郑州至济南高速铁路总体设计及技术创新

涂跃彬

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 项目背景

济南至郑州高速铁路是我国“八纵八横”高铁网中主通道的区域连接线[1]，连接鲁豫两省省会济南和郑州，是我国山东半岛地区至西南地区的快速客运通道。2022年6月份开通的郑州至济南高速铁路郑州至濮阳段(以下简称“郑济高铁”)，标志着河南省“米”字形高铁网正式形成，濮阳市也将融入郑州省会城市“一小时都市圈”，对豫东北地区经济发展具有重要的意义和作用。

2 项目概况

2.1 研究过程

2016年1月，郑济高铁项目预可研工作正式启动；2016年3月至8月，分别完成初测及可研、定测及初步设计工作；2016年8月，项目可行性研究报告批复；2016年9月，初步设计批复；2016年10月，先期开工段开工建设；2017年5月，完成全线施工招标工作，全线工程开工建设；2022年6月20日郑州至濮阳段建成通车。

2.2 工程概况

郑济高铁濮阳至郑州段位于河南省东北部，本线起自濮阳市濮阳东站，途经濮阳市、安阳市、省直管县滑县、鹤壁市、新乡市、郑州市，终至既有郑州东站。正线全长197.28 km，桥梁长度178.24 km，桥梁占比90.35%，全线共设7座车站，分别为濮阳东站、内黄站、滑浚站、卫辉南站、新乡东站、新乡南站、郑州东站，其中郑州东站、新乡东站为既有车站。主要技术标准为350 km/h高速铁路，郑济高铁濮阳至郑州段线路平面示意见图1。

图1 郑济高铁濮阳至郑州段线路平面示意

2.3 重难点工程

全线重难点工程为郑州万滩黄河公铁大桥，采用双层桥面布置，下层为郑济高铁、郑新市域铁路的四线铁路；上层为双向六车道的郑州至新乡快速路，公铁共建段长度12.18 km，跨越黄河主河槽主桥长2 016 m，采用1联(112+6×168+112) m和7孔112 m钢桁梁桥组成，北引桥172孔40 m简支箱梁采用预制架设法施工[1]。郑济高铁黄河特大桥主桥立面布置见图2，112 m钢梁主桥立面布置见图3。

图2 郑济高铁黄河特大桥主桥立面布置(单位：m)

图3 跨度112 m钢梁主桥立面布置(单位：cm)

3 枢纽引入及线路走向方案

郑济高铁选线设计在结合路网规划、城市规划基础上，充分考虑环保、地质、工程经济等因素，合理确定枢纽内客运站布局，满足快速、安全、舒适的乘车要求，科学合理地控制工程投资[2]。郑济高铁所经地区经济据点众多、外部环境复杂，环境要求标准高，郑州枢纽引入方案、线路走向方案以及黄河桥位选择方案是本项目的重、难点。

3.1 郑州枢纽引入方案

原郑州铁路枢纽总图规划客运系统为“三主一辅”格局，郑州、郑州东、郑州南为主客站，预留大关庄站为辅助客站。随着郑济高铁的实施，郑州枢纽形成“米”字形格局，原枢纽总图的布局已不能满足客流的快速增长需求。结合郑济高铁的引入，需对枢纽的总图格局进行重新梳理和分析[2]。

结合枢纽点线能力不足的现状，本着统筹兼顾、因地制宜、合理布局、适度超前的原则，通过对枢纽现状能力以及客流增长后枢纽客运格局的适应性分析，研究得出枢纽存在的问题及薄弱环节，对郑州枢纽客运格局进行如下调整：规划北客环及郑州北客站；规划客运东环线；规划陇海线郑州至小李庄三四线及小李庄经圃田南至圃田的陇海货车外绕线；新建小李庄主客站，承接郑州站普速车功能，郑州站调整为以动车为主[2]。优化调整后，郑州枢纽客运系统将形成“四主”的客站格局，郑州、郑州东、郑州南和小李庄站为主要客运站。郑济高铁郑州枢纽引入方案研究成果被纳入《关于郑州枢纽总图规划(2016—2030)的批复》。调整后郑州枢纽客运格局总平面布置见图4。

