既有線提速小半徑曲線平面改造方法研究

蔡君君

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

近年來，隨著鐵路運輸越來越體現(xiàn)出運量大、運輸穩(wěn)定等優(yōu)越性，客、貨運量的急劇膨脹，既有鐵路能力越來越難以滿足現(xiàn)代經濟發(fā)展的要求，這就給我國鐵路運能提出了更高的要求。為了解決運輸能力不足的問題，大部分鐵路擴能改造主要是通過對既有線的改造或者增建二線的方法來實現(xiàn)的。隨著鐵路修建技術的日益進步，我國新設計的鐵路技術標準要求更高，這就使得對既有線的擴能提速改造也是非常必要的。

既有線鐵路提速擴能改造主要有改建限速的小半徑曲線，改善平面的連接狀況，改建線路的坡度，繞避或整治地質病害路段，車站的設置等方法。結合“哈爾濱至漠河鐵路擴能改造工程”加格達奇至塔河段的方案研究，討論關于既有線提速改造中小半徑曲線平面改造方法的相關問題。

1 工程概述

加格達奇到塔河段鐵路隸屬于嫩林線的中段，嫩林線貫穿黑龍江省西北部和內蒙古自治區(qū)東北隅，該線從嫩江站起，向北經大楊樹、加格達奇、林海、塔河、樟嶺，至漠河縣站。線路所經地區(qū)為大興安嶺原始森林地帶，是國家主要木材產地之一，嫩林鐵路于1972年完成修建。對本線路進行擴能改造有助于黑龍江省西北部地區(qū)煤炭、木材等資源的利用，促進沿線地區(qū)經濟發(fā)展，并保障我國對俄口岸集疏運通道的暢達。

該段線路長為259.515 km，既有線為單線，共有曲線214個，共計約119.21 km，占線路長的45.94%。此段既有線小半徑曲線較多，最小曲線半徑為395 m，線路平面條件較差，平面需要進行改造。

2 既有線提速設計原則及思路

在進行提速改造工程設計工作之前，必須全面系統(tǒng)地研究和制定科學合理的設計改造原則、相關設計參數及主要技術標準，這是進行提速工程設計的前提條件和技術保證。制定標準時應符合安全適用、技術先進、標準適當、經濟合理的要求，綜合考慮站前、站后各專業(yè)的要求。

既有線提速改造的主要原則為［1-2］:在保證運輸安全、滿足運輸需要的前提下，盡量利用既有條件，防止大拆大改;對于危及行車安全的病害地段及受平面、縱斷面限制而不能滿足運輸要求的地段，必須改建;困難條件下，為減少改建工程，可采用《鐵路線路設計規(guī)范》中有關改建既有線的技術標準，不必強求與新建鐵路標準一致，但改線地段一般采用新建鐵路標準。困難條件下，如按規(guī)范中標準進行改建來改大半徑曲線引起巨大工程時，可經技術經濟比選合理的改建方案，以節(jié)約工程投資。

2.1 合理確定提速區(qū)段及速度目標值

根據經濟和社會發(fā)展需要，必須根據線路具體的技術條件和客流量大小合理確定全線的提速區(qū)段以及速度目標值。速度目標值應根據線路在路網中的地位、既有線的條件、沿線地形地質條件、改建工程量、與其他運輸方式的競爭力以及投資效益等因素進行綜合考慮［3］。

根據本區(qū)段運量水平及在路網中的地位和作用，加格達奇至漠河段按國鐵II級進行擴能改造設計，加格達奇至塔河區(qū)段單線擴能改造后可以滿足運量需求，提速至120 km/h，其他局部由于隧道改建困難等原因保持現(xiàn)狀90 km/h。

2.2 線路平面與縱斷面的改造設計

影響既有線提速的線路因素［4-6］主要有平面條件(曲線半徑、緩和曲線長度、夾直線及圓曲線長度和復線間線間距)、縱斷面條件(限制坡度、坡段長度及豎曲線等)、車站的設置及軌道、路基和橋梁等線路設備。其中，受工程投資、既有線路狀況等影響，一般提速改造中少動線路縱斷面，因此，既有線提速，主要從平面線形條件及線路設備等方面入手，在進行平面線形改造時，主要探討曲線改造。

