源涵养区，秦岭岭脊及两侧连片分布众多环境敏感点，形成了整体性很强的保护区域，生态保护要求高、难度大。

2.2 创新要求

中国高速铁路通过大力推进原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新，十多年的时间已成为世界上高铁规模最大、发展速度最快的国家。在地形地质环境复杂、生态敏感度高的艰险山区环境中修建高速铁路还需要从设计源头开始，为满足国家“一带一路”和“走出去”战略要求，研发更先进、更可靠、更绿色的高铁技术奠定基础。

西成高铁陕西境内设计创新的要求，主要是针对复杂的地形地质条件、生态敏感度高的艰险山区环境，在满足经济性的基础上，解决高速度、高安全性，实现建成“以人为本”的“绿色高速铁路”。高速度，设计需要线路平纵断面、基础设施及配套工程的高标准；高安全性，在工程设置需解决长隧高桥以及高陡边坡的安全可靠性；“以人为本”的“绿色高速铁路”需解决人的舒适性以及减少对生态的影响。

3 技术创新

3.1 攻坚克难，安全可靠方面的创新

3.1.1 采用长45 km的25‰坡度翻越秦岭的创新

(1)秦岭山区山体厚度达120 km，形成难以逾越的自然屏障；山势巍峨高耸，整体上北陡南缓，尤其秦岭北坡，在航空距离30 km范围内高差达1 500～3 260 m，高差大；考虑长隧工程经济性，需减少单座隧道的长度；修建长大隧道或隧道群，需解决运营安全和运营能力问题。要同时满足这四个要求，技术难度大。

在项目前期研究中，首先进行了大范围的线路选线，从秦岭宝成线以东、西康线以西横向250 km范围进行了多个翻越秦岭的线路方案研究，并重点针对性地对翻越秦岭段线路最大纵坡进行了专题研究。研究表明：国内运行的动车组均具有较大的爬坡、制动能力，在持续25‰坡度上能满足较高的运输速度、运营安全及线路运输能力要求[2]。

经综合选线研究，项目困难山区线路首次采用25‰的最大坡度，且持续足坡段落长45 km，短直穿越秦岭山区，较国内通常最大坡度20‰方案，将越岭主隧道长度由24.8 km减短至15.9 km，建成单洞双线隧道，有效缩短了辅助坑道长度，改善了施工及运营条件，缩短了施工工期，同时节省工程投资11.7亿元[3]。

(2)西成高铁采用连续45 km的25‰的长大坡道，动车组在此区段运行不仅需要可靠、不间断供电，同时也需要可靠的制动。

为提高设计精度，牵引供电系统采用先进的WEBANET/IMFEB供电仿真软件，对该系统进行了大量的仿真计算，模拟牵引变电所及机车在各种工况下运行状况，确定的牵引供电方案能够保证各种工况下为动车组提供持续动力。

在大坡区段，供电臂只有牵引列车或只有再生制动列车可能性较大。列车牵引时功率大、持续取流时间长，使得牵引网电压降低，一旦低于22.5 kV将使机车牵引功率下降；而列车制动时再生功率大，再生制动能量反送牵引电网，迫使牵引网电压很快升高，一旦超过29 kV(或更高)，将引起机车制动力降低，影响动车组的正常运行。同时，由于本线部分牵引变电所处于秦岭腹地，外部电源线路长、线路充电电容大、线路空载电压高，造成接触网电压波动更大。为此，西成高铁采用了多抽头的330 kV牵引变压器，增加了牵引变压器电压调节范围，提高了牵引供电系统的供电能力和对外部电源、列车再生的适应能力。

为满足不同车型动车组在长大下坡道处对制动距离的要求，设计前期先通过理论分析计算出区间各闭塞分区长度，然后针对不同的车载设备对计算结果进行仿真测试，优化调整闭塞分区，保证所有车型都能可靠制动，确保动车组运行安全。