图4 调整后郑州枢纽客运格局总平面布置

3.2 线路走向方案

线路走向方案强调地质选线、环保选线、工程选线，综合确定合理路径及站位，统筹兼顾沿线各地市发展诉求，并通过工程经济比选确定最终合理较优的推荐方案。

郑济高铁新乡至莘县段线路长度占全线总长的比重约48%，如何确定本段合理的线路方案对全线的线路走向起到重要的作用[3]。该段沿线经济据点分布有新乡市及所属卫辉市，鹤壁市及所属淇县、浚县，省直管县滑县，安阳市内黄县，濮阳市及所属濮阳县、清丰县、南乐县，山东省聊城市莘县等。对线路方案影响比较大的控制因素为中国大运河(永济渠滑县、浚县段)世界文化遗产。郑济高铁在滑县、浚县区域内是东西向的，大运河是南北向的，河南省以及沿线地方政府均强烈要求于滑县、浚县两县间设站。因此，势必要与大运河(永济渠)滑县、浚县段世界文化遗产交叉跨越。大运河(永济渠)世界文化遗产构成见图5。

图5 郑济高铁跨越大运河(永济渠)世界文化遗产平面示意

在研究过程中，结合《中国大运河遗产管理规划》要求、考古勘探等专题结论，充分论证了郑济高铁穿越大运河的可实施性，编制了跨越大运河(永济渠)滑县浚县段世界文化遗产的文物影响评估报告，并顺利通过了国家文物局的批复。对北线方案、中线方案、南线方案3个方案进行充分比选，推荐了吸引客流能力较强，站位与城市规划结合较好，旅客出行便利的经滑县、濮阳东的中线方案。线路走向方案示意见图6。

图6 郑济高铁新乡至莘县段线路走向方案示意

3.3 黄河桥位方案

郑济高铁黄河桥位选择在黄河花园口至赵口河段，属黄河下游典型的游荡性河段，河道内险工众多，水流复杂，滩区及两岸人口众多，是黄河防汛重点河段。根据水利部黄河水利委员会《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准(试行)》(黄建管〔2007〕48号)条例要求，黄河桥位方案应执行以下要求：与既有黄河桥并行间距不得大于100 m；新建桥位与既有黄河桥间距不宜小于4 km；新建桥梁轴线的法线方向与洪水主流线夹角原则上不大于10°。

该河段自西向东分布有既有京广高铁公铁两用桥、京港澳高速公路桥。京港澳高速公路桥以东3.5～13 km范围为郑州黄河湿地省级自然保护区缓冲区及核心区。并行既有京广高铁桥位方案不具备修建与郑州东站京广高铁场联络线条件。对并行京港澳高速桥位方案、京港澳高速东侧3.5 km桥位方案进行充分比选，推荐主桥跨度小、对行洪影响小、工程投资省的京港澳高速东侧3.5 km桥位方案。黄河桥位方案示意见图7。

图7 郑济高铁黄河桥位方案示意

4 创新设计

习近平总书记指出：“我国自主创新成功的一个成功范例就是高铁，从无到有，从引进、消化、吸收再创新到自主创新，现在已经领跑世界”。设计是所有工作的灵魂和源头，所以设计工程师在这方面下了很大的工夫，要创新首先应该在理念上做足功课、下大力气[4]。对本项目郑州万滩黄河公铁大桥大跨度无砟轨道钢梁[1，5]、40 m简支箱梁预制架设等关键创新技术[6]开展设计研究(原中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2017G006-H))等多项科研工作，为本线工程建设提供了必要的技术支持，取得了良好的技术应用效果。

