貴廣鐵路提速至300 km／h基礎(chǔ)設(shè)施適應(yīng)性分析

李霞明 劉博詩(shī) 郭曉毅

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 630031；2.國(guó)家鐵路局安全技術(shù)中心，北京 100106）

隨著客貨運(yùn)量的不斷增大，既有線運(yùn)輸能力不能滿足實(shí)際運(yùn)輸需求，對(duì)既有線進(jìn)行提質(zhì)改造逐漸成為鐵路提升運(yùn)能的重要手段。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)既有線提質(zhì)改造的研究積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。德國(guó)鐵路公司于2004年在柏林至漢堡的線路上采用設(shè)備、設(shè)施改造實(shí)現(xiàn)了將運(yùn)營(yíng)速度從200 km／h提升至230 km／h；日本東海道新干線自1964年建成以來(lái)經(jīng)歷過(guò)數(shù)次升級(jí)改造，2015年通過(guò)更換軌道、更新信號(hào)系統(tǒng)、改造既有車站等措施實(shí)現(xiàn)了將運(yùn)營(yíng)速度從210 km／h提升至270 km／h［1］。我國(guó)鐵路經(jīng)過(guò)6次既有線提速改造，從1997年將運(yùn)營(yíng)速度提升至140 km／h，至2007年逐步提升至200 km／h，部分區(qū)段已至250 km／h［2］。胡敘洪［3］以膠濟(jì)鐵路提速改造為例，提出以工程投資與節(jié)時(shí)比來(lái)綜合評(píng)判提速后經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，確定全線提速140～ 160 km／h方案。周士林［4］研究得出既有線改造中分批次建設(shè)線路復(fù)線可做到初期少投資，但比一次性建設(shè)投資高、周期長(zhǎng)，對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)干擾大。林海 波［5］對(duì)太錫鐵路從既有120 km／h全線提速至160 km／h、分段提速160 km／h等方案進(jìn)行比選，分別從既有線能力適應(yīng)性、主要工程投資等方面進(jìn)行綜合分析，確定分段提速160 km／h方案為推薦方案。楊佳［6］以將既有300 km／h高速鐵路升級(jí)改造為350 km／h的成渝客運(yùn)專線為案例，提出提速改造全過(guò)程中接觸網(wǎng)提升需求及應(yīng)對(duì)策略，形成高速鐵路接觸網(wǎng)提質(zhì)改造技術(shù)路線。

相關(guān)學(xué)者對(duì)既有線提速改造的研究大多集中在普速鐵路提速改造方面，系統(tǒng)性闡述高速鐵路提質(zhì)改造的相對(duì)甚少。目前運(yùn)營(yíng)高速鐵路提速改造的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，若完全按照現(xiàn)行規(guī)范要求提速必然引起線下基礎(chǔ)設(shè)施、部分站后設(shè)備的大拆大改，造成工程投資浪費(fèi)，嚴(yán)重干擾既有線運(yùn)營(yíng)。本文以國(guó)內(nèi)首次對(duì)運(yùn)營(yíng)高速鐵路實(shí)施全面提質(zhì)改造的貴廣鐵路提質(zhì)改造工程為背景，從宏觀到微觀分專業(yè)對(duì)提速適應(yīng)性進(jìn)行系統(tǒng)研究，科學(xué)論證在現(xiàn)狀設(shè)施條件下提速提質(zhì)改造的可行性。多項(xiàng)研究工作和創(chuàng)新成果在國(guó)內(nèi)均為首次，形成了可推廣、可復(fù)制的成熟經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)高速鐵路提速提質(zhì)改造項(xiàng)目具有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 既有線概況

貴廣鐵路橫跨貴州、廣西、廣東3省，線路起于貴陽(yáng)北站，經(jīng)都勻、桂林、賀州、肇慶等市縣后引入廣州南站，是西南、華南地區(qū)間聯(lián)系最順直、最便捷、最重要的鐵路通道，國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃6條主軸通道和高速鐵路“八縱八橫”蘭（西）廣通道的重要組成部分。

