蕭甬線線路平縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

吳勇鋒 上海鐵路局工務(wù)處

蕭甬線西起蕭山站，東至寧波站，雙線運(yùn)營(yíng)，延長(zhǎng)291.774 km，線路等級(jí)Ⅰ級(jí)；正線道岔156組，正線曲線226條/78.299 km，最大曲線半徑4 000 m，最小曲線半徑400 m，全線P60區(qū)間無(wú)縫線路，以Ⅱ型混泥土軌枕為主，線路最大坡度11.9‰；橋梁總數(shù)327座，其中特大橋2座，大橋4座，中橋39座，涵渠252只。線路平縱斷面主要病害有：曲線未被平衡欠超高困難或超高順坡率困難185條曲線，其中由于提速原因造成的有127條曲線，同時(shí)存在未被平衡欠超高困難和超高順坡率困難35條曲線；緩和曲線不足的曲線有98條；兩相鄰曲線夾直線長(zhǎng)度不滿足行車(chē)?yán)щy條件的有55處，曲線超高順坡終點(diǎn)距道岔的夾直線長(zhǎng)度不足的情況有9條；縱斷面坡段長(zhǎng)度不滿足最小坡段長(zhǎng)度有58處；石碴厚度不足的有碴橋梁有28座；縱斷面豎曲線與緩和曲線重疊的情況有59處。

上下行K19.800-K66.500和上下行K88.150-K109.000兩個(gè)區(qū)段按最高速度140 km/h進(jìn)行提速；上下行K109.000-K131.800按最高速度160km/h進(jìn)行提速；在開(kāi)通動(dòng)車(chē)組和提速之前，曲線超高調(diào)整，延長(zhǎng)緩和曲線、夾直線長(zhǎng)度及改善線型等進(jìn)行優(yōu)化；更換無(wú)縫道岔；平改立遺留的人行過(guò)道及道口強(qiáng)化改造；全線291km正線道床補(bǔ)充適量道碴進(jìn)行大機(jī)起整作業(yè)，縱斷面優(yōu)化改善；并對(duì)全線有病害的橋梁進(jìn)行加固修復(fù)。

1 曲線外業(yè)測(cè)量

外業(yè)勘查工作質(zhì)量的好壞，將直接影響到線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量。外業(yè)勘查工作要全面了解和掌握將要施工的線路平面、縱斷面、分界點(diǎn)、線路設(shè)備、橋隧等其它設(shè)備的詳細(xì)情況，取得足夠的可靠的原始資料，供設(shè)計(jì)時(shí)使用?，F(xiàn)以線路平面曲線的測(cè)量為例，曲線測(cè)量方法通常采用正矢法、矢距法、偏角法及極坐標(biāo)法等，這些方法已不能滿足提速改造及日常高速動(dòng)態(tài)養(yǎng)護(hù)要求。坐標(biāo)法是一種方法簡(jiǎn)單，行車(chē)干擾少，安全可靠的精確測(cè)量方法。

圖 1 曲線測(cè)量示意圖

現(xiàn)場(chǎng)建立臨時(shí)導(dǎo)線點(diǎn)，用已知方位角法建站（見(jiàn)圖1），置鏡 J1，以 J1 為坐標(biāo)（ 0，0），后視 J0，設(shè)定方位角 90-00-00 建站完成。在筆記本上記清楚測(cè)量順序是順里程還是逆里程，測(cè)點(diǎn)是左股還是右股，現(xiàn)場(chǎng)曲線走向示意圖，作業(yè)里程，線別，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)。司鏡：要求掃描3～5個(gè)點(diǎn)歸方向一次，銳角歸方向于J0，角度相差大于3"，要求重新建站。掃描到點(diǎn)12，測(cè)J2點(diǎn)，要求兩個(gè)測(cè)回重復(fù)測(cè)J2點(diǎn)，轉(zhuǎn)鏡。置鏡J2，置鏡點(diǎn)號(hào)為13號(hào)，輸入點(diǎn) J2的測(cè)量坐標(biāo)，后視點(diǎn) J1坐標(biāo)（0，0），后視 J1點(diǎn)讀數(shù)，記下方位角度。轉(zhuǎn)鏡完成，掃描點(diǎn)12，與前一鏡子讀數(shù)相差5 mm（X、Y值）以上要求返工。

