吳浪

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱中鐵二院），原名鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院，現(xiàn)隸屬于中國(guó)中鐵股份有限公司，是由科技部、國(guó)務(wù)院國(guó)資委、全國(guó)總工會(huì)等部門(mén)命名的創(chuàng)新型企業(yè)。依靠?jī)?yōu)良的創(chuàng)新傳統(tǒng)，中鐵二院先后榮獲國(guó)家、省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)獎(jiǎng)、優(yōu)秀軟件等獎(jiǎng)項(xiàng)500余項(xiàng)。根據(jù)戰(zhàn)略規(guī)劃要求，中鐵二院堅(jiān)持以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，加大科技投入力度，“十一五”以來(lái)，每年下達(dá)科研攻關(guān)項(xiàng)目200余項(xiàng)，科研經(jīng)費(fèi)上億元。

但長(zhǎng)期以來(lái)，中鐵二院眾多科研項(xiàng)目從立項(xiàng)到研發(fā)過(guò)程用得最多的是傳統(tǒng)的工程類比、專家決策等方法，由于研究人員的思路不寬、信息不全，從而使部分項(xiàng)目成果水平不高，周期長(zhǎng)，重復(fù)研究，造成人力和資金的浪費(fèi)。相比之下，TRIZ理論和計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新（CAI）技術(shù)在國(guó)際上得到了廣泛應(yīng)用，韓國(guó)三星電子、美國(guó)福特汽車以及國(guó)內(nèi)中興通訊等世界知名企業(yè)，在引入TRIZ理論體系后，都取得了令人驚喜的創(chuàng)新成果。對(duì)此，中鐵二院認(rèn)識(shí)到，要不斷提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，建立自主創(chuàng)新型企業(yè)，引進(jìn)TRIZ創(chuàng)新理論體系是中鐵二院發(fā)展的必由之路。

首先，中鐵二院隧道專業(yè)研究人員在相關(guān)專家級(jí)技術(shù)人員的指導(dǎo)下，應(yīng)用TRIZ理論和CAI技術(shù)，選擇攻關(guān)重點(diǎn)課題“減少調(diào)整列車進(jìn)入隧道時(shí)的空氣壓力”進(jìn)行了初步嘗試并取得了較好的預(yù)期效果，這引起了中鐵二院領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，要求相關(guān)部門(mén)抓好推廣應(yīng)用工作。為此，中鐵二院先后多次邀請(qǐng)創(chuàng)新方法研究會(huì)等創(chuàng)新方法領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)單位的專家進(jìn)行講座和培訓(xùn)，為在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)一步推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

隨后中鐵二院經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，最終引進(jìn)了創(chuàng)新方法輔助工具CAI軟件，并加大推廣應(yīng)用力度，在咨詢專家的指導(dǎo)幫助下，選擇了高速鐵路關(guān)鍵研究課題“控制高速鐵路無(wú)碴軌道路基沉降”及“新型鐵路橋梁減隔震支座”研究等課題推廣應(yīng)用。其中“控制高速鐵路無(wú)碴軌道路基沉降”課題組通過(guò)應(yīng)用創(chuàng)新知識(shí)庫(kù)、創(chuàng)新原理和專利檢索等工具，篩選出多種有新意的加固方法和施工工藝，經(jīng)浙贛鐵路提速改造及遂渝鐵路的工程實(shí)踐，成功滿足了時(shí)速200公里速度的沉降要求，目前已在其他高速鐵路工程項(xiàng)目中廣泛推廣應(yīng)用。同樣，“新型鐵路橋梁減隔震支座”研究應(yīng)用CAI技術(shù)也取得較好成果，新研制的ZX型減隔震支座已在部分橋梁工程中推廣應(yīng)用。

此外，中鐵二院在總結(jié)我國(guó)現(xiàn)有無(wú)碴軌道研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，吸收各種無(wú)碴軌道的優(yōu)點(diǎn)，大膽創(chuàng)新，研制成功的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、全新的無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)體系，對(duì)于完善我國(guó)適應(yīng)于不同運(yùn)營(yíng)條件下的無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)型式具有極其重要的意義。

中鐵二院積極引進(jìn)和推廣應(yīng)用TRIZ方法和CAI創(chuàng)新技術(shù)，效果立竿見(jiàn)影，科研項(xiàng)目周期明顯縮短，每年完成的科研項(xiàng)目和成果水平大幅度提高，使中鐵二院在眾多高速鐵路核心技術(shù)方面走在國(guó)內(nèi)同行的前列。特別是在高速鐵路核心技術(shù)如精密測(cè)量、無(wú)碴軌道、控制路基沉降、綜合接地、四電集成、聲屏障、隧道空氣動(dòng)力學(xué)及車橋耦合計(jì)算分析等領(lǐng)域取得了大批創(chuàng)新性成果。近年來(lái)，中鐵二院申報(bào)并被受理的各類專利145項(xiàng)，已獲國(guó)家授權(quán)95項(xiàng)，特別是2010年引入TRIZ后，公司獲得了6項(xiàng)發(fā)明專利，取得了重大突破。

