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万里驰骋高速铁路,科技巧解气象难题 来源:中国气象报社 日期:2023年10月17日08:19

编者按:高铁的快速发展,为我国经济增长、地区协同发展、综合国力提升打下坚实基础。目前,我国高铁“八纵八横”线路图正逐步织密,而高速铁路建设和运行,经常面临天气气候的严峻挑战。铁路建设者们是如何克服高寒、大风、暴雨等重重气象阻碍,破解建设过程中的种种难题的?气象部门又如何提供“后方保障”,使铁路建设得以有序、安全进行?本版策划带您一探究竟。

建设篇:穿山越海 中途遇到哪些“拦路虎”?

9月27日,重达556吨的站房屋面球形网架结构顺利顶升到位,标志着我国在建的最北端高铁——伊春西站正式封顶;而在距离其约2900多公里的福州,全长277公里的福厦高铁,在国庆假期第一天正式开通运营,高速行驶的列车犹如一条条钢铁长龙,在山海间腾跃。

一南一北“黄金通道”的架设与开通,是路网功能与城际功能并重的代表,将使路网辐射范围更加广阔,成为推动地区经济发展的“加速器”。

实现高质量发展,交通当先行。高铁建设需考虑沿途地理、环境、天气气候等多方面因素,其穿山越海背后,要跨越哪些艰难险阻?

10月7日下午,在成贵高铁贵州段,一列动车穿过鸭池河大桥。石奎 摄

抗冻:直面冻土路基技术难题

在东北,铁路修建需要面对冻土反复冻胀和融沉带来的危害。在寒冷的季节,冻土就像冰一样,随着温度的降低体积发生膨胀,建在上面的路基和钢轨会被顶起来;到了夏季,冻土融化,体积缩小,钢轨也就随之降下去。

哈伊高铁被称为冻土上的“最北高铁”,沿线分布着14段共计5.8公里的岛状多年冻土带,其最深处厚达3米。

“东北地区的多年冻土界线大致沿北纬48°南北波动,是亚欧大陆高纬度多年冻土南界纬度最低的区域,哈伊高铁的终点伊春市正在此界线上。”中国科学院西北生态环境资源研究院助理研究员吴吉春表示,“冻土反复冻结、融化交替出现,就会造成路基严重变形,对于平顺性要求极高的高速铁路来说,这成为非常严重的问题,因此冻土会给哈伊高铁的施工带来很大难度。”

中铁二十二局铁伊铁路先行标段项目副经理陈文全告诉记者,针对施工中需松软土路基、冻土路基等多项技术难题,他们创新采用冻土段钻孔桩施工的双层护筒结构方式,完成了国内首例高铁桥梁多年冻土桩基施工,为我国冻土地段钻孔桩施工积累了宝贵经验。

另外,高铁站伊春西站地处北纬47°43′,冬季最低气温低于-40℃,全年施工有效期仅为180天左右,是我国目前在建纬度最高、所处地区全年温差最大、首个在高寒地区多年冻土层施工的高铁站房。

为最大程度减少高寒地区冬歇期对施工进度的影响,建设单位将全线车站站台雨棚由现浇式优化为装配式,使施工效率得到极大提升。针对伊春当地全年雨雪天气较多、气候冷暖多变等特点,伊春西站在站房屋面设计上采用超大弧度坡屋顶结构做法,在大幅提升屋面排水性能的基础上有效解决站房屋顶冬季积雪多、消融时间长的问题。

越海:挑战海上强风环境

如果说最北端的高铁要经历严寒的“洗礼”,那么身处南方地区的高铁则要经受大风、暴雨等侵袭。

“福厦高铁有一部分处于闽东山地,修建时要穿越众多隧道,隧道最大长度达到10.669公里,地形地质比较复杂,尤其是断层节理发育的地下水较丰富,导致渗漏水严重,因此要做好防排水措施。”福州工务段福州南路桥车间副主任王亚东说,“另外,福厦高铁沿途经过泉州湾、湄洲湾、安海湾三座跨海大桥,受大风影响严重,因此作业时间受限,要尽量避开大风时段。”

