有軌飛行

以飛機(jī)的速度貼地飛行;

120公里的鐵路線招來天上的40顆衛(wèi)星密集鎖定;

2毫米的差距到底意味著什么？

在我國的政區(qū)圖上，北京就像一顆閃閃發(fā)光的多角星。把天津和北京聯(lián)系起來，京津兩地的版圖就形成了一把火炬的圖案（圖1）。如果在這把火炬上添一道引信，火炬就會熊熊燃燒。

(1) 京津兩地密切相聯(lián)

2008年8月1日，這道引信在轉(zhuǎn)瞬間點(diǎn)燃，點(diǎn)燃這把火炬的引信就是京津城際高速鐵路。這是世界上最快的商業(yè)運(yùn)營鐵路，中國高速鐵路真正的起點(diǎn)。

京津城際，承載著中國鐵路史上諸多第一，在中國最不適宜建設(shè)鐵路的地區(qū)之一，優(yōu)雅地循軌飛過……

歷史上，京津兩地有著深厚的淵源。隨著兩地經(jīng)濟(jì)和社會的高速發(fā)展，必須要在北京和天津這兩座中國的大城市之間建設(shè)一條城際高速鐵路。這條鐵路，將以3分鐘的發(fā)車間隔，在30分鐘之內(nèi)通達(dá)。也就是說，京津城際的基本速度應(yīng)該是每小時(shí)300公里。

何華武(鐵道部總工程師):京津城際鐵路，是高速鐵路的一個開篇之作。它要解決兩個問題：一是工程上的樣板;第二是運(yùn)營上的示范。我們把它定成時(shí)速350公里。

每小時(shí)300公里的速度在我國應(yīng)該是最快的鐵路了。但是從我國鐵路建設(shè)的長遠(yuǎn)規(guī)劃來說，時(shí)速300公里的標(biāo)準(zhǔn)，仍然無法滿足要求。因?yàn)椋@條路還肩負(fù)著為京滬鐵路做標(biāo)桿的使命。它承載著中國高速鐵路第一個、世界高速鐵路第一速的使命。京津城際鐵路的建設(shè)者們，開始了世界上最短周期的設(shè)計(jì)和建設(shè)。然而，事情不是下了決心就能解決的那么簡單，每小時(shí)350公里的速度給中國的鐵路建設(shè)者提出了巨大的難題。

德國 1998年 6月 3日

德國城際超高速列車是世界上速度最快的列車之一，以舒適、豪華、安全聞名于世。但是，1998年 6月 3日，它以200公里的時(shí)速脫離了軌道。在180秒內(nèi)，有101人不幸喪生，這是歷史上最嚴(yán)重的高速列車事故。德國人的嚴(yán)謹(jǐn)和精細(xì)，并沒有能夠阻止慘劇的發(fā)生。

人們在選擇任何一種交通工具出行時(shí)，第一要考慮的就是安全。對于高速鐵路來說，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)哪怕一丁點(diǎn)偏差，帶來的都有可能是無法想象的慘劇。然而，京津城際鐵路勘查設(shè)計(jì)之初，就出現(xiàn)了一個似乎無法解決的難題。

何華武:京津有三大段區(qū)域沉降，年沉降速率是多少？20毫米～50毫米，我們觀測到的最大值是多少？達(dá)到了80毫米，也就是8厘米，一年沉降這么多。

高速鐵路之所以能夠按照350公里的速度安全平穩(wěn)地運(yùn)行，最根本的原因就是道路的平順性要求非常之高。

10米，大約是一個成年人14到15步的距離；2毫米，大約是一枚一角錢硬幣的厚度。用最通俗的話說，所謂10米2毫米的精度，就是把京津城鐵的任何一個點(diǎn)作為原點(diǎn)，向外畫一個10米半徑的圓。在這個范圍內(nèi)，在水平、方向、傾斜角度三個方面，與理論設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相比較，都不允許超過2毫米的誤差。現(xiàn)在的要求是，要在一片每年最大沉降達(dá)到8厘米，幾乎相當(dāng)于一個成年人手掌寬度的沉降地面上實(shí)現(xiàn)這樣的精度，而且要讓這樣的精度至少保持60年。這是一個可能達(dá)到的目標(biāo)嗎？更讓人不安的是，這是困難的全部嗎？還會不會有更多威脅運(yùn)行安全的事情出現(xiàn)呢（圖２）？

