李世龍  王強

(中鐵二局集團新運工程有限公司，四川成都 610031)

摘要：川藏鐵路二期工程大部分線路位于高海拔、低溫、晝夜溫差大等高寒地區，線路及橋梁設計坡度大，長大隧道多。本文就川藏鐵路極端環境對鋪架設備結構、電氣部件、液壓系統、發動機、油耗、使用壽命等方面的不良影響作深入分析，并針對川藏鐵路極端惡劣的環境和工程條件，提出了增大設備發動機功率、設置預熱啟動裝置、增加設備制動系統冗余設計、限制運行速度等安全保障技術措施，對解決川藏鐵路鋪架設備的適應性問題具有一定參考價值。

關鍵詞：川藏鐵路; 極端環境; 鋪架設備; 影響分析; 對策

中圖分類號：U215.7    文獻標識碼：A

 

　　新建川藏鐵路二期工程林芝至雅安段地處高原環境，地勢跌宕起伏，從四川盆地到青藏高原沿線局部地段海拔超過4000m，最低氣溫達-30℃，晝夜溫差可達30℃，地質條件復雜且氣候異常多變[1-2]，全線達30‰限坡線路累計長度約有300km，其中，連續大坡道線路接近或超過30km的有8處，最長達到72.6km，長度超過40km的隧道達8座，該工程線的長大隧道鋪軌和大坡度架梁施工在國內外均屬首次，在鐵路鋪架施工技術領域尚為空白，川藏鐵路建設所面臨的極端環境和工程條件在世界鐵路建設史上前所未有[1]，特殊的自然環境和工程建設條件對鋪架施工單位提出了巨大挑戰。

1 川藏鐵路工程概況和施工環境

1.1 工程概況

　　川藏鐵路雅安至林芝段正線全長998.81公里，主要技術標準：鐵路等級為Ⅰ級，正線為雙線，線間距4.4m，設計行車速度200km/h，最小曲線半徑一般地段3500m，困難地段2800m，限制坡度為30‰。川藏鐵路雅安至林芝段橋隧總長938.83公里，橋隧占比為92.91%，其中，橋梁總長102.72公里，占線路長度10.28%;新建隧道總長825.28公里，占線路長度82.62%，全線30‰限坡線路累計長度約300km，其中，接近或超過30km的連續大坡度線路多達八處，最長達到72.6km。

1.2 施工環境

1.2.1 自然環境^[3]

　　(1)高原缺氧

　　川藏鐵路沿線地希山高谷深，隨著海拔升高，大氣壓減小，氧氣密度也會相應減小，海拔每升高1000m，氧分大約減少10%。川藏鐵路局部地區海拔超過4000m，空氣稀薄，氧分下降幅度接近50%，高原缺氧環境對內燃發動機的影響尤其明顯。

　　(2)天氣寒冷

　　川藏鐵路藏東高原區及峽谷區冰雪霜凍時間較長。隨著海拔升高，空氣逐漸稀薄，氣溫逐漸降低，局部地區最低氣溫可降至-20℃?-30℃。

　　(3)氣候多變

　　川西高原低谷地區夏季最高氣溫達35℃?40℃，高山臺地冬季最低氣溫可降至-15℃?-20℃，夏天也常發生暴風雪或冰雹，局部地區晝夜溫差達30℃?35℃。

1.2.2 工程條件

　　(1)長大隧道施工^[4]

　　川藏鐵路隧道數量較多，單座隧道超過40km的長大隧道有8座，這在中國鐵路建設上史無前例。長隧道施工通風換氣困難，而發動機工作需要源源不斷的氧氣補給，長大隧道對于鋪軌設備及鋪軌施工提出了巨大挑戰。

　　(2)連續大坡度施工

　　川藏鐵路30‰以上大坡度線路累計長度約300km，其中，接近或超過30km的連續大坡度線路有八處，這種連續大坡度線路在世界鐵路建設史上前所未有，30‰大坡度施工對于鋪架設備性能提出了更高要求。

 

2 幾種典型鋪架設備

2.1 鋪軌設備

　　鋪軌施工主要采用內燃機車、枕軌運輸列車、鋪軌機組、大型養路機械等專用設備，此類施工設備的共同特征是：設備結構龐大、機構系統較多、工作地點不固定流動性大、機電液技術集成度高，對操作人員素質要求較高，如下圖1-圖4所示。

