京廣線提速至200 km/h站前工程技術(shù)條件探討

蔣澤軍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 京廣線提速背景

20世紀(jì)中后期，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛采取了既有線提速改造和修建高速鐵路新線并重的策略，以提高鐵路競(jìng)爭(zhēng)能力。技術(shù)進(jìn)步使得發(fā)達(dá)國(guó)家的鐵路在交通運(yùn)輸市場(chǎng)中處于優(yōu)勢(shì)地位，在取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也取得了較好的社會(huì)效益，成為20世紀(jì)世界鐵路發(fā)展的潮流。法國(guó)TGV列車在既有線上的速度已達(dá)到200 km/h、貨運(yùn)列車120 km/h;德國(guó)對(duì)多條既有線進(jìn)行強(qiáng)化改造后，旅客列車速度達(dá)到160～200 km/h、貨運(yùn)列車120 km/h;日本對(duì)既有窄軌鐵路改造后，旅客列車最高速度達(dá)到160 km/h，東海道新干線希望號(hào)開(kāi)行后，動(dòng)車組速度提高到250 km/h。與此同時(shí)，國(guó)外高速鐵路已達(dá)到了最高速度300 km/h。

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)繼續(xù)保持較快增長(zhǎng)，通過(guò)1997年4月開(kāi)始的鐵路5次提速，鐵路取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，雖初步扭轉(zhuǎn)了鐵路客貨運(yùn)量在運(yùn)輸市場(chǎng)中逐步下滑的被動(dòng)局面，但與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求仍極不適應(yīng)。2004年1月7日，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)了《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》［1］，規(guī)劃中明確提出“為適應(yīng)全面建設(shè)小康社會(huì)的目標(biāo)要求，鐵路網(wǎng)要擴(kuò)大規(guī)模，完善結(jié)構(gòu)，提高質(zhì)量，快速擴(kuò)充運(yùn)輸能力，迅速提高裝備水平”。在此背景下，鐵道部決策實(shí)施第6次鐵路大提速，要求京廣線北京局管段竇店至保定、高邑至小康莊成區(qū)段提速至200 km/h，合計(jì)段落長(zhǎng)170 km。

將既有干線旅客列車提速至200 km/h，同時(shí)還要兼顧較大比重的貨物列車，挑戰(zhàn)空前。雖然我國(guó)鐵路通過(guò)5次提速，干線旅客列車速度已達(dá)到160 km/h，廣深線采用擺式列車速度也達(dá)到了200 km/h，但擺式列車提速由于旅客舒適度滯后以及擺式列車技術(shù)引進(jìn)等原因而不能大面積推廣。將繁忙干線提速至200 km/h當(dāng)時(shí)處于無(wú)“設(shè)計(jì)規(guī)范”可循的局面。

鐵道部2003年10月21日發(fā)布了《新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函［2003］439號(hào))［2］其中部分標(biāo)準(zhǔn)可以在既有線提速中參照;而《既有線提速200 km/h技術(shù)條件》仍處于研究階段，鐵道部尚未定稿發(fā)布。針對(duì)現(xiàn)實(shí)狀況，這就要求京廣線提速相關(guān)設(shè)計(jì)人員要分析研究有關(guān)“提速技術(shù)條件”，并須報(bào)經(jīng)鐵道部批復(fù)后方能在本線執(zhí)行。

在京廣線北京局管段提速至200 km/h的設(shè)計(jì)中，選用“技術(shù)先進(jìn)、成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的站前工程技術(shù)條件”正是本文的目的所在。

2 研究的內(nèi)容與方法

2.1 站前工程主要技術(shù)條件研究?jī)?nèi)容

京廣線提速主要技術(shù)條件中線路、軌道方面包括:最小曲線半徑、緩和曲線長(zhǎng)、夾直線及最小圓曲線長(zhǎng)度、曲線超高、線間距、最小坡段長(zhǎng)度、豎曲線半徑、軌道結(jié)構(gòu)等;路基包括:橫斷面結(jié)構(gòu)、基床強(qiáng)度、軟弱路基處理、路橋過(guò)渡段等;橋涵包括:設(shè)計(jì)荷載、橋梁剛度、橋梁的改造加固等;站場(chǎng)包括:站場(chǎng)布置、客運(yùn)設(shè)施、站內(nèi)道岔、安全措施等等。