案例一：利用CAI技術(shù)輔助解決既有路堤修建無(wú)碴軌道路基技術(shù)研究

中鐵二院在相關(guān)專家的指導(dǎo)和幫助下，利用CAI技術(shù)輔助解決了既有路堤修建無(wú)碴軌道路基技術(shù)研究的科研項(xiàng)目。

首先，課題組針對(duì)既有路堤在穩(wěn)定、沉降和路橋等過(guò)渡段平順性方面影響高速列車行車運(yùn)營(yíng)的幾個(gè)方面的問(wèn)題，通過(guò)利用創(chuàng)新知識(shí)庫(kù)、創(chuàng)新原理和專利檢索等工具以及CAI軟件分析，篩選出了一些有一定新意的加固方法和施工機(jī)械設(shè)備等。如利用“地基延緩固結(jié)處理法”來(lái)延緩固結(jié)時(shí)間、控制地基沉降以滿足路基沉降和工后沉降要求；利用“熱等離子體電弧焊炬”加熱土壤來(lái)改善松散土壤的物理特性以控制路基本體的沉降；利用“沖擊碾壓補(bǔ)強(qiáng)結(jié)合封閉排水”填筑加固；利用“壓入式一次成孔器”打樁鞏固路基；利用注射石炭酸樹(shù)脂材料提高路基基床的承載力；利用水，堿金屬硅酸鹽與硅酮物、藍(lán)綠海藻或鈣化菌等材料來(lái)強(qiáng)化土壤加固路基；利用“階梯型協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)”、“鋼制寬梁替代部分枕木”、“混凝土大枕木”、“軟枕木”或“浮動(dòng)床結(jié)構(gòu)”來(lái)實(shí)現(xiàn)路橋過(guò)渡段的剛度匹配和平滑過(guò)渡等技術(shù)措施或設(shè)備工藝，使其更經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行既有路堤適應(yīng)高速行車的加固補(bǔ)強(qiáng)。

浙贛線時(shí)速200km/h電化提速改造工程對(duì)路堤基礎(chǔ)要求很高，而我國(guó)很多地區(qū)合格填料缺乏，因此，課題組根據(jù)CAI軟件的分析，在眾多的加固方法中，選取了紅色粉砂巖“沖擊碾壓補(bǔ)強(qiáng)結(jié)合封閉排水”加固方案。對(duì)紅砂巖水泥改良進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)，研究成果可以直接用于高速鐵路路基施工，對(duì)高速鐵路設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義，該技術(shù)成果已經(jīng)應(yīng)用于浙贛線200km/h提速改造工程，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

案例二：鐵路橋梁減隔震支座研究

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)一般采用普通抗震支座，地震發(fā)生時(shí)，支座不能給橋梁提供減震、隔震的作用，地震對(duì)橋梁的破壞會(huì)使橋梁倒塌，交通中斷，對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成直接和間接影響，而且重造新橋還需要投入大量的資金、人力和物力。

做好橋梁結(jié)構(gòu)的抗震措施是保證交通暢通的關(guān)鍵。鐵路橋梁減隔震支座研究的提出，目的就是為了給鐵路橋梁設(shè)計(jì)提供一種減隔震新技術(shù)。中鐵二院課題組運(yùn)用創(chuàng)新原理和專利檢索等工具及CAI軟件的分析，得出以下結(jié)論：“在橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，預(yù)先加入一個(gè)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在地震時(shí)發(fā)揮作用，減小地震時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)受到破壞的程度”；“改變橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中各部件作用關(guān)系的恒定不變?yōu)榭勺?，使得橋梁結(jié)構(gòu)各部件在地震和非地震時(shí)有不同的力作用關(guān)系”；“改變梁與墩之間在非地震和地震時(shí)的相對(duì)位移關(guān)系：靜止或可動(dòng)”等。通過(guò)以上創(chuàng)新原理的啟示，課題組得出以下初步設(shè)計(jì)概念：在系統(tǒng)中預(yù)先加入一個(gè)部件，該部件在地震發(fā)生時(shí)改變系統(tǒng)中各部件的相互作用關(guān)系，使系統(tǒng)在地震和非地震時(shí)分別表現(xiàn)為不同的動(dòng)態(tài)特征。

結(jié)合各種減震、隔振的技術(shù)發(fā)明，利用“How to”模型知識(shí)庫(kù)，在不同行業(yè)里實(shí)現(xiàn)“reduce shock”/“dissipate force”等功能的專利中找到多個(gè)原理級(jí)的類比方案。如LUB速度鎖定支座、E型鋼阻尼支座、ZX型減隔震支座等。