湄洲湾海域受地理位置的影响,常年伴有狂风大浪,尤其是在夏季,受北半球气旋影响,使得该地台风频发。建设部门采用自主研发的昆仑号千吨级运架一体机和移动模架制梁机,从海湾的南部开始向北部沿岸进行架梁作业,并在与之相反的方向进行现浇梁施工作业,从而克服了大跨度海面施工的难题。湄洲湾跨海大桥的两边还配备有减震栏杆和导流板等特殊装置,有效地避免了大桥在极端天气中产生的大幅度震动。

泉州湾全年六级以上风力天数平均为91天。为增加泉州湾跨海大桥的抗风能力,主塔创新设计采用了曲线H型的桥塔,是一个贝壳分半的造型,流线状的结构设计,能够减少风力。同时,主梁的护栏也采用了减震护栏,斜拉索采用了电蜗牛阻力器,减少了整个桥梁在面临大风或者台风来袭时的风震问题,大桥在面临12级台风的时候,也能够保证整个轨道的平顺性。

穿山:在喀斯特地貌上“舞蹈”

地处西南腹地的贵州有典型的喀斯特地貌,生态环境脆弱,地质条件复杂,给工程建设带来很大挑战。

今年8月底,贵南高铁全线贯通并投入使用。贵南高铁大跨桥梁及长隧道众多,其中,贵荔段穿越贵州高原、苗岭山脉,横跨清水河、澄江河、红水河等多条河流,沿线山高谷深,地形地貌复杂多变,岩溶滑坡等地质灾害时有发生,线路桥隧比高达90%。

在充满溶洞和暗河的喀斯特地貌中建设隧道,施工就像头顶一个个未知大小的水缸。贵南铁路项目部工区经理郭东银说:“九万大山一号隧道是一座富水型的隧道,我们把防排水作为重点,施工中在辅助通道和主洞之间增加泄水廊道,同时做好环向引排。”

当铁路建成投运后,列车在穿越隧道、桥梁时,同样可能会遭遇强风,夏季暴雨导致的山洪、滑坡以及冬季的雨雪冰冻等灾害性天气。

贵州省气象局高级工程师、贵州新气象科技有限责任公司((以下简称“新气象”)交通事业部部长袁晨介绍,要想规避强风、山洪、塌方等气象因素对山地铁路建设和列车安全运行的影响,一是要提高工程技术和设备水平,例如采用更高级别的桥梁和隧道设计,提高抵抗强风的能力,引入先进的排水系统和轨道构造,以应对雨雪天气带来的挑战。二是选择适合的地理位置,铁路线路设计时应尽量避开因地形造成局地风速较高或雨雪天气频发的地区,还应考虑地理环境对高铁的线路的影响,选择合适的线路走向。

运维篇:恶劣天气 钢铁巨龙如何平安飞驰?

高铁建设和运行期间,都可能会遭遇雨雪、大风等天气因素的考验,高铁的平安运行,如何守护?

吉林:“一网一号一人”创新模式护高寒铁路安全通行

途经吉林,有一条被誉为“黄金线”的铁路,是东北地区的经济大动脉,这就是哈大高铁。哈大高铁自2012年开通运营以来,作为世界首条高寒高速铁路,其不断向北延伸,陆续开通吉图珲(吉林—图们—珲春)以及更加偏远的北方地区。

哈大高铁纵贯黑龙江、吉林、辽宁三省,经过中国最为寒冷、温差最大的地区,冬季风雪天气增多,沿线最大积雪厚度30厘米,冬季土壤最大冻结深度超过2米,给高铁行车带来极大挑战。

