严寒季冻区高速铁路毫米级变形标准下路基平稳性

12018年度国家科技进步奖拟提名项目公示根据国家科学技术奖励工作办公室《关于2018年度国家科学技术奖提名工作的通知》（国科奖字[2017]44号），中国铁路总公司拟提名由中国铁道科学研究院、中国铁路设计集团有限公司、东南大学、中国铁路沈阳局集团有限公司、中国铁路哈尔滨局集团有限公司、哈大铁路客运专线有限责任公司、中铁第一勘察设计院集团有限公司7家单位共同完成的“严寒季冻区高速铁路毫米级变形标准下路基平稳性控制技术及应用”项目申报2018年度国家科技进步奖二等奖，现将项目基本情况公示如下：一、项目名称《严寒季冻区高速铁路毫米级变形标准下路基平稳性控制技术及应用》二、提名者及提名意见1.提名者：中国铁路总公司2.提名意见我单位认真审阅了该项目提名书及附件材料，确认材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。按照要求，我单位和项目完成单位正在组织对该项目的拟提名情况进行公示。该项目紧密结合严寒季冻区复杂恶劣环境给高速铁路建设、运营及维护带来的重大挑战，历经近十年的科研攻关，形成了具有自主知识产权的严寒季冻区高速铁路毫米级变形标准下路基平稳性控制关键技术。创新成果包括发现了细颗粒“簇团”结构，揭示了高速铁路粗粒土填料冻胀机理；创新了路基防冻胀精细化设计方法，构建了结构与材料一体化的冻胀控制技术体系；创新了路基冻胀实时自动监测2技术，提出了路基平稳性保持技术。成果应用于世界首条严寒地区高速铁路哈大高速铁路，为哈大高速铁路实现冬夏一张图运营提供了重要技术支撑。目前成果已成功应用于国内严寒季冻区8000公里高速铁路的建造与运营，以及俄罗斯莫斯科至喀山高速铁路的设计中，取得了巨大的经济和社会效益。该项目研究获得了一系列成果，为严寒地区高速铁路的发展积累了宝贵经验，推动了我国乃至世界寒区高速铁路设计、建设技术的进步，也为中国高速铁路“走出去”战略的实施提供了坚实的支撑。三、项目简介我国是冻土大国，约1/4国土分布多年冻土，超过1/2国土分布季节性冻土。青藏铁路攻克高寒多年冻土工程世界难题，掌握了保持多年冻土“不融化”技术，成为世界铁路史上一座丰碑。季节性冻土冬天冻结、春天全部融化，年复一年的冻融循环是影响铁路路基平稳性的主要因素。要控制冻融循环的影响，核心是控制路基冬天“不冻胀”。我国高铁要求路基冻胀变形量在8mm以内，远高于公路和普速铁路的厘米级。我国严寒季冻区高铁服役最低气温达-45℃，最大冻深达3m，即使使用既有标准中冻胀率不大于1%的“不冻胀填料”，冻胀量也难以控制在毫米级。日法德等国虽然在季冻区修建了高铁，但其最低气温与最大冻深不及我国的1/2，冻胀矛盾不突出。因此，我们要想在严寒季冻区修建高铁，必须依靠自主创新破解毫米级变形标准下路基平稳性控制难题。项目组在国家和部委支持下，历经十余年理论技术创新，攻克三大技术难题：①破解粗颗粒土填料的冻胀机理；②攻克毫米级变形标准下的路基冻胀控制技术；③突破低温严酷环境下高铁维护技术，形成了自主知识产权的严寒季冻区高速铁路毫米级变形标准下路基平稳性控制关键技术及应用体系。创新点如下：31.发现了粗颗粒填料中细颗粒“簇团”结构，揭示了高速铁路路基冻胀机理。提出微观簇团结构自动识别方法，建立簇团率分析算法及程序，揭示填料中簇团率与细颗粒含量的映射关系。发现簇团是粗颗粒填料主要持水结构，簇团内冻结产生水分微迁移，冻结膨胀推动粗颗粒骨架位移、错位形成路基宏观冻胀。提出基于簇团率控制的细颗粒含量限值。成果为毫米级路基冻胀精准控制提供了支撑。2.创新了路基防冻胀精细化设计方法，构建了结构与材料一体化的冻胀控制技术体系。提出了基于簇团率控制的渗透性级配碎石及水泥改性级配碎石构成的防冻胀路基结构，研发了基于抗冻胀材料及双向预应力轨道板的防冻胀无砟轨道结构，解决了严寒季冻区高速铁路路基冻胀控制及无砟轨道平顺性、耐久性等问题。成果纳入《高速铁路设计规范》《铁路工程粗粒土冻胀试验方法》等标准中。3.创新了路基冻胀实时自动监测技术，提出了路基平稳性保持技术。