根據本區(qū)段速度目標值的推薦研究意見，參照線路規(guī)范本路段旅客列車速度對應的最小曲線半徑為800 m，個別地段由于涉及隧道改建困難保留既有的600 m半徑曲線。因此，本段需要改造的小半徑曲線個數為87個，約49.9 km，占本段線路長度的19.2%，改造工程量較大。

2.3 綜合考慮施工過渡的影響［7］

在既有線的改造過程中，由于中斷行車、列車慢行以及施工運料的運輸等，影響了線路的通過能力和行車速度，造成了施工改造對運營的干擾。因此，在設計中應當充分考慮施工與運營的干擾問題并采取必要的措施。首先應當考慮施工的難易程度，盡量減少改建線與既有線的交叉，增建第二線時宜盡量減少與既有線的換側。改建線與既有線平面連接時，連接處的設計高程應盡量稍稍大于既有線的高程，以便能盡快接通正線，減少有干擾的作業(yè)時間。此外，施工時應盡量做好施工組織設計，一般情況下，盡量先施工新建線，再改建既有線，既有線的改建工作安排在新建線接通后進行。

3 線路平面改造技術措施

在既有線提速工程線路改造中，曲線改造是一個很重要的組成部分。因為曲線限制了行車速度，只有增大曲線半徑，才能提高列車速度。而在提速曲線改造中，涉及較多的是小半徑曲線和反向曲線，并且反向曲線兩端的切線還常常不平行，這也是曲線改造的一個難點。

既有線提速技術改造工程采用什么樣的設計方案和技術措施，直接影響改造工程規(guī)模、工程投資、施工過渡難易、對既有線行車干擾的大小以及提速技術經濟效果，根據以往提速工程實踐經驗和理論分析［7-10］，既有線提速改造技術措施主要有以下幾種，并在本區(qū)段提速改造研究中得到了很好的利用。

3.1 單個曲線改造

對于既有線的改造，小半徑曲線改造情況是最常見的，也是山區(qū)鐵路改造最多的項目。既有曲線半徑和緩和曲線不再適應提速改造后所在區(qū)(路)段速度目標值，在保證兩線線間距滿足要求的條件下，一般情況下只是一個曲線的改動，曲線改造通常采取增大曲線半徑或增加緩和曲線長度(如圖1所示，實線為既有線，虛線為改建線，下同)。

加格達奇至塔河段改造單個小半徑曲線約有11處，例如K193+200～K196+100段、K329+400～K330+300段、K339+500～K340+100段、K425+100～K428+000段等，主要采用圖1中的方法來改善平面條件。

設計時，雖然采用較長的緩和曲線可以減小超高順坡率，能夠增加旅客舒適度，但在既有線曲線優(yōu)化設計時，必須同時考慮緩和曲線和圓曲線的長度，緩和曲線不能太長，否則將減小圓曲線的長度，使客車同時跨越圓弧兩端的緩和曲線，影響行車平穩(wěn)。

在曲線半徑改造的過程中，往往還會遇到橋隧、涵洞等既有建筑物，為了不引起大的拆遷以節(jié)約投資，設計中應當考慮充分利用既有建筑物。此時可采用如圖2所示改造方式，增大曲線半徑的同時，保持曲線部分不動，而是使兩端切線側移。

圖1 增大曲線半徑改造單個小半徑曲線

圖2 固定曲線部分改造單個小半徑曲線

此外，對于單個曲線，當條件允許時，還可采取將小半徑曲線改為一對反向曲線(如圖3)或一對同向曲線的方式來進行改造，在本段工程的改造設計時，K281+800～K282+700段就采用了該方法來進行，但是要注意留有足夠的夾直線長度。

圖3 設置反向曲線改造單個小半徑曲線

3.2 同向曲線改造

對于同向曲線，在既有線提速改造時，往往將相鄰的兩個小半徑曲線采用一個大半徑曲線進行連接(圖4)，例如K396+300～K397+600段和K407+200～K408+200段;或者是通過平移切線來增加曲線半徑和夾直線的長度(圖5)，根據地形條件合理選擇宜向內側或者向外側進行改建。上述方法雖然改建工程量要稍大，但能較好地改善平面條件。