4.1 国内首次在设计时速350 km高铁大跨度钢桁梁桥上铺设无砟轨道

目前国内大型钢结构桥梁工程，例如武汉天兴洲长江大桥、南京大胜关长江大桥等，多采用有砟轨道结构[7]。采用有砟轨道，列车运营速度达到300 km/h后，会导致道砟飞溅并加速道床粉化，一般采用有砟轨道大跨度钢桥设计速度不超过250 km/h[8-9]。对于高速铁路跨越大江大河采用大跨度钢梁处，存在设计速度低于全线标准设计速度这一长期困扰的问题。另外，与无砟轨道相比，有砟轨道几何状态不易长期保持，增加了维修工作量和养护维修设备种类。因此，在大跨度钢桥上推广使用无砟轨道，不仅是实现高速铁路高速平稳运营的要求，同时对于降低工程造价，减少后期轨道养护维修工作量有积极意义[10]。

郑州万滩黄河公铁大桥主桥跨越黄河主河槽主桥分两部分布置，第一部分采用1联(112+6×168+112)m连续钢桁梁桥，联长1 232 m，第二部分采用7孔112 m简支钢桁梁桥，联长784 m，合计主桥总长2 016 m[1]。连续钢桁梁为钢结构材质，属于柔性结构；而无砟轨道板为混凝土材质，属于刚性结构；在列车活载和温度荷载作用下会产生挠曲变形，特别是在主桥温度跨度达到616 m这种大跨度钢桥无砟轨道，周期性的下挠和上拱影响更显著。为解决钢结构桥梁柔性桥面与刚性无砟轨道结构过渡的难题，在钢桥上铺设一层15 cm厚混凝土桥面板，该桥面板整体性好，有利桥梁桥面的防腐，也可有效地提高无砟轨道结构局部刚度，桥面板通过100 mm长剪力钉与钢桥连接成整体，在桥面板上铺设270 mm厚底座。大跨度钢桥无砟轨道布置示意见图8。

图8 大跨度钢桥无砟轨道布置示意(单位：mm)

项目组以郑州万滩黄河公铁大桥为依托，开展了《长联大跨无砟轨道连续钢桁梁桥关键技术》课题任务，在大跨度无砟轨道连续钢桁梁桥结构设计[11]、大跨钢桥-无砟轨道变形参数和桥梁刚度限值[12-13]、长联大跨无砟轨道连续钢桁梁桥施工关键技术[14]、连续钢桁梁桥轨道结构设计与措施等方面展开了研究工作，并取得一批重大成果。建成后的郑州万滩黄河公铁大桥为我国首座长联无砟轨道高速铁路钢桁连续梁桥，也是我国首次在设计时速350 km的高铁大跨度钢桁梁桥上铺设无砟轨道，取得了无砟轨道钢桁梁桥技术的重大突破。

4.2 国内首次实现铁路桥梁跨度40 m预应力混凝土简支箱梁整孔预制架设的规模化应用

目前，我国高速铁路预制架设简支箱梁的最大跨度为32 m，因受运架设备的制约，跨度大于32 m的简支梁基本采用现浇法或节段拼装法施工。郑州万滩黄河公铁大桥北岸因黄河水利委员会对该河段行洪提出跨度不小于40 m要求[15]，共有344孔40 m预应力混凝土简支箱梁，其中高速铁路梁172孔、市域铁路梁172孔。在总结历年来铁路大跨度简支梁科研及设计成果的基础上，结合原中国铁路总公司《高速铁路大跨度简支梁建造关键技术研究》相关科研成果，对郑济高铁开展了40 m预应力混凝土简支箱梁工法的技术创新设计研究[6]，通过计算确定梁高、截面尺寸、钢束布置等梁体关键设计参数，并进行静力和动力分析，40 m预应力混凝土简支箱梁的轮重减载率、脱轨系数、轮轨横向力、竖向及横向舒适度指标均满足规范要求；优化设计后的40 m简支箱梁梁高3.2 m，梁体混凝土量为370 m3，梁体质量925 t；综合考虑梁场、大临设施等费用，采用预制架设工法降低造价570余万元，经济效益显著，同时质量更加可控，施工风险也更低[16-17]。结合以上技术参数，在施工工装方面，首次研制了YLS1000型运梁车及配套JQS1000型架桥机，较既有高铁900 t提运架设备的技术水平有了全面提升。

