《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《主城山区高速铁路大型枢纽改造工程设备配套与施工综合技术研究》
1.项目名称: 主城山区高速铁路大型枢纽改造工程设备配套与施工综合技术研究
2.完成单位: 中铁十八局集团有限公司
3.主要完成人: 吴忠良、 樊敏、 郭斌、 李财、刘跃伟、 刘大伟、 张建国、 王东振、 但晓荣、 王立东、 曾凡伟、 马文通、 赵涛、 龙云、 张辉辉
(一)立项背景
我国铁路客运和综合交通运输快速发展的大背景下,越来越多的省份和城市将大型铁路综合客运枢纽的建立或者把既有铁路枢纽改造成为大型铁路综合客运枢纽纳入城市交通规划需求当中去,同时也给大型铁路枢纽的建设提出了高的要求。重庆至贵阳铁路扩能改造工程(以下简称渝黔铁路)是在既有渝黔铁路基础上进行的扩能改造工程,位于渝黔铁路最大枢纽工程———重庆枢纽范围内,枢纽内既有重庆东站将改造为西南地区最大的重庆西站,既有重庆西编组站将改造为动车所及客车整备场,铺架基地位于既有重庆西编组站内,按照重庆枢纽“客货分线、客内货外冶的总体规划,所有新建工程要待货运分流后方可实施,在全国铁路枢纽改造难度中居首。
本工程实施难度大、不可控因素多、线路交错布置、构筑物类型多、新铺线路多、物流组织难、施工工序繁、交叉干扰大、安全风险大,而铺架工程是能否保质、保量、按期完工的关键和主线。为此,需紧紧围绕铺架工程这条主线,就既有线关停步骤、铺架基地规划布置、合理铺架方法选取、经济配套设备选用、设备物流组织优化、线下施工方案选择等技术进行综合研究,该技术也是采用2012版新型T梁后,进行架梁轨排铺设同步进行,最后换铺长钢轨,进行无缝线路锁定的首次尝试。该研究项目的各项科技成果将会填补大型枢纽设备配套与施工技术的空白。
(二)技术概况
针对渝黔铁路引入重庆枢纽工程范围内既有铁路、车站无法按期关停和工程无法按期实施的现状,为妥善解决建设与运输矛盾,满足建设与运输需要,对高速铁路大型枢纽关停优化与过渡改造方案技术、大型枢纽铺架基地一体化规划布置与建造技术优化、铺架设备配套与施工关键技术、大型枢纽工程成套关键施工技术展开研究,构建形成了一套主城山区高速铁路大型枢纽改造工程设备配套与施工综合技术。
(三)适用范围
本项目研究成果可广泛应用于山区高速铁路枢纽改造工程过程中,解决诸多关键问题,如受临近线路影响大、不可确定因素多、铺架工作量大、线下线上接口多、路基调配量大、防护类型多、站前站后接口多、物流组织难施工工序繁、地形地质复杂、安全风险高、线路繁多征拆量大等。
(1)采用系统动力学模型对枢纽关停及过渡方案进行优化,提出最佳分步关停步骤并根据分步关停步骤,解决施工组织、物流组织、施工工期、施工质量、安全等关键问题,显著降低成本。
(2)采用灰色系统理论对枢纽铺架基地一体化规划布置与建造展开研究,利用既有的重庆西编组站实现制梁、存梁、架梁与铺轨的有机结合统一,保证生产能力最大化、拆除量与生产成本的最小化。
(3)采用多目标粒子群优化算法对枢纽铺架设备配套与施工关键技术展开研究,从铺架方案、方法、设备、计划、跨既有线方案、童西线运输方案六个方面,保证了工期目标的实现。
(4)采用模糊综合与离差最大对临近营业线桥梁桩基方案评价;采用Vague集的复杂干扰环境桥梁施工风险评价模型对施工风险进行预判和评估,进而控制风险保证桥梁施工的质量及安全。
(5)利用区间数距离法计算山区铁路线路前期决策对后期施工的影响,构造加权规范化决策矩阵,结合工程实例验证了模型的作业程式,减少了主观原因对决策结果的影响。
(一)山区高速铁路大型枢纽关停优化与过渡改造关键技术