圖4 同向曲線改造為單個大半徑曲線

圖5 增大曲線半徑改造同向曲線

當既有鐵路存在復曲線時，如果不是在困難條件或者沒有充分技術經濟依據的前提下，一般要將復曲線進行改建。復曲線的存在增加了勘測設計、施工和養(yǎng)護維修的困難，降低了列車平穩(wěn)性和舒適度，因此，改建時盡量將復曲線改為單曲線，當改建引起巨大工程量時為了改善運營條件可采取增加中間緩和曲線等方法，在本段既有線改造工程中沒有復曲線。

3.3 反向曲線改造

在既有線提速小半徑曲線改造中，涉及較多的還有S曲線即反向曲線，并且反向曲線兩端的切線還往往不平行，這也是曲線改造中的一個難點。優(yōu)化反向曲線時，一般要使曲線半徑增大、夾直線長度增長并減小曲線偏角，優(yōu)化后設計曲線的圓曲線長度、夾直線長度需滿足規(guī)范要求。

設計反向曲線的半徑，應結合具體條件盡可能進行改造。對于反向曲線兩端無車站、橋梁等限制條件的，一般采取以公切線中點(或附近)為中心扭轉公切線，選配合適的曲線半徑，改造工程量及線路撥移量最省為宜(圖6)，此方法的缺點是對線路的運營和施工產生了干擾;對于反向曲線一端有橋梁或車站限制時，為保證橋梁或車站不改動，或者使改建工程對既有線運營盡可能不產生干擾，可以以其鄰近端為固定端，平移交點并扭轉公切線，選配適當的曲線半徑、緩和曲線、夾直線以及距橋梁、車站咽喉區(qū)距離等(圖7)，例如加格達奇至塔河段改造設計時K200+100～K201+400段、K229+200～K231+100段、K244+000～K246+500段等多處采用了該方法進行改造。

3.4 多個曲線改造

在山區(qū)鐵路中，由于以前投資和技術條件的限制，為了更好地適應地形條件，采用多組小半徑曲線連接，這給運營、維修以及后期提速改造帶來了很大的麻煩。在改建過程中，可以將曲線取直(圖8)或者將幾個小半徑曲線合并為大半徑曲線，減少曲線個數(圖9)，雖然這使得改造的工程量加大，但是改建效果明顯。例如本段工程中K218+100～K220+500段、K234+300～K237+400段和K298+700～K300+000段等處都采用了上述方法進行改造，在原有的基礎上使平面條件得到了很好的改善，從而適應本段提速的速度目標值，取得了良好的效果。

圖6 扭轉公切線法改造反向曲線

圖7 平移交點法改造反向曲線

圖8 取直法改造多個小半徑曲線

圖9 減少曲線個數改造多個小半徑曲線

對于曲線密布、毗連地段，往往曲線半徑、緩和曲線長、夾直線、圓曲線等平面技術參數相互關聯(lián)、相互制約和影響，若多個小半徑曲線路段改造困難時，一般還可以采取繞行的方式，避開不良地質區(qū)，并合理選配曲線線型，以使改造工程量最佳。

4 結語及體會

上述平面改造方法在哈漠改造工程加格達奇至塔河段方案研究中得到了充分靈活的運用，設計改造后線路平面能很好地滿足時速120 km的要求，運量也能達到遠期需求。小半徑曲線改造采用多大曲線半徑值和緩和曲線長度，應在滿足提速速度目標值條件和安全的前提下，設計方案充分體現(xiàn)對既有線運營影響小，工程量小，施工方便，工期短等設計原則。

既有線提速改造是一個復雜的系統(tǒng)工程，就線路平面而言，在實際運用過程中，常常遇到的情況很復雜，不能單一地使用某一種方法進行改造，而是要結合縱斷面改造進行綜合運用，因此要結合既有線的現(xiàn)狀，確定合理的標準參數，既要使其滿足鐵路運輸安全、便捷、舒適，而且要結合施工過渡，不致使工程量過大，文中各種措施也為今后的提速改造工程提供了可借鑒之處。

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