3.1.2 采用顶推法施工的132 m简支钢桁梁桥跨西宝高铁立交桥的创新

跨西宝高铁特大桥位于西安北站以东约10 km，桥址处为三层立交，下层为福银高速公路；中间层为西宝高铁的咸阳渭河桥，本桥与西宝高铁咸阳渭河桥的交角为14°，是西成高铁重难点控制工程[4]。原设计方案采用主跨为128 m的混凝土连续梁桥，悬臂挂篮施工。由于西宝高铁先于西成高铁开工前运营通车，原设计方案影响西宝高铁的运营安全，进一步研究了跨度132 m再分式简支钢桁梁方案。

132 m再分式简支钢桁梁方案，主桥跨度为目前高速铁路单体跨度最大的简支钢桁梁。为了提高桥梁刚度，须增加主桁高度，但过高的主桁高度势必影响腹杆的稳定，创新设计采用独特的再分桁型式，使得腹杆长度减半，解决了腹杆稳定的难题。为了提高桥梁的整体性，创新桥面系设计采用正交异性板桥面系，并首次将正交异性板桥面系应用于无砟轨道桥梁中。

同时，为了确保施工期机场高速和西宝高铁运行安全，需选择西宝高铁运行“天窗期”进行，难度巨大。在国内首次创新采用水平横移施工法，施工先行在线路侧面完成拼装，后在28 m的高空，将2 800 t重钢桁梁通过空中滑道横向顶进38 m，到达桥梁设计位置。西成高铁采用132 m再分式简支钢桁梁跨越西宝高铁，并采用水平横移施工，有效提高了桥梁结构的刚度和整体性，并有效解决了西宝高铁的运营安全问题。

3.1.3 站后设备及段所场坪布置方式的创新

西成高铁陕西段共设置牵引所亭29座、信号中继站10处、无线基站28处、直放站16处、警务区17处、岗亭87处等隧道外独立站后设施，其中70%位于山区，选址困难，且面临洪水、危岩落石和滑坡等地质灾害，其中又以占地最大的牵引所亭困难最为突出。平原地区的牵引变电所一般占地约1.333 hm2(20亩)，而穿越秦岭地带多为“V”形沟谷，变电所极难布置，综合多项技术措施，较好地解决了布置难题。

(1)采用GIS设备。GIS(气体绝缘全封闭组合电器)具有结构紧凑、占地面积小、可靠性高、环境适应能力强等优点，是艰险山区建所解决占地问题的首选方案，缺点是一次性成本较高。西成高铁首次大范围采用了330kV GIS设备，牵引变电所场坪面积缩小为平原地区敞开式布置的40%，AT所、分区所场坪面积分别缩小为敞开式布置的50%和32%。由于设备可靠性高，维护工作量极小，运营后维护成本低。

(2)采用箱体式布置。在秦岭山区地形条件特别困难的东涝峪、十岔沟等地，即使是占地较小的分区所、AT所也难以选址。为解决占地问题，设计人员大胆创新，提出箱体式布置的方案，将设备集成在若干个不锈钢制的箱体内，依据地形布置，避免了在峡谷内修建房屋。采用箱式设备的AT所、分区所场坪面积分别仅为敞开式布置的23%和16%，大大降低了山区牵引变电所亭的修建难度。秦岭峡谷地带依据地形而建的箱式AT所见图1。

图1 秦岭峡谷地带依据地形而建的箱式AT所

(3)采用阶梯式布置。在大巴山区一些坡度相对缓和的地区，设计提出了阶梯型的布置方案，即结合所址范围内高差较大的现场地形条件，将所内设备布置在两个台阶上，仍采用与平原地区相同的单体式设备，在不增加电气设备投资的情况下，大大减少了场坪填、挖方量，降低了工程实施难度。该方案在我国高铁建设中首次采用。如图2所示。

图2 采用阶梯式布置的AT分区所

西成高铁在地势险峻、落差极大地区提出的牵引所亭场坪布置创新设计，较好地解决了占地、填挖方等问题，既降低了工程实施难度，又避免了地质灾害风险，确保了供电系统的安全可靠性，值得借鉴。