融合地面自动监测、车载动态检测、北斗卫星遥感等技术，构建了“空、车、地”多源数据融合的冻胀监测预警体系，首次提出了基于静、动力映射关系的高速铁路无砟轨道路基冻胀管理标准，研发了毫米级标准下路基内靶向精准注浆和线路长期适度平顺的冻胀维护综合技术，实现了严寒地区高速铁路线路平稳性的可控。项目申报专利40余项，授权发明专利11项，其它知识产权16项。制修编标准12项，发表论文150余篇，出版专著1部。获省部级特等奖1项、一等奖3项。多位院士评审认为成果“具有创新性、系统性和实用性，整体达到了国际领先水平。”成果为季冻区高铁建设提供了重要支撑，在哈大、哈齐等十几条高铁8000余公里线路成功应用，彻底实现了冬季300km/h运营。哈大高铁应用成果后时间压缩近2小时，形成了哈尔滨、长春、沈阳、大连为核心的1小时交通4圈，旅客发送量年均增长21%。成果应用新增销售额近40亿元，新增利润超10亿元。支撑了高铁“走出去战略”，已为莫斯科至喀山高铁提供了“中国方案”。四、客观评价1、与国内外同类技术的比较与国外严寒地区高速铁路应用较多的日本和德国相比，由于我国环境和气候条件更加严酷，为达到高铁的高平顺性，我国需要对填料冻胀机理进行更加深入的研究（详见创新点一），需要采用更加严格的冻胀控制技术（详见创新点二）及高铁运营维护体系。中国严寒地区高铁设计、建造、运营维护技术已领先世界。表1与国外高速铁路相关技术的比较建造、运营技术指标对比该项目日本德国法国结果对比建造运营环境最冷月平均气温-24℃（哈大线）-5℃（北海道新干线）-1.4℃（慕尼黑-汉堡）-0.5℃（TGV欧洲东部线）建造运营环境更为恶劣最低气温-45℃（齐齐哈尔）-28.5℃（札幌）-29.1℃（汉堡）-23.2℃梅斯（Metz）负温持续时间7个月（齐齐哈尔）4个月（札幌）2个月（汉堡）2个月（梅斯）最大冻深3.0m1.1m0.7m0.5m运营要求及技术指标线路平顺性要求2mm3mm2mm3mm运营、建造技术指标更为严格冬季运营速度300km/h（哈大）260km/h（北海道新干线）恶劣天气下限速200km/h无限速防冻胀填料要求细颗粒含量＜5%细颗粒含量＜15%细颗粒含量＜10%细颗粒含量＜12%防冻胀结构防排疏渗综合设计表层设置防水层，底层采用防冻胀填料冻胀管理标准有无无无2、该项目的鉴定评价意见（1）中国铁路总公司邀请卢春房、岳清瑞、缪昌文等多名院士、业内知名专家对《严寒地区高速铁路毫米级变形标准下的路基平稳性控制关键技术及应用》进行技术评审。评审结果认为：“该成果具有创新性、系统性和实用性，研究成果整体达到了国际领先水平，建议5进一步扩大推广应用。”（2）原铁道部邀请周镜院士等专家对项目的技术评审认为：“项目对填料的冻胀性二级分类、冻土路基防冻胀设置、中国铁路冻土区冻胀特性分区对铁路设计有较好的参考价值。”（3）中国铁路总公司组织专家对项目的技术评审认为：“项目建立了高速铁路运营长期连续观测技术体系，揭示了高铁路基冻胀发生发展规律，提出了高铁填料冻胀的主要影响因素，创建了适宜严寒地区高速铁路路基冻胀整治技术措施及标准，取得了显著的社会经济效益，整体达到国际领先水平。”（4）国家科技部组织专家对“863”项目《高速铁路基础设施服役状态检测技术》的技术验收意见：“课题完善了我国高速铁路基础设施服役状态检测技术体系……具有创新性，形成了具有自主知识产权的多源数据整合的高速铁路基础设施检测检测系统”。（5）中国铁路总公司项目《哈大高速铁路运营长期连续观测技术及冻胀整治技术研究》的技术验收意见：“……深入开展了哈大高速铁路路基冻胀规律及整治技术的研究……为哈大高速铁路运营期路基养护维修和冻胀整治提供了技术支撑,综合评级为A级”。（6）中国铁路总公司项目《严寒地区高速铁路路基微冻胀填料冻胀机理及分类标准研究》的技术验收意见：“……通过室内试验、理论推导、数值分析……获取了微冻胀填料土水分布特征，揭示了微冻胀填料冻胀机制，提出了技术要求及分类，研究严谨深入……”。