人名：张高
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<正>为认真贯彻落实习近平总书记文艺思想,落实中国国家铁路集团公司党组关于加强铁路企业文化建设的部署要求,在新中国成立70周年之际,由中国铁路文联、中国铁道博物馆联合举办的"京张高铁书画摄影采风展"在北京正阳门中国铁道博物馆展出。此次展览,旨在展示党的十八大以来中国铁路建设发展的辉煌成就,以及弘扬"京张铁路"精神。
为使铁路、公路等交通工程能够穿越风景名胜区,解决风景名胜区内隧道施工引起的污水、噪声、振动、弃碴、粉尘等环境污染问题,依托京张高铁新八达岭隧道及八达岭长城站工程,系统分析景区工程建设和运营可能造成的环境污染因素,从设计和施工2个方面,提出环境保护原则和环保技术措施。结果表明:铁路、公路工程采用隧道方案下穿风景名胜区是可行的,采取车站出入口消隐设计、清污分离的排水系统、长耐久性结构设计、微震微损伤控制爆破技术、大功率隧道空气除尘技术、曝气生物滤池污水处理技术、洞碴回收利用技术等环保措施后,能够满足景区各项环保指标的要求。
为给八达岭长城的游客提供最便捷的交通服务,京张高铁下穿长城并在长城脚下设置了地下车站,该车站是目前世界上"建设规模最大、埋深最大、开挖跨度最大、洞室结构最复杂"的地下暗挖高铁车站,面临深埋车站舒适环境营造、防灾疏散救援保障、超大跨隧道和密集洞群稳定支护、重要风景名胜区文物和环境保护等关键技术难题。针对这些问题,八达岭长城站提出了"更安全、更人文、更环保、更耐久"的设计目标,采用了更安全的群洞布局和流线设计,更人文的选线选址、设备选型和环境营造,更环保的排水体系、粉尘处理和施工工艺,更耐久的支护系统和衬砌结构,解决了以上难题,并取得了以下成果:（1）创建了多层密集洞群地下车站新模式及洞群修建技术;（2）研发了30m以上超大跨隧道修建技术;（3）提出了深埋地下车站环境营造及防灾救援技术;（4）建立了下穿长城古建筑微震爆破技术和下穿风景名胜区环境保护技术等一系列技术创新成果。
八达岭长城站是我国第一座深埋地下的暗挖高铁车站,位于八达岭长城地下。它从选址到设计施工,遇到了环保要求高、地质条件复杂、设计施工难度大等诸多难题。通过优化方案、技术创新和大量新材料新装备的运用,成功攻克各种难题,车站顺利建成运营,向世界展示了中国智慧、中国速度和强大的技术创新能力及大型装备制造能力,体现了中国强大的综合国力。
八达岭长城站建造过程中,参建各方积极开展科研技术攻关,研发超大跨度隧道修建技术、复杂洞室群隧道修建技术、耐久性隧道修建技术、微震微损伤精准爆破技术、BIM施工管理技术、隧道绿色建造技术及掌子面地质信息智能图像预报技术等关键创新技术。其中应用了一系列新技术、新材料、新工艺、新设备,成功攻克了在八达岭长城站建造过程中遇到的技术难题,并形成一套地下车站综合修建技术。
推行验收标准化和首件验收制度,规范验收流程,落实验收责任。通过实施样板引路、质量标准段、示范点的建设,形成以点带段,发挥亮点辐射、成段延伸的作用,从而促使监理标段的施工质量达标,顺利完成了本标段的监理任务。
由于荷载和材料参数的随机性,采用相同安全系数设计的隧道结构可靠性并不一致。基于概率理论的极限状态设计方法可消除上述问题,并可定量地描述隧道结构的可靠性,是未来隧道结构设计方法的发展方向。理解极限状态法在设计理念、设计参数、计算公式及评价标准等方面与传统方法的区别是正确应用该方法的前提。以京张高铁八达岭铁路隧道衬砌结构设计为例,依据《铁路隧道设计规范（极限状态法）》,针对一般隧道衬砌及大跨度衬砌结构,分别给出极限状态设计方法及流程,详细说明不同极限状态应采用的荷载组合、评价标准及注意事项。
随着我国经济的快速发展,交通事业也进入了高速的发展期,对隧道建设也提出了更多的要求,大断面小净距群洞隧道的建设也会越来越多。但是由于大断面小净距群洞隧道施工时相互影响大,结构形式复杂多样,这必然会给隧道的设计和施工带来很大的问题,因此对群洞隧道开挖方案的研究就非常有必要。本文依托京张高铁大跨小间距铁路隧道三洞分离段工程,采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法,对其三洞不同的施工顺序与单洞的开挖方法进行了研究,主要研究内容及成果如下:（1）收集现场监测数据。京张高铁八达岭群洞隧道三洞分离段采用先开挖左右两洞再开挖中洞的施工顺序,采用上下台阶法施工。布置现场监测方案以及对爆破振速进行数据的采集与分析。（2）利用理论分析,研究了群洞隧道施工的影响,在此基础上利用数值模拟,研究了不同施工顺序对中间岩墙爆破振动速度、沉降的影响,探究了相互影响的原理,得到了保持群洞隧道中间岩墙稳定的必要条件。（3）依托京张高铁八达岭段隧道工程,利用数值模拟,分析了影响爆破振速的因素,并对中间岩墙和先行隧道衬砌在不同爆破施工方法和不同施工顺序下的振动速度分别进行对比,得到了单洞不同爆破施工方法和三洞不同施工顺...
