甬金線雙高箱集裝箱運(yùn)輸建筑限界適應(yīng)性分析

凌烈鵬，周 游，孫加林，馮毅杰

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

1981年，由美國(guó)鑄鋼公司(ACF)制造的有固定端墻的雙層集裝箱貨車開(kāi)始在南太平洋鐵路運(yùn)行，這是世界上最早的鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸車輛，經(jīng)過(guò)改造推廣到美國(guó)各大公司，給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。美國(guó)南太平洋鐵路公司經(jīng)過(guò)研究認(rèn)為，采用雙層集裝箱平車比單層集裝箱的單位運(yùn)營(yíng)成本(燃料費(fèi)用和工資費(fèi)用)節(jié)約1/3，而運(yùn)輸能力提高1倍以上[1]。發(fā)展鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)，對(duì)推進(jìn)鐵路供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、擴(kuò)大鐵路有效供給、更好發(fā)揮鐵路優(yōu)勢(shì)、降低全社會(huì)物流成本等具有重要作用。為此，國(guó)家特別制定了《“十三五”鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展規(guī)劃》[2]，大力推進(jìn)雙層集裝箱運(yùn)輸。

到目前為止，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)第104技術(shù)委員會(huì)制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及GB/T 1413—2008《系列1集裝箱 分類、尺寸和額定質(zhì)量》[3]規(guī)定，建造和使用的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱共有13種規(guī)格。其寬度均為 2 438 mm。長(zhǎng)度有5種，分別為 13 716，12 192，9 125，6 058，2 991 mm。高度有4種，其中3種分別為 2 896，2 591，2 438，另一種小于 2 438 mm。高度為 2 896 mm 的集裝箱目前普遍用于貨物運(yùn)輸，長(zhǎng)度均在 12 192 mm 以上。

根據(jù)鐵運(yùn)〔2007〕125 號(hào) 《鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸管理辦法》第9條規(guī)定[4]，雙層集裝箱專用車車輛限界應(yīng)符合GB 146.1—83《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》[5]，裝車后距軌面最大裝載高度不得超過(guò) 5 850 mm，因此在實(shí)際運(yùn)輸中最高裝載只能采用 2 591 mm 高度的集裝箱與 2 896 mm 高度的集裝箱組合而成的雙層集裝箱裝載運(yùn)輸方式[6-8]。

目前雙層集裝箱運(yùn)輸主要采用的是X2K和X2H型運(yùn)輸平車，根據(jù)中國(guó)中車制造的X2K和X2H型運(yùn)輸平車的參數(shù)顯示，雙層集裝箱裝載方案分為3種。

方案A：下層2×6 096 mm，上層1×12 192 mm/13 716 mm/14 630.4 mm/16 154.4 mm，載重780 kN。

方案B：下層1×12 192 mm，上層1×12 192 mm/13 716 mm/14 630.4 mm/16 154.4 mm，載重610 kN。

方案C:下層2×6 096 mm (重箱)，上層2×6 096 mm(空箱)，載重610 kN。

由此可知，如果不考慮鐵運(yùn)〔2007〕125 號(hào)《鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸管理辦法》[4]中對(duì)裝載高度的限制，X2K和X2H型運(yùn)輸平車可以采用方案B，即2個(gè)高箱疊拼的裝載方式，運(yùn)輸更大體積的貨物，提高運(yùn)輸?shù)男省Ｒ虼擞斜匾獙?duì)雙高箱集裝箱限界進(jìn)行研究，在提高運(yùn)輸能效的同時(shí)，保障列車的運(yùn)行安全。

1 雙高箱集裝箱偏移量分析

車體偏移量計(jì)算有靜態(tài)計(jì)算、準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真幾種方法。計(jì)算機(jī)仿真則是通過(guò)對(duì)車輛、線路和輪軌接觸關(guān)系建模，模擬車輛運(yùn)行時(shí)受外界因素如軌道不平順、橫風(fēng)荷載等激擾而產(chǎn)生的振動(dòng)，可以更準(zhǔn)確地估算車體的最大偏移量。為了使得分析數(shù)據(jù)更加與實(shí)際情況想接近，在本次分析中主要采用準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方式開(kāi)展。

