李世龙  王强

(中铁二局集团新运工程有限公司，四川成都 610031)

摘要：川藏铁路二期工程大部分线路位于高海拔、低温、昼夜温差大等高寒地区，线路及桥梁设计坡度大，长大隧道多。本文就川藏铁路极端环境对铺架设备结构、电气部件、液压系统、发动机、油耗、使用寿命等方面的不良影响作深入分析，并针对川藏铁路极端恶劣的环境和工程条件，提出了增大设备发动机功率、设置预热启动装置、增加设备制动系统冗余设计、限制运行速度等安全保障技术措施，对解决川藏铁路铺架设备的适应性问题具有一定参考价值。

关键词：川藏铁路; 极端环境; 铺架设备; 影响分析; 对策

中图分类号：U215.7    文献标识码：A

 

　　新建川藏铁路二期工程林芝至雅安段地处高原环境，地势跌宕起伏，从四川盆地到青藏高原沿线局部地段海拔超过4000m，最低气温达-30℃，昼夜温差可达30℃，地质条件复杂且气候异常多变[1-2]，全线达30‰限坡线路累计长度约有300km，其中，连续大坡道线路接近或超过30km的有8处，最长达到72.6km，长度超过40km的隧道达8座，该工程线的长大隧道铺轨和大坡度架梁施工在国内外均属首次，在铁路铺架施工技术领域尚为空白，川藏铁路建设所面临的极端环境和工程条件在世界铁路建设史上前所未有[1]，特殊的自然环境和工程建设条件对铺架施工单位提出了巨大挑战。

1 川藏铁路工程概况和施工环境

1.1 工程概况

　　川藏铁路雅安至林芝段正线全长998.81公里，主要技术标准：铁路等级为Ⅰ级，正线为双线，线间距4.4m，设计行车速度200km/h，最小曲线半径一般地段3500m，困难地段2800m，限制坡度为30‰。川藏铁路雅安至林芝段桥隧总长938.83公里，桥隧占比为92.91%，其中，桥梁总长102.72公里，占线路长度10.28%;新建隧道总长825.28公里，占线路长度82.62%，全线30‰限坡线路累计长度约300km，其中，接近或超过30km的连续大坡度线路多达八处，最长达到72.6km。

1.2 施工环境

1.2.1 自然环境^[3]

　　(1)高原缺氧

　　川藏铁路沿线地希山高谷深，随着海拔升高，大气压减小，氧气密度也会相应减小，海拔每升高1000m，氧分大约减少10%。川藏铁路局部地区海拔超过4000m，空气稀薄，氧分下降幅度接近50%，高原缺氧环境对内燃发动机的影响尤其明显。

　　(2)天气寒冷

　　川藏铁路藏东高原区及峡谷区冰雪霜冻时间较长。随着海拔升高，空气逐渐稀薄，气温逐渐降低，局部地区最低气温可降至-20℃〜-30℃。

　　(3)气候多变

　　川西高原低谷地区夏季最高气温达35℃〜40℃，高山台地冬季最低气温可降至-15℃〜-20℃，夏天也常发生暴风雪或冰雹，局部地区昼夜温差达30℃〜35℃。

1.2.2 工程条件

　　(1)长大隧道施工^[4]

　　川藏铁路隧道数量较多，单座隧道超过40km的长大隧道有8座，这在中国铁路建设上史无前例。长隧道施工通风换气困难，而发动机工作需要源源不断的氧气补给，长大隧道对于铺轨设备及铺轨施工提出了巨大挑战。

　　(2)连续大坡度施工

　　川藏铁路30‰以上大坡度线路累计长度约300km，其中，接近或超过30km的连续大坡度线路有八处，这种连续大坡度线路在世界铁路建设史上前所未有，30‰大坡度施工对于铺架设备性能提出了更高要求。

 

2 几种典型铺架设备

2.1 铺轨设备

　　铺轨施工主要采用内燃机车、枕轨运输列车、铺轨机组、大型养路机械等专用设备，此类施工设备的共同特征是：设备结构庞大、机构系统较多、工作地点不固定流动性大、机电液技术集成度高，对操作人员素质要求较高，如下图1-图4所示。

2.2 架梁设备

　　架梁施工主要采用运梁车和架桥机，铁路T梁和箱梁运架设备结构型式有所不同，同样是集机械、电气、液压技术于一体的大型专用设备，如图5-图10所示。

 

3 影响分析

3.1 自然环境对铺架设备的影响^[6-7]

3.1.1 对发动机启动性能的影响

　　川藏铁路地处高原地区，空气稀薄，气温低。发动机的压缩压力和温度随海拔升高而降低。试验结果显示，海拔平均每升高1000m，内燃机的压缩压力降低17%，温度下降23℃，原机最低极限启动温度将提高2℃左右。同时，在高原环境使用时，凡涉及在高原点火、燃烧、耗氧性能等均存在不同程度的不适应性，发动机汽缸内油气混合物的自燃性能变差、着火困难，造成启动延时或启动失败，部分工程机械内燃机在海拔3000m以上无法正常工作。