大客流在深埋地下车站的流线设计以及火灾工况下客流疏散的流线设计是深埋地下车站设计的关键技术问题之一。八达岭长城站埋深102 m,日高峰客流最大达10万人,大客流在深埋地下车站的流线设计以及火灾工况客流疏散的流线设计是深埋地下车站设计的关键技术问题之一。针对八达岭长城站的客流特征,本文提出了更安全、更高效的"流线三分离"的设计方案,。通过叠层通道布置消除了进、出站客流交叉,实现了进、出站客流分离;采用独立疏散楼梯布置,实现了紧急和非紧急人流分离;设置环形救援廊道提供行车通道,实现紧急情况下救援车流和疏散人流分离。
为了节省工程投资,优化正线上道岔对向布置夹直线长度,在对车站运输组织中第三方向引入及立折车等不同作业分析的基础上,对现有道岔结构及不同线间距对应的渡线上直线长度进行分析,当列车同时侧向通过两组道岔时,速度及相关动力特性受渡线上直线长度的影响。提出了对向布置的道岔间夹直线长度应与正线间渡线上直线长度相匹配,对向道岔间夹直线长度宜采用25 m的建议,并结合京张高铁八达岭长城站进行工程验证。研究表明,在空间受限的困难车站,可结合接发车作业、区间走向、引入车站线路建设方案进行综合分析,以确定对向布置道岔间夹直线长度。
为解决大跨度隧道常规预应力锚索承载力不足的难题,采用理论分析和现场试验对提升预应力锚索抗拔承载力的方法进行研究,提出增加锚固节和高压注浆2种提升预应力锚索抗拔承载力的方法和配套施工工艺。研究结果表明:影响预应力锚索抗拔承载力的主要因素为锚固段注浆体与筋体抗拔承载力及注浆体与地层间的抗拔承载力,通过增加锚固节和高压注浆工艺,可显著提升预应力锚索抗拔承载力,缩减工期,降低成本,确保锚索张拉力达到设计要求,具有较高的技术经济效益。
京张高铁八达岭长城站是我国第一座完全采用钻爆法开挖的深埋地下洞群车站,其设计理念、方法和内容都不同于常规地铁车站,也不同于地面火车站和城市浅埋明挖或盖挖的火车站。为适应八达岭长城站独特的地理位置、文化环境、埋置深度,提高车站的安全性、适用性、环保性和文化性,八达岭长城站确立"更安全、更人文、更环保、更耐久"的设计理念,并作为核心思想指导车站选线、选址、总体方案设计、防灾救援、支护体系设计、施工工艺和设备选型等整个设计过程。通过采用更安全的群洞布局和流线设计,更人文的选线选址、设备选型和环境营造,更环保的排水体系、粉尘处理和施工工艺,更耐久的支护系统和衬砌结构,实现车站的设计理念。
京张高铁八达岭隧道两次下穿世界文化遗产八达岭长城,隧道拟采用钻爆法开挖。为避免长城在爆破振动下发生破坏,在八达岭隧道大跨过渡段布置微振检测系统,用以验证爆破控制技术的效果。同时,收集和整理实测数据,按萨道夫斯基公式及Ricker公式进行回归分析,确定爆破振动的相关参数,从而得出适合八达岭长城地区地质条件的质点峰值速度和拐角频率的预测公式。误差分析验证了预测公式具有较好的适用性,可以为隧道下一步穿越长城核心区爆破参数的确定和安全性控制提供理论依据。
八达岭长城站是我国第一座深埋地下的高铁车站,车站由80多种洞室组成,传统二维设计难以准确表达其错综复杂的空间位置。为了提高设计效率和信息交流的准确性,采用BIM设计,解决了轨道交通工程在设计、施工、运营中的难题。基于三维碰撞检查、正向智能设计,加深了对BIM设计应用方式和铁路BIM相关标准的认识。
京张高铁经八达岭景区设地下站,地下站埋深较深,且经过全国重点风景名胜区八达岭景区,涉及工程结构安全、铁路运营安全、旅游安全、文物安全,以及对景区景观、环境的影响等方面的问题,使得八达岭地下站成为各方关注的焦点。通过对八达岭地下站涉及的相关问题进行综合分析,认为在八达岭景区设站是必要的。通过方案比选,滚天沟地下站方案在技术上是可行的,车站设于滚天沟广场地下,游客乘降方便,有利于改善八达岭景区的交通拥堵状况,运输方式低碳、环保、安全、快捷,是相对较优的方案。最终选定在八达岭长城景区设置埋深102 m的地下车站作为实施方案。