3、获奖情况（1）相关项目“严寒地区高速铁路建造与维护关键技术”获2015年中国铁道学会科学技术特等奖；（2）相关项目“严寒地区高速铁路路基防冻胀结构与冻胀监测技术研究及应用”获2014年中国铁道学会科学技术一等奖；6（3）“哈尔滨至大连客运专线总体设计”获国家铁路局“2013-2014年度铁路优秀工程设计一等奖”；（4）“哈大客专（沈阳至哈尔滨段）工程地质勘察”获2013年中国勘察设计协会“优秀工程勘察一等奖”7五、推广应用情况该项目成果已广泛应用于我国严寒地区高速铁路设计、建设及运营维护中，经过哈大高速铁路5年、兰新铁路3年的运营考验，以及在哈齐、盘营、沈丹、哈牡、哈佳等10余条寒区铁路的成功应用，表明了严寒地区高速铁路路基冻胀与线路平顺性控制关键技术及应用的成果很好的解决了严寒地区高速铁路路基冻胀问题，减少了运营期间的养护维修工作量，研究成果成熟可靠、应用前景广泛。应用单位名称应用技术应用起止时间应用单位联系人/电话应用情况中国铁路设计集团有限公司整体应用2012.12至今吕菲/18602263107哈齐、盘营、沈丹、哈牡、哈佳等中铁第一勘察设计院集团有限公司整体应用2013.05至今杨西锋/13991256773兰新、宝兰全线中铁工程设计咨询集团有限公司整体应用2013.05至2017.5钱国玉/18500370197吉图珲全线中国中铁二院工程集团有限责任公司整体应用2014.12至今李安红/13808039351莫喀高铁哈大铁路客运专线有限责任公司整体应用2013.05至今杨春枝/13840053001全线应用中国铁路沈阳局集团有限公司冻胀维护技术2012.12至今李晓光/13889688878哈大、丹大、京沈等中国铁路哈尔滨局集团有限公司冻胀维护技术2013.02至今张园亮/17703600369哈大铁路哈尔滨局管段中国铁路兰州局集团有限公司冻胀维护技术2014.12至今戚志刚/13649316813兰新客专兰州局管段中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司冻胀维护技术2014.12至今谯泽诊/13909928657兰新客专乌鲁木齐局管段哈齐铁路客运专线有限责任公司防冻胀填料、结构及监测2013.05至今李秋伟/13313691339全线应用京沈铁路客运专线辽宁有限责任公司防冻胀结构2013.05至今024-62022777全线应用兰新铁路甘青有限公司防冻胀填料、结构2014.06至今于军/18993104650兰新甘青段、宝兰甘肃段兰州铁路新疆有限公司防冻胀设计方法、路基结构2013.05至今张成波/13565856666兰新客专新疆段8六、主要知识产权证明目录知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利有效状态发明专利土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法中国ZL201410189760.12015年12月2日1867085中国铁路总公司；中国铁道科学研究院铁道建筑研究所；中国铁道科学研究院赵国堂；叶阳升；杨国涛；张千里；蔡德钩；闫宏业；姚建平；程爱君；陈锋；朱宏伟；史存林有效发明专利冻土冻胀实验装置以及测量冻土冻胀测量的方法中国ZL201410188428.32016年5月11日2065813中国铁路总公司；中国铁道科学研究院铁道建筑研究所；中国铁道科学研究院叶阳升；赵国堂；杨国涛；张千里；蔡德钩；程爱君；闫宏业；姚建平；陈锋；朱宏伟；史存林有效发明专利一种高速铁路路基级配碎石设计的方法中国ZL201410401941.62016年3月16日1989199东南大学蒋金洋；赵国堂；佘伟；潘利有效发明专利一种关于高速铁路路基用水泥级配碎石的制备方法中国ZL201410401926.12015年11月18日1844633东南大学蒋金洋；赵国堂；佘伟；潘利有效9发明专利一种无砟轨道铁路路基面封水层结构中国ZL201410049551.72016年6月15日2110093铁道第三勘察设计院研究集团有