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孙礼超:我和新疆地铁

来源:乌鲁木齐城市轨道集团有限公司 作者: 发布时间: 2017-08-01

 

  

  我是一名土生土长的新疆人,在我的记忆里,我感受了我和新疆历史的变迁和发展,特别是乌鲁木齐这座新疆的首府城市,有幸参与了其中部分的重大市政工程建设,其中当属轨道交通项目是历时时间最长、投资规模最大、技术难度最为复杂的项目。 

  一、乌鲁木齐的轨道交通的历程 

  乌鲁木齐轨道交通项目自2011年启动实施以来,相继启动实施了三屯碑快速公交枢纽项目、高铁新客站市政配套项目以及轨道交通1号线和2号线一期工程建设。同时,我们还将于近期开工建设轨道交通3、4号线一期工程。随着轨道交通1号线和2、3、4号线一期工程的实施,我市将逐步构建起轨道交通线网框架。 

  二、关键技术研究 

  乌鲁木齐市轨道交通1号线在国内有几个方面难点属国内首次。一是1号线穿越4条活动断层,分别为八钢-石化隐伏断层、九家湾断层组、碗窑沟(西山)断层及雅玛里克断层这4条活动断层,根据活动断裂带的几何学特征与运动学特征研究初步结果,除九家湾断层为全新世活动断层,其他三条断层均为晚更新世活动断层。晚更新世活动断层不具备产生地震地表破裂的可能性,可不考虑地表错动对工程的影响。九家湾全新世活动断层为正倾滑错动性质,百年最大垂直位移量为0.65m。 

  断层粘滑错动是地震造成跨断层隧道结构严重破坏主要因素,其变形活动对地铁工程影响很大,国内外学者关于断层粘滑错动下管线破坏机理、设计措施研究较多,但隧道尺寸远大于管线,因此所表现出来的破坏模式也不同。对经过活动断层地段不采取特殊的结构措施或采取措施不当,地铁修建后断层的活动将对地铁的安全运营构成严重威胁,并且会引起其他的地铁病害问题。目前,关于断层粘滑错动下跨断层隧道的破坏机理、结构设计、防水设计、以及接触网及轨道工程处置等问题研究较少,诸多关键技术问题亟待解决。 

  针对乌鲁木齐轨道交通这一现状,在项目实施前,我们组织开展了轨道交通1号线活动断层关键技术研究,研究具有以下特点:①活动断裂带分布范围大,活动频繁。断裂带具体分布特征不明,运动方式不明,设计困难大,国内外罕有类似密集跨越大范围断裂带地铁隧道修建及运营经验。②断裂带对地应力场影响显著,且活动断裂带的地质条件及物理力学参数极差,对隧道围岩稳定性及隧道支护体系的作用机理不明,施工期间不可预见风险较多,设计及施工困难大。 

  基于上述诸多问题,我们有针对性的开展乌鲁木齐市轨道交通工程通过活动断层关键技术研究,一方面可形成隧道结构、防排水工程、接触网工程和轨道工程设计、施工、管理、运营等成套技术,直接指导乌鲁木齐轨道交通1号线的设计、施工与管理;另一方面可为今后2、3号线等的修建提供技术储备,同时可为国内外其他类似工程提供相关工程经验。乌鲁木齐轨道交通工程为国内地铁线路首次通过活动断层带,因此研究具有较高的学术价值和很强的工程应用价值。 

  二是1号线单面长大坡研究。乌鲁木齐轨道交通1号线线路全长27.615km,南北落差达280m。有17处坡度大于20‰的大坡度地段,除2处坡度为25‰以外,其余均为28‰的大坡度地段,类似乌鲁木齐轨道交通1号线这样的连续长大单坡,目前在国内外城市轨道交通还没有过先例。轨道交通线形决定了轨道的几何状态,而轨道几何状态直接影响着行车的平顺性、安全性和舒适性。若轨道交通线形复杂、恶劣,加之轨道状态不良,不仅平顺性和舒适性不能保证,行车安全也将存在极大隐患。因此,在大坡道轨道交通中,除了要考虑车辆适应性、行车组织和运营安全保障、信号系统、防灾救援保障问题之外,还要考虑车辆运行的安全性、列车运行对不同轨道结构、无缝线路、钢轨、扣件等结构和部件的影响等。 