八达岭长城站是京张高速铁路唯一的地下车站,也是我国第一座深埋地下的高铁车站。八达岭长城站具有车站埋深大、客流集中、进出站行程较远、进站乘客站台等候时间长等特点。为了提高旅客舒适度和车站服务水平,改善站台空间环境和旅客心理感受,通过对八达岭长城站站台基本方案及3种加宽方案站台安全、舒适度及客流模拟分析,得出站台加宽之后均满足疏散及施工安全要求,且极大提高了站台区域的服务水平。三个站台加宽方案中,从整体的造价、服务水平等方面综合比较,推荐站台加宽方案1,站台加宽长度376 m最优。
京张高铁八达岭长城站埋深达102 m,具有78个洞室,结构复杂,防灾疏散救援难度极大。为应对八达岭地下站突出的防灾、疏散、救援、指挥等问题,在常规防灾疏散救援设施设备基础上开展了强化设计,在不改变原有防灾救援疏散各系统运营维护体制的前提下,通过在消防控制室设置一套防灾综合监控平台,运用理论研究、数值计算、软件开发等方法,将各类防灾信息进行综合、集中、三维可视化展示;综合监控平台能够针对各种防灾疏散救援相关信息进行综合数据的分析、挖掘,并在平台中植入救援联动控制预案,提升了灾前感知,救灾联动控制,灾后评估分析的能力;建立八达岭长城站的三维仿真演练示范系统,利用BIM/VR等技术进行可视化的3D仿真培训演练。防灾综合监控平台的建设,强化了八达岭长城站的防灾、救灾、减灾能力,为运营安全提供保障。
京张高铁八达岭长城站规模大、结构复杂、施工难度大。为实现车站及大跨过渡段的安全建设,八达岭长城站建立了结合人工智能技术的隧道围岩及结构安全智能监测系统,通过在围岩和结构中预埋传感器,监测地下车站和大跨过渡段的围岩,以及锚杆、锚索等支护结构的受力和变形,并进行自动化采集、实时传输和处理,实现隧道围岩及结构力学状态的可视化实时显示与预警。超大跨隧道结构安全智能监测系统确保了复杂围岩条件下长、大隧道及隧道群的施工期和运营期安全,体现了现场监测信息对施工与设计的指导意义,为类似工程的施工和监测提供了参考与借鉴。
为了确保超大跨隧道开挖过程围岩稳定和施工安全,合理确定各开挖步序的变形控制标准,采用理论分析、数值模拟实验和现场监测等方法,建立隧道变形与围岩应变相互关系的计算模型,提出基于围岩极限应变的隧道总变形控制标准,制定超大跨隧道分步变形控制标准和分级管理方法。研究结果表明:隧道围岩总变形控制标准取决于隧道围岩的极限应变;Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩32.7 m跨度的隧道,其拱顶总沉降控制标准分别为40,90 mm和180 mm;超大跨隧道施工过程中成跨阶段的变形约占总变形的95%,成墙阶段的变形约占总变形的5%。
大跨度深埋三连拱隧道具有开挖跨度大、施工工序复杂、各洞室协同受力等特点,支护结构设计需要进行荷载-结构模型验算,而荷载如何确定尚无成熟的计算方法。依托京张高铁八达岭长城站三连拱隧道工程,基于普氏平衡拱基本假定并借鉴深埋双连拱隧道荷载计算方法,推导出深埋三连拱情况下围岩压力计算解析解。研究表明:三连拱隧道围岩压力由拱部松散土压力和中隔墙共同承担;中隔墙的主动支撑作用非常重要,这与双连拱隧道的受力变化规律吻合;该计算方法适用于具备一定强度的接近松散体围岩;通过解析法计算结果与现场监测数据对比分析,水平与竖向围岩压力最大相对误差分别为9.75%和10%,验证解析法计算结果的合理性。
