鐵路安全線空間線形設計方案研究

高純敏

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

鐵路安全線空間線形設計方案研究

高純敏

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

現行的鐵路安全線設計方案，無論是直線型安全線還是曲線型安全線，均存在安全隱患，隨著我國鐵路運行速度的不斷提高，這一問題愈顯突出。為了避免列車進入安全線發(fā)生側翻或脫軌時朝向正線側，采用側傾式設計方案對安全線系統(tǒng)進行優(yōu)化，改進線路軌面高程設計和車擋外形設計，設置軌面高差，調整車擋撞擊面與線路的夾角。側傾式設計方案可以確保在列車進入安全線后，避免向正線一側脫軌或側翻。提出修改設計規(guī)范的建議，改進今后的設計，并對既有安全線進行改造，從而保證正線列車的運行安全。

鐵路;側傾式；安全線；設計方案

安全線是為防止列車或機車車輛從一進路進入另一列車或機車車輛占用的進路而發(fā)生沖突的一種安全隔開設備[1]。安全線的設置是保證列車行車安全、提高車站接發(fā)列車能力的重要措施，尤其是在保證正線運營安全上起著不可替代的作用。按照現行鐵路設計規(guī)范中有關鄰靠正線的安全線的設計要求設置安全線，仍然存在危及正線運營安全的隱患。隨著我國高速鐵路建設及列車速度的提高，這類問題越來越突出。主要探討鄰靠正線安全線的設計中，如何保證進入安全線的列車脫軌或傾覆時不侵入正線限界，確保正線上列車的安全，避免發(fā)生重大惡性事故。

1 安全線現狀分析

1.1 安全線的設置要求

現行《鐵路技術管理規(guī)程》對安全線基本設置處所做了明確規(guī)定，并強調安全線的設置應符合有關設計規(guī)范的規(guī)定。

目前在安全線設計中執(zhí)行的《鐵路車站及樞紐設計規(guī)范》(GB50091—2006)第3.1.12條對安全線的設計提出下列要求：

(1)安全線的有效長度不應小于50 m；

(2)安全線的縱坡應設計為平道或面向車擋的上坡道；

(3)安全線上均應設置緩沖裝置；

(4)鄰靠正線的安全線均應設置雙側護輪軌和止輪土基，有條件時，鄰靠正線的安全線應采用曲線型布置；

(5)安全線不應設在橋上和隧道內[2]。

1.2 安全線系統(tǒng)組成及作用

安全線系統(tǒng)由盡頭線、車擋、聯接盡頭線和正線的道岔及信號等設施組成，可以提供安全的列車進路并防止發(fā)生沖撞事故。安全線的設置目的是為滿足列車運行信號延續(xù)進路的要求和滿足車站平行作業(yè)需要，最終保障列車不發(fā)生沖突性運營事故[3]。

當列車意外進入安全線時，安全線的作用包括兩個方面：1、降低動能：相關措施包括設置50 m安全距離、線路為面向車擋的上坡、設置緩沖裝置和止輪土基等，起到降低進入安全線的列車動能的作用，減少損失。2、保證防護線路的安全：相關措施包括雙側護輪軌、曲線型布置等，預防列車脫軌或側翻，減少對防護線路的影響。

2 現有安全線系統(tǒng)存在的問題

現行規(guī)范執(zhí)行前(即2006年之前)采用的安全線均為直線型，安全線與正線的線間距按5 m控制。由于直線型安全線不能避免列車前部的側翻車輛倒向正線時對正線行車安全的威脅，最新設計規(guī)范《鐵路車站及樞紐設計規(guī)范》(GB5009—2006)要求：“有條件時，鄰靠正線的安全線應采用曲線型布置?！眻?zhí)行新規(guī)范后，設計的鄰靠正線的安全線既有曲線型也有直線型。將現有直線型安全線改造為曲線型，需要加寬既有路基，因毗鄰正線而對既有線運營干擾較大，可能引起較大工程量，運營部門未對既有安全線進行改造。

