合肥至武漢鐵路開通速度250 km/h的適應(yīng)性研究

喻文球

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

合武鐵路是滬漢蓉快速客運(yùn)通道的重要組成部分,東起合肥市,中穿大別山,西止武漢市,線路全長359.361 km,正線橋隧比例為44%,為Ⅰ級(jí)雙線客貨共線電氣化鐵路。鐵道部批準(zhǔn)的旅客列車設(shè)計(jì)速度200 km/h,預(yù)留250 km/h及以上條件,區(qū)間正線線間距4.6 m,限制坡度6‰,到發(fā)線有效長度850 m,自動(dòng)閉塞,建筑限界滿足雙層集裝箱運(yùn)輸條件。全線除紅石埂隧道(5 111 m)、金寨隧道(10 766 m)、紅石巖隧道(7 857 m)、大別山隧道(13 256 m)4座長大隧道采用雙塊式無砟軌道外,其余均為有砟軌道。

根據(jù)批復(fù)意見,合武鐵路土建工程和軌道工程按《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì),并于2005年8月份全面開工建設(shè)。建設(shè)期間,2008年3月鐵道部明確要求合武鐵路按時(shí)速250 km開通運(yùn)營。此時(shí)合武鐵路合肥至湖北區(qū)間土建工程(路基、橋隧、車站)已基本完成,已進(jìn)入全面鋪軌和四電工程的施工及設(shè)備安裝階段,存在已施工的路基、橋隧、車站、軌道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及正在施工的四電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否滿足動(dòng)車組開行250 km/h要求問題,有必要對合武鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否適應(yīng)動(dòng)車開行250 km/h要求進(jìn)行研究,對不適應(yīng)動(dòng)車開行250 km/h的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提出建議的加強(qiáng)措施。

2 合武鐵路施工圖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性研究

2.1 研究方法

本次研究將對照《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函[2005]285號(hào),以下簡稱《200公里暫規(guī)》)、《新建時(shí)速200～250公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2005]140號(hào),以下簡稱《250公里暫規(guī)》)等有關(guān)規(guī)范以及鐵道部新近發(fā)布的有關(guān)技術(shù)文件的要求,對合武鐵路開通時(shí)速250 km的適應(yīng)性進(jìn)行研究。

2.2 適應(yīng)性研究

2.2.1 土建工程

線路平面：合武鐵路區(qū)間線間距按4.6 m設(shè)計(jì), DK28+163～DK338+200平面最小圓曲線半徑實(shí)際按5 500 m選用,DK338+200～DK358+266為客車線,最小曲線半徑為3 500 m。因此合武鐵路長安集站至丹水池站(DK28+163～DK358+266長度為322.746 km)線路平面可滿足最高速度250 km/h的運(yùn)行條件。

路基：對照《200公里暫規(guī)》和《250公里暫規(guī)》,路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差別主要在基床厚度及工后沉降方面,如基床厚度《200公里暫規(guī)》標(biāo)準(zhǔn)為2.5 m,《250公里暫規(guī)》標(biāo)準(zhǔn)為3 m。工后沉降《200公里暫規(guī)》標(biāo)準(zhǔn)一般地段150 mm,路橋過渡段80 mm；《250公里暫規(guī)》標(biāo)準(zhǔn)一般地段100 mm,路橋過渡段50 mm。當(dāng)時(shí)合武鐵路路基工程已經(jīng)完成,若按《250公里暫規(guī)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改造時(shí),勢必造成過多的廢棄工程。根據(jù)合武鐵路的實(shí)際情況,經(jīng)研究認(rèn)為：對于工后沉降,合武正線地段軟土工點(diǎn)均為淤泥質(zhì)黏土,加固深度多小于8 m,采用攪拌樁加固處理,工后沉降可控制在5 cm,能滿足250 km/h目標(biāo)要求；基床厚度考慮動(dòng)荷載的計(jì)算影響深度, 200 km/h與250 km/h影響深度分別為2.5 m及3.0 m,直接在2.5 m厚的基床上開行250 km/h動(dòng)車,對基床有多大的危害或影響,即路基的長期穩(wěn)定性只有在實(shí)踐中才能評(píng)價(jià)?？傊?只要路基能按施工圖要求嚴(yán)格施工,合武線路基基本上可滿足開通250 km/h目標(biāo)要求,開通后路基的長期穩(wěn)定性只能在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。

橋梁：合武鐵路的橋梁按時(shí)速200 km客貨共線及時(shí)速250 km客運(yùn)專線有砟軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)活載為中-活載及ZK活載,橋梁設(shè)計(jì)能滿足250 km/h運(yùn)營條件。