貴廣鐵路線路全長(zhǎng)857 km，設(shè)車站21座，橋隧比80.8%，按照250 km／h速度設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留進(jìn)一步提速條件，最小曲線半徑4 500 m，正線線間距4.8 m，隧道凈空面積92 m2，采用CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)。

2 提速改造適應(yīng)性分析

考慮到龍里北（K 48+630）以西為貴陽(yáng)樞紐范圍，列控系統(tǒng)統(tǒng)一采用CTCS-2級(jí)，三水南（K 806+000）往東為原批復(fù)的200 km／h運(yùn)營(yíng)速度段落，對(duì)貴廣鐵路龍里北至三水南段（K 48+630～ K 806+000）進(jìn)行提速改造。其中，龍里北至肇慶東段線路長(zhǎng)733.949 km提速至300 km／h，肇慶東至三水南段線路長(zhǎng)23.421 km提速至250 km／h。

既有貴廣鐵路按照《新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》等規(guī)范完成設(shè)計(jì)工作。2014年 開(kāi)通以來(lái)，TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》等新規(guī)范相繼發(fā)布。因規(guī)范變化且已運(yùn)營(yíng)多年，貴廣鐵路實(shí)施提速改造存在既有基礎(chǔ)設(shè)施適應(yīng)性方面的問(wèn)題，為充分利用既有條件以較小代價(jià)提升線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)營(yíng)品質(zhì)，需對(duì)既有基礎(chǔ)設(shè)施適應(yīng)性開(kāi)展系統(tǒng)研究分析，以確保提速目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

本文重點(diǎn)對(duì)龍里北至肇慶東段既有線路、軌道、路基、橋梁、隧道、信號(hào)、通信、牽引供電、電力、環(huán)保等主要基礎(chǔ)設(shè)施在提速至300 km／h的適應(yīng)性方面進(jìn)行研究分析。

2.1 線路

對(duì)照既有現(xiàn)狀及現(xiàn)行TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，龍里北至肇慶東段既有線路平、縱斷面設(shè)計(jì)參數(shù)適應(yīng)性分析情況如表1所示。

表1 線路設(shè)計(jì)參數(shù)提速至300 km／h適應(yīng)性分析表

由表1可知，線路平、縱斷面設(shè)計(jì)參數(shù)中區(qū)間正線線間距、最小平面曲線半徑、最小夾直線、最大坡度、最小坡段長(zhǎng)度、最小豎曲線半徑均滿足提速要求。

經(jīng)梳理，緩和曲線有11處、圓曲線長(zhǎng)度有1處、緩和曲線與道岔間最小直線長(zhǎng)度有1處不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。提速改造設(shè)計(jì)中，對(duì)11處緩和曲線長(zhǎng)度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的，根據(jù)規(guī)范采用的緩和曲線長(zhǎng)度計(jì)算方法，結(jié)合軌道欠超高和過(guò)超高允許值、超高時(shí)變率和欠超高時(shí)變率等檢算成果，統(tǒng)籌考慮限速。對(duì)1處圓曲線長(zhǎng)度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的，根據(jù)規(guī)范制定的理論基礎(chǔ)，采用0.6 v進(jìn)行反算，確定運(yùn)營(yíng)頂棚速度295 km／h。對(duì)2處道岔前夾直線長(zhǎng)度不滿足規(guī)范要求0.5 v的地段，參照規(guī)范采用的理論依據(jù)，反算最高速度限速運(yùn)行。

2.2 軌道

（1）超高

采用牽引曲線數(shù)據(jù)圖中曲線地段最大、最小運(yùn)行速度，對(duì)所有正線超高進(jìn)行提速檢算。龍里北至肇慶東段檢算結(jié)果為上行35處、下行31處曲線軌道超高不滿足提速至300 km／h條件，其余曲線均滿足。