曲線外業(yè)測(cè)量，不僅要準(zhǔn)確測(cè)量曲線平面坐標(biāo)，還要測(cè)量影響曲線優(yōu)化施工的線路設(shè)備坐標(biāo)，遇到特征點(diǎn)必須要加點(diǎn)（供電立柱、道岔岔首、岔尾、橋梁、道口、公里牌等），道岔離曲線300 m之內(nèi)，都要求測(cè)。測(cè)點(diǎn)1至5間距為200～300 m，點(diǎn)4避開(kāi)鵝頭，作為定基線點(diǎn)，測(cè)量一個(gè)曲線范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)要求有兩個(gè)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)百米樁或公里牌對(duì)應(yīng)，直線上點(diǎn)間距要求50 m左右，曲線上點(diǎn)間距要求20 m左右，所有測(cè)點(diǎn)無(wú)須拉鏈，在跑尺之前用油漆在軌腰處標(biāo)注好，建議測(cè)點(diǎn)放在靠路肩的一股。夾直線長(zhǎng)度短時(shí)要求至少測(cè)量4個(gè)點(diǎn)，以便擬合曲線時(shí)選擇最佳方向。曲線上四大樁要求必須測(cè)。若兩個(gè)曲線夾直線長(zhǎng)度小于400 m的要求聯(lián)測(cè)，夾直線上定基線的測(cè)點(diǎn)的選擇須避開(kāi)大方向或"鵝頭"。

2 曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 超高調(diào)整

在線路曲線地段，因列車(chē)沿曲線運(yùn)行所產(chǎn)生的離心力，使外股鋼軌承受較大壓力，旅客感覺(jué)不舒服，離心力過(guò)大還將影響行車(chē)安全。為抵消離心力的作用，需要將外股抬高，即設(shè)置超高。

式中：H--超高（ mm）；

vj--平均速度（ km/h）；

R--曲線半徑（m）；

Ni--一晝夜各類(lèi)列車(chē)次數(shù)（列）；

Qi--各類(lèi)列車(chē)重量（ t）；

Vi--實(shí)測(cè)各類(lèi)列車(chē)速度（km/h）；

按上式算出后，對(duì)未被平衡欠超高和未被平衡過(guò)超高分別按下列公式檢算：

式中：H--實(shí)設(shè)超高（ mm）；

Hc--未被平衡欠超高（mm）；

Hg--未被平衡過(guò)超高（mm）；

vmax--線路允許速度（ km/h）；

vh--貨物列車(chē)平均行車(chē)速度（km/h）；

未被平衡欠超高太大會(huì)降低旅客乘車(chē)的舒適度，甚至影響行車(chē)安全。但實(shí)設(shè)超高過(guò)大，在緩和曲線內(nèi)順不完，或者超高在緩和曲線內(nèi)順坡坡度太大，引起行車(chē)穩(wěn)定性不良；在客貨混跑的既有線，又要兼顧未被平衡過(guò)超高；因此曲線超高需要一個(gè)合理的設(shè)置。

按規(guī)范要求：未被平衡欠超高不大于75 mm，困難地段不大于90 mm；未被平衡過(guò)超過(guò)不大于30 mm，困難情況下不大于50 mm。曲線超高順坡率應(yīng)能夠滿足：允許速度大于120 km/h的線路，順坡坡度不應(yīng)大于1/(10 Vmax)；困難條件下不大于1/(8 Vmax)。如緩和曲線長(zhǎng)度不足，順坡可以延伸至直線上，允許速度為120 km/h(不含)～160 km/h的線路，在直線上順坡的超高不大于8 mm。

按站段現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，未被平衡欠超高和順坡率不同時(shí)出現(xiàn)以上所述中的困難條件。

