智能京張高速鐵路總體創新設計

王洪雨

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 項目背景

為了推動高速鐵路發展和鐵路網整體布局,國家制定了《中長期鐵路網規劃》,在建設過程中根據我國國民經濟發展需求,不斷優化修訂,形成了2004年、2008年調整、2016年三個規劃版本,其中在2008年調整版的“四縱四橫”高速鐵路網基礎上進一步深化為2016年版的“八縱八橫”高速鐵路網[1],在歷次版本中均有(北)京蘭(州)通道的總體規劃,北京至張家口高速鐵路(以下簡稱“京張高鐵”)是京蘭通道的重要組成部分。

2 項目概況

2.1 研究過程

2008年12月,京張高鐵項目預可研工作正式啟動；2009年3月至7月,分別完成初測及可研工作、定測及初步設計工作；2010年7月,項目建議書批復；2015年9月,項目可行性研究報告批復；2015年11月,初步設計批復；2016年3月,完成全線招投標工作,全線工程開工建設；計劃2019年底建成通車。

2.2 工程概況

京張高鐵位于北京市西北、河北省北部,本線起自北京北站,經北京市海淀、昌平、延慶三個區,跨官廳水庫,河北省懷來縣、下花園區、宣化區,西迄張家口站。正線全長174 km,其中北京市境內70 km,河北省境內104 km。橋梁總長66 km,隧道總長49 km,橋隧比為66%。全線共設北京北、清河、八達嶺長城(地下站)、張家口等10座車站,其中北京北、清河、張家口為始發終到站。崇禮鐵路自京張高鐵下花園北站接軌,途徑下花園區、宣化區、赤城縣、崇禮縣,大致呈南北走向,向北越嶺至太子城村設太子城站,預留進一步向錫林浩特方向延伸的條件,線路全長53 km,橋梁長度16 km,隧道長度23 km,橋隧比74%。京張高鐵及崇禮鐵路線路平面示意見圖1。

圖1 京張高鐵及崇禮鐵路線路平面示意

2.3 主要技術標準(表1)

表1 京張高鐵及崇禮鐵路主要技術標準

2.4 項目社會效益分析

京張高鐵是國家“八橫八縱”高速鐵路之京蘭通道的重要組成部分,與崇禮鐵路共同構成京津冀城際鐵路網的重要組成部分,兼顧北京市郊客運功能,同時也是國家舉辦2022年冬奧會的重要配套基礎設施。項目建成后,對于促進京津冀地區協同發展,為2022年冬奧會賽事舉辦提供交通保障,帶動沿線地區人員交流與旅游資源開發等具有重要意義；同時作為京蘭通道重要組成和京昆通道有機組成,對于構建西北寧夏及蒙西、晉北地區快速進京通道,實現北京與張家口城際交通聯系,滿足延慶與北京市區市郊通勤等具有重要作用。

3 創新設計

3.1 總體創新思路

一項工程的整體水平首先要看設計,設計是所有工作的靈魂和源頭,所以設計工程師在這方面下了很大的工夫,要創新首先應該在理念上做足功課、下大力氣。鐵路運輸的本質和目標是什么？就是更好地為人民服務,所以鐵路的設計、建設要始終堅持“不忘人民鐵路為人民的初心,牢記打造高標準鐵路產品的使命”,特別是在新時代要充分體現高鐵客站建設的“暢通融合、綠色溫馨、經濟藝術、智能便捷”十六字的新理念；另外，無論是路基、橋梁、隧道等線下工程還是通信信號等四電工程都有創新的設計,如在京張高鐵設計中實現了首座滿足開行時速350 km的高速鐵路鋼桁梁橋—官廳水庫特大橋；為了最大限度方便游客游覽八達嶺長城,在軌面埋深達102 m的地下設置了建筑面積約4萬m2的大跨度復雜洞室結構的八達嶺長城地下高鐵車站；跨越京藏高速公路的土木特大橋采用墩頂轉體設計技術獲得了國家發明專利；城區內清華園盾構隧道的全預制拼裝設計大大提高了施工效率,節省了工程投資,減少對周邊環境的影響,洞內施工環境也極大改善；路基邊坡采用一體化的生態護坡系統[2],主要由錨桿、土工格室、立體防護網、雨水收集及智能灌溉組成；綜合視頻一體化的系統設計；世界上首次實現的時速350 km自動駕駛技術(C3+ATO)[3]；全壽命周期的BIM設計[4-5]；太子城車站是世界上首個直達奧運賽場的高鐵車站,旅客到達即置身于賽區之中。

3.2 因地制宜,技術標準選擇多樣化

以往的鐵路設計原則上一條線一個標準,在京張高鐵設計中打破常規,結合項目沿線周邊環境、地形地貌特點、各方要求,因地制宜的合理選擇不同的技術標準,京張高鐵全線涵蓋了我國目前鐵路客運時速120～350 km的全系列標準。其中設計時速200 km及以下標準線路占比18%,設計時速250 km標準線路占比46%,最高設計時速350 km標準線路占比36%[6-7]。如果說老京張鐵路是“近代鐵路發展的里程碑”,那么新京張高鐵堪稱“當代鐵路建設的教科書”。京張高鐵線路分段采用不同技術標準情況見圖2。

圖2 京張高鐵線路分段采用不同技術標準情況示意

3.3 全面實現精品工程

精品工程就是通過精心組織、精心設計、精心施工,打造出來的卓越不凡、品質一流工程,其具有設計新穎,巧奪天工；安全可靠,適應性強；技術先進,質量無缺陷,經得起時間和歷史的檢驗；用戶滿意,社會認可等特性和特點。通俗講就是要實現實體工程的“內實外美”,既要保證工程質量,又要在外觀上給人耳目一新的感受。京張高鐵著力打造了以90項工點為代表的精品工程品牌。