由于無(wú)砟軌道超高調(diào)整僅能通過(guò)調(diào)整扣件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而既有貴廣鐵路采用的WJ-8扣件最大調(diào)高量 +26 mm，且由于施工精度、線下基礎(chǔ)變形等因素，部分扣件調(diào)高量已接近或超過(guò)扣件實(shí)際可調(diào)整量，即使未超過(guò)扣件調(diào)高量，留給工務(wù)維修的調(diào)整余量亦非常少。結(jié)合工務(wù)部門意見(jiàn)以及規(guī)范計(jì)算方法，對(duì)于部分不滿足現(xiàn)行規(guī)范300 km／h運(yùn)營(yíng)速度要求的軌道超高，采用不調(diào)整軌道超高，根據(jù)現(xiàn)狀超高反算其最高運(yùn)營(yíng)速度的方法予以解決［7］。

（2）設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)比

原設(shè)計(jì)采用的主要規(guī)范與目前最新規(guī)范的對(duì)照情況如表2所示。

表2 軌道新舊規(guī)范對(duì)照表

在上述規(guī)范更新中，軌道具體設(shè)計(jì)內(nèi)容的對(duì)比情況如表3所示。

表3 新舊規(guī)范軌道主要內(nèi)容對(duì)照表

由表3可知，新舊規(guī)范內(nèi)容基本一致，原規(guī)范對(duì)有砟軌距要求更為嚴(yán)格；新規(guī)范增加了鋼軌廓形要求，既有線鋼軌和道岔可通過(guò)打磨滿足提速至300 km／h的相關(guān)要求。

（3）維修規(guī)則要求

提速改造除滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求外，還需要符合《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》等維修規(guī)則的要求。經(jīng)過(guò)對(duì)照分析，提速改造考查范圍如表4所示。

表4 維修規(guī)則要求匯總表

（4）既有設(shè)備安全質(zhì)量要求

貴廣鐵路運(yùn)營(yíng)多年，線下基礎(chǔ)存在工后變形（沉降、上拱及平面偏差），軌道線形、鋼軌輪廓及道床結(jié)構(gòu)等均有不同程度劣化，考慮進(jìn)行無(wú)砟軌道精調(diào)、鋼軌和道岔打磨等軌道工程整治，以滿足動(dòng)車組以 300 km／h目標(biāo)速度運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性相關(guān)要求。

2.3 路基

路基面形狀及寬度設(shè)計(jì)參數(shù)、無(wú)砟軌道區(qū)間路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析如表5、表6所示。

表5 無(wú)砟軌道區(qū)間路基面形狀及寬度適應(yīng)性分析表

表6 無(wú)砟軌道區(qū)間路基工后沉降適應(yīng)性分析表

綜上所述，路基工程路基面形狀及寬度設(shè)計(jì)參數(shù)、無(wú)砟軌道區(qū)間路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性等均滿足提速至300 km／h現(xiàn)行高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.4 橋梁

既有橋梁按300 km／h設(shè)計(jì)，橋梁軌道按一次鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路、雙塊式無(wú)砟軌道。經(jīng)檢算，橋梁工程靜、動(dòng)性能滿足300 km／h現(xiàn)行高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.5 隧道

（1）隧道凈空斷面

既有隧道凈空面積為92 m2增設(shè)鋼筋混凝土套襯整治后，局部段落存在87.5 m2、86.8 m2和85.2 m2三種隧道凈空斷面。按照現(xiàn)行TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，設(shè)計(jì)速度為300 km／h時(shí)，雙線隧道凈空有效面積不宜小于100 m2。既有隧道凈空斷面小于現(xiàn)行規(guī)范300 km／h的要求。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外隧道凈空斷面相關(guān)科研成果，以及氣動(dòng)效應(yīng)的影響和列車動(dòng)態(tài)密封指數(shù)分析，理論上貴廣鐵路提速后隧道凈空斷面可維持現(xiàn)狀。通過(guò)在本項(xiàng)目提質(zhì)改造工程實(shí)施過(guò)程中開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了既有隧道凈空斷面運(yùn)行300 km／h列車的可行性。因此，貴廣鐵路提速至300 km／h考慮維持既有隧道凈空斷面。

