謝帥帥
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)
鐵路對發(fā)展生產(chǎn)和繁榮經(jīng)濟(jì)建設(shè)起著重要作用,在綜合交通運(yùn)輸體系中具有骨干地位[1-4]。近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人們對快捷出行需求的提高,鐵路升級改造的必要性和迫切性日益增強(qiáng)。為更好地研究既有鐵路提速問題,同時(shí)避免造成投資浪費(fèi),本文在不廢除既有工程的前提下,對福廈鐵路福州南至福清段區(qū)間線路開展提速可行性研究。福州南至福清段既有線提速方案見圖1。
圖1 福州南至福清段既有線提速方案示意
福廈鐵路設(shè)計(jì)速度200 km/h,軌道類型既有有砟軌道,也有無砟軌道,線間距4.6 m,2010年通車運(yùn)營。福州南至福清段區(qū)間線路里程為K883+406~K911+050,線路長度16.87 km,其中包含4個曲線地段。具體工點(diǎn)情況見表1。
表1 福州南至福清段曲線及橋隧分布
本次研究基于維持線間距、隧道斷面以及構(gòu)筑物限界不變,在純客專運(yùn)行狀態(tài)下,通過調(diào)整曲線地段的外軌超高數(shù)值和緩和曲線長度實(shí)現(xiàn)提速要求。
根據(jù)1993年鐵道科學(xué)研究院在環(huán)行鐵道上的試驗(yàn)結(jié)果,以及《關(guān)于新建客運(yùn)專線鐵路曲線超高設(shè)定的指導(dǎo)意見》(鐵集成〔2009〕86號)規(guī)定,本次研究按照最大允許欠超高60 mm進(jìn)行曲線超高計(jì)算。
有砟軌道和無砟軌道曲線超高計(jì)算結(jié)果分別見表2和表3。
表2 有砟軌道曲線超高計(jì)算
表3 無砟軌道曲線超高計(jì)算
福廈鐵路福州南至福清段區(qū)間線路牽引計(jì)算模擬結(jié)果如圖2所示。
圖2 福州南至福清段既有線牽引計(jì)算模擬
福廈鐵路福州南至福清段區(qū)間線路曲線外軌實(shí)設(shè)超高見表4。
表4 福州南至福清段既有線曲線外軌實(shí)設(shè)超高
3.2.1 1#曲線提速分析
1#曲線里程范圍為K896+751.81~K899+637.79。根據(jù)牽引計(jì)算模擬結(jié)果(圖2)可知,本曲線最大模擬運(yùn)行速度為273 km/h。該曲線半徑為7 000 m,實(shí)設(shè)超高為75 mm,曲線內(nèi)的黃晶嶺1#隧道、黃晶嶺2#隧道均設(shè)置無砟軌道。根據(jù)無砟軌道曲線超高計(jì)算表(表3),在現(xiàn)狀條件下,1#曲線通過速度可達(dá)到282 km/h,滿足最大模擬運(yùn)行速度273 km/h要求。
3.2.2 2#曲線提速分析
2#曲線里程范圍為K902+330.27~K904+818.07。根據(jù)牽引計(jì)算模擬結(jié)果(圖2)可知,本曲線最大運(yùn)行速度為300 km/h。該曲線半徑為6 000 m,實(shí)設(shè)超高為85 mm,曲線內(nèi)的黃晶嶺2#隧道設(shè)置有無砟軌道。根據(jù)無砟軌道曲線超高計(jì)算表(表3),在現(xiàn)狀條件下,2#曲線通過速度最高只能達(dá)到271 km/h,不滿足最大運(yùn)行速度300 km/h要求。由于曲線內(nèi)軌道類型屬于無砟軌道,無法調(diào)節(jié)外側(cè)曲線超高,因此考慮采用增加緩和曲線長度的方案進(jìn)行提速研究。
根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621-2014),按300 km/h標(biāo)準(zhǔn)開展研究。半徑為6 000 m的曲線,配置長度為450 m的緩和曲線,線路最大偏移量為0.878 m,此時(shí)與3#曲線間的夾直線長度為143.7 m,不滿足困難條件下180 m最小夾直線長度的規(guī)范要求;配置長度為410 m的緩和曲線,線路最大偏移量為0.635 m,與3#曲線間的夾直線長度為163.8 m,不滿足規(guī)范要求;配置長度為370 m的緩和曲線,線路最大偏移量為0.415 m,與3#曲線間夾直線長為183.8 m,滿足規(guī)范要求。采用不同曲線要素,黃晶嶺2#隧道及作坊1號橋偏移量如表5所示。