實際采用曲線型布置時，若進入安全線的機車車輛以較高速度撞擊車擋后，倒向曲線外側的相鄰正線一側的概率遠大于直線型布置。列車脫軌或側翻的情況復雜，現行《鐵路車站及樞紐設計規(guī)范》僅做原則性解釋“安全線曲線地段與相鄰線的線間距是根據安全線的布置形式、車輛高度等條件確定的，其值應能保證機車、車輛側翻時不影響相鄰線的行車安全”。未明確這種情況下安全線至正線的線間距，設計人員也無法計算確定。

以設置曲線型安全線的某線路所為例，如圖1所示：設計中，道岔采用標準圖號為SC330，道岔后長21.054 m，道岔跟端至末根岔枕距離為11.100 m，岔后至圓曲線最小長度采用7.5 m；安全線有效長50 m；曲線半徑采用推薦值200 m[4]。安全線終點至正線距離為13.73 m，向回退后兩節(jié)貨車(車長按14 m計)的距離，安全線至正線的距離分別為10.11 m和7.44 m。

圖1 曲線型安全線平面(單位：m)

由于安全線范圍的機車車輛均可能發(fā)生側翻，此間距能否保證正線的安全尚無科學的論證。若后續(xù)車輛出現脫軌或側翻，更無法保證正線的安全。

因此，現行規(guī)范建議采用的曲線型安全線系統(tǒng)，即不適應運營實際情況，也不能很好地保證運營安全。由以上分析可以得出結論：

(1)已建成直線型安全線系統(tǒng)不能解除機車車輛脫軌或側翻車對正線行車安全的威脅，按新規(guī)范將直線型安全線改造成曲線型不切實際；

(2)現行規(guī)范建議采用的曲線型布置也不能達到預期的效果；

(3)對現有安全線系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵是控制列車脫軌和側翻的方向，保證相鄰正線的安全。

3 安全線系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 造成進入安全線列車脫軌或側翻的影響因素

安全線系統(tǒng)中，影響列車脫軌或側翻的因素包括內部因素和外部因素。系統(tǒng)外部因素包括機車車輛狀況、運行狀態(tài)、風力；內部因素包括線路、車擋。

各影響因素對列車進入安全線后的狀態(tài)產生影響分析如下。

(1)機車狀況。外部物理形狀基本對稱，重心居中，對脫軌或側翻的方向產生隨機影響。

(2)車輛狀況。車輛本身物理形狀是對稱的，而且對貨物裝載重心有嚴格限制，對脫軌方向影響不大[5]。但在實際工作中是不可控因素，對脫軌或側翻的方向產生隨機影響。

(3)運行狀態(tài)。車列沖入安全線，其運行速度和橫向擺動，受列車性質、運行狀況影響，決定列車止停在安全線車擋前，或者撞擊車擋停車、脫軌、側翻，或者撞毀車擋沖出線路。隨機性很大，屬于偶然因素。

(4)風力。對脫軌方向有影響，但安全線設計的位置主要考慮運營需要，不考慮風向因素，屬于不可控因素。

(5)線路。采用曲線型安全線，由于安全線的曲線不設置超高，無法平衡列車在曲線上運行時產生的離心力，脫軌和側翻朝向曲線外側，即正線一側；直線型為隨機發(fā)生。線路兩個軌面的高差決定列車的平衡穩(wěn)定性，對脫軌和側翻方向影響很大。

(6)車擋。發(fā)生撞擊時，車擋撞擊面決定對列車反作用力的方向，外部形狀對脫軌和側翻方向影響很大。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)化過程

通過前面分析可以確定，外部因素雖然對進入安全線列車脫軌和側翻的方向有影響，但對于安全線設計屬于不可控制因素；內部因素對脫軌和側翻的方向影響最大，也是可以控制的因素。因此，對安全線系統(tǒng)優(yōu)化的重點是對內部因素的優(yōu)化，優(yōu)化對象為空間線形和車擋。