表1 曲線緩和曲線長(zhǎng)度與超高調(diào)整

以上行K32+349～K32.615曲線為例，如表1所列：R-曲線半徑（ m），H-實(shí)設(shè)超高（ mm），l0-緩和曲線長(zhǎng)度（ m），L-曲線全長(zhǎng)（m），Hg-未被平衡過(guò)超高（mm），過(guò)超高以貨物列車(chē)運(yùn)行速度80km/h檢算，I-順坡倍，Bmax-線路最大撥量（mm）。本設(shè)計(jì)超高順坡在緩和曲線內(nèi)順完，順坡率i=H/l0，由此轉(zhuǎn)化可以得出，I=1 000×l0/（H×Vmax）。既有曲線行車(chē)條件良好，提速目標(biāo)與區(qū)間允許速度140 km/h一致；方案二通過(guò)超高調(diào)整就可以達(dá)到目標(biāo)，不過(guò)未被平衡欠超高困難。而方案一通過(guò)超高調(diào)整，再延長(zhǎng)緩和曲線長(zhǎng)度20 m，線路最大撥道量60 mm，施工切實(shí)可行的，現(xiàn)場(chǎng)也沒(méi)有影響到其它設(shè)備，因此，方案一為首選方案。

曲線超高調(diào)整一般結(jié)合延長(zhǎng)緩和曲線同步進(jìn)行，通過(guò)曲線超高調(diào)整，解決了欠超高大于75 mm困難條件的曲線有158條，超高順坡率大于1/（10 Vmax）困難條件有82條。

2.2 延長(zhǎng)夾直線長(zhǎng)度

車(chē)輛通過(guò)夾直線及兩端超高順坡地段時(shí)，在前一個(gè)順坡地段產(chǎn)生的振動(dòng)，應(yīng)在進(jìn)入后一個(gè)順坡地段前消失，避免振動(dòng)重疊。因此兩超高順坡終點(diǎn)間的直線段過(guò)短，會(huì)影響過(guò)渡時(shí)行車(chē)的平穩(wěn)性。反向曲線與同向曲線相比，所承受外力的情況比較復(fù)雜，軌道幾何尺寸比同向曲線難于保持。圓曲線與夾直線最小長(zhǎng)度要求一樣，滿足表2的要求。

表2 圓曲線或夾直線最小長(zhǎng)度

在具體曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)中，會(huì)經(jīng)常遇到反向曲線。相鄰兩線在車(chē)站兩端、站內(nèi)和橋隧地段利用反向曲線變更線間距時(shí)，一般曲線半徑都較大，曲線偏角也較小。延長(zhǎng)夾直線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)圖2)。

圖 2 反向曲線示意圖

(1)圖 2（ a） 反向曲線的類(lèi)型，以下行 K 114+453～K 114+600反向曲線為例，夾直線長(zhǎng)度為67 m，不滿足表2中160 km/h允許速度下夾直線長(zhǎng)度大于80 m的困難要求，既有曲線要素：R-4 000 m，無(wú)緩和曲線。以?shī)A直線中點(diǎn)為轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使夾直線長(zhǎng)度為82.96 m，在設(shè)置曲線JD1和JD2時(shí)，曲線半徑取值盡量相等，R取9 000 m，不設(shè)緩和曲線。最大撥道量為83/-83 mm，兩曲線撥量相反，使工作量最小，優(yōu)化后的曲線滿足160 km/h允許速度下困難的行車(chē)條件。

(2)圖2（b）反向曲線除了要旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度以外，還要控制曲線超高順坡終點(diǎn)與正線道岔之間的直線長(zhǎng)度，線路允許速度為120km/h（不含）～160km/h時(shí)不應(yīng)小于40m。在設(shè)計(jì)擬合時(shí)，先把鄰近控制點(diǎn)的曲線交點(diǎn)移至JD1'，再旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。這種情況的反向曲線改造，撥量往往較大，外業(yè)測(cè)量時(shí)要做好路肩寬度，橋梁偏心情況，道岔，供電立柱限界及線間距等勘測(cè)。