  因此,我们针对乌鲁木齐轨道交通1号线“大坡度和单面坡运营”的工程特点,对连续长大单坡地段轨道结构的稳定性和可靠性进行系统的分析和研究,从而提高轨道结构的稳定性与可靠性,以确保行车的舒适性和安全性。项目研究从以下角度入手:1、仿真参数和现场调研。调研一号线线路条件、车辆条件和参数、轨道结构条件和参数等。2、轮轨关系研究及连续长大坡道列车运行性能仿真计算。根据一号线的线路和车辆情况,建立车辆-轨道多体动力学模型,分析车辆运行在连续长大坡道时的平稳性、安全性。3、连续长大坡道无砟轨道结构和部件力学性能仿真计算。根据一号线的列车编组情况、制动方式和制动力、轨道结构和不同坡度和坡长条件,采用有限元方法,建立钢轨-扣件-无砟轨道有限元模型,选择最不利条件(最大坡度、最长坡长),计算列车影响范围内(1km)长大坡道轨道结构的力学性能。4、车轮制动对轮轨踏面的影响及轮轨硬度匹配分析。根据乌鲁木齐轨道交通车辆车轮和钢轨状态,结合最不利线路条件和普遍线路状态,采用建立的车辆-轨道多体动力学模型,进行轮轨硬度匹配分析和合理的轮轨硬度选择。 

  该课题研究成果已应用于乌鲁木齐轨道交通1号线工程并对轨道设计提供理论支持,可推广应用于乌鲁木齐后续轨道交通项目的轨道工程设计,同时对国内类似乌鲁木齐这样的长大单坡轨道交通项目也具有重要的参考价值和借鉴意义。 

  三是乌鲁木齐轨道交通1号线南湖北路站至王家梁站区间隧道穿越六道湾煤矿采空区,为国内首次地下轨道工程穿越采空区。1号线地铁区间线路平面为直径440m的圆曲线,穿越采空区一段采用明挖法施工。明挖段长222m,宽20~21m,基坑深度19m~21m。六道湾村煤矿是乌鲁木齐市一家民营煤矿。在1989年投产,1999年关闭。煤矿开采的是南大槽和北大槽特厚煤层。南北大槽宽度约40~50m,煤矿最大采深达120m,北大槽与南大槽之间的距离为89~92m。1997年冬天至1998年底,六道湾煤矿矿界内的南、北大槽出现了大规模的地面塌陷,地面形成两个塌陷大槽。塌陷宽度达到50m,塌陷深度一般在20~30m,局部深达50m。从1998年开始,对六道湾村煤矿矿界内南北大槽煤层采空区形成的地面塌陷槽开始利用城市房屋、道路建设的土石方和建筑废料进行回填,到1999年夏天,六道湾村煤矿矿界范围内南北大槽的地面塌陷已经基本回填完毕,形成略高于原始地面的垃圾堆。共回填了近八十多万立方土石方。 

  由于自然垮塌和人工放顶,大多数采空区已被垮塌物回填,但是由于回填不实和其它各种因素影响,在南北大槽内仍然残空一些采空区的空体(即地下空洞)。根据2006年8月新疆地质工程勘察院《采空塌陷区勘查报告》,场地内地表下32m~102m尚分布有五个大型空体,其总体积为16500m3。 

  轨道交通工程相对于国内公路、铁路上跨采空区的相关实例有着本质区别。轨道交通工程设计使用年限为100年。结构顶部需要长期承受覆土荷载及列车荷载。对设计施工及后期运营的沉降要求极高。国内在公路、铁路领域跨越采空区传统的治理模式即钻孔充填压力注浆法、胶结注浆法和井下巷道浆砌法并不适用于地下轨道工程。 