3.2.1 空間線形的優(yōu)化

安全線系統(tǒng)優(yōu)化的目標是避免列車通過安全線發(fā)生側翻或脫軌時朝向正線側，對線路空間線形的優(yōu)化，需考慮線路的平面、縱斷面及橫斷面設計。

平面采用曲線型線路會增大列車向正線一側脫軌和側翻的概率，不能達到保障相鄰正線安全的目的，因此不宜采用曲線線型?？v斷面按規(guī)范要求采用平道或面向車擋的上坡道，符合降低列車動能的需要，是合理的。橫斷面是優(yōu)化的關鍵，目前安全線線路兩根鋼軌軌面高程相同，不能控制機車車輛脫軌和側翻的方向。

為了控制列車脫軌和側翻的方向，可以抬高正線一側鋼軌的高度，使進入安全線的機車車輛發(fā)生傾斜，對機車車輛產生一個遠離正線的分力。一側鋼軌的最終抬高值由線路允許最大抬高值、抬高坡率、軌面順坡線路長度確定。

(1)線路允許最大抬高值

最大抬高值與線路的運輸性質、列車速度和車輛性能有關，受橫向傾覆安全條件、軌道橫向穩(wěn)定條件和防止軸油外流條件等因素控制。一側軌道抬高的取值原則是，列車停入安全線不因為兩條鋼軌軌面高差發(fā)生脫軌或失穩(wěn)側翻，不增加損失。

衡量列車安全的3個條件是：穩(wěn)定系數n、脫軌系數K和輪重減載率。

①穩(wěn)定系數n

一側鋼軌抬高后，列車受力分析見圖2。圖中C為列車重心；A、B為軌面；S為軌中心距1 500 mm；Δh為抬高值；E為合力偏心距；H為車體重心至軌頂面高，我國現行《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》規(guī)定限制重車重心高度為2 000 mm[6]，而60 t和70 t輕油罐車重車重心高度接近2 200 mm，因此H取值2 200 mm。

圖2 列車受力分析

其穩(wěn)定程度可采用穩(wěn)定系數n來表示，即

當n=1，即E=S/2時，Q1指向低位軌斷面中心線，屬于臨界狀態(tài)；

當n<1，即E>S/2時，車輛喪失穩(wěn)定而傾覆；

當n>1，即E

n值愈大，穩(wěn)定性愈好。根據中國鐵路運營經驗，為保證行車安全，n值不應小于3。

n=3時，E=S/2n=250 mm

由以上分析計算得出結論：基于穩(wěn)定系數確定的安全線一側鋼軌最大抬高值為169.3mm。

②脫軌系數

評定防止車輪脫軌穩(wěn)定性的指標用“脫軌系數”，由Nadal給出計算公式

Q/P值越小，越易脫軌。力學分析表明，當抬高值大時，低位軌承受的導向力P增加，但低位軌承受的輪重Q也相應加大，因而其比值Q/P變化不大。英國鐵路曾在超高值高達225 mm，260 mm和300 mm情況下測定了Q/P值，結果表明，Q/P值始終未超過規(guī)定的限值。因此，脫軌系數不是確定超高允許值的控制因素[7]。

③輪重減載率

超高可使高位軌減載，從而也威脅行車安全。當有超高時，低位與高位鋼軌將增、減載ΔQ，ΔQ與超高Δh的關系可用下式表示

根據減載率的安全標準，ΔQ/Q=0.65時為危險限界，ΔQ/Q=0.60時為允許限界。相應的超高值分別為325 mm和300 mm，均大于穩(wěn)定系數限定的抬高值。因此，安全線鋼軌的抬高值不受輪重減載率限制[8]。