(2) 一旦發(fā)生沉降，后果不堪設(shè)想

一塊地質(zhì)條件并不理想的土地

要建設(shè)世界第一的高速鐵路

如何解決威脅運(yùn)行安全的障礙

如何保障陸上飛行的安全性？

許再良（鐵路第三勘察設(shè)計(jì)院 副總工程師）:這個區(qū)域沉降我覺得不光是一個技術(shù)問題，它還是一個經(jīng)濟(jì)和社會問題。總的來說，要想采取長效的措施，必須控制地下水的開采。

控制地下水開采，其實(shí)只是一個預(yù)防沉降情況惡化的辦法，更現(xiàn)實(shí)的應(yīng)對沉降的辦法，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)方案。

崔維孝（鐵路第三勘察設(shè)計(jì)院地路處 副總工程師）：沉降控制難點(diǎn)，在于一是地質(zhì)條件比較差，再一個就是荷載比較大，因?yàn)榇蟛糠质且员容^高的路基，5米以上的路基通過的，這樣的話就需要高強(qiáng)度的加固樁型：CF基樁，能夠滿足這樣一個要求。

所謂CF基樁工藝，就是將許許多多的混凝土注芯樁深入地下，然后再將表面夯實(shí)，打平。CF基樁用到了30米，相當(dāng)于工程技術(shù)人員給京津城鐵建造了一個特制的，厚度達(dá)到30米的鋼筋水泥結(jié)構(gòu)的地基（圖3）。但是，無論是地下水位控制，超厚超堅(jiān)固的地基，都只是預(yù)防性措施，大自然畢竟不會完全服從人的意志，萬一工程結(jié)束后發(fā)生沉降，那怕只是1毫米，都會對運(yùn)營中的高速鐵路產(chǎn)生致命的威脅。

(3) 將無數(shù)根混凝土芯柱植入地下（示意圖）

我們常見的車用千斤頂，利用杠桿原理，小小的機(jī)械裝置就能夠支起數(shù)噸重的汽車。京津高速鐵路上所采用的可調(diào)高支座的原理和它極為相似，只不過它的力氣要比車用千斤頂大幾萬倍甚至十幾萬倍（圖4）。

(4) 京津高速鐵路上采用的可調(diào)高支座

在主動和被動兩方面，都實(shí)施了應(yīng)對沉降的預(yù)防措施，鐵路似乎可以正常設(shè)計(jì)了。然而現(xiàn)實(shí)并沒有給工程技術(shù)人員喘一口氣的機(jī)會。

蘇偉（鐵路第三勘察設(shè)計(jì)院橋梁處 總工程師）：處在兩個經(jīng)濟(jì)社會非常發(fā)達(dá)的大城市，它的城市規(guī)劃和交通，包括地下管線等等都是特別密集，特別發(fā)達(dá)，這些地區(qū)都需要設(shè)橋來通過。

除此之外，還有大河6條，小河和溝渠100多條，京津城際必須在119.3公里的長度內(nèi)，跨越超過550個障礙物。平均每公里4.5個左右。換句話說，每220多米，就有一個必須跨越的障礙。這些密集的障礙，促成了工程技術(shù)人員的一個選擇。