隧道：合武鐵路按客貨共線設(shè)計(jì),隧道內(nèi)軌頂面以上有效面積為92 m2,滿足250 km/h運(yùn)營條件。

站場：由于《200公里暫規(guī)》和《250公里暫規(guī)》的差異,正線道岔兩端基本軌的接頭以外的直線段長度、道岔與橋路過渡段的距離在少數(shù)車站的個(gè)別地段存在不滿足《250公里暫規(guī)》的現(xiàn)象,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,對有條件調(diào)整的調(diào)整到位,不能調(diào)整的維持施工圖設(shè)計(jì),但在運(yùn)營中需加強(qiáng)監(jiān)控。研究認(rèn)為,上述問題不影響動(dòng)車開行250 km/h的安全性和舒適性。

2.2.2 軌道工程

合武鐵路施工圖有砟軌道地段采用一級(jí)道砟,土質(zhì)路基地段厚0.30 m,硬質(zhì)巖石路塹、有砟橋梁和隧道地段厚0.35 m。超高設(shè)置有砟軌道按Vh=80 km/h(貨車)、Vk=200 km/h(客車)匹配,無砟軌道按Vh=80 km/h、Vk=250 km/h 匹配。

與《250公里暫規(guī)》對照,軌道結(jié)構(gòu)在道砟厚度及道砟材質(zhì)方面、有砟軌道的道床密實(shí)度、道床支承剛度及鋼軌的平順度、鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)等方面均存在差別,《250公里暫規(guī)》要求比《200公里暫規(guī)》要高,并且曲線地段超高設(shè)置重新調(diào)整。具體差別分析如下。

(1)道砟厚度及道砟材質(zhì)要求不同,250 km/h客運(yùn)專線要求道砟厚度為35 cm,并采用特級(jí)道砟。特級(jí)道砟的指標(biāo)和性能如道砟粒徑、級(jí)配、顆粒形狀、清潔度、抗磨耗、抗沖擊性能、抗壓碎性能等,均比一級(jí)道砟高(表1)。

表1 一級(jí)道砟與特級(jí)道砟主要參數(shù)比較

(2)250 km/h客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)要求有砟橋梁、有砟隧道在砟下鋪設(shè)彈性墊層或采用彈性軌枕。

(3)250 km/h客運(yùn)專線的有砟軌道的道床密實(shí)度、道床支承剛度及鋼軌的平順度、鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)等均比200 km/h客貨共線要高。具體指標(biāo)差異見表2～表4。

表2 道床主要狀態(tài)參數(shù)指標(biāo)比較

表3 有砟軌道平順度鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)比較(靜態(tài)) mm

表4 無砟軌道平順度鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)比較(靜態(tài)) mm

2.2.3 四電工程

合武鐵路四電采用集成模式,四電集成招標(biāo)文件要求通信、信號(hào)、電力、電氣化滿足運(yùn)營速度250 km/h的要求,因此四電滿足動(dòng)車開行250 km/h要求不存在問題。但根據(jù)《關(guān)于客運(yùn)專線信號(hào)系統(tǒng)若干問題的指導(dǎo)意見》(鐵運(yùn)[2008]19號(hào)),需對信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng),加強(qiáng)鋼軌連接線,將合武正線車站和區(qū)間的ZPW-2000軌道電路軌旁設(shè)備至鋼軌的連接線由原設(shè)計(jì)的單線雙塞改為采用雙線雙塞的冗余設(shè)置方式；充分考慮無砟軌道、隧道地段、特大橋梁的傳輸特性,調(diào)整軌道電路長度,以提高動(dòng)車高速安全運(yùn)行的可靠性。

通過以上分析,土建工程和四電工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)除個(gè)別方面不滿足《250公里暫規(guī)》要求,可適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)外,其他均可滿足動(dòng)車開行250 km/h要求,但軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與《250公里暫規(guī)》要求差別較大,需要研究加強(qiáng)措施,以滿足動(dòng)車開行250 km/h要求。

3 軌道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

軌道加強(qiáng)方案需結(jié)合當(dāng)時(shí)工程施工進(jìn)度情況,以不產(chǎn)生廢棄工程或盡量減少廢棄工程為原則,因此軌道加強(qiáng)方案研究了達(dá)標(biāo)加強(qiáng)方案和適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)方案,簡要說明如下。

3.1 達(dá)標(biāo)加強(qiáng)方案

該方案根據(jù)《250公里暫規(guī)》進(jìn)行達(dá)標(biāo)加強(qiáng),但考慮到合武鐵路部分地段已經(jīng)鋪砟鋪軌,為了不引起廢棄,對已鋪砟鋪軌地段仍考慮維持一級(jí)道砟不變。具體如下。