2.2 架梁設備

　　架梁施工主要采用運梁車和架橋機，鐵路T梁和箱梁運架設備結構型式有所不同，同樣是集機械、電氣、液壓技術于一體的大型專用設備，如圖5-圖10所示。

 

3 影響分析

3.1 自然環境對鋪架設備的影響^[6-7]

3.1.1 對發動機啟動性能的影響

　　川藏鐵路地處高原地區，空氣稀薄，氣溫低。發動機的壓縮壓力和溫度隨海拔升高而降低。試驗結果顯示，海拔平均每升高1000m，內燃機的壓縮壓力降低17%，溫度下降23℃，原機最低極限啟動溫度將提高2℃左右。同時，在高原環境使用時，凡涉及在高原點火、燃燒、耗氧性能等均存在不同程度的不適應性，發動機汽缸內油氣混合物的自燃性能變差、著火困難，造成啟動延時或啟動失敗，部分工程機械內燃機在海拔3000m以上無法正常工作。

3.1.2 對發動機輸出功率的影響

　　川藏鐵路最高海拔超過4000m。隨著海拔升高，大氣壓下降，空氣中含氧量減少。自然吸氣(非增壓機型)的發動機燃燒不充分，發動機功率、扭矩相應下降，排溫、油耗及煙度值增高，機械效率下降，油耗高。試驗表明，海拔每升高1000m，內燃機的功率和扭矩下降8%?13%，油耗上升6%?9%;當海拔高度達到4000m時，其功率降低45%左右[5]。大量試驗結果表明，未安裝渦輪增壓器的發動機在海拔3000m的作業效率會大大降低，甚至無法正常使用。

3.1.3 對鋪架設備整機性能的影響

　　(1)對設備結構和機構性能的影響：川藏鐵路沿線部分地區最低氣溫可降至-20℃?-30℃，最高溫度高達35℃?40℃，晝夜溫差大，溫差變化所產生的應力將導致鋪軌機、架橋機、運梁車等設備的結構變形，機構零部件的配合精度下降，直接影響設備的整機性能;

　　(2)對液壓系統的影響：液壓密封件在低溫環境下彈性降低，液壓油在低溫條件下粘度增大，容易發生執行機構動作緩慢，工作效率大幅下降，甚至無法正常工作。

　　(3)對電氣絕緣性能的影響：電氣開關設備的外絕緣強度隨著海拔高度的升高而降低，在海拔從0升至5000m的情況下，外絕緣強度下降速率約為12%/km。川藏鐵路海拔高度超過4000m，電氣開關設備的絕緣性能會顯著降低。

3.2 工程條件對鋪架設備的影響

3.2.1 長大隧道施工對鋪軌設備的影響

　　在川藏鐵路高原環境條件下，長隧道鋪軌施工時，自然條件下隧道內氧氣供給不足，無法保證內燃機車、鋪軌機組，大型養路機械的內燃發動機長時間連續工作，如果通風措施跟不上，發動機排放的有害氣體濃度越來越高，直接影響作業工人的身體健康，在本就缺氧的高原環境下，甚至可能威脅隧道內施工人員的生命安全。

3.2.2 大坡度對鋪軌設備的影響

　　川藏鐵路鋪軌施工最大坡度達30‰，鋪軌機組、機車等鋪軌設備的運行阻力大幅增加，對鋪軌設備發動機功率配置要求更高;另外，大坡度施工時，機車、平板車等軌行設備更容易發生遛逸事故。

3.2.3 大坡度對運梁設備的影響

　　(1)運梁車溜逸風險分析

　　運梁車自重為G，梁重為W，則合計總重為G+W，在30‰的下坡路面上，因坡度產生的下滑力F=(G+W)×30‰，如運梁車的輪胎半徑為R，則下滑力產生的扭矩T=FR=0.03R(G+W)。運梁車的溜逸風險隨坡度增大而增加。