该项创新技术为国内首次实现铁路桥梁跨度40 m预应力混凝土简支箱梁整孔预制架设的规模化应用，扩大了高速铁路预制架设简支梁桥的适用范围，丰富了简支梁桥的跨度系列，形成了高速铁路40 m整孔预制架设箱梁成套技术体系；是高速铁路建造技术的重大提升与突破，标志着我国40 m预制简支梁建造技术从研究试验阶段向工程应用阶段的顺利迈进。该关键技术对于缩短铁路建设工期、减少连续孔跨结构数量、提升经济性具有重要意义，有助于完善我国具有独立知识产权的高速铁路桥梁建造技术体系，对于我国高速铁路的长期发展和实现“走出去”战略具有积极推动作用。

4.3 国内首次实现最大规模既有运营高铁插铺1/42号道岔

郑济高铁引入郑州枢纽，新建郑州东杨庄上、下行联络线，与既有徐兰高铁郑州东南东上、下行联络线插入2组1/42号道岔在鸿宝线路所接轨，来实现郑济高铁与徐兰高铁、京广高铁间的互联互通，对完善全国路网结构具有重要意义。

徐兰高铁每日正线图定列车76对、郑州东南东联络线54对，运输极为繁忙，为最大限度减少施工对徐兰高铁正常行车的干扰，采用半封锁施工，大大增加了作业难度和施工风险。在邻线徐兰高铁正常行车条件下，施工空间窄，交叉作业多、安全风险大、施工协调难等特点，利用天窗540 min时间组织1 000余名作业人员连续作业，以min为单位卡控每道工序，保障插铺成功。插铺道岔14道工序见图9。

图9 插铺道岔工序

其中，第3道工序推动道岔，利用郑州东南东联络线纵移210 m至靠近设计位置后，搭设纵向走行轨转入第5道工序，在走行轨纵移是本项重难工序，利用拆除P60轨组建纵向滑移平台，人工铺设纵向走行轨，轨枕采用木枕，间距6 m，轨距1 435 mm，承轨垫板采用提前钉固在木枕上的“抽轨专用滑轮”。将拆下的钢轨铺设在专用滑轮上，用U形夹板连接，且对轨枕下道床进行捣固，确保铺设的纵向滑轨线路平顺，道岔纵移平稳。

插铺的1/42号道岔全长157.2 m，总质量262 t；整组道岔在2‰的坡度一次纵移370 m、横移1.3 m插铺到位，这在国内道岔插铺施工尚属首次，创造了有砟高速道岔在既有大型高铁枢纽长距离纵移、曲线段插铺到位的国内纪录。

4.4 国内首次实现并行既有高铁站采用架空站台结构

郑济高铁于既有京广高铁新乡东站京广场东侧并列设置郑济场，新建车场规模为3台7线，于既有京广高铁左侧帮宽路基宽83 m，平均填高约7.5 m，郑济高铁与京广高铁相邻股道最小线间距仅为10.5 m。京广高铁正线及与正线相邻的到发线均采用无砟轨道，其余到发线采用有砟轨道；郑济高铁正线为无砟轨道，到发线均为有砟轨道。京广高铁高峰时每5 min通过一趟列车，十分繁忙，因此对沉降控制要求、临近既有线施工要求极高。郑济高铁引入新乡东站车场平面布置示意见图10。