最終，課題組選取了ZX型減隔震支座。該支座主要由上擺、不銹鋼板、聚四氟乙烯板、下擺、底座和鋼懸臂耗能器構(gòu)成。ZX型減隔震支座在承受的水平地震荷載到達(dá)一定值時(shí)，支座本身將產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，其承受的地震水平荷載不再繼續(xù)增加，隔離了地震加速度峰值傳遞給橋梁上部結(jié)構(gòu)，降低了橋梁墩臺(tái)承受的地震作用力，同時(shí)，耗能器限制支座相對(duì)位移在一定允許范圍內(nèi)。

ZX型減隔震支座，通過(guò)圓柱面、橫橋向斜滑動(dòng)面和縱橫向懸臂曲桿的協(xié)同作用，可實(shí)現(xiàn)在高地震設(shè)防烈度地區(qū)橋梁支座的減隔震要求。該支座具有自復(fù)位能力，通過(guò)簡(jiǎn)單的修復(fù)，即可恢復(fù)支座的正常使用功能。ZX型減隔震支座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、新穎，減隔震機(jī)理明確，試驗(yàn)證明采用ZX型減隔震支座來(lái)降低高烈度地震區(qū)橋梁墩臺(tái)承受的水平地震力效果明顯，可大大減少墩臺(tái)的配筋量，解決高烈度地震區(qū)橋梁墩臺(tái)配筋困難的問(wèn)題，同時(shí)提高橋梁抗震的安全性。

在貴昆線沾益至昆明段增建二線DK589+082八家村2號(hào)雙線大橋（11X32）試用了44套經(jīng)過(guò)改造研制的ZX型減隔震支座，經(jīng)受了數(shù)次5級(jí)以上的地震，該支座仍然運(yùn)行完好，未出現(xiàn)任何損傷。

案例三：遂渝鐵路時(shí)速200公里隧道洞口微壓波及緩沖設(shè)施研究

高速列車進(jìn)入隧道時(shí)將產(chǎn)生復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。隧道洞口如不設(shè)緩解微壓波措施，運(yùn)營(yíng)中可能出現(xiàn)明顯氣動(dòng)噪聲即微壓波帶來(lái)的環(huán)境影響問(wèn)題。遂渝鐵路是我國(guó)第一條時(shí)速200公里的山區(qū)客貨混運(yùn)鐵路，隧道有效凈空斷面積為48.6m2，全線共有隧道41座，為解決遂渝鐵路建設(shè)今后可能出現(xiàn)的微壓波環(huán)境影響，開(kāi)展了遂渝鐵路時(shí)速200公里隧道洞口微壓波及緩沖設(shè)施研究。

針對(duì)洞口微壓波與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系、減少洞口微壓波的措施、隧道不設(shè)置洞口緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的最小斷面積以及隧道洞口設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)型式等問(wèn)題，課題組通過(guò)創(chuàng)新知識(shí)庫(kù)和專利檢索等工具以及CAI軟件的分析，根據(jù)TRIZ創(chuàng)新原理和專利查詢中得到的多個(gè)解決方案，梳理出“預(yù)先對(duì)物體（全部或至少部分）施加必要的改變”，“在隧道前加設(shè)緩沖段，設(shè)計(jì)上考慮在緩沖段壁開(kāi)設(shè)減壓孔”等辦法。

課題組根據(jù)TRIZ創(chuàng)新理論及CAI軟件分析的解決方案，首先認(rèn)真調(diào)研了國(guó)內(nèi)目前旅客列車如“中華之星”、“長(zhǎng)白山”號(hào)等車體參數(shù)、車頭形狀，然后結(jié)合遂渝線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、線路條件、隧道斷面及長(zhǎng)度，開(kāi)展研究和試驗(yàn)工作。通過(guò)三維空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真分析與模型試驗(yàn)的相互印證，確保研究結(jié)論的合理、可靠。模型試驗(yàn)的條件是：遂渝線48.6 m2有效凈空斷面、通過(guò)“中華之星”、時(shí)速200km/h、洞口加設(shè)1～2D（D為隧道橫斷面凈空水力直徑）長(zhǎng)緩沖結(jié)構(gòu)，結(jié)果在洞口20m處產(chǎn)生的微壓波峰值小于50Pa，滿足洞口微壓波環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)要求。目前遂渝線采用1倍水力直徑拱形開(kāi)口緩沖結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目研究成果“時(shí)速200公里單線電化鐵路隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)參考圖”已直接應(yīng)用于遂渝線劉家溝、蘇家灣、羅盤(pán)石、手板巖、茶盤(pán)溝、松林堡、西山坪等隧道，且所有工程已安全、優(yōu)質(zhì)完成建設(shè)。