全长277.42公里，先后跨越湄洲湾、泉州湾、安海湾的三座跨海大桥，在海上穿行长度达19.9公里；正线桥梁84座、隧道29座，桥隧比高达85.1%……大量采用数字化仿真、智能建造、智能传感、智能分析等技术，福厦高铁的建设是我国智能高铁最新科技成果的集成化应用；在桥梁、隧道、站房等方面，设计建设单位一共建成了91个具有代表意义的样板工程，填补了高铁建设领域的多项空白。

 

　　福厦高铁开启了中国沿海智能高铁建设的新篇章。

 

　　11级暴风下，跨海大桥的交通也可不封闭；仅新建厦门北站的光纤照明系统全年可节约用电约72万千瓦时；“数字孪生”技术，联结起高铁的虚拟与现实……本期深读聚焦福厦高铁穿山跨海背后的科技。

 

 

　　新设计使桥体绕开风向，减少了复杂风环境下的风致振动，让动车可在8级大风下不限速、11级暴风下不封闭交通

 

　　结构迥异、外形多样、技术各具千秋的桥梁，是福厦高铁最大的特色。

 

　　福厦高铁是由中铁第四勘察设计院（以下简称“铁四院”）负责勘察设计的，铁四院桥梁院总工程师严爱国表示，福厦高铁是我国高铁中桥梁结构最多样复杂的，线路上林立的桥梁横跨湄洲湾、泉州湾、安海湾、乌龙江、九龙江等海湾与大江大河，福厦高铁还上跨G324国道及沈海、福泉、厦蓉、泉州绕城等高速公路以及福厦、鹰厦、厦深等铁路。据统计，福厦高铁正线就新建了桥梁84座，桥梁长度合计181公里，占比65.3%。

 

　　与普通桥梁相比，跨海大桥设计难度更大。为此，福厦高铁的设计建设方开展了海上大跨度简支梁建造技术、独塔混凝土斜拉桥裸塔转体技术、耐海洋大气环境腐蚀技术以及BIM（建筑信息模型）技术、桥梁健康监测等专项研究。

 

　　以泉州湾跨海大桥为例，泉州湾位于沿海高风速带，风速大，风况复杂，全年6级及以上风力天数达91天。

 

　　为解决风的问题，保证该桥梁在大风中稳固，又能保持动车高速运行的连续性，他们采用了大量新结构和新技术。

 

　　首先是桥梁主塔造型进行了结构设计创新。中交二航局新建福厦铁路六标项目总工程师罗长维介绍说，主梁采用流线箱形结构，并附加导流板、减振栏杆、拉索电涡流阻尼器等有效气动措施。“这些结构设计使桥体绕开风向，减少了复杂风环境下的风致振动。”

 

　　其次是适应高盐高湿的海洋腐蚀大气环境，解决海洋环境对桥梁的锈蚀问题。在泉州湾跨海大桥，远观会发现桥墩下半部呈现一截白色。“这是特殊的防腐蚀材料。”罗长维表示，福厦高铁的几座跨海大桥索塔钢锚梁和支座均采用了新材料，在国内首次采用耐海洋大气腐蚀钢，以及免涂装（不涂油漆）、不设除湿系统，成为全球首座采用免涂装耐候钢的大型跨海工程。

 

　　主跨400米，南北两座主塔高160.254米，相当于50多层楼高，泉州湾跨海大桥作为长联高墩跨海大桥，位于台湾海峡西岸地震高烈度区，还得面对抗震难题。设计团队采用纵向黏滞阻尼器、可剪断的耐候双曲面球型钢支座、金属阻尼器的综合减隔震体系及技术，以及无支座整体刚构桥，解决了这一难题。

 

　　经风洞测试，福厦高铁几座跨海大桥均达到了在不设风屏障等防风措施下，动车可在8级大风下以时速350公里行驶不限速、11级暴风下不封闭交通。

 

　　可以自豪地说，福厦高铁让中国桥梁建造技术迈上新台阶。在湄洲湾跨海大桥设计过程中，设计团队将主桥设计为预应力混凝土连续刚构矮塔斜拉桥，主跨180米，跨越湄洲湾规划3000吨级航道，设南北两座双柱式主塔，桥面以上塔高30米，造就了全国首座跨海高铁矮塔斜拉桥。建设过程中，大桥海上引桥全部采用40米简支梁预制架设施工，极大缩短了海上施工工期。在高铁建设中实现跨度从32米到40米简支梁的规模化工程应用，标志着高铁建造技术的重大提升和突破。

 