900噸的龐然大物

成為技術(shù)人員的唯一選擇

高精度的施工

讓捆扎鋼筋成為繡花

蘇偉:京津城際鐵路的橋梁總長度占了區(qū)間線路總長度的88%。

119.3公里的鐵路，100.3公里的橋梁，這是一條空中的鐵路線。把鐵路架在空中本身不是問題，問題在于這是一條時(shí)速要求達(dá)到350公里，質(zhì)量要求達(dá)到60年無大修的鐵路。所有的運(yùn)算和所有的經(jīng)驗(yàn)加在一起，結(jié)論是——

蘇偉:根據(jù)高速鐵路行車的舒適性、平順性、穩(wěn)定性這個要求，就需要采用雙線整體的整孔截面箱梁，整體的重量就達(dá)到了900噸級。

高速鐵路提出了必須制造900噸箱梁的不容置疑的要求（圖5）。可基本事實(shí)是，中國的鐵路史上曾經(jīng)有過的最重的預(yù)制箱梁僅有100噸。除了重量之外，這個家伙的另一個關(guān)鍵詞是預(yù)制。就是，要在其他地方把這個900噸梁做好，然后整體架上橋墩。也就是說，工程人員至少面臨著：做得出來嗎？做出來搬得動嗎？搬起來運(yùn)得走嗎？等幾個最最基本的問題。

(5) 每個都達(dá)900噸重的整孔截面箱梁

鋼筋有很高的強(qiáng)度，給我們的印象是又頇又粗，要把60噸鋼筋用綁線一根一根捆扎成型，工程浩大。何況還要求手工綁扎零誤差，這不僅僅是決心和耐心就能解決的問題，現(xiàn)場需要的是辦法。

一個為建設(shè)900噸箱梁而專門設(shè)計(jì)的捆扎臺搭建而成。是在高強(qiáng)度鋼板上預(yù)設(shè)一個個放鋼筋的卡口，卡住鋼筋再捆綁（圖6）。當(dāng)然，只有這樣的一側(cè)是不行的。實(shí)際施工在每個側(cè)面都有同樣的模具，把每個模具之間的關(guān)系進(jìn)行調(diào)校，最終形成一個復(fù)雜整體的綁扎臺，以實(shí)現(xiàn)鋼筋間距的零誤差。

(6) 圖組:（6－1）先卡住鋼筋再捆綁（6－2）卡鋼筋捆綁示意圖

然而，解決了60噸鋼筋的問題，對一個900噸的巨無霸來說，工作只完成了不足十分之一。剩下的還要用840噸混凝土來澆注它，在質(zhì)量上的要求是，確保它能夠使用100年。

佟鵬懷（中鐵六局豐橋公司京津城際箱梁廠 經(jīng)理）：平時(shí)沙子的泥土含量，百分之一就可以了。現(xiàn)在的要求是只能控制在百分之零點(diǎn)一以下。

這個數(shù)據(jù)意味著，一百斤沙子中，不能有超過一兩（50克）的泥土。將一兩白面粉，摻入100斤沙子中，只需要輕輕攪拌幾下，一兩白面就看不到了。這個小實(shí)驗(yàn)通俗地說明，對于一百斤的沙子來說，一兩雜物實(shí)在是微不足道。

佟鵬懷:我們把檢測設(shè)備拿到了沙場，首先對出場的沙子進(jìn)行檢測；在運(yùn)輸過程中，也采取了極為嚴(yán)格的測試；運(yùn)到現(xiàn)場之后，在梁廠還要經(jīng)過檢測。最終，還要經(jīng)過檢測中心檢測。

用繡花的態(tài)度來綁扎鋼筋，用洗蘋果的態(tài)度來洗沙子，把所有這些綜合到一起，這個龐然大物誕生了。可是真正的困難是，如何把一個900噸的龐然大物交給下一道工序呢？

佟鵬懷:過去的T梁采取橫向移出去就行了，就可以放到它的存梁臺位上。而這種箱梁，從臺位上挪到存梁場地，就必須使用專用設(shè)備。

提梁機(jī)當(dāng)然必須力大無比才能抓起900噸重。然而光抓起來還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，它必須保證預(yù)制箱梁在運(yùn)送過程中不承受任何扭曲的力量。任何一點(diǎn)扭曲力量都會造成箱梁看不到的形變，而這種形變極有可能成為日后巨大的事故隱患。