最大抬高值的確定：保證列車安全的3個條件(穩(wěn)定系數n、脫軌系數K和輪重減載率)確定的最大抬高值為169.3 mm。我國《鐵路線路設計規(guī)范》和《鐵路線路維修規(guī)則》綜合考慮了軌道橫向穩(wěn)定條件和防止軸油外流條件，規(guī)定雙線鐵路最大超高150 mm和單線鐵路最大超高125 mm[9]。對于單線地段降低最大超高值，是為了避免低速時兩股鋼軌受力過分懸殊，不利于線路維修養(yǎng)護。由于安全線特殊性，很少會有列車進入，為了加強線路強度，可以采取增設軌距桿的措施。因此安全線最大抬高值采用150 mm，可以滿足列車穩(wěn)定的要求，也可以滿足規(guī)范對軌道和車輛的要求，最大限度地避免列車向正線脫軌或傾覆。

(2)抬高順坡率

臨界抬高順坡率與車輛構造、狀態(tài)、輪緣高度、行車速度、鋼軌平順狀態(tài)及磨耗等眾多因素有關，需從輪軌動力學角度分析確定，理論上不易界定，可根據運營實踐確定[10]。我國《鐵路線路維修規(guī)則》規(guī)定最大超高順坡采用2‰，安全線軌道抬高順坡率可以參照采用2‰。

(3)軌面順坡線路長度

軌面順坡線路長度與安全線布置形式、道岔號數、有效長等因素有關，可根據實際抬高值和抬高順坡率確定

安全線岔后至車擋間的線路長度滿足75 m的順坡長度要求。

優(yōu)化后的安全線線路，平面采用直線布置，縱斷面執(zhí)行原規(guī)范規(guī)定采用平坡或面向車擋的上坡，橫斷面設置軌面超高，在道岔后75 m內將正線一側的鋼軌以抬高順坡率2‰逐漸抬高150 mm，使進入安全線的列車脫軌和側翻的方向朝向遠離正線一側，可以保證正線的安全。

3.2.2 車擋的優(yōu)化

現行安全線采用的車擋分為土堆式及漿砌片石式車擋，車擋與列車的撞擊面與線路垂直，列車進入安全線與車擋正面沖撞，發(fā)生脫軌或側翻的方向為隨機。列車碰撞后發(fā)生脫軌的判斷標準仍處于研究階段[11]。

參考列車沖撞漿砌片石式線路終端車擋的動態(tài)仿真分析研究結論，該研究以某次溜車事故為例，事故中列車為8輛車編組列車，總質量為451 t，平均每輛車質量為56.375 t，列車沖撞漿砌片石式終端車擋時的速度為4.3 m/s。(1)沖撞后列車的運行速度為3.96 m/s，漿砌片石式終端車擋吸收的能量為569.07 kJ，占總初始動能的13.65%，說明漿砌片石式終端車擋吸收能量較少，無法阻止車輛繼續(xù)運行，導致列車沖出軌道。(2)漿砌片石式終端車擋消耗能量、最大沖擊力和列車末速度都隨著沖撞初速增大而增大。計算出該 車擋最大允許沖撞速度為0.65 m/s，車速低于該速度時，漿砌片石式終端車擋可以阻止車輛沖出軌道[12]。

從上例可以看出，列車一旦進入安全線，車擋的阻止作用非常有限。列車沖出線路，發(fā)生傾覆，倒向正線一側的概率為50%，對正線列車的安全運行威脅極大。

將車擋改進為傾斜向線路外側，當列車與車擋斜向沖撞時，車擋對列車產生一個向外的推力和向外的扭矩，使列車向外側脫軌或側翻。經列車模型沖撞試驗，優(yōu)化后的車擋與線路呈60°夾角，列車以較高速度進入安全線撞擊車擋時，可使列車不向正線一側脫軌或側翻，保證正線上列車的安全。

4 系統(tǒng)優(yōu)化結果

4.1 優(yōu)化前(傳統(tǒng)式)

安全線兩條鋼軌等高，車擋撞擊面與線路垂直。對于直線型安全線，列車脫軌或側翻方向隨機。對于曲線型車擋，列車脫軌或側翻方向不利。現行的車擋不能很好保證正線行車安全。見圖3。

4.2 優(yōu)化后(側傾式)