3.1.2 对发动机输出功率的影响

　　川藏铁路最高海拔超过4000m。随着海拔升高，大气压下降，空气中含氧量减少。自然吸气(非增压机型)的发动机燃烧不充分，发动机功率、扭矩相应下降，排温、油耗及烟度值增高，机械效率下降，油耗高。试验表明，海拔每升高1000m，内燃机的功率和扭矩下降8%〜13%，油耗上升6%〜9%;当海拔高度达到4000m时，其功率降低45%左右[5]。大量试验结果表明，未安装涡轮增压器的发动机在海拔3000m的作业效率会大大降低，甚至无法正常使用。

3.1.3 对铺架设备整机性能的影响

　　(1)对设备结构和机构性能的影响：川藏铁路沿线部分地区最低气温可降至-20℃〜-30℃，最高温度高达35℃〜40℃，昼夜温差大，温差变化所产生的应力将导致铺轨机、架桥机、运梁车等设备的结构变形，机构零部件的配合精度下降，直接影响设备的整机性能;

　　(2)对液压系统的影响：液压密封件在低温环境下弹性降低，液压油在低温条件下粘度增大，容易发生执行机构动作缓慢，工作效率大幅下降，甚至无法正常工作。

　　(3)对电气绝缘性能的影响：电气开关设备的外绝缘强度随着海拔高度的升高而降低，在海拔从0升至5000m的情况下，外绝缘强度下降速率约为12%/km。川藏铁路海拔高度超过4000m，电气开关设备的绝缘性能会显著降低。

3.2 工程条件对铺架设备的影响

3.2.1 长大隧道施工对铺轨设备的影响

　　在川藏铁路高原环境条件下，长隧道铺轨施工时，自然条件下隧道内氧气供给不足，无法保证内燃机车、铺轨机组，大型养路机械的内燃发动机长时间连续工作，如果通风措施跟不上，发动机排放的有害气体浓度越来越高，直接影响作业工人的身体健康，在本就缺氧的高原环境下，甚至可能威胁隧道内施工人员的生命安全。

3.2.2 大坡度对铺轨设备的影响

　　川藏铁路铺轨施工最大坡度达30‰，铺轨机组、机车等铺轨设备的运行阻力大幅增加，对铺轨设备发动机功率配置要求更高;另外，大坡度施工时，机车、平板车等轨行设备更容易发生遛逸事故。

3.2.3 大坡度对运梁设备的影响

　　(1)运梁车溜逸风险分析

　　运梁车自重为G，梁重为W，则合计总重为G+W，在30‰的下坡路面上，因坡度产生的下滑力F=(G+W)×30‰，如运梁车的轮胎半径为R，则下滑力产生的扭矩T=FR=0.03R(G+W)。运梁车的溜逸风险随坡度增大而增加。

　　(2)对运梁车使用寿命的影响

　　大坡度运梁时，由于坡道阻力增加，运梁车的主要工作机构长时间处于满负荷工作状态，造成发动机、液压泵、液压马达等机械部件磨损加剧，部件维修换周期缩短。

　　以900t箱梁运梁车常用的A4V型液压泵寿命曲线(见图11)可知，液压泵工作压力为其额定值60%时为经济寿命，运梁车在20‰以下坡道行驶时，液压泵工作压力在23MPa以下，此时，工作寿命可以达到28000h，当运梁坡道达到30‰时，液压马达的驱动压力需要提高到32MPa左右，在此压力下液压泵的工作寿命只有5000h，随着工作压力提高，液压泵的寿命将大幅缩短。

　　运梁车在重车时还需要保证一定的行驶速度，需要液压泵一直在高转速高排量状态下工作，从曲线图(见图12)可知，液压泵在额定排量50%左右(经济负荷值)的工作寿命可达26000h左右，在额定满排量下工作寿命只有5000h，液压泵的使用寿命也会大幅降低。

　　(3)对运梁车发动机油耗的影响

　　运梁车处于大坡度运梁工况时，由于坡道阻力增加，发动机长时间处于满负荷或超负荷工作状态，以900t箱梁运梁车的华柴动力例，发动机在经济负荷状态为1300rpm下油耗为190g/Kwh，在满负荷运转为2100rpm时油耗高达225g/Kwh，相比经济负荷工况，油耗增加约18%。

3.2.4 大坡度架梁对架桥机的影响^[8]

　　铁路桥梁预制架设方案主要使用运架一体机、步履式架桥机、下导梁式架桥机等几种类型的架梁设备，川藏铁路也不例外。

　　(1)对运架一体机的影响

　　运架一体机由运梁机和架梁机两大部分组成。运梁机在大下坡度工况运梁时，由于坡度因素的影响，运梁机存在巨大的遛逸风险。另外，运梁机喂梁过程中，运梁机作用于导梁机的水平摩擦力将推动导梁向前窜移，在架梁作业过程中有时需要向前或向后抽移导梁，因此而产生的水平摩擦力均有使滚轮支腿向前或向后倾覆的可能，大坡度工况下，运架一体机的滚轮支腿和导梁的失稳风险剧增。