3.1.4 变电所双层地网的创新设计

西成高铁山区沟谷地带洪水位较高，为保证安全，牵引变电所场坪标高需在100年洪水位以上，造成场坪高填方，部分所亭的填方在8 m以上。由于山区取土条件困难，填方多采用碎石填料，造成场坪范围内土壤电阻率极高，变电所接地网达标非常困难。

针对这种情况，设计提出设置“双层地网”的创新设计方案，即在原始地面以下设置一层接地网，变电所回填后在场坪以下再设置一层接地网，上、下层接地网之间用接地线进行连接，下层地网主要起与大地低电阻率土壤连接的作用，用于降低接地电阻，上层地网主要起均压、降低跨步电势和接触电势的作用。上、下层地网连通后，接地网由平面变成立体形状，更有利于降低接地电阻。采用CDEGS软件仿真的双层地网模型和计算结果。

西成高铁采用的双层地网设计，充分地利用了空间条件，造价不高，效果明显，有效期长，非常适合在高填方地区的变电所采用，经济和技术效益显著。

3.2 绿色高铁，环境保护方面的创新

3.2.1 秦岭生态保护的技术创新

秦岭生态敏感性高。秦岭地处中国南北自然分界线、气候随海拔升高而呈垂直变化，“一山有四季，十里不同天”，特定的森林植被环境，90.3%的森林覆盖率及丰沛的水量，造就了尘世里的一枚“绿肺”， 是中国中部重要的水源涵养区，被誉为中国中央公园，动植物的天然“基因库”，是世界上同纬度地区生态环境最佳区域。秦岭岭脊及两侧连片分布众多国家级、省级自然保护区、城市水源地、国家级森林公园，具有分布广、规格高、影响大的特点，形成了整体性很强的保护区域[5]。

为使西成高铁达到适应建设“美丽中国”要求的“绿色高铁”。必须解决减少工程建设运营对沿线，特别是秦岭生态的影响。

工程穿越秦岭山区线路设计选线过程中，首先针对秦岭山区的生态敏感性，通过对秦岭地区区域生态环境现状、敏感性及影响因素的分析，从平面、立面全方位把握秦岭自然生态与环境空间分异和特点，通过多方案比选，最终选择了避开了秦岭山区集中、连片、整体性较强的保护区域的线路走向方案。线路顺直，引线及越岭隧道工程涉及的生态敏感区少。

其次是在无法避开的天华山国家级自然保护区实验区和朱鹮国家级自然保护区实验区分别采用了深隧道形式和桥梁的方式进行穿越，未对保护区形成分割，不影响野生保护动物的栖息地的完整性，不威胁保护区内野生动物的种类和丰度，对秦岭生态环境影响最小的工程形式。

最后考虑秦岭段隧道工程多，弃砟量大且弃砟的材料性能好的特点，隧道弃砟尽可能再次利用，弃砟远运至临时砟场制成砂石料，再作为本项目施工混凝土材料运回利用；同时，弃砟选址避开秦岭山地环境敏感区及主要野生动物分布区，并进行复垦或绿化处理。

西成高铁采用上述生态保护的创新措施，减少了工程对秦岭生态的影响，效果明显。

3.2.2 朱鹮防护网的技术创新

朱鹮系东亚特有物种，也为中国特有物种，国家一级保护动物，西成高铁途经陕西省洋县穿越陕西汉中朱鹮国家级自然保护区实验区及洋县、城固朱鹮分布区。

为保护朱鹮，同时也保障高铁列车运营安全，设计开展了朱鹮防护措施研究，掌握工程建设及运营过程中朱鹮等鸟类与列车运营的相互影响，为制定相应的朱鹮等鸟类保护措施提供依据。

研究采用三级筛分法递次展开：理论筛分—工程筛分—试验设计筛分，通过对朱鹮生态行为特征研究，结合调查收集目前较为成熟的驱鸟设备与驱鸟方法、洋县朱鹮国家级繁育基地防护措施、国内外考察鸟类防护措施等，提出在西成高铁线路两侧设置防护网的朱鹮防护措施方案。