1.1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

本文利用SIMPACK軟件建立X2K和X2H運(yùn)輸平車模型，其中裝載集裝箱均采用2個(gè)高度 2 896 mm集裝箱疊拼，分別考慮重車和空車2種工況，其中重車工況為集裝箱滿載，空車工況為集裝箱空載[9-10]。另外，裝載最不利條件為上下層集裝箱裝載相同重量，且單個(gè)集裝箱裝載條件下重心不超過(guò)其中心位置。

X2K和X2H車輛質(zhì)量為22 t，重心高度為0.65 m，集裝箱裝載面高度0.305 m。

1)雙高箱集裝箱均為空載

集裝箱質(zhì)量為4.72×2=9.44 t，集裝箱重心高度為0.305+2.896=3.201 m。

裝載雙高箱集裝箱運(yùn)輸車輛的重心高度為

2)雙高箱集裝箱均為滿載

集裝箱質(zhì)量為30.48×2=60.96 t，集裝箱重心高度為0.305+2.896=3.201 m。

裝載雙高箱集裝箱運(yùn)輸車輛的重心為

1.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[11]的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的可行性。

裝載雙高箱的X2H和X2K型平車在重車和空車條件下，車體偏移量最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1—表4。

由表1—表4可得到如下結(jié)論：

1)X2H型空車在無(wú)側(cè)風(fēng)作用時(shí)，車體橫向、垂向最大偏移量分別為164.13，23.68 mm；承受側(cè)風(fēng)作用時(shí)，車體橫向、垂向最大偏移量分別為225.24，48.96 mm。

表1 X2H型空車車體偏移量最大值統(tǒng)計(jì)

表2 X2H型重車車體偏移量最大值統(tǒng)計(jì)

表3 X2K型空車車體偏移量最大值統(tǒng)計(jì)

2)X2H型重車在無(wú)側(cè)風(fēng)作用時(shí)，車體橫向、垂向最大偏移量分別為219.60，32.24 mm；承受側(cè)風(fēng)作用時(shí)，車體橫向、垂向最大偏移量分別為253.01，37.73 mm。

3)X2K型空車在無(wú)側(cè)風(fēng)作用時(shí)，車體橫向、垂向最大偏移量分別為155.68，22.34 mm；承受側(cè)風(fēng)作用時(shí)，車體橫向、垂向最大偏移量分別為214.23，32.83 mm。

表4 X2K型重車車體偏移量最大值統(tǒng)計(jì)

4)X2K型重車在無(wú)側(cè)風(fēng)作用時(shí)，車體橫向、垂向最大偏移量分別為233.44，39.01 mm；承受側(cè)風(fēng)作用時(shí)，車體橫向、垂向最大偏移量分別為271.95，47.39 mm。

2 雙高箱建筑限界適應(yīng)性分析

2.1 雙高箱建筑限界

鐵路建筑限界最大高度的影響因素主要有車輛高度(裝載方案、垂向偏移量)、接觸網(wǎng)(接觸網(wǎng)懸掛方式、導(dǎo)線高度、結(jié)構(gòu)高度、帶電體對(duì)地絕緣距離)、施工影響(施工誤差、工務(wù)抬道)及安全裕量。

鐵路建筑限界最大寬度的影響因素主要有車輛限界寬度、車輛構(gòu)造誤差、列車運(yùn)行中橫向振動(dòng)偏移量、軌道狀態(tài)(線路超高、線路曲線、線間距)等[12]。

2.1.1 最大高度值

接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度是指懸掛定位點(diǎn)處接觸線距軌面的垂直高度。TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]規(guī)定：接觸線工作支懸掛點(diǎn)距軌面的高度應(yīng)根據(jù)車輛裝載高度、空氣絕緣距離、冰雪附加載荷、工務(wù)維修、施工誤差以及受電弓的工作范圍等因素綜合確定。

另外，TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》[14]第203條規(guī)定：接觸網(wǎng)帶電部分與固定接地物的距離，不小于300 mm，至機(jī)車車輛活裝載貨物的距離不小于350 mm。