（2）隧道洞口微氣壓波

貴廣鐵路現(xiàn)狀運(yùn)營(yíng)速度最高為250 km／h，動(dòng)車通過(guò)隧道洞口時(shí)，乘坐舒適度良好，通過(guò)隧道氣動(dòng)效應(yīng)數(shù)值仿真分析，隧道洞口20 m處微氣壓波峰值最大為36.4 Pa，未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許值50 Pa。通過(guò)隧道氣動(dòng)效應(yīng)數(shù)值仿真分析，貴廣鐵路提速后，雙線隧道長(zhǎng)度未超過(guò)4 000 m時(shí)，洞口20 m處微氣壓波峰值未超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)50 Pa；長(zhǎng)度超過(guò)4 000 m時(shí)，洞口20 m處微氣壓波峰值將超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)50 Pa。由于貴廣鐵路提速段隧道洞口50 m范圍內(nèi)無(wú)建(構(gòu))筑物，洞口微氣壓波峰值無(wú)控制要求，故洞口微氣壓波峰值加大對(duì)列車提速至300 km／h無(wú)影響。

（3）隧道防護(hù)門隔墻

既有隧道防護(hù)門隔墻不滿足Q／CR 700-2019《隧道防護(hù)門》的要求?？紤]對(duì)既有防護(hù)門隔墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，既有防護(hù)門隔墻為復(fù)合防爆板結(jié)構(gòu)的進(jìn)行拆除改為鋼筋混凝土隔墻。

2.6 信號(hào)

既有列車控制系統(tǒng)采用CTCS-2，不滿足TB 10007-2017《鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范》“250 km／h以上的線路，地面應(yīng)采用CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)”的規(guī)定；既有區(qū)間應(yīng)答器組間隔1個(gè)閉塞分區(qū)設(shè)置，車站正線股道出站信號(hào)機(jī)未布置出站應(yīng)答器組，股道中間未設(shè)定位應(yīng)答器，不滿足科技運(yùn)〔2010〕21號(hào)《CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則（V2.0）》的要求；部分車站軌道電路長(zhǎng)度不滿足提速后的要求。

針對(duì)上述信號(hào)設(shè)備適應(yīng)性分析情況，通過(guò)將列車控制系統(tǒng)由CTCS-2升級(jí)改造為CTCS-3級(jí)，并相應(yīng)改造信號(hào)各系統(tǒng)以滿足提速至300 km／h的要求。

2.7 通信

無(wú)線通信系統(tǒng)在CTCS-3級(jí)列控區(qū)段需采取冗余無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)，既有設(shè)備采用單層網(wǎng)覆蓋，不滿足要求；既有綜合視頻系統(tǒng)僅在沿線車站兩端咽喉區(qū)、隧道口、公跨鐵立交、通信機(jī)械室、信息機(jī)房、信號(hào)機(jī)房、綜合值班室、牽引變電所、分區(qū)所、電力配電所等處設(shè)置標(biāo)清攝像機(jī)，不滿足“中國(guó)鐵路總公司關(guān)于發(fā)布設(shè)計(jì)時(shí)速200 km及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設(shè)置有關(guān)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的通知”的要求；此外，未設(shè)置視頻網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，不滿足Q／CR 575-2017《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的要求；部分車站接入路由器僅設(shè)置1臺(tái)，未構(gòu)建數(shù)據(jù)網(wǎng)接入層雙平面組網(wǎng)，不滿足接入節(jié)點(diǎn)配置2套接入路由器的要求；傳輸系統(tǒng)車站接入層為622 M設(shè)備，帶寬資源緊張，不滿足提速后的需求；既有2條32芯干線光纜用于承載傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、信號(hào)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、OTN系統(tǒng)等業(yè)務(wù)，剩余纖芯不滿足新增傳輸、數(shù)據(jù)網(wǎng)、綜合視頻等相關(guān)業(yè)務(wù)升級(jí)改造后的需求。

針對(duì)上述通信設(shè)備適應(yīng)性分析情況，采取如下改造措施以滿足提速至300 km／h的要求：GSM-R系統(tǒng)改為冗余覆蓋，并更換既有模擬光纖直放站為與新建數(shù)字直放站或分布式基站；對(duì)傳輸、數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造；增設(shè)區(qū)間線路、長(zhǎng)大橋、接觸網(wǎng)設(shè)施視頻監(jiān)控采集點(diǎn)，并對(duì)后臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)容；新敷設(shè)干線、區(qū)間通信線路用于擴(kuò)容、改造后的傳輸、數(shù)據(jù)網(wǎng)、GSM-R、視頻系統(tǒng)；配套對(duì)通信電源進(jìn)行改造。