同时，结合朱鹮的习性及特点，朱鹮防护措施应具有避让朱鹮喙、头部的特点，因此要求防护措施应具有孔状的结构特征，同时防护措施应具有弹性特征，在朱鹮与防护网发生碰撞后，不至于朱鹮飞行冲量瞬间转化为极大的作用力而导致朱鹮撞伤或死亡。同时，需对朱鹮采取防护措施段落为高桥梁地段，设计中需充分考虑到朱鹮行为特性和行车安全。

经综合对防护网的高度、结构、性能及附属设施进行了研究，最终采用金属编织防护网，防护措施设于桥梁遮板处并与遮板螺栓连接，防护措施主体为格柵网，采用H型钢立柱、横向角钢、横向压条、纵向压条、蓝色反光条、带刺板和格栅网组合、直立形式，防护措施高度采用4 m。朱鹮防撞网设施见图3。

图3 朱鹮防撞网

西成高铁为世界上首条安装鸟类防护网的高速铁路，在经过1年的实验监测中，专家发现有将近8 000多次朱鹮有效飞跃西成高铁，但没有发现一次撞上防护网的现象，朱鹮防护网的设计实施为后续铁路项目积累了宝贵的经验。

3.3 以人为本、安全舒适方面的创新

3.3.1 密集隧道群洞口连接技术创新

西成高铁翻越秦岭段隧道占线路比重达95%，长大隧道多，隧道密集分布，形成百余公里的长大密集隧道群，在我国乃至世界高速铁路中实属罕见。隧道洞口大多为“V”形沟谷，坡面陡峻、地形艰险、落石发育。两隧道洞口间明线段长度普遍较小(最小18 m)，列车频繁进出隧道，气动压力频繁变化，“黑洞”和“白洞”效应剧烈，影响旅客乘车舒适性。

围绕解决旅客舒适度问题，设计首先从空气动力学角度，对不同长度隧道间的不同间距、不同列车运行速度、不同列车密封指数和不同交汇车位置等数十种工况进行数值模拟分析，研究洞口小间距对乘客舒适度的影响程度；并针对隧道洞口特点，通过与西南交通大学联合研究，进行模拟分析，确定合理的接长长度；同时，通过列车密封指数与洞口间距关系对乘客舒适度的影响，研究将间距18 m两隧道洞口进行创新连接处理。

创新的隧道群洞口连接技术，解决了隧道进出洞口，气动压力频繁变化，提高了旅客乘车舒适性。隧道群洞口连接结构见图4。

图4 隧道群洞口连接结构

3.3.2 密集隧道群防灾疏散技术创新

西成高铁穿越秦岭山区隧道群长度达110 km，隧道群的防灾救援问题极为突出，在勘察设计阶段无相关设计规范和成熟的经验可供参考借鉴。考虑高铁必需以乘客安全为中心，万无一失，必须采取科学、经济合理的手段解决隧道群的防灾疏散问题。

围绕艰险山区隧道群防灾疏散问题，通过大量调研国内外隧道防灾救援工程实例，合理拟定隧道内的救援疏散的模式——洞内疏散和定点疏散两种情况，并按照列车着火后，原则上应该将列车拉至洞外的救援疏散定点，但当列车发生机械故障或脱轨，列车不能继续行走时，需进行洞内疏散的两种情况考虑。西成高铁首次创造性地提出疏散定点的概念，即后来规范中定义的救援站。

西成高铁在隧道群创新设置两类型式救援站，一般救援站和平导式救援站，两种救援站均将列车着火点停放在明线段，可最大程度为乘客安全疏散争取安全时间、减少机械通风设备，大大降低建设、运营成本，提高防灾救援的安全性[6]。救援站结构模型见图5。

图5 救援站结构模型(单位：m)

3.3.3 密集隧道群4G网络覆盖的技术创新

西成高铁全线隧道比例达55%，秦岭山区越岭段100多km更是高达95%，秦岭及大巴山区内公众移动通信信号覆盖薄弱，山区内移动、联通及电信运营商仅对部分村庄密集区域进行了信号覆盖，如不采取网络创新，西成高铁在山区内行车，移动电话将一直属于呼叫限制状态。

