阜杭通道曲線改造優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究

陶柏峰 上海鐵路局工務(wù)檢測所

為適應(yīng)鐵路重載快速運(yùn)輸要求，我局二通道、特別是阜杭通道的電化提速改造，正緊張有序地進(jìn)行?？偨Y(jié)京滬通道線路改造的經(jīng)驗(yàn)，既有線路平面在電化改造前進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合線路大修或維修同步施工，不僅能夠提高線路質(zhì)量，更重要的是減少了因線路改造施工而引起的供電調(diào)網(wǎng)、調(diào)線甚至移動(dòng)電桿等工作的相關(guān)配合，而且能夠節(jié)省大量的封鎖天窗時(shí)，緩解運(yùn)輸和施工的矛盾。

1 曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

曲線優(yōu)化的目的是通過優(yōu)化曲線線型，合理設(shè)置曲線超高，以提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和旅客舒適度。設(shè)計(jì)采用速度值：宣杭線按160km/h，寧蕪、皖贛、淮南、阜淮線按120km/h。其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)曲線超高設(shè)置應(yīng)能夠滿足：欠超高不大于75mm，個(gè)別困難地段不大于90mm；過超高不大于75mm(按貨車80km/h檢算)。

(2)曲線超高順坡率應(yīng)能夠滿足：困難條件下不大于1/（8Vmax）。可在直線段順超高，但允許速度為120km/h(不含)～160km/h的線路，直線段順坡的超高不大于8mm；欠超高和順坡率不同時(shí)出現(xiàn)《鐵路線路修理規(guī)則》中規(guī)定的困難條件。

(3)緩和曲線、圓曲線、夾直線長度在既有的基礎(chǔ)上盡量延長。夾直線長度不得小于80m，緩和曲線、圓曲線長度可分別大于40m、80m。當(dāng)線路允許速度為140km/h、160km/h，曲線半徑分別取10000m和12800m時(shí)，可不設(shè)緩和曲線。

(4)設(shè)計(jì)時(shí)，原則上曲線半徑不減小、曲線條數(shù)不增加，最大曲線半徑不超過12800m。

(5)每處測量長度不少于曲線改造范圍向外延伸各200m，采用全站儀測量和三維精確定位系統(tǒng)。撥量計(jì)算采用正線軌道控制計(jì)算軟件，加密曲線內(nèi)各點(diǎn)細(xì)化具體撥道量。

2 曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

阜杭通道各條線路允許速度不一，曲線半徑偏小、緩和曲線長度不足、反向曲線夾直線長度不足、曲線頭尾連接道岔或橋梁等情況，都會(huì)限制列車運(yùn)行速度和平穩(wěn)性。在設(shè)定線路允許速度的前提下，針對(duì)現(xiàn)場曲線的不同情況，采取了以下設(shè)計(jì)方案：

2.1 增大曲線半徑

旅客列車通過曲線的最大允許速度計(jì)算公式為Vmax(R)=4.3。根據(jù)旅客列車運(yùn)行速度，一般曲線半徑要求如表1：

表1 線路平面曲線半徑

既有線路的曲線半徑基本滿足旅客列車運(yùn)行速度，但單個(gè)曲線圓曲線長度往往不足。在保證兩線線間距滿足要求的條件下，采用增大曲線半徑的方案，可直接增加圓曲線長度。阜杭通道中，淮南線線路平面曲線偏角較小，圓曲線長度不足的曲線較為密集，曲線半徑都在3000m～5000m之間，而圓曲線長度達(dá)不到最困難60m的要求，此種情況尤合肥以北線路更為多數(shù)。以淮南線上行K76+900曲線為列：既有曲線半徑為5000m，曲線長度只有41.67m，無緩和曲線；設(shè)計(jì)將曲線半徑變成7000m，其它曲線要素不變，圓曲線長度大于60m（見圖 1）。