基于各单项工程的基本结构与施工参数,利用VensimPLE软件进行系统动力学仿真,建立起重庆枢纽改造工程系统关停优化总模型,总模型由四个子系统组成,包括线路改造或新建工作内容子系统、重庆西编组站工作内容子系统、重庆东站工作内容子系统、三个站场改造工作内容子系统。该关键技术的实施提高了枢纽关停优化与过渡改造施工过程中的控制效率,最终为决策者提供了较为合理的关停方案,在保证既有线运输的前提下如期完成了工程任务,对未来大型枢纽改造工程关停优化研究具有很大的参考价值。
(二)山区高速铁路大型枢纽制存架铺基地一体化规划布置优化成套关键技术
1.基于灰色系统分析理论的铺架基地选址优化基于铺架基地选址的影响因素建立选址优化综合评价指标体系,运用灰色系统分析理论对铺架基地进行选址优化,并从定性与定量相结合的角度分析了优化结果的适用性与合理性。该方法弥补了传统以主观经验为主的选址决策的缺陷,有利于铺架基地的合理规划与建设,进而帮助施工单位按期保质完成工程建设目标。
2.基于系统动力学的山区高速铁路大型枢纽制存铺架基地一体化规划布置优化运用系统动力学理论,综合分析铺架基地的选址安置、平面布置、资源配置、既有资源利用、运输费用、施工效率、场地限制等多方面因素,全面考虑预制梁场与铺架基地间的影响和联系,将预制梁场与铺架基地进行了合并优化布置,从而实现制存铺架基地一体化的建设、生产、运转等工作内容的最优效果与资源的高效利用(见图1)。
(三)山区高速铁路大型枢纽铺架设备配套与施工成套关键技术
1.架桥机优选以架桥机的适应性分析结果为主要标准确定备选T梁架桥机TJ180、TJ165和DJ180,然后运用基于FAHP-CRITIC的改进灰色关联分析理论确定TJ180为最优架桥设备。实践证明优选结果满足桥梁密布、调头转线频繁的工程的需求,既保证了工期,又兼顾了成本,对铁路枢纽铺架工程架桥机选择有一定借鉴价值。
2.童西线运输最优路径确定针对童西线物料运输路径规划的单源最短路径问题,首先引入图论理论对枢纽内交错纵横的路网进行了抽象和量化,然后结合Dijkstra算法和定性评价确定了童西线物料运输最优备选路径,如图2方案一、二线路所示,最后根据线下施工影响、时间可靠性、运输成本、既有线影响等四个指标评选出方案一线路为拟采用的最优路径。工程实践证明该路径能有效提高物料运输效率。
本课题的相关研究成果已成功应用于重庆西高铁大型枢纽改造工程,并取得了显著的经济效益和社会效益。本研究项目以重庆西高铁站为依托工程,分别开展了大型枢纽关停优化与过渡改造研、枢纽铺架基地一体化规划布置与建造技术研究、枢纽铺架设备配套与施工关键技术研究、枢纽工程成套关键施工技术研究,将切实可行的研究成果应用于项目工程本身,实现了科研技术转化,科研成果及时有效地反哺实际工程,对工程质量、工期、安全、成本起到了积极作用。本课题研究成果的应用,保证了整个工程安全、高效的顺利实施,施工期间未发生质量、安全施工问题,有效缩短了工期,各项施工技术指标均满足设计及相关规范要求。该成果已推广应用到国内部分地区,具有广阔的市场空间。
(一)社会效益
新建重庆西站综合交通枢纽地处沙坪坝区及九龙坡区交界处,东邻沙坪坝凤中路、西靠中梁山山脉、南接华岩风景区、北临成渝高速西环立交,工程包括:新建重庆西客站、渝黔铁路改建、改建原重庆西站为动车所及客车整备场。按照重庆枢纽“客货分线、客内货外冶的总体规划,所有新建工程要待货运分流后方可实施,在全国铁路枢纽改造难度中居首。本项目的开展过程中控制了施工风险、保证了施工安全、降低了施工成本。它的建成具有重大的政治、社会效益,影响深远。
(二)经济效益
研究成果对工程施工全过程具有指导意义,保证了工期、质量、安全、成本等多个关键指标,总工期从55个月减到48个月,累计节约了近7个月,累计节约成本5018万元。