安全線兩條鋼軌不等高，內側鋼軌比外側鋼軌高150 mm，車擋撞擊面與線路呈60°夾角，線路采用直線型。優(yōu)化后的安全線使得列車脫軌或側翻方向可控，能確保正線行車安全。見圖4。

圖3 優(yōu)化前的安全線

圖4 優(yōu)化后的安全線

4.3 側傾式安全線的優(yōu)點

首先，側傾式安全線比傳統(tǒng)式安全線更安全。其次，側傾式安全線不設曲線，不需要加寬線間距，節(jié)省了工程投資。最后，在線路養(yǎng)護過程中即可將傳統(tǒng)式的安全線改造為側傾式安全線，對線路不需增加投資，僅對車擋進行簡單改造。

5 結語

在全面分析列車沖入安全線后發(fā)生脫軌或側翻的各影響因素基礎之上，對當前采用的安全線系統(tǒng)進行了改進，提出一種新型的安全線設計方案——側傾式安全線。側傾式安全線可有效控制列車脫軌或側翻的方向，從而保證防護線路的安全。建議將現行規(guī)范中有關鄰靠正線的安全線的規(guī)定“鄰靠正線的安全線均應設置雙側護輪軌和止輪土基，有條件時，鄰靠正線的安全線應采用曲線型布置”修改為“鄰靠正線的安全線均應設置雙側護輪軌和止輪土基，采用有利于保證正線行車安全的傾斜式布置”。在當前我國列車速度不斷提高的情況下，對于保證運營安全，有現實意義。

[1] 中國鐵路總公司.TG/01—2014鐵路技術管理規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2014．

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50091—2006鐵路車站及樞紐設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2006．

[3] 吳學全.鐵路安全線的設計研究[J].高速鐵路技術，2012(3)：36-39．

[4] 劉華.推薦曲線半徑納入鐵路線路設計系列標準的意義及其建議值[J].鐵道標準設計，2013(3)：14-16.

[5] 陳超，韓梅，王艷玲.基于脫軌系數安全標準的鐵路貨物重心橫向容許偏移量的研究[J].鐵道學報，2008(4)：12-16．

[6] 中華人民共和國鐵道部.鐵路貨物裝載加固規(guī)則[S].北京：中國鐵道出版社，2006．

[7] 喻濤.曲線未被平衡超高引起的橫向力分析[D].成都：西南交通大學，2006．

[8] 劉文彬.市郊鐵路線路車輛動力響應及線形參數研究[D].北京：北京交通大學，2014．

[9] 中華人民共和國鐵道部.鐵運[2006]146號鐵路線路修理規(guī)則[S].北京:中國鐵道出版社，2006．

[10]陳菊.城市軌道交通線路設計中的調線調坡技術研究[J].鐵道標準設計，2014(3)：33-37．

[11]雷成，肖守訥，羅世輝，張志新.軌道車輛耐碰撞性研究進展[J]. 鐵道學報，2013(1)：31-40．

[12]高浩，戴煥云.列車沖撞漿砌片石式線路終端車擋的動態(tài)仿真分析[J].中國鐵道科學，2012(5)：61-66．

Study on the Design Scheme of Railway Safety Siding Spatial Alignment

GAO Chun-min

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd.， Xi’an 710043， China)

The existing design scheme for either a straight safety siding or a curve one is not perfect to ensure safety. With continuous improvement of train speed， the issue is becoming increasingly prominent. To avoid a train turning over towards the trunk line while it is coming into the safety sidding or derailing， a tilting design is employed to optimize the safety life system， rail surface elevation design and bumper post design are improved， rail surface elevation difference is set and the angle between the impact surface of bumper post and the line is adjusted. The tilting design can protect the train from derailing and turning over towards to main line while it comes into the safety line. This paper also puts forward suggestions to modify design specifications to ensure safe train operation on the trunk line．

Railway; Tilting; Safety siding; Design scheme

2015-05-30；

2015-06-08

高純敏(1965—)，男，高級工程師，E-mail:gaochunmin@foxmail.com。

1004-2954(2015)10-0049-05

U212.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.012