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新建铁路阿勒泰至富蕴至准东线

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获奖年度2023

专业分类工业工程设计

获奖等级二等奖

设计单位新疆铁道勘察设计院有限公司

设计人员杨宝荣、马世杰、张学斌、李继祖、张延新、祁天佑、胡鸣明、闫勇、林绪骞、唐建伟、张磊、滕宇雁、周豪、康随武、苏航、和晓婷、惠海、鲁雪静、刘亚兵、杨传刚

项目简介

一、项目概况、主要工艺

(一)项目概况

新建铁路阿勒泰至富蕴至准东线位于新疆维吾尔自治区阿勒泰地区及昌吉州境内。线路西起北阿铁路终点阿勒泰站,下穿克拉玛依至阿勒泰高速公路、跨越克兰河后转向东南方向,沿阿尔泰山南麓向东跨越喀拉塑克水库,后折向东南跨越额尔齐斯河至富蕴县城南工业园设富蕴站,自富蕴站出站后折向南绕避富蕴飞机场,跨乌伦古河后沿216国道进入卡拉麦里山有蹄类自然保护区实验区,经喀木斯特后出卡山保护区,后至准东北站北端接入乌将铁路,线路全长418.706km。

铁路主要技术标准:Ⅰ级单线,内燃铁路,设计速度120公里/小时。可研批复总投资82.1亿元。

阿富段共设特大桥10座,其中复杂桥梁及墩高超过50m的桥梁有4座,大桥23座,中桥21座,箱形桥6座,新建涵洞350座。特大、大、中桥桥长16920.53m。控制性工程为喀腊塑克水库特大桥〔主跨(140+270.8+140)m矮塔斜拉桥〕及额尔齐斯河特大桥〔主跨(60+100+60)m连续刚构〕。阿富段隧道工程总计7.720km/4座,均为设计时速120km/h的铁路单线隧道,其中塘巴湖隧道和索尔苏隧道为本线重点隧道,分别为341m和4333m。

富准段正线新建桥梁64座17.164km,控制性工程为G216线立交2号特大桥(主跨(32+48+32)m连续梁)及G216线立交1号特大桥(主跨(40+64+40)m连续梁)。

本项目与乌将铁路、兰新铁路、奎北铁路共同构成北疆铁路环线。本项目开通运营,意味着全疆四个环形铁路网络布局中,北疆环形铁路网络率先完成,同时也结束了富蕴县不通火车的历史。项目建成后已极大的改善沿线的交通运输条件,提高矿产品资源外运能力,也促进了当地旅游业发展。

本项目2015年12月开工建设,至2020年12月5日全线交付开通运营。沿线重点工程主要有喀腊塑克水库特大桥、索尔苏隧道、装配式建筑等。经过全线开通一年多的证明,本项目设计采用的技术标准先进、技术措施成熟可靠,项目的成功开通及良好运行,为新疆自治区后续铁路工程建设打下了坚实的基础。

(二)主要工艺

1、喀腊塑克水库特大桥主桥采用(140+270+140)m预应力混凝土矮塔斜拉桥,集“大跨、复杂组合结构、深水基础、复杂地质、大体积混凝土”于一体,主要技术创新如下:

(1)新疆境内跨度最大的矮塔斜拉桥,同类桥梁中跨度最大的铁路矮塔斜拉桥。

(2)本桥位于高烈度地震区,地质复杂,桥梁减隔震设计、水库深水区桥梁基础施工等技术均处于国内领先水平。

(3)严寒区首座铁路矮塔斜拉桥梁。

(4)喀腊塑克水库特大桥是一座融注了最新环保和生态理念的建筑。

2、国内外首次在普速度铁路温差大于110℃高温差地区铺设钢轨伸缩调节器,克服了大轨温差地区温度跨度为410m的矮塔斜拉桥无缝线路的铺设难题。

3、新疆境内首次采用无机纳米真空绝热保温板对排水盲管进行保温,克服了深埋盲管掏槽困难,解决了常规保温板与初支无法密贴的难题。

4、是目前全疆铁路受雪害影响段落最长的铁路,在2年多的调查研究的基础上,充分体现了雪害防护多样性,为以后风吹雪防护提供了经验基础。

5、优化站区设施结构及引入装配式建筑理念,在全国铁路建设中,率先尝试和完成装配式建筑结构工艺。

6、国内外位于高寒、高烈度地震区的铁路高墩大跨桥梁数量较少,专门针对高寒、高烈度地震区的铁路高墩大跨连续刚构桥的研究成果很少。本桥所处地理位置自然环境恶劣,地震烈度大,设计、施工难度大,设计过程中通过反复计算,最终确定了合理的桥墩纵横向尺寸、壁厚以及墩身内外坡度,有效地改善了主桥在恒载和活载作用下的内力分布,桥梁刚度满足要求。本桥的设计拓宽了连续刚构的应用前景,为今后高标准铁路桥梁设计提供了重要参考。

7、结合沿线各地段对线路方案的不同控制因素,合理制定选线原则和应对措施。

8、坚持环保设计,贯彻绿色协调发展理念,合理设置野生动物迁徙通道及环保措施。

二、关键技术及创新

面对特殊的气象、地质、环保条件,项目组反复试验、大胆创新,克服了极冷、雪害、生态脆弱等困难,积极采用安全可靠、先进、经济适用的新技术,为新时期新疆铁路发展贡献了智慧。主要反映在以下几方面:

(一)喀腊塑克水库特大桥,主桥(140+270+140)m矮塔斜拉桥,同时面临环保、高烈度地震区、极寒、深水施工等困难

1、主桥桥式方案及跨度选择

由于库区分布较广,需采用200m以上大跨一次性跨越水库深水区及陡峭山坡段,选择经济合理的桥式方案是设计难点之一。对主跨240和270m进行比选,270m方案虽然跨度增加导致梁部工程量增大,但减少水中墩个数,且水中主墩临时工程量减少,节省投资381万元,同时考虑到施工难度较小,主跨采用270m预应力混凝土矮塔斜拉桥。

2、桥梁结构有突破,设计复杂

通过对各种结构体系进行对比分析,最终选择能有效释放温度力、抗震性能好、结构受力合理的塔梁固结、塔墩分离的连续梁体系。是国内单线铁路跨度最大连续梁体系预应力混凝土矮塔斜拉桥。

3、高烈度地震区大跨高桩承台结构设计难度大

位于8度区,大跨混凝土梁组合结构、大体积混凝土、高桩承台,墩身线刚度相差大,给抗震设计带来极大挑战。通过采用连续梁体系矮塔斜拉桥,设置超大吨位耐低温双曲面球型减隔震支座,采用非线性时程分析,极大改善整体抗震性能。

(二)国内外首次在普速度铁路温差大于110℃高温差地区铺设钢轨伸缩调节器,克服了大轨温差地区温度跨度为410m的矮塔斜拉桥无缝线路的铺设难题

富蕴县极端最高温42.2℃,极端最低温-49.8℃,轨温差达112℃,属国内罕见高轨温差。巨大的轨温差极易引起断轨或胀轨问题。通过设置钢轨伸缩调节器,放散桥上无缝线路附加应力确保了线路稳定。经历了运营和气候变化的考验,钢轨状态保持很好。该应用设计目前达到国内外领先水平。

(三)严寒地区隧道防寒保温排水设计

隧道受到季节性冻融、冻胀作用,极易造成病害。研究后取消初支背后环向盲沟,于初支与二次衬砌间拱墙部位设置环向盲管。盲管表面采用“Ω”型无机纳米真空绝热保温板覆盖,以达到保温效果并提高二次衬砌施工质量。是疆内首次采用该型材料对排水盲管进行保温,解决了深埋盲管掏槽困难和常规保温板与初支无法密贴的难题

(四)是目前全疆受雪害影响段落最长的铁路,影响段落达295km,防治雪害是设计的重难点

降雪期达5个月,最大积雪厚度94cm,雪害严重。经过反复勘察、试验,形成混凝土插板式和装配式复合玻纤板防雪栅栏、土堤式防雪坝、植物防护等一套完整的多措施防治雪害工程体系,为以后风吹雪防护提供了经验基础。

(五)率先在全国范围尝试铁路装配式建筑结构工艺

为有效解决沿线水、电资源匮乏,施工质量控制困难,降低能耗和现场建筑垃圾对环境的影响,在全国范围内率先尝试铁路装配式建筑结构工艺。在无先例的情况下,通过对建筑单体分析调整标准化设计,研究选择装配式建筑的应用形式,成功展现了铁路行业装配式建筑的领先水平。

(六)额尔齐斯河特大桥是疆内单跨跨度最大的客货共线铁路连续刚构桥,主要设计难点如下

跨越处河面宽100m,桥高69m,采用(60+100+60)m连续刚构跨越主河槽。8度区,极寒地区温差大,地震力和温度应力对结构受力影响十分明显。通过极寒地区大跨度刚构桥梁专题研究,对刚度和温度力、地震力之间的相互影响进行分析,解决了刚度和受力之间的矛盾,满足了受力要求。

(七)卡山自然保护区动物通道及环保工程设置

该保护区是西北最重要的荒漠生态系统和有蹄类野生动物保护区,主要保护普氏野马,线路穿越保护区段落130km。选择了5处利于动物快速通过的区域设置净高8m以上,桥梁长度大于300m的主通道;设置29处净高不小于4m,长度不小于50m的中型通道。因地制宜建设水源地,起到诱导动物通过的目的。铁路两侧采用柔性防护网,避免动物受到伤害。

三、社会经济环境效益

(一)社会效益

形成了北疆铁路环线。结束富蕴县不通火车的历史;已极大改善沿线交通运输条件,提高了矿产品资源外运能力,也促进了当地旅游业发展。

是首例装配式建筑设计在铁路房建中应用的工程,结束了铁路房屋无装配式建筑的历史,使铁路房建设计能力处于国内领先水平,对其推广具有重要意义。

喀腊塑克水库特大桥是目前国内跨度最大和严寒区首座单线铁路混凝土矮塔斜拉桥,应用跨度取得了重大突破,极大拓展了其在我国铁路领域的应用,推进了技术创新,具有很强的借鉴参考价值。

额尔齐斯河特大桥解决了高寒、高烈度地区高墩大跨度刚构桥梁的设计和施工中的关键技术问题,创造了疆内大跨度连续刚构桥梁的第一。

在我国铁路风吹雪防治中首次采取多种风吹雪防治技术,为以后建设及运营中风吹雪防治有十分重要意义。

(二)经济效益

采用主动防护的路堤式路堑断面形式极大改善了路堑内风雪流的影响,使原来制约投资3个多亿的风吹雪工程,降低到6000万,节约投资达2.4亿元。

(三)环保效益

卡山保护区内动物通道、水源地等环保措施给动物迁徙带来了便利性。

装配式建筑的应用有效提高房建工程施工质量和减少材料运输量,有效减少用水用电量和施工对环境的污染。