(3)圖2（c）反向曲線中兩個(gè)曲線要素相差較大，一般是"喇叭口"的情況，兩個(gè)曲線偏角有差別，這種情況需結(jié)合超高設(shè)置，緩和曲線長(zhǎng)度的檢算，延長(zhǎng)夾直線長(zhǎng)度時(shí)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制點(diǎn)靈活處理，根據(jù)需要曲線交點(diǎn)單邊移動(dòng)亦可。

既有線夾直線長(zhǎng)度不足的情況五花八門(mén)，并不能以幾種理想的類(lèi)型加以概括。以站段現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，曲線改造時(shí)，兩相鄰曲線間，尤其在反向曲線間，考慮在曲線撥移工程量允許條件下，盡量設(shè)置較長(zhǎng)的夾直線。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，優(yōu)化解決了有夾直線長(zhǎng)度不足病害的曲線28處，曲線超高順坡終點(diǎn)距道岔的夾直線長(zhǎng)度不足的情況有4條。

2.3 延長(zhǎng)緩和曲線長(zhǎng)度及曲線半徑的選配

曲線的構(gòu)造無(wú)論是外股超高還是圓曲線的曲率都不可能突然進(jìn)行的，均由直線與圓曲線之間的緩和曲線完成的。在緩和曲線范圍內(nèi)，其半徑由無(wú)限大漸變到圓曲線半徑，從而使車(chē)輛產(chǎn)生的離心力逐漸增加，有利于行車(chē)平穩(wěn)；并且外軌超高由零遞增到需要的超高量，使向心力逐漸增加，與離心力的增加相配合。

在既有線改造中，緩和曲線長(zhǎng)度和曲線半徑的選用，既要滿足既有曲線行車(chē)的要求，又要使其撥量最小。在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)做到：

(1)考慮曲線超高順坡的條件，優(yōu)先選用緩和曲線。緩和曲線是一條空間曲線，情況復(fù)雜，采用較長(zhǎng)的緩和曲線可以減小超高順坡率，能夠增加旅客舒適度。

(2)緩和曲線長(zhǎng)度的選擇必須同時(shí)考慮圓曲線的長(zhǎng)度，不能延長(zhǎng)緩和曲線太長(zhǎng)，否則將減小圓曲線的長(zhǎng)度，使客車(chē)同時(shí)跨越圓曲線兩端的緩和曲線，影響行車(chē)的平穩(wěn)性。

(3)現(xiàn)場(chǎng)的情況往往很復(fù)雜，受制于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的限制而不能同時(shí)延長(zhǎng)兩端緩和曲線長(zhǎng)度，為滿足緩和曲線長(zhǎng)度的要求，可以采用不等長(zhǎng)緩和曲線長(zhǎng)度。

優(yōu)化設(shè)計(jì)延長(zhǎng)了緩和曲線67條。

3 縱斷面設(shè)計(jì)

線路大修的縱斷面設(shè)計(jì)是在既有線原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行，修正和改善原有縱斷面上不符合技術(shù)要求的部分。因此，縱斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，必然會(huì)受到原有建筑物的嚴(yán)格限制，車(chē)站內(nèi)的天橋、上跨立交、站臺(tái)及隧道等建筑凈空的限制，道口、有碴橋石碴厚度、明橋面及道岔區(qū)等設(shè)備控制點(diǎn)的限制，一般來(lái)說(shuō)是不能隨意抬道或落道的。為線路大機(jī)起整施工用的線路縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)，又區(qū)別于線路大修清篩的拉坡設(shè)計(jì)。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)做好大機(jī)起整縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)，原則上不能落道，理想是平均抬道20～50 mm，個(gè)別點(diǎn)有落道的，組織人工進(jìn)行扒碴落道，落道工作量不能太大。

(2)豎曲線線型有拋物線和圓曲線兩種，為了減少工作量，采用與原設(shè)計(jì)相同的線型。為降低養(yǎng)護(hù)維修難度和工作量，豎曲線不得與豎曲線、緩和曲線重疊，也不得進(jìn)入道岔及無(wú)碴橋梁上。如遇到豎曲線進(jìn)入道岔區(qū)等設(shè)備時(shí)，可以采用不同類(lèi)型的豎曲線和技術(shù)參數(shù)，選用最合理的方案。豎曲線半徑應(yīng)根據(jù)線路行車(chē)條件和道床厚度選擇較大的豎曲線半徑。