自哈大高铁运行起,吉林省气象部门就开始面向高铁开展逐三小时雨雪定量预报服务。2019年,省气象局加大探索专业气象服务发展新思维和新路径,以省气象服务中心专业服务部为基础,以特色专业气象服务为切入点,创新提出“一网一号一人”服务模式。具体来说,即建设吉林铁路气象服务网,向铁路部门提供最新实时气象信息和雷达图,对超巡线雨量铁路路段进行语音报警;启动铁路气象服务工作专班,建立吉林省铁路气象服务公众号,为铁路部门提供所在铁路路段的详细雨量信息和实时更新的预警信息;专业气象服务预报员担当铁路部门决策“叫应员”,遇高影响天气时发布逐三小时预报、天气实况和行业影响等铁路气象服务信息;临近重大天气过程,调派业务骨干开展驻场服务,现场协助影响分析,高效助力铁路决策部署。

福建:智能网格预报助海上高铁巧避强风

福厦高铁是我国首条时速350公里的跨海高铁,海岸线结构复杂,对大风、强降水等恶劣天气尤其敏感。

6月初,福建省气象服务中心开始为中国铁路南昌局集团有限公司福州工务段提供高铁试运行阶段气象保障服务,针对高铁运行安全对大风、强降水的精细化需求,组织构建技术研发团队,研发预报服务产品。

“针对大风,省气象服务中心提供逐小时风速预报,建立福清西站到泉州南站的分辨率为5公里的智能网格天气预报。”省气象服务中心副主任黄铃光介绍,“我们紧密围绕铁路行业用户的精细化服务需求,在精细上下功夫。另外,针对福厦高铁国庆期间运营的情况,服务团队加紧提供相关的气象服务。”

6月至7月,正值福建地区汛期,暖区暴雨、台风相继来袭,省气象服务中心及时提供预报服务产品。在台风“杜苏芮”来临前,福州工务段多次向省气象服务中心问询台风动态,根据气象预报及时采取应急措施,确保福厦高铁开通前的联调联试工作平稳有序推进。

福州工务段福州南路桥车间副主任王亚东表示,风力风速对跨海高铁的建设和运行影响很大,急需精准的气象服务。当遇有短时强降雨或者风速较大时,会适时调整施工计划,及时做好高铁沿线轻飘物及施工残留物的清理工作。另外,根据预报和铁路部门的灾害监测系统,当风力达到一定峰值时,列车将会进行限速,以确保大风天气下行车安全万无一失。

9月28日,福厦高铁开通运营。图片来源:中国铁路微博

贵州:合作联动为山区高铁“穿上”铠甲

在建造号称“世界第一条山区高速铁路”的成贵高铁时,贵州气象部门依托气象大数据优势助力环境评估,对多发、易发大风、山洪等区域标段加强气象观测,为相关部门和施工单位提供科学决策的信息支撑。

新气象”交通事业部部长袁晨介绍,多年来,气象局强化与成都铁路局合作,为高铁贵阳工务段、六盘水工电段、凯里工务段和贵阳工务段提供灾害天气可能诱发列车安全运行的气象保障服务。以沪昆高铁为例,该铁路需穿越亚洲第一高桥北盘江大桥,遭遇大风、滑坡、泥石流等灾害风险较高,铁路调度部门会根据气象监测信息对列车速度适时调整,对可能出现的灾害地段蹲点巡查,避免安全事故发生。

不过,气象预测的准确性也会受到诸多因素的影响,如复杂的地理环境、不稳定的天气状况等。对此,铁路、气象、国土资源三部门打破数据孤岛现象,实现多源数据共享。气象部门在隧道口、高桥、地灾隐患点等高风险区域不断强化监测,并运用多源卫星遥感、GIS技术等多种手段,实现对灾害的实时监测和预警。此外,还与铁路部门建立完善的灾害应对机制,并于今年与铁路部门建立了合署办公,一旦出现灾害性天气时,就能提前预警、科学调度、果断处置,将不利天气灾害风险降到最低。(宗晨、雷蕾、陈雷、刘洋对本文有贡献)

(作者:唐淼 石奎张欣彤 金松瑜 曾莉萍 责任编辑:张林)



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