2.2 研究方法

通過(guò)運(yùn)用前5次鐵路提速的經(jīng)驗(yàn)以及鐵科院一系列提速試驗(yàn)結(jié)論，對(duì)比《新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》技術(shù)條件［2］，參照國(guó)外有關(guān)提速、高速建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)京廣線站前工程主要技術(shù)條件進(jìn)行分析研究。

3 京廣線提速站前工程主要技術(shù)條件的分析研究

3.1 線路、軌道

3.1.1 最小曲線半徑

選用最小曲線半徑一般3 500 m，困難條件下2 800 m，這與《新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(以下簡(jiǎn)稱“《新建線暫規(guī)》”)［2］一致，可以直接采用執(zhí)行。

而既有線未改造地段最小保留半徑選擇2 500 m還是2 200 m的曲線，各方面爭(zhēng)議較大。理論計(jì)算半徑2 200 m曲線，旅客列車以時(shí)速200 km通過(guò)，考慮現(xiàn)有的貨物列車以時(shí)速70 km通過(guò)時(shí)，過(guò)超高將達(dá)到80 mm，此項(xiàng)數(shù)值過(guò)大造成鋼軌磨耗嚴(yán)重，對(duì)養(yǎng)護(hù)維修不利;對(duì)比國(guó)內(nèi)外資料［2，4］，雖然有半徑2 200 m曲線運(yùn)行時(shí)速200 km的列車，但其線路上低速度的列車也都在時(shí)速100 km以上，速差相對(duì)小，這與我國(guó)的繁忙干線貨物列車速度約70 km/h有較大的不同。上述分析表明保留半徑2 200 m曲線不可取。

既有線未改造地段若保留半徑2 500 m的曲線，在考慮國(guó)內(nèi)現(xiàn)有貨車速度還較低的條件下，通過(guò)時(shí)速200 km的旅客列車，曲線超高基本在限制范圍內(nèi)，結(jié)合日本東海道新干線最小曲線半徑為2 500 m的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，分析認(rèn)為既有線未改造地段保留2 500 m曲線是合適的。

3.1.2 緩和曲線長(zhǎng)度

緩和曲線長(zhǎng)度主要由以下三因素決定:(1)緩和曲線上伴隨著超高量的變化，車體和轉(zhuǎn)向架的平面構(gòu)造特性可能使車輪產(chǎn)生三點(diǎn)支撐而一點(diǎn)懸浮的情況，這是必須予以控制的現(xiàn)象，從而保證列車對(duì)脫軌的安全性要求，以此求得的保證列車安全性所需的緩和曲線長(zhǎng)度一般較短，此項(xiàng)超高順坡率因素已不是提速的控制條件;(2)客貨共線滿足欠超高時(shí)變率條件的緩和曲線長(zhǎng)度，一般都小于滿足超高時(shí)變率條件的緩和曲線長(zhǎng)度，因此，此因素也不是提速的控制條件;(3)顯然對(duì)應(yīng)于乘車舒適度的超高時(shí)變率，在時(shí)速200 km的線路上成為主要控制因素。

借鑒日本東海道新干線超高時(shí)變率的乘車舒適度目標(biāo)值為0.03g/s=超高時(shí)變率45 mm/s［3］;法國(guó)140～160 km/h Ⅰ級(jí)干線超高時(shí)變率40 ～60 mm/s［4］。本次提速京廣線超高時(shí)變率按困難地段控制定為45 mm/s，對(duì)應(yīng)的超高順坡率為1/(8Vmax)，以此控制緩和曲線長(zhǎng)度是安全的，舒適度也是適中的，最終被選用。例如半徑2 800 m曲線，緩和曲線長(zhǎng)定為一般180 m、困難條件150 m，雖然略低于新線標(biāo)準(zhǔn)，但在既有線提速中選用，既節(jié)省了工程投資，又照顧到安全性和旅客舒適度方面的要求，技術(shù)條件適宜。

3.1.3 夾直線及圓曲線最小長(zhǎng)度

曲線改造地段:一般最小長(zhǎng)度為0.7Vmax，困難條件0.5Vmax，與《新建線暫規(guī)》取用一致，直接采用執(zhí)行即可。

特殊困難條件下是否采用0.4Vmax，需要進(jìn)一步論證。此項(xiàng)技術(shù)條件的規(guī)定是與車輛轉(zhuǎn)向架彈簧振動(dòng)消失時(shí)間有關(guān)的一項(xiàng)控制數(shù)值，其目標(biāo)主要是保證車輛通過(guò)圓曲線或夾直線兩端緩和曲線時(shí)，為避免車輛后軸在緩和曲線終點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)，與車輛前軸在另一緩和曲線起點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)產(chǎn)生疊加現(xiàn)象發(fā)生，這是一個(gè)保證列車平穩(wěn)運(yùn)行以滿足旅客舒適度要求的技術(shù)條件。