(3)可以不設(shè)豎曲線的兩坡段變坡點(diǎn)，為了列車(chē)通過(guò)變坡點(diǎn)不再受到其它附加力的影響，在條件允許的情況下，盡量將變坡點(diǎn)避開(kāi)緩和曲線、道岔、無(wú)碴橋梁上及道口處。

(4)拉坡設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用較長(zhǎng)的坡段，減少變坡點(diǎn)。最小坡段長(zhǎng)度不僅與機(jī)車(chē)車(chē)輛的運(yùn)行要求有關(guān)，而且與列車(chē)牽引質(zhì)量和列車(chē)長(zhǎng)度有關(guān)，較長(zhǎng)的坡段長(zhǎng)度有利于提高列車(chē)通過(guò)時(shí)的運(yùn)行品質(zhì)。但從節(jié)省投資的角度分析，較短的坡段能夠較好地適應(yīng)地形，減少工程量。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇一個(gè)合理的坡段長(zhǎng)度，既要滿足列車(chē)平穩(wěn)性要求，又要盡可能地減少工程數(shù)量。

通過(guò)縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)后，優(yōu)化解決了蕭甬線縱斷面坡段長(zhǎng)度不滿足最小坡段長(zhǎng)度有38處；石碴厚度不足的有碴橋梁有28座；縱斷面豎曲線與緩和曲線重疊的情況有30處。

4 施工注意事項(xiàng)

平縱斷面改造施工采用結(jié)合大型機(jī)械起道搗固同步完成曲線超高調(diào)整及撥道，既能發(fā)揮大型機(jī)械的作用和節(jié)約封鎖天窗，又能保證曲線改造的撥道質(zhì)量。施工時(shí)應(yīng)注意：

(1)線路起道、撥道量大的地段先組織人工起起撥道，而且要分多次起撥道，特別是大起道地段，要及時(shí)卸碴。

(2)在直線上大機(jī)起整作業(yè)須開(kāi)啟激光對(duì)中進(jìn)行線路起撥道；在曲線地段大機(jī)利用人工撥道曲線時(shí)間間隔，起整曲線頭尾直線段，起整也須采用激光對(duì)中進(jìn)行撥道。

(3)撥量大的曲線在完成前幾次撥道施工后，不能簡(jiǎn)單的按設(shè)計(jì)撥量與前幾次撥量的差值來(lái)決定后續(xù)大機(jī)撥道數(shù)據(jù)，需要用全站儀按既有線控制點(diǎn)重新測(cè)量、重新計(jì)算線路撥道量，為大機(jī)精確撥道提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

(4)撥量大的曲線要計(jì)算出線路的縮短量，以及線路縮短量引起鎖定軌溫的變化值，鎖定軌溫差超過(guò)5℃要及時(shí)進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，連同曲線兩頭的直線區(qū)段作為一個(gè)單元鎖定軌節(jié)，做好鎖定軌溫的記錄。

5 施工效果和建議

(1)線路改造迅速改善及提高了線路質(zhì)量，既滿足了提速要求的行車(chē)條件，又解決了站段日常養(yǎng)護(hù)時(shí)難以處理的線路病害。尤其是曲線地段原來(lái)存在兩個(gè)以上困難甚至特別困難條件，通過(guò)改造后只有一個(gè)困難行車(chē)條件或者成為一般行車(chē)條件。

(2)線路改造受資金和運(yùn)輸?shù)南拗疲^大工作量的改造工程未實(shí)施，部分曲線地段仍存在兩個(gè)及以上的困難行車(chē)條件，建議該曲線地段進(jìn)行速度優(yōu)化，降低行車(chē)速度以保持線路的穩(wěn)定性。

(3)建議在資金允許情況下，進(jìn)行線路大修清篩，以解決道床臟污、板結(jié)及道床冒漿等病害。