图10 郑济高铁引入新乡东站车场平面布置示意

在高速铁路网络逐渐完善的今天，新建高速铁路不可避免地接入既有高速铁路，甚至会与既有高速铁路部分并行。高速铁路尤其是无砟轨道对路基工后沉降要求十分严格，邻近既有高速铁路进行的工程建设活动(如开挖、填筑及地基处理)会对既有高铁产生附加沉降，造成无砟轨道不均匀变形，威胁到既有高速铁路运营安全[18]。目前，并行既有高铁新建线路基一般采用填筑轻质土+桩(筏)板复合地基处理等措施，但大面积路基填土附加应力影响范围广、深度大，对既有线附加沉降变形不可避免；同时临近既有线地基加固施工扰动的影响也不可小视。泡沫轻质土材料长期强度稳定性也存在不确定性。因此，针对以上情况，对郑济高铁引入既有京广高铁新乡东站并站路基进行了技术创新设计研究。提出“框架结构”的架空站台结构形式，如图11所示。框架结构与雨棚柱共用桩基础，用混凝土框架空间“补偿”填土，有效减少竖向荷载，同时缩小荷载作用的宽度(相比较7.5 m高填土放坡荷载作用宽度减少约63%)，附加沉降相应得到有效控制。

图11 “框架结构”的架空站台结构形式

该项创新技术在工程实施期间，对既有京广高铁无砟轨道的沉降量控制在1 mm以内，另外相比常规填筑轻质混凝土方案工程投资还要节省。该结构新颖，受力明确，为国内并行既有高铁站首次采用架空站台结构，可供类似工程借鉴。

4.5 注重绿色环保、文物保护设计

本项目跨越黄河、海河、淮河三大流域、南水北调配套工程以及中国大运河(永济渠滑县、浚县段)世界文化遗产，穿越北金堤、柳围坡、长虹渠以及白寺坡四大滞洪区。因此，环境保护、水土保持、防洪安全要求极高，在设计中充分考虑绿色环保、文物保护设计理念。特别是跨越中国大运河(永济渠滑县浚县段)世界文化遗产设计过程中，为了确保大运河遗产本体、历史水系、未来通航和展示利用等不受影响，遵循对文物最小干预原则，通过多方案比选、专题论证等方式最终确定了跨越运河段桥式方案，采用大跨度桥梁使基础避开运河本体，优化孔跨布置最大限度减少了其缓冲区范围内的基础数量，同时考虑景观协调性，尽可能缩小桥梁体量，采用以灰色为主色调的外观设计，针对施工过程中可能产生的不利影响制定了严格的减缓措施，最大程度减少了对文物本体及环境的干扰[19]。濮阳东站设计中充分考虑建筑节能需求，采用中空冲氩气玻璃幕墙满足外立面保温隔热需求。同时在站房西侧主立面结合建筑造型设置遮阳构件，在满足美观的前提下减少西晒对建筑的影响。

5 结语

郑济高铁的开通运营，河南省“米”字形高速铁路网在全国率先建成，对郑州国家中心城市建设和提升全国性综合交通枢纽地位至关重要。2022年6月20日开通以来，单日最高开行动车组列车55对，开通第1个月共发送旅客41.2万人，客运需求旺盛。郑济高铁总体设计系统性确定了合理的郑州枢纽总图方案，吸引客流能力强的线路走向方案，对黄河行洪影响小、节约桥位资源的桥位以及桥式桥跨方案。同时本项目设计中积极采用新技术、新方法、新手段，对黄河桥大跨度无砟轨道钢梁、40 m预应力混凝土简支箱梁整孔预制架设，郑州枢纽既有运营高铁插铺道岔以及新乡东站既有高铁站并站路基等技术开展了创新突破。特别是在郑济高铁联调联试阶段，我国自主研发的高速动车组CR450检测列车，在本项目创造了明线单列时速435 km、相对交会时速870 km的世界纪录，为我国高标准铁路总体设计工作积累了宝贵的技术经验。