我國(guó)前5次提速實(shí)施過(guò)程中，特殊條件時(shí)個(gè)別情況下，保留了20 m夾直線及圓曲線最小長(zhǎng)度。我國(guó)車輛彈簧振動(dòng)周期一般是1.12 s，振動(dòng)基本在1個(gè)周期內(nèi)消失，有關(guān)研究表明夾直線及圓曲線最小長(zhǎng)度Lj≥τVmax而 τ≈0.4［4］;有關(guān)資料表明國(guó)外提速線路 Lj一般是(0.6～0.4)Vmax。京廣線提速保留地段僅為個(gè)別地段，為節(jié)省投資綜合考慮，夾直線及圓曲線最小長(zhǎng)度對(duì)于既有線保留地段，困難條件下確定采用0.4Vmax是合理的，但在設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格掌握，不得連續(xù)設(shè)置。

3.1.4 曲線最大超高、過(guò)超高、欠超高

(1)曲線最大超高

曲線最大超高值是由低速行駛由于風(fēng)力造成車輛傾斜或停車等的安全性，停車或慢行時(shí)旅客舒適度，軌道側(cè)磨耗和軌道橫向穩(wěn)定主要幾個(gè)因素確定的。

我國(guó)I級(jí)干線規(guī)定最大超高為150 mm［6］，德國(guó)一般規(guī)定V＞160 km/h最大超高為160 mm［5］，日本東海道新干線V=210 km/h時(shí)最大超高為180 mm［8］。本次京廣線提速后貨運(yùn)比重仍較大，綜合過(guò)超高、欠超高等技術(shù)條件，將曲線最大超高定為150 mm較為合適。

(2)過(guò)超高

客貨共線鐵路上過(guò)超高允許值主要由貨運(yùn)列車運(yùn)行時(shí)鋼軌側(cè)磨條件控制，提速后貨車行駛條件沒(méi)有發(fā)生根本的變化，可直接采用2002年10月4日鐵道部發(fā)布的《既有線提速技術(shù)條件》(鐵科技［2002］76號(hào))(V=160 km/h)的規(guī)定，過(guò)超高允許值一般地段50 mm，困難地段70 mm。

(3)欠超高

客貨共線鐵路上欠超高允許值主要由旅客舒適度和列車安全運(yùn)行控制，在第5次提速中，一般地段90 mm，困難地段110 mm，采用上述數(shù)值，國(guó)內(nèi)鐵科院有關(guān)實(shí)測(cè)資料表明輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪對(duì)橫向作用力均小于安全限值。本次提速將采用動(dòng)車組運(yùn)行，對(duì)比日本東海道新干線提速后，欠超高采用了110 mm［8］;世界鐵路聯(lián)盟 UIC703R 建議的 V=120～200 km/h時(shí)，欠超高標(biāo)準(zhǔn)值100 mm，最大120 mm。綜合考慮京廣線提速至200 km/h地段欠超高允許值確定為:“一般地段90 mm，困難地段110 mm”是可以接受的，研究予以采用。

3.1.5 線間距

執(zhí)行《新建線暫規(guī)》區(qū)間的線間距為4.4 m，此間距已充分考慮了各種車輛的交會(huì)條件，可直接采用。

3.1.6 線路縱斷面

《新建線暫規(guī)》規(guī)定:“坡段長(zhǎng)度一般地段600 m，困難條件下不小于400 m，且連續(xù)使用時(shí)不得超過(guò)2個(gè);坡度代數(shù)差大于1‰，設(shè)半徑15 000 m的豎曲線”。由于京廣線北京局提速區(qū)段較為平坦，現(xiàn)狀限坡4‰，縱斷面改動(dòng)相對(duì)較小，研究后認(rèn)為執(zhí)行《新建線暫規(guī)》規(guī)定即可。