表5 黃晶嶺2#隧道及作坊1號橋偏移量
由于黃晶嶺2#隧道平面無法調(diào)整,采用增加緩和曲線長度進(jìn)行提速的方案不可行,因此2#曲線限速271 km/h。
3.2.3 3#曲線提速分析
3#曲線里程范圍為K904+986.60~K905+733.08。按2#曲線限速271 km/h進(jìn)行牽引模擬計(jì)算,3#曲線最大運(yùn)行速度279 km/h。3#曲線半徑為7 000 m,實(shí)設(shè)超高為75 mm,該曲線范圍內(nèi)設(shè)置有砟軌道。根據(jù)有砟軌道曲線超高計(jì)算表(表2),在現(xiàn)狀條件下,最大通過速度為282 km/h,滿足最大模擬運(yùn)行速度279 km/h要求。
3.2.4 4#曲線提速分析
4#曲線里程范圍為K907+697.85~K909+178.22,曲線半徑為4 500 m,實(shí)設(shè)超高為105 mm,該曲線范圍內(nèi)設(shè)置有砟軌道。通過牽引模擬計(jì)算,最大運(yùn)行速度為300 km/h。根據(jù)有砟軌道曲線超高計(jì)算表(表2),將既有曲線超高從105 mm抬升至130 mm,可以將運(yùn)行速度提升至269 km/h,但仍不滿足300 km/h的運(yùn)行速度要求。
考慮采用增加緩和曲線長度的方案進(jìn)行提速研究。當(dāng)采用4 500 m曲線半徑、460 m緩長時(shí),洪寬二路立交最大偏移量為0.76 m,大北溪橋最大偏移量為0.38 m,此時(shí)既有線偏移量大于0.3 m,無法通過頂梁移梁措施滿足改造要求。為了避免廢除既有橋梁工程,采用4 500 m曲線半徑、400 m緩長,計(jì)算得到洪寬二路立交最大偏移量為0.28 m,大北溪橋最大偏移量為0.14 m,滿足工程要求。
表6 調(diào)整后的4#曲線有砟軌道曲線超高計(jì)算表
根據(jù)表6可知,采用400 m緩長,并將曲線超高調(diào)整至140 mm后,最大通過速度可提高至276 km/h,但仍然不滿足最大運(yùn)行速度300 km/h要求。
既有線提速后,會對既有橋梁、路基、隧道等工程造成影響,因此對上述站前工程進(jìn)行適應(yīng)性分析。
3.3.1 橋梁工程適應(yīng)性分析
在不同運(yùn)行時(shí)速下,既有橋梁受力情況如表7所示。
表7 250 km/h、273 km/h,279 km/h情況下尖山中橋受力情況
可以看出,提速前后橋梁所受離心力變化較小。經(jīng)檢算,提速后既有橋梁可以滿足受力要求。
3.3.2 路基工程適應(yīng)性分析
本段路塹地段基床表層挖除換填0.6 m級配碎石;路堤地段基床表層填筑0.6 m級配碎石,基床底層為A、B組填料,基床以下填筑隧道棄渣。地基為弱風(fēng)化凝灰?guī)r、Q3粉質(zhì)黏土、碎石土等,地質(zhì)條件較好,工后沉降滿足提速至300 km/h路基工后沉降要求。路基面半寬小于4.4 m,不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,可通過路肩幫寬、設(shè)置擋砟墻或?qū)⒙芳缭O(shè)備移至路肩以外等措施進(jìn)行處理。當(dāng)接觸網(wǎng)立柱移至擋墻上時(shí),需要對擋墻進(jìn)行重新核算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,采取必要的補(bǔ)強(qiáng)措施。
3.3.3 隧道工程適應(yīng)性分析
世界各國在修建鐵路隧道時(shí),為控制車內(nèi)瞬變壓力、提高旅客舒適度,基本采用兩種模式:一是以歐洲各國為代表,采用大斷面隧道來降低對列車密封性能的要求,減小運(yùn)營成本;二是以日本為代表,采用密封性能較高的列車來減小對隧道斷面面積要求,降低工程投資[5]。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621-2014)條文說明,我國通過對瞬變壓力的計(jì)算和分析,提出了不同速度目標(biāo)值時(shí)與車輛密封性能相適應(yīng)的隧道凈空斷面面積建議值,即250 km/h雙線隧道凈空斷面面積為90 m2;300 km/h雙線隧道凈空斷面面積為100 m2。