圖1 現(xiàn)場曲線優(yōu)化前后示意圖

具體優(yōu)化曲線詳細(xì)資料見表2：

此設(shè)計(jì)方案最大撥量只有25mm，且曲線范圍內(nèi)施工長度較短，能利用大型機(jī)械在維修天窗內(nèi)同步完成，切實(shí)可行。

表2 優(yōu)化曲線詳細(xì)資料

2.2 延長緩和曲線

在緩和曲線范圍內(nèi)，其半徑由無限大漸變到圓曲線半徑，從而使車輛產(chǎn)生的離心力逐漸增加，有利于行車平穩(wěn)；并且外軌超高由零遞增到需要的超高量，使向心力逐漸增加，與離心力的增加相配合。

既有線曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，H=11.8V2max/R-Hc H/l0≤1/（8Vmax）。

式中：Vmax-線路允許速度（km/h）；H--為實(shí)設(shè)超高（mm）；Hc--為未被平衡欠超高（mm）；l0-緩和曲線長度（m）。在規(guī)定列車允許速度和欠超高數(shù)值（75mm）、曲線半徑不變以及根據(jù)困難條件下的超高順坡率，可以計(jì)算出最短緩和曲線長度理論值（見表3）。設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用較長的緩和曲線，避免未被平衡欠超高和超高順坡率的困難條件同時(shí)出現(xiàn)。

表3 各種運(yùn)行速度條件下可以設(shè)置的最短緩和曲線長度(m)理論值

設(shè)計(jì)時(shí)，雖然采用較長的緩和曲線可以減小超高時(shí)變率，能夠增加旅客舒適度，但在既有線曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須同時(shí)考慮緩和曲線和圓曲線的長度。不能延長緩和曲線太長，否則將減小圓曲線的長度，使客車同時(shí)跨越圓弧兩端的緩和曲線，影響行車平穩(wěn)。

2.3 反向曲線

既有線路存在的反向曲線，基本是半徑較大、偏角較小、長度較短、轉(zhuǎn)向相反的兩條曲線。優(yōu)化設(shè)計(jì)曲線的圓曲線長度、夾直線長度需滿足表4要求。

表4 圓曲線或夾直線最小長度

設(shè)計(jì)相鄰曲線、尤其是反向曲線的半徑，結(jié)合具體條件盡可能配合協(xié)調(diào)：

（1）相鄰兩圓曲線間夾直線較短時(shí)，避免一個(gè)半徑很大，另一個(gè)半徑很小。必要時(shí)適當(dāng)縮小相鄰大半徑曲線的半徑，以達(dá)到增大相鄰小半徑曲線的半徑。

（2）圓曲線半徑、緩和曲線長度及夾直線長度的配合。設(shè)計(jì)時(shí)，兩相鄰曲線間，尤其在反向曲線間，盡量設(shè)置較長的夾直線。但同時(shí)考慮圓曲線長度或者緩和曲線的長度，否則線路改造時(shí)曲線撥移工程量會(huì)很大。以阜淮線下行K89.344～K89.498反向曲線為例：既有曲線圓曲線長度只有40m，夾直線長度為50m，線間距為5.07m，圓曲線和夾直線長度均不滿足表4要求。曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)后曲線頭尾的移動(dòng)量、圓曲線長度和夾直線長度（見圖2）及撥量見表5：

圖2 曲線頭尾的移動(dòng)量、圓曲線長度和夾直線長度示意圖

表5 下行軌道控制計(jì)算表

從圖2和表5中可以看出，反向曲線的優(yōu)化，不僅曲線頭尾向兩端直線段移動(dòng)，曲線要素也發(fā)生較大變化。其撥道量最大點(diǎn)位于既有曲線曲中位置，且撥量值相當(dāng)、方向相反。即一條曲線往路肩一側(cè)撥道的同時(shí)，另一條曲線則往兩線當(dāng)中撥移。設(shè)計(jì)反向曲線必須考慮既有線曲線范圍內(nèi)及向外延伸直線段的線間距，曲線優(yōu)化后滿足列車運(yùn)行要求。