  乌市轨道交通1号线南湖北路站至王家梁站区间设计方案论证历经一年时间,三个重要阶段,最终确定区间隧道采用地下桥式基础+连续箱梁穿越采空塌陷区的技术方案。并作为专项课题研究,探索并研究地铁区间隧道穿越采空区相关设计、勘察、施工等关键技术。本课题依托工程实施,探索并研究地铁区间隧道穿越采空区相关设计、勘察、施工等关键技术。作为国内首个穿越采空区的地下轨道交通工程,本课题可填补国内相关研究的空白。形成采空区地铁隧道设计施工成套技术成果,为新疆甚至全国类似工程的设计、勘察、施工提供技术支持。课题研究从以下几个方面开展:课题一《地铁区间隧道穿越采空区设计》主要研究方向一是研究围岩稳定性影响规律及特征,论证地铁区间隧道结构形式,确定合理的隧道结构形式及数值模拟计算。二是地铁区间隧道穿越采空区工后沉降、线路调整、限界、接触网等各系统研究。三是对采空区的加固处治方法、材料选择等方面进行研究,达到技术合理、经济节约、工艺可行的目的,为今后隧道围岩采空区的处治方法积累经验。子课题二《地铁区间隧道穿越采空区施工综合技术研究》。主要是采空区对地铁隧道施工安全性影响及控制技术研究,地下承台桩基础及长桩基在地铁施工中的应用,采空区松散地层中施工围护桩成孔技术研究,有害气体对工程实施影响的相关研究。子课题三《地铁区间隧道穿越采空区勘察专项研究》。一是研究合理的勘察技术手段提高采空区勘察精度,并完成采空区的勘测。二是采用数值模拟分析研究运营阶段动荷载对采空区地铁运营安全性影响及特征,并给出相应安全控制技术。作为国内首个穿越采空区的地下轨道交通工程,本课题可填补国内相关研究的空白。科研成果可为国内其他城市轨道交通穿越采空区提供思路及经验,为类似工程的设计、勘察、施工提供技术支持。 

  四是在乌市轨道交通1号线在国内乃至国际首次使用TD-LTE技术组建车地无线通信综合承载网及使用EPON方式的视频监视系统。乌鲁木齐地铁1号线工程采用先进的TD-LTE技术组建车地无线通信综合承载网,综合承载乘客信息系统、信号CBTC、安防检测、车载FAS等专业的车地数据业务。无线综合通信系统采用冗余双网构建,不但能够提供高速率数据和高可靠性的无线通信传输能力,而且保证了信号等专业的安全性要求。利用LTE技术综合承载除了语音调度之外的所有车地无线数据业务,属于国内乃至国际的首创,具有非常高的创新意义。充分考虑乌鲁木齐市特殊的社会环境,在视频监视系统中采用EPON方式进行前端摄像机与后端监控平台间的布线,同时要求枪式摄像机和球型摄像机配置EPON光口,利用光纤直接连接通信设备室控制设备。此种布线方案可大大提高网络安全性,有效防止非法入侵。 

  五是在电动客车体现了创新性、人文性和安全性。同时,轨道交通1号线车辆设计过程突出体现了三个特性:一是创新性,结合乌鲁木齐城市特点,在国内地铁车辆制造领域实现了最大流线造型等多项首创性设计,特别要提出的是,我们和中车株机公司共同研究设计出了在国内首创更具安全性和创新性的全开式疏散门,并已申报国家发明专利。二是安全性,轨道交通1号线采取全开式疏散门后,疏散能力较国内同类型地铁车辆提高2倍以上;同时,车厢内部设计了全方位监控设备和紧急情况下司机主动呼吸装置,确保行车安全。三是以人为本,车门出入口采取防拥堵导向设计;设置了环形拉手、“U”形扶手和座椅腰靠,增设了乘客信息显示屏、轮椅、婴儿车和大件行李专区。 

  作为乌鲁木齐乃至新疆第一代地铁人,我倍感光荣和自豪,新疆社会稳定和长治久安离不开每一个新疆人努力,随着2018年乌鲁木齐地铁1号线开通运营目标的不断临近,我和我的团队将继续持续做好各项工作,为乌鲁木齐早日建成丝绸之路经济带核心区现代化国际城市而努力奋斗 

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