3.1.7 軌道

借鑒鐵路第5次提速經(jīng)驗(yàn)，考慮采用動(dòng)車組運(yùn)行，輪重相對(duì)減輕，但速度提高到了200 km/h，研究提出“正線采用60 kg/m跨區(qū)間無(wú)縫線路、Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕1 667根/km鋪設(shè)、彈條II型扣件、一級(jí)道砟、正線道岔采用60 kg/m鋼軌可動(dòng)心軌道岔”。日本1964年開(kāi)通的東海道新干線采用的是53 kg/m鋼軌，1981年才更換為60 kg/m鋼軌［8］;歐洲各國(guó)鐵路考慮大型機(jī)械養(yǎng)護(hù)條件，軌枕普遍采用的是1 667根/km［7］。軌道是提速的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)比國(guó)內(nèi)外有砟軌道的技術(shù)條件，研究認(rèn)為提速區(qū)段采用上述技術(shù)條件是滿足要求的。

3.2 路基

既有線提速路基工程技術(shù)條件主要是基床、路橋過(guò)渡段。

3.2.1 基床處理

分析認(rèn)為基床厚度可執(zhí)行我國(guó)I級(jí)干線標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比認(rèn)為德國(guó)鐵路基床厚度1.8 m［9］，日本新干線基床厚度3.0 m［8］，我國(guó)鐵路I級(jí)干線取用2.5 m基床厚度是適中的。

對(duì)于基床表層當(dāng)基本承載力小于0.18 MPa應(yīng)予以加固;基床底層當(dāng)基本承載力小于0.15 MPa也應(yīng)予以加固。參照京秦線提速改造科研成果，采用水泥土擠密樁技術(shù)、局部注漿技術(shù)處理路基，以達(dá)到路基承載力的要求。結(jié)合本線的路基勘探成果，僅極個(gè)別路基段落需要采取措施。

3.2.2 路橋、路涵過(guò)渡段

鐵路前5次提速改造中，對(duì)路橋、路涵過(guò)渡段路基基本沒(méi)有處理。試驗(yàn)資料表明，提速至200 km/h路橋、路涵過(guò)渡段對(duì)行車的平穩(wěn)性、軌道結(jié)構(gòu)、車輛結(jié)構(gòu)、旅客舒適度等有較大的影響。

日本新干線橋臺(tái)后路基采用了特殊優(yōu)質(zhì)填料、補(bǔ)強(qiáng)混凝土、混凝土過(guò)渡搭板等過(guò)渡技術(shù)，一般處理長(zhǎng)度是10～20 m［8］，較好地解決了不同路基剛度的過(guò)渡。

本次京廣線提速提出采用水泥土擠密樁技術(shù)解決路橋、路涵過(guò)渡，路橋過(guò)渡段長(zhǎng)度不小于20 m，路涵過(guò)渡段長(zhǎng)度不小于15 m，加固長(zhǎng)度按《新建線暫規(guī)》的公式計(jì)算確定。

3.3 橋涵

3.3.1 荷載

分析表明:客貨共線鐵路當(dāng)采用動(dòng)車組車輛提速至200 km/h運(yùn)行時(shí)，動(dòng)車組活載不控制設(shè)計(jì)，仍為貨車荷載控制，故設(shè)計(jì)采用中-活載并考慮各種附加力以及特殊荷載組合。

3.3.2 橋梁剛度

鐵科院研究表明提速區(qū)段橋梁剛度是硬指標(biāo)，其剛度限值綜合反映在《新建線暫規(guī)》中，由于橋梁是提速的關(guān)鍵設(shè)施，故對(duì)橋梁的豎向撓度、墩臺(tái)的橫向位移等限值均執(zhí)行《新建線暫規(guī)》。

具體措施包括:對(duì)不滿足要求的鋼板梁采用混凝土梁更換;對(duì)混凝土分體式橋梁采用預(yù)應(yīng)力橫向加固措施;對(duì)于無(wú)支座以及平板橡膠支座的橋梁均采取加設(shè)橫向限位措施;對(duì)于輕型墩臺(tái)均采用包打墩臺(tái)方法予以補(bǔ)強(qiáng)剛度。

3.3.3 線間距由4.0 m撥移為4.4 m橋梁改造

由于時(shí)速200 km地段，線間距須撥移至4.4 m，橋梁須相應(yīng)改造。對(duì)于梁橋，一般墩臺(tái)采用鋼筋混凝土預(yù)加寬;基礎(chǔ)采用旋噴樁、挖孔樁預(yù)加固;結(jié)合線路要點(diǎn)施工一并撥移梁部結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案。