　　(2)對運梁車使用壽命的影響

　　大坡度運梁時，由于坡道阻力增加，運梁車的主要工作機構長時間處于滿負荷工作狀態，造成發動機、液壓泵、液壓馬達等機械部件磨損加劇，部件維修換周期縮短。

　　以900t箱梁運梁車常用的A4V型液壓泵壽命曲線(見圖11)可知，液壓泵工作壓力為其額定值60%時為經濟壽命，運梁車在20‰以下坡道行駛時，液壓泵工作壓力在23MPa以下，此時，工作壽命可以達到28000h，當運梁坡道達到30‰時，液壓馬達的驅動壓力需要提高到32MPa左右，在此壓力下液壓泵的工作壽命只有5000h，隨著工作壓力提高，液壓泵的壽命將大幅縮短。

　　運梁車在重車時還需要保證一定的行駛速度，需要液壓泵一直在高轉速高排量狀態下工作，從曲線圖(見圖12)可知，液壓泵在額定排量50%左右(經濟負荷值)的工作壽命可達26000h左右，在額定滿排量下工作壽命只有5000h，液壓泵的使用壽命也會大幅降低。

　　(3)對運梁車發動機油耗的影響

　　運梁車處于大坡度運梁工況時，由于坡道阻力增加，發動機長時間處于滿負荷或超負荷工作狀態，以900t箱梁運梁車的華柴動力例，發動機在經濟負荷狀態為1300rpm下油耗為190g/Kwh，在滿負荷運轉為2100rpm時油耗高達225g/Kwh，相比經濟負荷工況，油耗增加約18%。

3.2.4 大坡度架梁對架橋機的影響^[8]

　　鐵路橋梁預制架設方案主要使用運架一體機、步履式架橋機、下導梁式架橋機等幾種類型的架梁設備，川藏鐵路也不例外。

　　(1)對運架一體機的影響

　　運架一體機由運梁機和架梁機兩大部分組成。運梁機在大下坡度工況運梁時，由于坡度因素的影響，運梁機存在巨大的遛逸風險。另外，運梁機喂梁過程中，運梁機作用于導梁機的水平摩擦力將推動導梁向前竄移，在架梁作業過程中有時需要向前或向后抽移導梁，因此而產生的水平摩擦力均有使滾輪支腿向前或向后傾覆的可能，大坡度工況下，運架一體機的滾輪支腿和導梁的失穩風險劇增。

　　(2)對步履式架橋機的影響

　　步履式架橋機中支腿通常采用“○”型結構，該型式的架橋機對大坡度適應性較差，尤其在大下坡工況下架梁時，架橋機縱移過孔作業時存在較大的遛逸風險，坡度越大，架橋機的遛逸風險就越高，容易發生架橋機縱向失穩傾覆等嚴重事故。

　　(3)對下導梁式架橋機的影響

　　下導梁式架橋機采用定點起吊方式架梁，架橋機借助其下導梁完成過孔作業，下導梁式架橋機在大坡度工況下的施工風險與運架一體機極其相似，運梁車喂梁或架橋機過孔作業時，導梁均存在向前竄動的外力趨勢和風險，導梁支撐不穩或鎖定不牢極易發生架橋機傾覆失穩事故。

 

4 對策措施

　　針對川藏鐵路極端環境和工程條件，鋪架設備在技術方案上應采取以下對策：

　　(1)設備結構選用低合金高強度鋼：鋪架設備尤其是架橋機的主要受力構件應選擇Q345C及以上的低合金高強度鋼，一方面可減輕結構重量從而減小設備整機自重，有利于降低施工荷載，另一方面低合金高強度鋼對低溫環境適應性能更好，在極寒天氣條件下，設備結構仍具較高的強度和良好的抗沖擊韌性。

　　(2)設備制造采用特殊工藝消除變形和應力：鋼結構件的焊接加工應采取焊前預熱、焊后緩冷等措施，控制焊接熱變形，減少焊接構件的殘余應力，提高結構件抗變形能力，確保架橋機結構部件在零下30℃低溫環境條件仍有足夠的抗變形能力和良好的耐低溫性能。