3.4 世界首條智能高鐵

智能高鐵[8]較為正式的定義是將云計算、物聯網、大數據、移動互聯網、BIM等先進的現代化技術,運用到高鐵的建設和運營中,推動鐵路從數字化向智能化方向發展[9],實現鐵路設備設施更加安全可靠,運營管理更加經濟高效,客貨服務更加溫馨便捷,展現中國鐵路良好的社會形象。通俗的解釋就是實現旅客體驗的溫馨便捷。京張高鐵的智能設計可分為智能建造[10-11]、智能列車、智能運營[12]三個部分,比如工程建設過程中采用的清華園盾構隧道全預制拼裝結構、八達嶺地下車站的精準微損傷控制爆破技術、路基排水溝的滑模施工技術、橋梁的墩頂轉體技術等；以及智能大腦,工務、電務、供電系統智能管理與運維,刷臉進站,站內機器人智能導航,wi-fi的全覆蓋,全方位的資訊服務等,在高鐵列車上就能看奧運直播,讓旅客有一種全新的體驗。

3.5 全面貫徹綠色、環保、文保發展理念

京張高鐵設計全過程遵循綠色的辦奧理念。全線開展了綠色景觀設計,結合京張沿線自然環境,創新性地提出了將全線劃分為五大景觀分區：城郊風光、關塞風光、大澤風光、燕北風光、雪國風光(圖3),每個景觀分區都有代表性的工點,同時以京張高鐵的設計為依托,打造制定了《鐵路工程綠化設計和施工質量控制標準(北方地區)》的新標準；為了不對官廳湖環境產生任何影響,專門設計了官廳橋雨水收集系統,鐵路橋上的自然降水不會直接流入官廳湖,而是通過橋上排水系統收集到官廳湖兩岸的蒸發池中；清河站[5]采用了再生材料,通過采光管節約能源,還設計了密閉管道垃圾輸送系統,可直接將垃圾通過管道輸送到市政排污系統中；京張高鐵所有車站均達到二星綠色鐵路客站標準,通過細化設計,清河站和太子城站在原二星的基礎上達到了三星綠色鐵路客站標準,清河站同時符合LEED GOLD(綠色能源與環境設計先鋒獎金獎)標準[13]；清河站設計在老站房原位新建車站,本著對歷史的尊重,也為了有效地保護清河老站房,設計采用了不拆除一磚一瓦的整體平移技術, 建成后新、老站房將相互呼應,共同見證鐵路發展的百年滄桑。

3.6 首次提出文化概念的高速鐵路

在京張高鐵首次提出了文化設計的概念,同步開展了全線的“一站一景”設計,顧名思義,每一個車站都是一處風景；除車站以外還對重點的隧道洞門、全(半)封閉聲屏障、官廳特大橋的景觀照明等進行了專項設計,使京張高鐵成為一道高速飛馳的靚麗的風景線。與清華大學等高等院校合作打造并落位文化京張,使旅客在乘坐高鐵的同時感受中國文化、長城文化、京張文化。

圖3 京張高鐵景觀分區示意

京張高鐵與老京張鐵路在同一個起點、同一個終點、同一條路徑,新的京張高鐵將老京張鐵路融入其中(圖4),特別是在北京北至昌平一段,老京張鐵路已成了京張高鐵不可分割的一部分,京張高鐵再一次賦予了老京張鐵路新的生命。110年前建成的老京張鐵路以著名的“人”字線(又稱“之”字線)實現了創新,挺起了當時民族的脊梁,110年后的今天京張高鐵的修建,將“人”字發展為“大”字, 預示著偉大祖國必將更加強大、繁榮昌盛。

圖4 京張高鐵、老京張鐵路融為一體

圖5 八達嶺長城站

4 典型工程

通過前文的介紹,相信讀者能大概了解到京張高鐵創新設計的特別之處,在此列舉一部分能夠體現上述特點的典型工點圖片(圖5～圖12)。主要有八達嶺長城站、官廳水庫特大橋、清華園大直徑盾構隧道、太子城站、清河站等。

圖6 八達嶺隧道進、出口效果圖

圖7 清華園盾構隧道全預制拼裝結構

圖8 太子城站

圖9 石質路塹生態護坡

圖10 生產生活房屋景觀設計

圖11 官廳水庫特大橋照明景觀設計(實景)

圖12 清河站主體鋼結構細部BIM設計

5 結語

中國鐵路的發展已經進入了高質量發展的新階段,由數字化向智能化轉變也是大勢所趨,京張高鐵作為我國智能高鐵的1.0版僅是一個新的開端,隨著科學技術的不斷進步,相信鐵路會越來越智能,旅客體驗也會越來越溫馨便捷,這就要求設計從源頭要更新理念,更加以人為本。京張高鐵在設計理念上全面創新,從契合綠色辦奧理念、靈活選用技術標準、打造綠色環保人文高鐵、實現“精品工程、智能京張”目標等方面入手更新傳統設計理念,為實現鐵路的可持續發展提供有效保障,京張高鐵將成為新時代中國鐵路繼京滬高鐵、青藏鐵路之后又一個劃時代、里程碑式的鐵路工程。希望今后的鐵路設計能以京張高鐵為一個新的開始,不斷完善、豐富,為實現“交通強國、鐵路先行”的中國夢增光添彩。