为实现深埋超大跨地下车站智能建造技术,京张高铁八达岭长城站从隧道智能化勘察、设计、施工、监测四方面展开一系列探索和研究。研发基于掌子面自动化素描系统的定量化超前地质预报技术,实现掌子面地质信息智能图像预报与围岩精准分级;应用BIM技术搭建多专业协作的统一平台,实现真正意义上的三维集成协同智能设计;构建实时人机定位管理系统,实现复杂地下车站人流-物流的高效协调和智能施工;采用隧道结构安全智能监测系统,对围岩和支护结构的力学状态进行全寿命周期的实时监测。隧道智能建造技术在八达岭长城站的成功应用,极大提高隧道机械化、信息化、智能化建设水平,提升隧道的施工水平和综合管理能力。
京张高铁八达岭长城地下车站埋深达102 m,车站具有规模大、洞室群复杂、周边环境敏感的特点。基于保护生态环境的绿色设计理念,创新性提出地下车站清污排水分离系统的设计概念。详细介绍车站包括进、出站通道、站台层及设备用房的特殊结构布置形式,对站内各部位排水排放量进行分析计算,并结合各部位结构特点进行针对性的排水设计。考虑清水系统经过防排水措施的有效疏导,再经过排水管路、管沟自行排出车站;污水系统采用真空抽排方式提升至室外污水压力井;废水汇入通道楼扶梯下集水坑及废水泵房提升至室外废水压力井,在排水过程中清水与污废水排放路径达到完全分离,达到了清水可利用、污废水可纳入市政的环保目的。
为分析高铁隧道及地下车站活塞风效应,采用经三维CFD数值模拟验证后的一维数值模拟计算方法,建立京张高铁八达岭隧道及半高安全门地下车站通风网络模型,计算不同工况下进出站人行通道风速,并评估通道内人员安全性。结果表明:一维数值模拟方法能准确预测咽喉区气流分布及通道风速;列车正常运营产生的活塞风直接影响站内气流,进出站人行通道内风速最高可达8.3 m/s;风速最大负值出现在两个区间分别有列车往隧道外以最大速度行驶时,风速最大正值出现在两个区间分别有列车以最大速度进站并在车站附近会车时;单车越行和两车会车时,通道内最高风速分别可达4.6 m/s和7.6 m/s;通过人员安全性分析,得到本模拟计算的通道内最大风速8.3 m/s在安全范围内,只是部分人员感觉不舒适。研究结果可用于高铁地下站通风系统的安全和舒适设计。
目前三连拱隧道衬砌荷载尚无成熟的计算方法且类似工程施工经验相对较少,以京张高铁八达岭长城站为例,研究在V级围岩地质条件下,大跨度深埋三连拱隧道设计计算方法及合理的施工工序。依据普氏平衡拱理论并借鉴双连拱隧道围岩荷载计算方法,提出深埋三连拱隧道围岩荷载模型,通过建立有限元模型,分析三连拱隧道的合理施工工序。研究表明:三连拱隧道围岩压力可以看作拱部松散土压力及中隔墙所承受的压力之和;三连拱施工工序推荐采用先侧洞后中洞的工序,对于施工过程中保持围岩及支护结构体系的稳定较为有利;通过右洞围岩压力计算结果与现场检测结果对比分析,围岩压力最大相对误差在10%以内,全施工阶段监测情况一切正常,验证了解析法计算结果的合理性及施工工序的优越性。
为了提高隧道及地下工程的耐久性,降低地下工程运营期维修养护的成本,采用系统分析法研究地下工程的耐久性机理,提出地下工程结构耐久性的计算模型及其定量化设计方法。隧道结构的耐久性取决于初期支护和二衬承载力的衰减,初期支护承载力的衰减将引起二衬荷载的增大,隧道结构耐久性的安全系数可采用二衬承载力与其荷载的比例来表示,当二衬荷载增长曲线与其承载力衰减曲线相交时,隧道结构达到承载力极限状态,此时也即为隧道耐久性的设计使用年限。八达岭长城站支护体系设计中,采用围岩长期自承载的设计理念,利用长寿命初期支护加固围岩,形成持久的围岩自承载拱,长期承担全部围岩荷载,二衬作为安全储备。同时,增加锚杆注浆保护层的厚度和密实度、设置居中定位器来提高锚杆的耐久性,采用分段高压注浆来提高锚索的耐久性,采用中低热水泥、Ⅰ级粉煤灰、多级配整形骨料、控制入模温度、优化配合比、进行保湿保温养护等措施提高二衬混凝土的耐久性,形成长寿命支护结构体系。
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