又一個工程中的工程，一個新設(shè)備誕生了。它最終成功地舉起了900噸箱梁。然而，這并不是900噸箱梁問題的全部，當(dāng)這個提梁機(jī)提起這個巨大的箱梁時(shí)，問題也隨之產(chǎn)生。提梁機(jī)只能在梁廠內(nèi)行駛，接下來提梁機(jī)把梁交給誰呢？也就是說，誰能把它運(yùn)出預(yù)制梁廠，并最終送到架設(shè)目的地——到京津城際鐵路上去呢（圖7）？

(7) 如何安全運(yùn)送和安裝這個龐然大物呢？

這輛獨(dú)一無二的運(yùn)輸車共有16根軸，64個輪胎，自身重量就有200多噸。加上它所運(yùn)載的箱梁900噸，就是1100噸。這么重的重量行駛在建設(shè)中的京津城際軌道上，有可能將所經(jīng)過的軌道壓壞。這輛車的奧秘之一就在于它的兩排輪胎必須非常準(zhǔn)確地壓在已鋪設(shè)軌道的承重部位，要分毫不差地駕駛一輛1100噸的汽車顯然不是那么輕而易舉的事情。解決這個問題的方法，就是為這輛車同時(shí)配備了多達(dá)4種的駕駛方法。在視線好的時(shí)候，這輛車可由駕駛員在前面的駕駛室駕駛；后退的時(shí)候，由車尾的駕駛室負(fù)責(zé)駕駛；精度要求特別高的時(shí)候，由駕駛員像玩遙控汽車一樣拿著遙控器在道路上駕駛；而當(dāng)運(yùn)梁車一旦接近架梁機(jī)，就會切斷前三種駕駛方式，改為依靠電腦感應(yīng)運(yùn)梁車和架梁機(jī)的相互位置，并實(shí)現(xiàn)聯(lián)動下的全自動駕駛（圖8）。

(8) 圖組：（8－1）這輛獨(dú)一無二的運(yùn)輸車有16根軸64個輪胎;（8－2）配備了四種駕駛方法

在這輛大力士的幫助下，橋一點(diǎn)點(diǎn)架起來。在這條空中鐵路逐漸成形的時(shí)候，如何鋪設(shè)一條足夠平順的軌道成為技術(shù)人員關(guān)心的焦點(diǎn)。

有砟軌道是鐵路的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所謂砟，就是傳統(tǒng)鐵路中鋪設(shè)在枕木下的小石子。它具有鋪設(shè)、更換、維修方便，造價(jià)較低，吸噪特性較好等優(yōu)點(diǎn)。但隨著行車速度的提高，自身缺點(diǎn)隨之顯現(xiàn)。如法國高速鐵路就出現(xiàn)道砟粉化嚴(yán)重，軌道呈“蠕動狀態(tài)”，幾何尺寸難以保持。而這種不易察覺的幾何形變對于以每小時(shí)350公里行駛的高速列車來說，是一種絕對致命的威脅。

京津城際采用了獨(dú)特的無砟軌道技術(shù)。就是把傳統(tǒng)鐵路的小石子、枕木和安裝零部件統(tǒng)統(tǒng)放棄，僅采用一塊水泥板來代替。無砟軌道本來在國際上有應(yīng)用先例，比如，日本的新干線就采用無砟軌道。但是新干線實(shí)際速度每小時(shí)300公里，京津城際未來的運(yùn)營過程中將實(shí)現(xiàn)每小時(shí)350公里，我們能照搬現(xiàn)有的國際經(jīng)驗(yàn)嗎？通過反復(fù)的推演，工程人員的結(jié)論是，日本等國家的現(xiàn)有軌道板技術(shù)無法滿足京津城際的設(shè)計(jì)要求。

