600亿订单无人敢接，中国如何建成全球首条沙漠高铁
位于中东地区的沙特10年前抛出价值600亿的高难度订单——沙漠中修高铁，诱人的条件吸引了不少国家的关注，但都因工程难度太大而放弃。最终，中国研究与考量后接下了这笔订单。2018年10月，全场453公里的哈拉曼高速铁路正式开通。我们在修建这条高铁究竟经历了哪些困难？
出品 | 网易新闻
作者 | 须臾千秋
在中东土豪国沙特阿拉伯有两座伊斯兰教圣城，一座叫麦加，另一座叫麦地那。两座圣城均位于沙漠腹地，每年来自世界各地的600多万穆斯林来到麦加朝觐和副朝，朝觐者的大量涌入使狭窄的道路更加紧张，现有的交通系统已经过时。
因此，早在十多年前，沙特阿拉伯政府就计划修建一条连接麦加与麦地那的高速铁路，以方便朝圣者的往返通行。这条高速铁路由中国、法国和沙特等国企业组成的Al-Rajhi联盟承包项目，于2009年开工建设，这是中国企业在海外参建的世界首条穿越沙漠地带高铁。
（一）沙漠中修高铁，会遇到多少难题？
这座连接麦加与麦地那的麦-麦高铁，又被称为哈拉曼高铁。铁路全长450.25公里，为沙特政府投资的双线电气化客运专线，设计时速320公里/小时。项目总耗资78.7亿美元，是中东地区最大的交通项目之一。
线路穿越阿拉伯沙漠，途经红海港口吉达、拉比格、阿卜杜拉国王经济城，其中麦加车站特大桥是全线的重点控制性工程，由中国企业独立承建。大桥总长1556米，横跨5条公路，桥梁最大宽度72.6米，为世界高速铁路桥梁之最。
哈拉曼高铁通车运营后，两地行车时间由5个小时缩短到2个小时，年客运量突破1500万人次，对麦加和麦地那两个地区经济和社会发展产生重大影响。
1、干旱炎热
哈拉曼高速铁路位于干旱荒漠区，途径赛拉特低山丘陵（含山前侵蚀平原区）、红海海滨平原区、赛拉特山间平原区等地形地貌。区域内干旱少雨，气温经常能达到55℃之高，是世界上最热的地区。植被稀少，极度炎热干旱，沿途沟、谷发育，主要经过拉比、法蒂玛及阿什－苏梅西等几条较大的干河河谷。高铁沿线地表起伏较大且多为松散的厚砂层，主要由红色的砂粒组成，寸草不生，通行极为困难。
2、风沙影响
风沙问题是哈拉曼高铁工程在技术上面临的最大挑战。沙漠中有许多的流动沙丘，这些流动的沙丘被风一吹就会覆盖线路。不时袭来的沙尘暴还会造成电气设备、通信信号设施的磨损和侵蚀。砂粒渗入道砟之间或道砟层底部后，会降低道床的机械性能，损坏钢轨、轨枕和扣件，从而缩短整个轨道系统的使用寿命。
阿拉伯沙漠中的流动沙丘
针对风沙移动的问题，运营机构通过模拟预测沙子运动的方式，提早采取应急措施，努力减少沙子给运营带来的负面影响。在风沙特别大的区域，铁路两侧设置有拦沙沟和宽达40米的积沙平台，尽可能降低风沙对铁路系统的侵蚀。对于铁路周边一些比较危险的沙丘，采用沥青碎石进行平面固沙；在局部岩石松散、破碎地段，设置锚索加固和锚杆挂网喷护工程。
风沙段路基边坡形式图
3、路基软弱
此外，沙漠地质环境还存在路基软弱的问题。沙漠中的砂土风化十分严重，这些砂由颗粒单一均匀且细小的颗粒组成，其粉粘土含量较小，渗透系数及比表面积大，黏聚力弱，松散性强，保水性差，很难直接承重。
由于沙丘路基深入沙丘深处，原材料运输困难，并且在沙丘中可利用的材料匮乏、机械设备行进困难，多数路基基底加固处理的常规方法对沙丘路基基底处理都不适用。为保证施工质量、降低工程造价及加快施工进度，这要求沙丘路基的施工设备及工艺不能过于复杂，原材料应尽量就地取材。考虑到这一点，哈拉曼高铁的路基基底处理根据砂层的厚度分别采用冲击碾压法和振冲挤密法施工，以便低造价、快速的完成路基基底的处理。
