《严寒季冻区高速铁路毫米级变形标准下路基平稳性控制技术及应用》

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毫米级变形控制是高速铁路安全运营的根本要求,在季节性冻土区修建高铁面临着冻土“不冻胀”控制难题,是继青藏铁路攻克多年冻土“不融化”保持技术难题之后又一个世界级挑战。国内既有普速铁路冻胀变形为厘米级控制,日德等国高铁冻深普遍在1m以内,针对冻深1m以上的毫米级冻胀变形控制技术尚属空白。而中国严寒季冻区冻深普遍在1m以上,且占国土面积1/3,是变形控制要求极高的高铁建设“禁区”。因此,要在中国严寒地区建设高铁,亟待突破高铁路基冻胀机理、变形控制、平稳性长期保持等系统性技术难题。

项目组在国家和有关部委支持下,历经十余年理论和技术创新,采用多尺度试验、多物理场分析、多源信息融合等方法,对高铁路基防冻胀材料、结构设计、运营维护等方面进行了系统研究,形成了自主知识产权的严寒季冻区高速铁路毫米级变形标准下路基平稳性控制关键技术及应用体系。创新点如下:

发现了粗粒土填料中细颗粒“簇团”结构,揭示了高铁路基填料冻胀机理。提出了基于机器视觉的簇团结构自动识别方法,分析了粗粒土填料微观形态,确定了填料孔隙微观分布特征,发现了簇团是粗粒土填料主要持水结构,其冻结膨胀是导致路基宏观变形的主要原因。在该基础上,建立了簇团率与细颗粒含量的映射关系,提出了严寒季冻区高铁路基填料细颗粒控制限值,为毫米级路基冻胀精准控制提供了理论支撑。

创新提出了路基防冻胀精细化设计方法,构建了结构与材料一体化的冻胀控制技术体系。提出了基于簇团率控制的路基防冻胀设计方法,制定了渗透性级配碎石和水泥改性级配碎石控制标准,研发了“防排疏渗”的路基防冻胀结构,提出了基于抗冻材料和双向预应力的防冻胀无砟轨道结构,形成了路基和轨道一体的冻胀控制成套技术体系,实现了冻胀变形精准控制在5mm以内。

研发了多源数据融合的冻胀监测预警方法,提出了路基平稳性保持技术。创新了地面实时自动监测和车载定期检测技术,自主研发了车-地一体化多源数据融合的冻胀监测预警方法,首次提出了基于静-动映射关系的无砟轨道路基冻胀管理标准,形成了靶向精准修复技术和线路长期适度平顺的冻胀维护综合技术体系,实现了严寒季冻区高铁毫米级线路平稳性的可靠控制。

项目成果获省部级特等奖1项、一等奖3项,发明专利11项,实用新型专利及软件著作权16项,制修编标准12项,发表论文156篇,出版专著1部;成功应用于哈大、盘营、兰新等15个高铁项目8000余公里线路,突破了严寒季冻区高铁建设与运营的禁区,尤其是哈大高铁实现了冬季300km/h运营,树立了世界严寒地区高铁建设运营新标杆。多位院士专家评审认为成果“具有创新性、系统性和实用性,整体达到了国际领先水平”。该项目成果为俄罗斯莫喀高铁提供了“中国方案”,支撑了中国高铁“走出去”战略,推进了“东北亚经济圈”和“丝绸之路经济带”建设。成果应用新增销售额达32亿元,新增利润超10亿元,产生了显著的经济和社会效益。

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