如何才能制造出符合要求的高精度軌道板成為了必須要解決的一個問題。

精密的數(shù)挖機(jī)床一般只在精密機(jī)械加工中使用。而它現(xiàn)在正在加工混凝土構(gòu)件，那么，為什么要用那么精密的設(shè)備去加工它呢？這樣的精密加工又將在整個京津高速的建設(shè)中起到什么樣的作用呢？

一塊看似平常的水泥板

隱藏著一項(xiàng)最先進(jìn)的軌道技術(shù)

首次嘗試的加工方法

前所未有的加工精度

要加工的京津城際北京段的混凝土毛坯共1.5萬塊。這個數(shù)字在世界上是絕無僅有的，事實(shí)上之前沒有任何一條運(yùn)營鐵路應(yīng)用過真正機(jī)床加工的高精度軌道板。這種軌道技術(shù)，要求每一塊軌道板的形狀都是各不相同的。也就是說，這1.5萬塊軌道板，表面上看起來差不多，實(shí)際上一塊板一個形狀，即便在機(jī)加工中，這個數(shù)字也絕對是史無前例的（圖9）。

(9) 1.5萬塊看似一樣，實(shí)則形狀各不相同的軌道板

張繼源（中鐵六局豐橋公司軌道板廠 經(jīng)理）：先由計(jì)算機(jī)布板軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出全線各點(diǎn)的軌道參數(shù)，然后把這些參數(shù)傳輸?shù)綄Ｓ玫臄?shù)控磨床里面，轉(zhuǎn)換成軌道板每一個承軌面的加工數(shù)據(jù)，然后再由數(shù)控磨床對每一塊軌道板進(jìn)行精確的磨削加工。線路上每一點(diǎn)特定的軌道參數(shù)，在軌道板的生產(chǎn)過程當(dāng)中就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

這話反過來說也許就能理解了。中國的二型軌道板嚴(yán)格地說不是長方形的，而是多面的梯形。只有多面的梯形在三維的空間里才能結(jié)成有傾角的曲線。如果這個曲線是個圓，那么我們只要生產(chǎn)出多塊兒一模一樣的梯形板就可以了。但是鐵路的曲線是不規(guī)則的，所以只能用不同形狀的梯形來實(shí)現(xiàn)。

既然是不同的1.5萬個產(chǎn)品，又是精確到0.1毫米的部件，那么怎樣才能讓它們按照預(yù)計(jì)的方式連接，在連接的過程中又不損失千辛萬苦才實(shí)現(xiàn)的高精度呢？

王長進(jìn)（鐵路第三勘察設(shè)計(jì)院 總工程師）：在安裝的時(shí)候，要達(dá)到毫米級精度。京津城際是第一次把精密工程控制網(wǎng)，提高到一個非常高的高度。它也是無砟軌道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一（圖10）。

(10) 利用精密測量網(wǎng)保證鐵路在三維空間內(nèi)位置的準(zhǔn)確性（示意圖）

所謂精密測控，依靠的是一張精密的測量網(wǎng)。這張網(wǎng)的作用，是保證鐵路在三維空間內(nèi)位置的準(zhǔn)確性。就是除了高程準(zhǔn)確還要水平準(zhǔn)確。為了建立這個網(wǎng)，首先要確立基點(diǎn)。為了確保基準(zhǔn)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，工程技術(shù)人員運(yùn)用了40顆衛(wèi)星進(jìn)行定位。結(jié)合我國原有的大地測量點(diǎn)，形成了最初的兩個基點(diǎn)。測量網(wǎng)從最初的兩個基點(diǎn)到形成一個網(wǎng)，很像蜘蛛結(jié)網(wǎng)的過程。之后，這張網(wǎng)越結(jié)越密，當(dāng)?shù)竭_(dá)第三層的時(shí)候，每個點(diǎn)之間的距離只有50米，工程上把它叫作CP3點(diǎn)。這時(shí)，這張網(wǎng)的測量精度為十萬分之一。然后，測量人員將這張網(wǎng)交給軌道板的鋪設(shè)人員。