为了满足旅客在乘坐西成高铁途中的通信需求，需为高铁沿线建设一套专用的公网无线通信覆盖系统。为了保证车厢内信号的覆盖质量，沿线建设移动、联通和电信三家运营商的共5套覆盖子系统；在隧道内每隔500 m设置1处信源设备，设备安装于隧道内专用洞室；为了避免铁路专网信号与公网信号之间的干扰或者公网系统内部的干扰，隧道内采用设置2条专用的漏泄同轴电缆用作公网信号的延伸覆盖，漏泄同轴电缆的挂设高度距轨面2.1 m和2.5 m，位于动车车窗的上下沿附近，信号穿透动车车窗正好直达旅客移动通信终端，使通话或视频效果最优；在隧道口处为了保证隧道内外公网信号的连续性，避免旅客在通话过程中突然断线，在隧道外侧壁安装了高增益定向天线，保证公网信号进出隧道时的平滑切换。西成高铁专网工程实施中已为公网覆盖的建设预留了电力、槽道、光电缆的引入以及接地端子等资源，使公网设施无缝接入高铁工程。

西成高铁开通后成为第一条4G网络全线覆盖的艰险山区高速铁路，乘客已可无障碍地享受网上冲浪和视频对话。

4 体会和建议

综合上述艰险山区高速特点及创新技术，结合多年工作实际，提出以下体会和建议。

(1)中国高速铁路近年来取得了令世人瞩目的发展成就，技术水平世界一流，再创新主要基于市场需求，依托重大工程项目，需按照“安全、绿色、舒适”新思路持续创新，提升技术能力、打造中国品牌至关重要，为实施高速铁路“走出去”发展战略奠定基础。

(2)对于艰险山区等复杂环境的高速铁路技术创新，研究中要充分分析复杂环境对高铁建设、运营带来的影响，尤其是在安全、环保以及舒适度方面的影响，并要针对影响提出解决方案，进行技术创新，完善我国高铁技术体系，提升技术水平。

(3)高铁设计及参建人员要不断跟踪相关专业、相关行业的技术发展动态，积极开展科技攻关和技术创新，突破传统设计理念，及时更新技术手段，开阔创新思路和理念。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路西安至成都客运专线西安至江油段预可行性研究[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.

[2] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路西安至成都客运专线翻越秦岭地段最大坡度研究[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.

[3] 王杰.艰险山区铁路西安至成都客运专线陕西境内段综合选线设计[J].铁道标准设计，2013(8):28-31.

[4] 王旭阳.西成客运专线跨郑西客运专线桥式方案研究[J].铁道标准设计，2016，60(12):65-70.

[5] 刘康，马乃喜，胥艳玲，等.秦岭山地生态环境保护与建设[J].生态学杂志，2004，23(3):157-160.

[6] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路西安至成都客运专线西安至江油段可行研究[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.

Overview of the Design and Innovative Technology of Xi’an-Chengdu High-Speed Railway

WANG Zheng-ming

(1.China Railway First Survey & Design Institute Group Co.，Ltd.; 2.State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization， Xi’an 710043，China)

China has become a world power in the design, construction and operation of high-speed railways. As the design, construction and operation of high-speed railway in dangerous mountain areas have been only in existence for relatively short period of time and the relevant technologies are very difficult, it is still necessary to tackle difficult problems from the very beginning of the design, and innovate and upgrade the technologies. In view of the characteristics of Xi’an-Chengdu High-Speed Railway, this paper stresses project design innovations and summarizes innovative experiences so as to face complex terrain challenges and meet the needs of environmental protection and safety, which are expected to lay the foundation for the fulfillment of national “the Belt and Road” and “Going Global” strategic requirement, and for the research and development of more advanced, reliable and greener high-speed railway technologies and to provide references for technical innovation of similar high-speed railways.

High-speed railway; Survey and design; Innovative technology; Overview

1004-2954(2018)01-0001-05

2017-12-18

王争鸣(1957—)，男，教授级高级工程师，全国工程勘察设计大师，轨道交通工程信息化国家重点实验室主任。

U21

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201712180003