　　在6年多的建设时间里，福厦高铁建设者坚持“一桥一策”，成功破解海风海水腐蚀、季节性台风影响、高速铁路桥梁变形等一系列难题。采用泥沙分离器、混凝土超灌提醒仪、超声波检孔仪、智能温控系统等10余种最新施工技术、工艺，不仅打通了施工过程中的关键环节，也填补了我国高铁建设领域的多项空白，实现了高铁建设技术的新突破。

 

 

　　桥面或铺设拥有自主知识产权的无砟轨道，或铺设科技含量高的有砟轨道，保证高铁列车以350公里时速跨越大海

 

　　在跨海大桥上行车，受海上风力影响很大。通常来说，为了确保行车安全，通过这样的路段需要减速慢行，但福厦高铁却实现了“跨海过桥不减速”。

 

　　安海湾特大桥，不仅是福厦高铁跨海桥梁的收尾之作，也是世界无砟轨道桥梁“大跨”“跨海”的“开山之作”。

 

　　砟，在铁路中指铁轨周围的小石块。之所以将安海湾特大桥建成无砟轨道跨海大跨斜拉桥，主要是因为无砟轨道可避免道砟飞溅，其平顺性、稳定性好，车辆通过无需减速。但这种轨道对施工工艺、沉降控制等要求极高。

 

　　安海湾特大桥自身“大跨”“跨海”的属性，让无砟轨道上桥极具挑战。经过反复模拟试验，设计团队找到了适应“大跨”“跨海”条件的钢混结合梁结构参数，采用全联长钢混结合梁，主梁采用有效气动措施，满足了跨海大桥通行高铁列车的技术要求；桥面铺设拥有自主知识产权的CRTSⅠ型双块式无砟轨道，实现时速350公里高铁列车跨海过桥不减速。通车之后，时速350公里的高铁列车驶过650米长的主桥用时不到7秒，跨过整个海域也只需98秒。

 

　　在泉州湾跨海大桥上，有砟轨道也可以跑出无砟轨道的感觉。传统有砟轨道的最高运营时速为250公里，而泉州湾跨海大桥首次采用了聚氨酯固化道床结构“固定”道砟，使得在强风环境下，高铁列车也可以350公里时速通过大桥。

 

　　在创造速度奇迹的背后，如何保障桥轨安全？铁四院福厦高铁桥梁健康监测系统设计负责人梁金宝透露，目前通过集成应用智能传感、智能物联网、边缘计算、地理信息等现代信息技术，“桥-轨一体化”24小时实时监测管理平台近期已开始运行。

 

　　梁金宝告诉记者：“在高铁进入运营阶段后，这个系统将对整个桥轨结构状态进行快速诊断，克服了海上桥梁人为运维的短板。强大的信息收集能力实现关键指标实时监测，定期生成日报、月报和季报，从而帮助我们研判整个桥梁轨道的具体情况。”

 

 

　　将图纸上的铁路立体化，解决原来图纸上看不到的“死角”，并与智慧建造、智慧运维相协同

 

　　福建依山向海，水网交错，山水阻隔，是福厦高铁设计师们绕不开的难题。

 

　　从图纸上的线条图案到现实中的钢筋水泥，中铁第四勘察设计院设计团队需要考虑很多。

 

　　作为跨海铁路，福厦高铁全线濒临海湾，桥隧比高达85%，其中还包含4座高风险隧道，存在涌水涌泥、断层破碎带、采空区等不良地质，再加上特殊桥跨多、结构复杂等，建设施工难度很大。与此同时，福厦高铁全线有百余处与现有高速公路、铁路交叉或邻近，安全管控难度大。

 

　　数字施工与智慧建造技术在福厦高铁全生命建设周期中发挥着关键作用。

 

　　设计团队采用云计算、物联网、大数据、人工智能、移动互联网、BIM、GIS、北斗等先进技术，树起了高铁智能建设的新标杆。

 

　　铁四院福厦高铁BIM总设计师孙泽昌介绍说，BIM技术首次在福建的铁路建设中得到全线全专业的应用，包括线路、桥梁、隧道、路基、地质、站场、轨道、接触网、供变电、环保、通信、信号等20个专业工程。

 

　　“BIM技术相当于在数字世界里对福厦高铁进行‘孪生’，将图纸上的铁路‘立起来’，更加直观、更好地表达设计意图。不仅可以从设计源头上解决原来图纸上看不到的‘死角’，同时它还能向下游延伸，协同智慧建造和智慧运维。”孙泽昌说道。

 

　　设计团队利用自主研发的三维选线设计软件，构建了全线超过3500平方公里的数字地面模型、13类共计489个标准构建模型，实现了全线303公里桥梁、路基、隧道、站场、接触网与轨道、立交道路的模型构建，提供了77处立交道路与7处站场概念模型的构建。