既有福廈線隧道斷面面積為92 m2,與貴廣高鐵相同;線間距為4.6 m,較貴廣高鐵窄0.2 m。貴廣高鐵運(yùn)行速度已成功由250 km/h提速至280 km/h。借鑒貴廣高鐵提速的相關(guān)成功案例,既有福廈線從250 km/h提速至280 km/h也是可行的。但需建立在以下幾個假設(shè)前提下:一是列車速度過高,會車時(shí)會產(chǎn)生壓力波,影響車輛脫軌系數(shù)、傾覆系數(shù)、輪重減載率等安全性能,同時(shí)可能會對車體框架和車窗等薄弱環(huán)節(jié)造成傷害,劇烈的壓差變化會對車內(nèi)環(huán)境和風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)造成影響,導(dǎo)致旅客耳鳴、不適等癥狀,因而需采用密封性能更高的列車[6]。二是高速列車進(jìn)入隧道后,由于空氣動力學(xué)效應(yīng)在洞口產(chǎn)生微氣壓波,在有些條件下會產(chǎn)生極大的爆炸聲,嚴(yán)重的可使建筑物的玻璃破碎,對環(huán)境造成污染[7-8],采用較大的隧道斷面(如100 m2),基本上可以消除這種爆炸聲。根據(jù)國家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目《高速鐵路線橋隧設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的研究報(bào)告》,當(dāng)列車速度達(dá)到250 km/h以上時(shí),為解決洞口微氣壓波問題需修建洞口緩沖結(jié)構(gòu)。既有黃晶嶺1#、2#隧道未考慮設(shè)置開口緩沖結(jié)構(gòu),需對該段洞門進(jìn)行改造。三是列車進(jìn)出隧道時(shí)空氣動力學(xué)效應(yīng)影響較為明顯,黃晶嶺1#隧道出口與黃晶嶺2#隧道進(jìn)口間距僅為85 m,列車進(jìn)出隧道時(shí)間間隔很短,短時(shí)間內(nèi)較大的空氣壓力變化對旅客舒適度影響較大,同時(shí)對列車結(jié)構(gòu)安全也不利,采用明洞連接后可消除這種空氣動力學(xué)效應(yīng)影響。四是高速列車進(jìn)入隧道后產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)對隧道內(nèi)附屬物(接觸網(wǎng)、風(fēng)機(jī)葉片、洞室門、水溝蓋板和安裝件)會產(chǎn)生不利影響。因此需考慮采用附屬設(shè)施附加壓強(qiáng)建議值(見表8),對既有黃晶嶺1#、2#隧道附屬物進(jìn)行加固處理。
表8 隧道內(nèi)附屬設(shè)施附加壓強(qiáng)建議值
3.3.4 線間距適應(yīng)性分析
既有福廈線區(qū)間正線采用4.6 m線間距,滿足250 km/h客運(yùn)專線線間距要求?!陡咚勹F路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:時(shí)速300 km鐵路最小線間距為4.8 m;時(shí)速350 km鐵路最小線間距為5.0 m。國外高速鐵路運(yùn)營實(shí)踐表明:運(yùn)行速度300 km/h及以下時(shí)的線間距小于4.5 m可以滿足安全要求。德國高速鐵路在側(cè)壁凈距1.2 m的情況下,列車運(yùn)行速度已達(dá)到350 km/h[9-10]。國內(nèi)研究也表明:隨著我國機(jī)車車輛制造技術(shù)的不斷提高或?qū)Σ糠侄撮T采取減緩隧道壓力波的措施后,4.6 m線間距能夠適應(yīng)提速至300 km/h的要求[11-12]。
綜上分析,1#曲線滿足行車模擬提速要求,通過速度為273 km/h;由于2#曲線內(nèi)存在無砟軌道隧道工程,需限速271 km/h通過;3#曲線滿足279 km/h行車模擬提速要求;4#最大通過速度可提高至276 km/h。本次研究表明,通過調(diào)整曲線超高和緩和曲線長度,并補(bǔ)強(qiáng)路基工程、增設(shè)隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)等措施,可以在不廢除既有工程的條件下,將既有福廈鐵路福州南至福清段運(yùn)行速度由200 km/h提高至279 km/h。