2.8 牽引供電

牽引供電系統(tǒng)能力受牽引設(shè)施分布、牽引變壓器容量、牽引網(wǎng)載流能力等影響。本線牽引供電設(shè)施布點(diǎn)能滿足按300 km／h追蹤運(yùn)行需要。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況、行車組織要求，各牽引變電所需對(duì)牽引變壓器容量增容改造，并對(duì)所亭內(nèi)相關(guān)設(shè)備，如電流互感器等進(jìn)行改造后能夠滿足300 km／h列車運(yùn)行的需要。

2.9 電力

提速至300 km／h新增負(fù)荷主要涉及區(qū)間無(wú)線通信直放站、基站新增冗余設(shè)備及視頻監(jiān)控設(shè)備、車站新增信號(hào)RBC設(shè)備、車輛TADS、TEDS探測(cè)機(jī)房設(shè)備。以上設(shè)施負(fù)荷容量小且較為分散，可利用既有箱變、變電站設(shè)施供電，部分電力設(shè)施需進(jìn)行增容改造。

2.10 環(huán)保

提速改造后噪聲、振動(dòng)預(yù)測(cè)參數(shù)變化主要表現(xiàn)為列車對(duì)數(shù)、行車速度以及列流比的變化。全線共 244處敏感點(diǎn)因新增或因提速后噪聲源強(qiáng)增加導(dǎo)致預(yù)測(cè)噪聲超標(biāo)，考慮對(duì)新增噪聲敏感點(diǎn)增設(shè)聲屏障和隔聲窗，以滿足提速后的降噪要求。

3 結(jié)論

本文以貴廣鐵路提質(zhì)改造為例，從宏觀到微觀分專業(yè)對(duì)提速適應(yīng)性進(jìn)行系統(tǒng)研究，科學(xué)論證在現(xiàn)狀設(shè)施條件下提速提質(zhì)改造的可行性，在最優(yōu)發(fā)揮既有基礎(chǔ)設(shè)施效能的同時(shí)有效控制投資。多項(xiàng)研究工作和創(chuàng)新成果在國(guó)內(nèi)均為首次，形成了可推廣、可復(fù)制的成熟經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)高速鐵路既有線提質(zhì)達(dá)標(biāo)工作提供經(jīng)驗(yàn)參考和技術(shù)支撐。

（1）既有高速鐵路提速改造應(yīng)按照基于原設(shè)計(jì)情況及既有運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，通過(guò)新舊規(guī)范對(duì)照、科研專題研究、實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證等手段對(duì)既有現(xiàn)狀設(shè)施提速改造可行性論證的思路開(kāi)展研究，并針對(duì)既有設(shè)備參數(shù)、指標(biāo)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的情況提出解決方案。

（2）貴廣鐵路利用原預(yù)留條件，維持既有線路平縱面、路基、橋涵、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)采取鋼軌廓形打磨、四電系統(tǒng)相應(yīng)升級(jí)改造及補(bǔ)強(qiáng)、增設(shè)聲屏障和隔聲窗降噪等措施后，能夠滿足提速至300 km／h的要求。貴廣鐵路提速至300 km／h是合理可行的。

（3）結(jié)合貴廣鐵路提速改造工程實(shí)踐，一方面建議完善運(yùn)營(yíng)高速鐵路提速改造的設(shè)計(jì)規(guī)范，另一方面需要靈活運(yùn)用現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，如針對(duì)部分圓曲線、緩和曲線、軌道超高、隧道凈空斷面等既有設(shè)備參數(shù)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的情況，通過(guò)分析規(guī)范參數(shù)選取的計(jì)算方法，采用合理的設(shè)計(jì)參數(shù)以滿足提速改造的要求。通過(guò)充分利用既有條件，以較小代價(jià)提升線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)營(yíng)品質(zhì)，同時(shí)可保障運(yùn)營(yíng)線路施工期運(yùn)營(yíng)安全及施工安全。