利用這個精密無比的空間測控網(wǎng)，工程人員以與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相差不超過0.1毫米的精度，調(diào)整好軌道板的位置。但是如何保證調(diào)好的軌道板一動不動呢？要知道，任何人體能察覺到的運(yùn)動，可能都會超過0.1毫米。如果費(fèi)盡心血精心調(diào)整的軌道板移動了，一切便將前功盡棄。

(11) 只差往上鋪設(shè)鋼軌了

隨著這輛精致的砂漿車不斷前進(jìn)，京津城際終于有了路的樣子。但是，這還不是一條鐵路，因?yàn)樗€沒有鋼軌（圖11）。傳統(tǒng)鐵路用的是幾十米長的鋼軌，鋼軌與鋼軌之間有幾毫米甚至幾十毫米的縫隙。這也就是我們過去坐火車時(shí)總是能聽到咣當(dāng)咣當(dāng)聲音的原因。這些縫隙不僅影響乘客乘坐的舒適性，更加讓人擔(dān)心的是這其中還隱藏著重大的安全隱患（圖12）。

(12) 傳統(tǒng)鋼軌連接處有縫隙

15000塊形態(tài)各異的軌道板

40顆衛(wèi)星組成的測控網(wǎng)

地上纖絲毫發(fā)精密追求

造就驚世有軌飛行

相對于普通鐵路線上達(dá)到幾十毫米的鋼軌接縫，高速鐵路必須要找到方法減小間距。

閻紅亮:由于列車速度的增加，它對道床本身的沖擊會加大，尤其在鋼軌接縫的地方，對道床的沖擊作用是非常厲害的。而我們，在鋼廠壓制成100米的長鋼軌，然后在焊軌基地焊成500米長軌條，再鋪設(shè)到現(xiàn)場，通過接觸焊接成全程無縫。

也就是說，在120公里長的鐵路線上，只有4根鋼軌，每一根都是120公里長。這是名至實(shí)歸的天衣無縫（圖13）。

(13) 4根鋼軌天衣無縫

當(dāng)最后一根鋼軌就位，京津城際高速鐵路修成了。用世界上最高的精度，建設(shè)了世界上最快的營運(yùn)鐵路（圖14）。當(dāng)鐵路、動車、集成等系統(tǒng)一一完備，列車寧靜地駛出了站臺，向著起飛的速度加速（圖15）。在試運(yùn)行階段，列車跑出了393公里/小時(shí)－394公里/小時(shí)的試驗(yàn)速度。在這樣的速度下，列車的感覺依然是絲般順滑。

孫樹禮（鐵路第三勘察設(shè)計(jì)院 總工程師）:它驗(yàn)證了我們多年來的研究成果，檢驗(yàn)了我們多年來的研究成果。回過頭來，這些研究成果又回歸到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)體系當(dāng)中，來全面指導(dǎo)我們在建的客運(yùn)專線和今后高速鐵路的建設(shè)。這種意義，這種作用是非常重要的。

(14)

(15) 駛出站臺即將起飛

短短三年時(shí)間，讓一列鋼鐵列車在軌道上飛行，這是一段怎樣的傳奇。

京津城際鐵路的通車運(yùn)營，只是中國高速鐵路發(fā)展的一個開端。大量最新技術(shù)的驗(yàn)證，對中國高速鐵路來說，是京津城際開通帶給中國鐵路的最大收獲。

何華武:它充分反映了中國力量和中國速度這八個字。也反映了中國鐵路走出了一條符合中國國情的自主創(chuàng)新之路。但這只是一個索引，只是我們的一個開端，它在工程上是一個樣板，在運(yùn)營上是一個示范。

有軌飛行，幾代中國鐵路人的夢想終于實(shí)現(xiàn)，中國高速鐵路駛?cè)肓藢儆谧约旱拇禾臁?/p>