 

　　铁路“四电”即通信、信号、电力及电气化工程，分别相当于人的经脉、眼睛、体能和神经，共同为高速奔跑的列车提供动能及指引。有了它们，高铁才能跑得动、跑得快、跑得稳。在以BIM为开发平台的智慧工地系统上，“四电”智能装备不再是“单机版”，而是进入联网模式。智慧安全体验区、接触网智能预配区、智能建造基地等一系列成果，实现对铁路“四电”工程全生命周期的可视化、数字化、全过程管理，减少碰撞与返工，提高建造质量、保证施工安全。

 

 

　　选线过程中，绕避森林公园、饮用水源保护区；新站房装有屋面采光机，将太阳光输送到地下空间用于照明，大大减少碳排放

 

　　不仅桥隧建造创造奇迹，福厦高铁及站房的设计与建设也体现了绿色低碳环保。

 

　　福厦高铁沿线设福州南、福清西、莆田、泉港、泉州东、泉州南、厦门北、漳州8座客运车站。铁四院设计团队的设计负责人罗俊文介绍，福厦高铁经过福建东南沿海，这里经济发达，人口密集，自然生态环境良好。沿线分布有自然保护区、风景名胜区、森林公园、饮用水源保护区等。

 

　　“设计过程中，对生态环境保护的考量贯穿了全过程。”罗俊文告诉记者，在选线过程中，他们全面调查了沿线植被、浮游植物类型，两栖动物、爬行类、鸟类、兽类、浮游动物等，通过绕避森林公园、饮用水源保护区等措施，实现生态环保效益的最大化，将福厦高铁打造成一条生态景观画廊。

 

　　同时，福厦高铁在设计时就考虑到如何与周边人文自然相协调，乌龙江主桥高低塔的选择，既满足航道要求而又与乌龙江两岸山峰呼应；泉州湾大桥主桥形似贝壳，桥上栏杆也采用海丝风帆的LOGO标志，从高空看整座大桥就像一条飘移的丝带，契合了泉州作为海丝文化发源地的特点；湄洲湾引桥采用大跨度简支梁，减少海域施工风险又简洁明朗，与辽阔的海域融为一体。

 

　　福厦高铁在设计和建设中，绿色环保理念还体现在许多细节。例如，新建厦门北站换乘中心屋面安装了目前全国高铁站房面积最大的天气感应式智能天窗，其面积1400平方米，约有3个标准篮球场大小。中铁建设厦门北站项目总工程师潘峰潭介绍说，通过分布在四周的风雨感应器，天窗可根据实时监测的光照、降雨、风力等环境数据自动开合玻璃及窗帘，充分改善室内环境质量，为旅客带来舒适的换乘体验。据测算，智能天窗每年将减少40天通风系统运转，相当于减少14.13吨二氧化碳排放。

 

　　在换乘中心地下负10米，专门建设的旅客集散空间，环境封闭，但在这里，不用灯具就有自然光照，旅客可获得不输于地上空间的舒适感，这得益于新建厦门北站在国内首次全面运用的智能光纤系统。

 

　　这套智能光纤系统又是如何运作呢？原来，安装在屋面的82套采光机，每天如向日葵般自动苏醒，精准追踪太阳方位，将所采集的阳光，通过大通量特种光纤输送至地下空间替代灯具照明。

 

　　“光纤照明覆盖面积达7000平方米，相当于为地下部分安装了一扇巨大天窗。”潘峰潭介绍道，系统一次能源利用效率高达80%，全年节约用电约72万千瓦时，相当于减少排放565吨二氧化碳。

 

　　在新建厦门北站，2万多平方米的候车大厅在15分钟内可实现快速制冷，上千个灯具可分组控制实现场景化照明。“站房所有空调、照明、通风等机电设备都受iBMS智慧管控系统管理。”铁四院福厦高铁电力专业负责人朱荣钊表示，系统还能代替人工巡检，自动分析、判断机电设备的运行状态，在不同环境参数下自动实行动态调节，让所有设备始终处于最优能耗状态。据悉，车站正式运营后，该系统每年可为站房节能100万千瓦时，相当于减排960吨二氧化碳。

 

　　新建厦门北站顺利亮相的背后，智能施工设备功不可没。摒弃传统人工收面，改用自动收面机器人，施工速度提升2倍；引进钢结构自动焊接机器人替代人工焊接，焊接时长缩短3倍，焊接质量提升2倍……“通过智能化施工，我们实现了工序的高效推进，虽然新站规模比既有老站增加了34%，但工期却缩短了18%，关键施工节点均提前半个月以上完成。”潘峰潭说。