　　(2)对步履式架桥机的影响

　　步履式架桥机中支腿通常采用“○”型结构，该型式的架桥机对大坡度适应性较差，尤其在大下坡工况下架梁时，架桥机纵移过孔作业时存在较大的遛逸风险，坡度越大，架桥机的遛逸风险就越高，容易发生架桥机纵向失稳倾覆等严重事故。

　　(3)对下导梁式架桥机的影响

　　下导梁式架桥机采用定点起吊方式架梁，架桥机借助其下导梁完成过孔作业，下导梁式架桥机在大坡度工况下的施工风险与运架一体机极其相似，运梁车喂梁或架桥机过孔作业时，导梁均存在向前窜动的外力趋势和风险，导梁支撑不稳或锁定不牢极易发生架桥机倾覆失稳事故。

 

4 对策措施

　　针对川藏铁路极端环境和工程条件，铺架设备在技术方案上应采取以下对策：

　　(1)设备结构选用低合金高强度钢：铺架设备尤其是架桥机的主要受力构件应选择Q345C及以上的低合金高强度钢，一方面可减轻结构重量从而减小设备整机自重，有利于降低施工荷载，另一方面低合金高强度钢对低温环境适应性能更好，在极寒天气条件下，设备结构仍具较高的强度和良好的抗冲击韧性。

　　(2)设备制造采用特殊工艺消除变形和应力：钢结构件的焊接加工应采取焊前预热、焊后缓冷等措施，控制焊接热变形，减少焊接构件的残余应力，提高结构件抗变形能力，确保架桥机结构部件在零下30℃低温环境条件仍有足够的抗变形能力和良好的耐低温性能。

　　(3)提高电气开关设备的绝缘性能：川藏铁路局部地区处海拔高度达4000m，选用电气开关设备时将绝缘等级提高一级，以确保电气开关设备在高海拔地区有良好的绝缘性能。

　　(4)增大发动机功率储备：用于川藏铁路施工铺架设备必须配置涡轮增压型的大功率发动机，发动机在4000m高海拔地区工作时，装机功率需提高至2倍以上。

　　(5)发动机加装预热启动置：提高其在低温环境下的启动性能，确保发动机在零下30℃低温环境下能够顺利启动。

　　(6)选用优良的传动油品：润滑油、液压油等传动油料要选择闪点高，凝点低，粘温性能好，抗氧、抗腐、抗锈、抗泡等油品，以保证低温条件下良好的润滑性能和高温条件下较高的油膜强度。

　　(7)增加制动系统的冗余设计：设置两套独立工作的制动系统，或改造现有铺架设备的制动系统，增加制动力矩，确保设备制动系统性能可靠，避免发生溜逸事故。

　　(8)根据作业工况，制定各种线路条件下设备的运行速度限制规定。运梁车在30‰大坡度工况运梁时，严格限制运梁速度，防止运动惯性冲击引发安全事故。

　　(9)运架梁施工特殊工况组织专家论证：无论采用何种结构型式的运架梁设备，均应针对30‰大坡度架梁施工编制安全专项方案并组织专家论证。

　　(10)加强架桥机安全防护：对使用风险较高的运架一体机和下导梁式架桥机而言，除导梁自身过孔动作以外，其他情况下必须将架桥机的导梁与已架桥梁进行锚固约束，架梁过程中，运架一体机的各个滚轮支腿必须与桥墩顶部预埋钢筋进行可靠联结和锚固。任何工况下，必须将架桥机机臂的水平度和支腿的垂直度两个重要指标控制在在允许范围内，支腿下方必须设置防滑胶皮或薄木板并支垫牢固。

　　(11)保障隧道内供氧充足：长大隧道铺轨施工时，至少配备两套以上的供氧气设备，保证洞内供氧充足，确保铺轨施作业人员安全和设备正常运转。

　　(12)建议意见：采用电源动力的电动机对低温和高原缺氧环境并不敏感，并且工作时不产生有害排放，对于高寒地区长大隧道施工而言技术优势明显。川藏铁路铺架施工设备宜尽可能采用电源动力，功率较小的设备可采用环保型的新能源电池动力。

　　

5 结束语

　　川藏铁路的高原缺氧环境、长大隧道施工、大坡度架梁对铺轨和架梁设备机械技术性能提出了更高要求，针对川藏铁路极端环境对铺轨架梁设备产生的不良影响，可采取增大发动机功率、设置预热启动装置、增加制动系统冗余方案、限制运行速度、对架桥机导梁及支腿进行锚固等技术措施，确保铺架设备在极端环境下能够正常作业。对作业风险较高的铺轨机、运梁车、架桥机、机车等大型特种设备而言，所有的对策措施均为防止整机结构及其支撑体系失稳倾覆或防止发生溜逸事故。

 

参考文献

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基金项目：国家铁路局课题(KF2019-019)

（《建设机械技术与管理》杂志 2020年第5期）

（责任编辑：休鱼）