采用頂進(jìn)框架結(jié)構(gòu)預(yù)先取代原有的部分病害橋涵，是通過(guò)5次提速后形成的可靠技術(shù);對(duì)于既有部分框架橋，由于線路撥移后橋上線路位置發(fā)生變化，經(jīng)檢算強(qiáng)度不足的部分結(jié)構(gòu)，也可采用碳纖維或補(bǔ)貼鋼板結(jié)構(gòu)的技術(shù)予以加固。

3.4 站場(chǎng)

站場(chǎng)除執(zhí)行站場(chǎng)一般設(shè)計(jì)規(guī)范外，主要是按200 km/h的行車要求對(duì)站場(chǎng)進(jìn)行改造。

3.4.1 站場(chǎng)布置

對(duì)正線采用12號(hào)還是18號(hào)可動(dòng)心軌道岔進(jìn)行比較分析，雖然18號(hào)道岔側(cè)向通過(guò)速度可以提高30 km/h，對(duì)全線通過(guò)能力有所提高，但咽喉區(qū)改造影響范圍大，引起征地拆遷投資費(fèi)用增加較多;考慮到未來(lái)規(guī)劃的京廣線高速鐵路建成后，既有線貨運(yùn)比重較大的運(yùn)輸狀態(tài)，研究認(rèn)為正線全部更換為12號(hào)60 kg/m鋼軌可動(dòng)心軌道岔。

關(guān)于安全行車的站內(nèi)作業(yè)應(yīng)予以強(qiáng)化。站內(nèi)正線平縱斷面、軌道、路基技術(shù)條件與區(qū)間相同;對(duì)于站內(nèi)線間距:正線線間距一般采用5.0 m;正線與有技術(shù)作業(yè)的到發(fā)線間距6.5 m、困難條件下5.5 m，與無(wú)作業(yè)的到發(fā)線間距5.0 m;正線與牽出線間距(設(shè)防護(hù)柵欄)一般7.0 m、困難條件6.5 m，與其他線間距5.0 m。根據(jù)上述條件站場(chǎng)相應(yīng)調(diào)整平面布置。

3.4.2 安全設(shè)施

考慮時(shí)速200 km的行車狀態(tài)，相應(yīng)的安全設(shè)施應(yīng)予以配套。除到發(fā)線外，其他線路與正線銜接時(shí)，在銜接處線路前方設(shè)置安全線或其他隔開(kāi)設(shè)備;有調(diào)車作業(yè)的中間站設(shè)置牽出線，采用平行進(jìn)路、安全線或其他隔開(kāi)設(shè)備與正線隔開(kāi)。與通過(guò)列車相鄰的同向到發(fā)線設(shè)于1.0‰以上的下坡道時(shí)，為防止車輛意外侵入正線，在到發(fā)線下坡方向末端設(shè)置安全線或其他隔開(kāi)設(shè)備。

鄰靠正線的站臺(tái)，與正線間設(shè)置柵欄防護(hù)，站臺(tái)邊緣至柵欄間距不小于2.0 m。

4 結(jié)論

京廣線北京局管段提速區(qū)段2005年6月完成施工圖設(shè)計(jì)，2006年底施工改造完成，2007年4月18日正式開(kāi)行時(shí)速200 km的和諧號(hào)動(dòng)車組。

運(yùn)營(yíng)至今，京廣線改造后的技術(shù)設(shè)備均經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。但是本線還是存在一些不足，比如:由于本線每天開(kāi)行多達(dá)114對(duì)客貨運(yùn)列車，且由于本線5 000 t級(jí)貨物列車比重大，使得軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的保持較為困難，與同期運(yùn)營(yíng)的石太客運(yùn)專線相比，旅客乘車舒適度相對(duì)略低。

提速區(qū)段至今已安全運(yùn)行4年，運(yùn)營(yíng)表明京廣線最初確定的主要技術(shù)條件基本上是合理可行的，一些技術(shù)條件值得總結(jié)借鑒。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃［Z］.北京:中華人民共和國(guó)鐵道部，2004.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)［2003］439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］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵科技［2002］76號(hào) 既有線提速技術(shù)條件(V－160 km/h試行)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

［4］鐵道部科學(xué)技術(shù)司.既有線提速200km/h技術(shù)條件(征求意見(jiàn)稿)［Z］.北京:鐵道部科學(xué)技術(shù)司，2004.

［5］范華，徐學(xué)東，高亮.德國(guó)既有線提速的關(guān)鍵技術(shù)及啟示［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(12):4-7.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.GB50090—2006 鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

［7］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10082—2005 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

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