冲击碾压法，是指冲击压路机利用其高振幅、低频率的冲击产生的高能量的冲击力周期性连续冲击地面，在基底内产生强烈的冲击波。该冲击波具有地震波的传播特性，从而使产生的冲击碾压功能达到超重型击实功并深入基底内部，使地下深层的密实度不断积累增高，达到深层压实的目的。基于冲击碾压的这些特性，对于沙丘中填料来源匮乏，处理深度较深的路基基底处理采用冲击碾压是非常适合的施工方法。
另一种振冲挤密法，则是利用振冲器的水平重复振动和造桩挤压的双重作用， 逐渐破坏砂土的内部结构，使砂土的孔隙水压力迅速增大，形成土粒向低势能位置转移的条件，从而达到密实砂土的目的。饱和砂层在振冲器的强力振动和挤压作用下发生液化，砂颗粒重新排列从而减少空隙，同时在振冲器的振动条件下，利用添加的回填料使砂层得以挤压密实。除了振动密实外，还采用当地比较常见的2-100mm的砾石作为回填材料，提升路基的强度和抗变形能力。
由于冲击碾压法和振冲挤密法均能最大限度的就近施工沙丘中材料，极大地解决了沙丘施工材料来源及运输困难的难题，不仅减少了对周边环境的影响，也为优质、快速的完成沙丘路基的施工打下了坚实的基础。哈拉曼高铁通过不间断地对沙丘路基的监测，采用冲击碾压和振冲挤密法处理的沙丘段路基，各项沉降指标均在控制范围内，完全满足设计要求。
（二）全线最难工程——超宽混凝土箱梁桥
在哈拉曼高铁线路上，有一条全长1575米的超长铁路桥，由中铁十八局承建。这座铁路桥为哈拉曼高铁项目单桥最长、投资最大、设计最为复杂、施工条件最差、最终设计批复较晚的一座特大桥，施工任务极为艰巨。
这座大桥属于超宽箱梁桥，在结构上具有宽跨比大、宽高比大、梁高低、翼板宽的特点。由于这些构造特点，超宽箱梁在纵向受力方面与传统箱梁有明显差异，具有明显的空间效应，在进行结构计算时不能用传统方法进行。
由于结构体积较大，大桥在施工时采用纵向分段施工，每一段内由下到上按底板、腹板、顶板的顺序分三层浇筑。在浇筑施工的过程中，侧腹板对浇筑完成后强度还未充分发展的顶板混凝土具有横向约束作用，顶板混凝土中会产生横向拉应力，很容易导致强度还未充分发展的箱梁顶板混凝土开裂，出现纵向裂缝。因此，在大桥的箱梁中设置了大量横向钢筋以起到抑制混凝土箱梁的裂缝。
水泥在水化过程中产生的大量热量会使混凝土的温度升高。虽然随时间流逝，混凝土会慢慢冷却，但结构各个位置的温度下降速率不均匀，由于热胀冷缩，结构内部就会产生温度应力。再加之沙漠中本身昼夜温差极大，这种不均匀的温度应力也会导致混凝土出现裂缝。为了有效预防因混凝土水化反应引起的温度应力产生的裂缝，采取现场埋设温度传感器采集数据和有限元分析结合的方法，对桥梁施工过程的温度场进行分析，提出合理的预防温度应力导致的裂缝产生的施工措施。通过模拟计算，找出施工过程中应力较大的地方，加强养护，从而避免开裂。
为了提升施工效率，桥梁还使用了高流态自密实混凝土进行施工。在浇筑后，这种混凝土不需要振捣就可以自由流动并密实，自动填充钢筋笼之间的缝隙，同时获得很好的均匀性。
结语
现如今，哈拉曼高铁已经开行超过两年，运行效果超出预期，列车准点率超过93%，客座率达82%。在未来，哈拉曼高铁计划每周开行100对列车，以达到年均客运量6000万的目标。哈拉曼高铁将改变本国的城市面貌，使因城市化失去人口的地区恢复活力，并进一步带动该国的经济发展，逐渐展示该项目的长期社会价值。
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