因此，根據(jù)雙高箱裝載方式計(jì)算，X2H和X2K型運(yùn)輸車輛集裝箱承載面高度小于305 mm，雙高箱集裝箱疊拼高度為 2 896+2 896=5 792 mm，根據(jù)上述仿真計(jì)算得到極端條件下雙高箱集裝箱裝載運(yùn)輸垂向最大偏移量為48.96 mm，合計(jì)車輛理論裝載高度為305+5 792+48.96=6 145.96 mm，取整為 6 150 mm。另外，考慮綜合帶電體對(duì)地絕緣距離、施工影響、安全裕量等因素，可獲取接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度。具體為：①考慮25 kV帶電體距機(jī)車車輛或裝載貨物間隙350 mm。②考慮施工誤差30 mm。③考慮導(dǎo)線覆冰等因素50 mm。④考慮工務(wù)抬道等其他因素約50 mm。

綜上可知，最低導(dǎo)線高度為 6 630 mm。

本次研究的雙高箱集裝箱裝載高度與既有雙層集裝箱裝載高度差為 2 896-2 591=305 mm，而上述研究的雙高箱集裝箱運(yùn)輸建筑限界中的接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度為 6 630 mm，比既有雙高箱集裝箱建筑限界中的接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度高300 mm。另外，根據(jù)相關(guān)資料顯示，在前期關(guān)于雙高箱集裝箱接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度研究中直接采用在既有的雙層集裝箱裝載標(biāo)準(zhǔn)上增加305 mm，即雙高箱集裝箱接觸網(wǎng)最小導(dǎo)線高度采取 6 635 mm，并已在部分研究中應(yīng)用，與本次研究的差異較小。為了統(tǒng)一考慮，本次研究的雙高箱集裝箱接觸網(wǎng)最低導(dǎo)線高度取 6 635 mm。

另外，接觸網(wǎng)懸掛方式、結(jié)構(gòu)高度均根據(jù)既有規(guī)范取1 100 mm，基于上述導(dǎo)線高度可推算出限界最大高度在原設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上增加305 mm，即 8 265 mm。

2.1.2 最大寬度值

我國(guó)高速鐵路建筑限界基于靜態(tài)限界理論進(jìn)行研究，在雙高箱裝載車輛限界的基礎(chǔ)上計(jì)算最大寬度值并考慮以下幾個(gè)方面：

1)車輛運(yùn)行時(shí)的橫向動(dòng)態(tài)偏移量。

根據(jù)前期研究成果及仿真分析結(jié)果可知，雙高箱集裝箱運(yùn)輸車輛在極端條件下的最大橫向偏移量為271.95 mm。

2)車輛各部件之間的游間、車輛允許制造誤差引起的橫向偏移量

車輛構(gòu)造引起的橫向偏移量主要包括車輪與軌道之間的游間(22 mm)、車輪輪緣磨耗(10 mm)、車輛各部件之間的游間(83 mm)及車輛制造誤差(20 mm)，總計(jì)最不利情況下車體橫向最大偏移量為135 mm。

3)現(xiàn)場(chǎng)施工誤差

考慮線路的施工誤差50 mm。

綜合上述影響因素可知，在最不利狀態(tài)下車體橫向最大偏移量為：Δy=271.95+135+50=457 mm(取整)。

另外考慮50 mm的安全裕量，車輛的橫向最大偏移量為507 mm。

根據(jù)車輛限界尺寸最大寬度值 3 400 mm，可計(jì)算得到建筑限界最大半寬值為 1 700+507=2 207 mm。因此，既有的建筑限界半寬值 2 440 mm 有足夠富?？臻g。

X2K和X2H型平車寬度為 2 912 mm，集裝箱寬度為 2 438 mm，其車輛底部半寬值遠(yuǎn)小于建筑限界尺寸半寬值 2 440 mm，集裝箱頂部半寬值 1 219+507=1 726 mm，滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》[14]中雙層集裝箱運(yùn)輸鐵路橋隧建筑限界上部寬度限界值 1 760 mm 的要求，仍有安全裕量。