軌枕：路基地段仍采用一般Ⅲ型無擋肩軌枕,橋梁和有砟隧道地段則建議采用彈性軌枕。

道床：對未鋪砟鋪軌的地段,按250 km/h的軌道標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì),即采用特級(jí)道砟,單線道床頂面寬度3.6 m,道床厚度35 cm,砟肩堆高15 cm；對已鋪砟、鋪軌地段,維持一級(jí)道砟不變,但按250 km/h標(biāo)準(zhǔn)對道砟進(jìn)行加厚加寬,即路基地段的道砟厚度由30 cm加厚到35 cm,單線道床頂面寬度由3.5 m增加到3.6 m,砟肩堆高為15 cm,補(bǔ)充的道砟采用一級(jí)道砟。

按達(dá)標(biāo)加強(qiáng)方案,軌道結(jié)構(gòu)可完全滿足《250公里暫規(guī)》的要求,確保旅客列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性,有利于行車安全,并減少運(yùn)營期間的養(yǎng)護(hù)工作量。但該方案存在以下問題：一是特級(jí)道砟在國內(nèi)已開采的道砟場中不多見,砟源供應(yīng)困難,如果采用特級(jí)道砟,從工期上可能不能滿足合武鐵路2008年底建成通車的需要；二是彈性軌枕目前還處于研究試用期,國內(nèi)還沒有彈性軌枕成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),如何在產(chǎn)品的采購、施工和驗(yàn)收過程中進(jìn)行質(zhì)量控制,存在著一定的不確定性。

3.2 適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)方案

立足合武鐵路已經(jīng)全面鋪軌、2008年底建成通車的實(shí)際情況,只能進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng),即：軌枕均維持一般Ⅲ型無擋肩軌枕不變；道床也維持原設(shè)計(jì)采用一級(jí)道砟,軌下道砟厚度由原30 cm加厚至35 cm,道床頂面寬度由3.5 m加寬至3.6 m。

該方案無廢棄工程、有利于施工、可操作性強(qiáng),并借鑒既有線提速250 km/h的工程經(jīng)驗(yàn),可滿足動(dòng)車組開行250 km/h要求,因此推薦了適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)方案。

4 曲線地段超高設(shè)置

合武鐵路在客貨共線的情況下,開通速度即要求達(dá)到250 km/h,進(jìn)一步加大了客車與貨車的速差,為了平衡客車的欠超高和貨車的過超高,對曲線地段的外軌超高設(shè)置難度更大。經(jīng)研究,超高設(shè)置在優(yōu)先滿足旅客舒適度要求,并兼顧貨物列車對鋼軌磨耗、減少養(yǎng)護(hù)維修工作量的原則前提下,按客車250 km/h、貨車120 km/h匹配設(shè)置超高較為合適。客車的欠超高均在良好范圍以內(nèi)(40 mm),貨車的最大過超高均小于“困難”條件下貨車允許過超高70 mm。見表5。

表5 客車250 km/h、貨車120 km/h超高設(shè)置

5 結(jié)論

合武鐵路的土建工程和四電工程施工圖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基本可滿足動(dòng)車組開通速度250 km/h的要求,但由于路基的基床厚度、工后沉降控制指標(biāo)在規(guī)范上存在一定的差異,路基的長期穩(wěn)定性需要在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。軌道結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)方面,推薦方案只是增加了道砟的厚度和寬度,道砟材質(zhì)仍維持一級(jí)道砟。由于一級(jí)道砟的抗沖擊、抗擠壓、抗磨耗等特性不如特級(jí)道砟,動(dòng)車按250 km/h開通后,會(huì)加速道砟的粉化,特別是橋梁、隧道等剛性基礎(chǔ)地段,未采用彈性軌枕,更會(huì)加速道砟的粉化,增加軌道維護(hù)工作量。因此在運(yùn)營過程中,應(yīng)加強(qiáng)對線路的監(jiān)控和檢測,對軟土地段路基及橋(涵)路過渡段路基,應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行沉降觀測,在今后的大修養(yǎng)護(hù)中,建議將一級(jí)道砟逐步更換成特級(jí)道砟,以持久保持線路的平順和行車安全。

[1]鐵建設(shè)[2005]285號(hào)，新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[2]鐵建設(shè)[2005]140號(hào)，《新建時(shí)速200～250 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[3]鐵集成[2008]148號(hào)，初期兼顧貨運(yùn)的客運(yùn)專線曲線超高設(shè)置指導(dǎo)意見[S].

[4]鐵建設(shè)[2006]189號(hào)，客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定[S].

[5]鐵建設(shè)[2007]76號(hào)，時(shí)速200～250 km有砟軌道鐵路工程測量指南(試行)[S].