2.4 調(diào)整曲線線形

既有線經(jīng)過長期的運(yùn)行和養(yǎng)護(hù)維修，受無縫線路地段鋼軌的應(yīng)力、道床的臟污程度以及軌道結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)影響，既有曲線要素會(huì)發(fā)生一定變化。對(duì)位于混凝土橋上、鋼梁橋頭、隧道內(nèi)、離道岔近距離等特殊條件下的曲線影響更大，這類曲線在宣杭線范圍內(nèi)尤其突出。只能通過大幅度改造改變現(xiàn)狀，但受其它設(shè)備的限制，大幅度改造既不能提高該區(qū)間列車運(yùn)行的速度，又需要很大的費(fèi)用。設(shè)計(jì)對(duì)此類曲線只利用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對(duì)曲線線形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)曲線內(nèi)部的圓順度。以宣杭線下行K137.296-K137.456曲線為列，計(jì)算結(jié)果如表6：

表6 下行軌道控制計(jì)算表

通過現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)計(jì)算和設(shè)計(jì)的曲線與既有曲線各項(xiàng)要素相比，曲線半徑、緩和曲線不變，曲線長度和偏角值有微小變動(dòng)，說明現(xiàn)場曲線兩端直線即曲線的切線方向發(fā)生微小變化，通過微小撥量就能改變曲線內(nèi)部個(gè)別點(diǎn)不圓順的情況。

3 施工方案

每條線路各區(qū)段的線路允許速度不一致，而且曲線分布較散，優(yōu)化設(shè)計(jì)不盡相同。結(jié)合工務(wù)線路大修施工或養(yǎng)護(hù)維修天窗，采用大型機(jī)械同步完成曲線改造施工，既能發(fā)揮大型養(yǎng)路機(jī)械的作用和節(jié)約封鎖天窗，又能保證曲線改造的施工質(zhì)量。

只做線型調(diào)整和撥量較小的曲線，大型養(yǎng)路機(jī)械能一次性完成曲線改造；撥量較大的曲線改造施工，必須分階段實(shí)施撥道、搗固；在完成前一階段施工后，不能簡單的按設(shè)計(jì)撥量與大機(jī)前次撥量的差值來決定后續(xù)大機(jī)撥道數(shù)據(jù)，有條件的用全站儀按既有線路控制點(diǎn)重新測量、重新計(jì)算線路撥道量，為后一階段撥道提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

此外，該線路平面和縱斷面的改造優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)整體，必須保證行車的安全平順，保證旅客有一定的舒適度及維修工作的方便。在平面設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮縱斷面的要求；縱斷面抬道時(shí)，也要考慮平面有無改善的可能。既有曲線改造，對(duì)曲線改造地段的線路病害同步處理，使既有曲線下路基的堅(jiān)固和穩(wěn)定。適當(dāng)調(diào)整線路縱斷面，保證線路軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的整體良好。

4 實(shí)施效果和體會(huì)

(1)目前，此設(shè)計(jì)方案不僅在阜淮線、淮南線、寧蕪線、皖贛線和宣杭線等提速、曲線改造施工中廣泛應(yīng)用，共完成曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)225條、161.69km；而且在京九線電化改造中逐步實(shí)施。通過施工，消除了曲線地段列車運(yùn)行時(shí)經(jīng)常晃車現(xiàn)象，軌控成績進(jìn)步明顯。采用此設(shè)計(jì)方案的施工具有投資省、見效快的優(yōu)點(diǎn)。

(2)電化改造前對(duì)既有線路進(jìn)行平縱斷面改造優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅提高了線路質(zhì)量，更重要的是減少了因線路改造施工而引起的供電調(diào)網(wǎng)、調(diào)線甚至移動(dòng)電桿等相關(guān)部門的配合工作。

(3)設(shè)計(jì)與施工前后必須考慮曲線改造優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)線路兩側(cè)路肩或水溝的影響，還應(yīng)考慮施工時(shí)石碴等材料和機(jī)具的供應(yīng)需求。同時(shí)，施工時(shí)盡量結(jié)合線路大修或維修施工"共用天窗"完成線路平縱斷面優(yōu)化，那樣可以大幅度地減少對(duì)運(yùn)輸秩序的干擾，緩解運(yùn)輸和施工的矛盾。

(4)既有線線路瞬間動(dòng)態(tài)的變化，建議曲線外業(yè)測量、內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)和優(yōu)化施工緊密進(jìn)行，否則必須要重新對(duì)曲線進(jìn)行測量，這樣能保證曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)場撥量的準(zhǔn)確性。