　　(3)提高電氣開關設備的絕緣性能：川藏鐵路局部地區處海拔高度達4000m，選用電氣開關設備時將絕緣等級提高一級，以確保電氣開關設備在高海拔地區有良好的絕緣性能。

　　(4)增大發動機功率儲備：用于川藏鐵路施工鋪架設備必須配置渦輪增壓型的大功率發動機，發動機在4000m高海拔地區工作時，裝機功率需提高至2倍以上。

　　(5)發動機加裝預熱啟動置：提高其在低溫環境下的啟動性能，確保發動機在零下30℃低溫環境下能夠順利啟動。

　　(6)選用優良的傳動油品：潤滑油、液壓油等傳動油料要選擇閃點高，凝點低，粘溫性能好，抗氧、抗腐、抗銹、抗泡等油品，以保證低溫條件下良好的潤滑性能和高溫條件下較高的油膜強度。

　　(7)增加制動系統的冗余設計：設置兩套獨立工作的制動系統，或改造現有鋪架設備的制動系統，增加制動力矩，確保設備制動系統性能可靠，避免發生溜逸事故。

　　(8)根據作業工況，制定各種線路條件下設備的運行速度限制規定。運梁車在30‰大坡度工況運梁時，嚴格限制運梁速度，防止運動慣性沖擊引發安全事故。

　　(9)運架梁施工特殊工況組織專家論證：無論采用何種結構型式的運架梁設備，均應針對30‰大坡度架梁施工編制安全專項方案并組織專家論證。

　　(10)加強架橋機安全防護：對使用風險較高的運架一體機和下導梁式架橋機而言，除導梁自身過孔動作以外，其他情況下必須將架橋機的導梁與已架橋梁進行錨固約束，架梁過程中，運架一體機的各個滾輪支腿必須與橋墩頂部預埋鋼筋進行可靠聯結和錨固。任何工況下，必須將架橋機機臂的水平度和支腿的垂直度兩個重要指標控制在在允許范圍內，支腿下方必須設置防滑膠皮或薄木板并支墊牢固。

　　(11)保障隧道內供氧充足：長大隧道鋪軌施工時，至少配備兩套以上的供氧氣設備，保證洞內供氧充足，確保鋪軌施作業人員安全和設備正常運轉。

　　(12)建議意見：采用電源動力的電動機對低溫和高原缺氧環境并不敏感，并且工作時不產生有害排放，對于高寒地區長大隧道施工而言技術優勢明顯。川藏鐵路鋪架施工設備宜盡可能采用電源動力，功率較小的設備可采用環保型的新能源電池動力。

　　

5 結束語

　　川藏鐵路的高原缺氧環境、長大隧道施工、大坡度架梁對鋪軌和架梁設備機械技術性能提出了更高要求，針對川藏鐵路極端環境對鋪軌架梁設備產生的不良影響，可采取增大發動機功率、設置預熱啟動裝置、增加制動系統冗余方案、限制運行速度、對架橋機導梁及支腿進行錨固等技術措施，確保鋪架設備在極端環境下能夠正常作業。對作業風險較高的鋪軌機、運梁車、架橋機、機車等大型特種設備而言，所有的對策措施均為防止整機結構及其支撐體系失穩傾覆或防止發生溜逸事故。

 

參考文獻

[1] 宋章,張廣澤,將良文,吳光.川藏鐵路主要地質災害特征及地質選線線探析[J].鐵道標準設計.2016,60(1):15-18.

[2] 宋章,張廣澤,將良文,歐陽吉.川藏鐵路工程地質特征及選線原則[J].鐵道建筑.2017,X(2):142-145.

[3] 鄭度，趙東升.青藏高原的自然環境特征，科技導報，2017年06期.

[4] 鄭宗溪,孫其清.川藏鐵路隧道工程[J].隧道建設.2017，37(8):1049-1054.

[5] 高軒,劉澤坤,董素榮.低氣壓低溫環境對柴油機起動性能的影響及改進措施[J].內燃機與配件.2016(5):1-3.

[6] 李凱，胡志國.高寒地區工程概預算定額人工機械施工效率探討[J].四川水力發電.2014,33(1):55-56.

[7] 程曉青.高原低溫環境對工程機械的影響及對策措施[J].青海科技,2002年,第4期30-34.

[8] 鐘明林.大坡度線路區段箱梁架設施工工效分析[J]. 鐵路工程造價管理.2016,31(3):12-14.

 

基金項目：國家鐵路局課題(KF2019-019)

（《建設機械技術與管理》雜志 2020年第5期）

（責任編輯：休魚）