因此，開(kāi)行雙高箱集裝箱運(yùn)輸車輛的基本建筑限界寬度值仍可采用既有規(guī)范中規(guī)定的最大寬度要求值。

2.1.3 曲線加寬

建筑限界的基本尺寸都是針對(duì)水平直線地段的線路制定的。當(dāng)車輛運(yùn)行在曲線上時(shí)由于車輛的縱向中心線與線路中心線不一致，致使車體中部向曲線內(nèi)側(cè)凸出，車體端部向曲線外側(cè)凸出，形成車輛在曲線上的幾何偏移；二是由于曲線設(shè)有超高，造成車體向曲線內(nèi)側(cè)傾斜，車體的垂向中心線偏離鉛垂線，產(chǎn)生超高偏移。因此，為保證曲線上的建筑限界與機(jī)車車輛間仍有足夠的安全裕量，必須對(duì)建筑限界進(jìn)行曲線加寬。建筑限界曲線內(nèi)側(cè)需進(jìn)行幾何偏移量加寬和超高偏移量加寬，外側(cè)僅有幾何偏移量加寬，其計(jì)算公式分別為

式中：W1為曲線內(nèi)側(cè)加寬值，mm；W2為曲線外側(cè)加寬值，mm；R為半徑，m；H為計(jì)算點(diǎn)距軌面高度，mm；h為外軌超高值，mm。

雙高箱裝載方式車輛對(duì)曲線加寬無(wú)特別要求，其曲線建筑限界和橋隧建筑限界可直接采用既有技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的加寬辦法。

2.1.4 基本限界

綜合上述分析結(jié)果可知，對(duì)雙高箱限界影響最大的參數(shù)是車輛高度引起的限界最大高度的變化，而最大寬度變化并不大，可忽略不計(jì)。因此雙高箱限界可直接對(duì)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》[14]中規(guī)定的雙層集裝箱運(yùn)輸裝載限界及雙層集裝箱運(yùn)輸鐵路建筑限界的高度進(jìn)行相應(yīng)地增加。

基于既有的雙層集裝箱運(yùn)輸裝載限界及雙層集裝箱運(yùn)輸鐵路建筑限界，本論文新修正的適用于雙高箱集裝箱運(yùn)輸?shù)难b載上部限界和基本建筑限界見(jiàn)圖1?；诩扔械碾娏恳p層集裝箱運(yùn)輸橋隧建筑限界修正后的雙高箱集裝箱運(yùn)輸?shù)臉蛩斫ㄖ藿缫?jiàn)圖2。

圖1 雙高箱集裝箱運(yùn)輸裝載上部限界及基本建筑限界(單位：mm)

圖2 電力牽引雙高箱集裝箱運(yùn)輸橋隧建筑限界(單位：mm)

新修改的建筑限界與《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》[14]中規(guī)定相比，僅最大高度和導(dǎo)線最低高度發(fā)生了變化。

2.2 隧道適應(yīng)性分析

隧道內(nèi)輪廓主要考慮以下因素：①建筑限界和線間距；②緩解空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)隧道凈空橫斷面面積的要求；③養(yǎng)護(hù)維修、救援、工程技術(shù)作業(yè)和其他使用要求所需的空間。根據(jù)鐵建設(shè)函〔2005〕285號(hào)《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[15]及鐵建設(shè)〔2005〕140號(hào)《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》[16]，設(shè)計(jì)行車速度為200 km/h時(shí)雙線隧道凈空橫斷面面積不應(yīng)小于80 m2，隧道內(nèi)救援通道距線路中線不應(yīng)小于2.3 m，救援通道寬度不宜小于1.5 m，凈高不應(yīng)小于2.2 m。

新建甬金線設(shè)計(jì)采用的雙線隧道最小線間距為4.4 m，見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)，其隧道斷面不滿足雙高箱集裝箱運(yùn)輸橋隧建筑限界要求，最大入侵量大于219 mm。

圖3 隧道斷面適應(yīng)性對(duì)比(單位：mm)

2.3 橋梁適應(yīng)性分析

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，橋面寬度應(yīng)符合以下要求：①線路中心線距擋砟墻(或防撞墻)內(nèi)側(cè)最小距離不應(yīng)小于2.20 m；②線路中心線距接觸網(wǎng)支柱內(nèi)側(cè)最小距離不應(yīng)小于3.0 m；③線路中心線距作業(yè)通道欄桿或聲屏障內(nèi)側(cè)最小,距離不應(yīng)小于4.1 m。因此，在提出的建筑限界以外，橋梁上有足夠的凈寬安裝設(shè)備和設(shè)置作業(yè)通道。修正后的雙高箱集裝箱運(yùn)輸限界除高度增加外，寬度均無(wú)變化，對(duì)于簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、連續(xù)鋼構(gòu)橋梁影響僅限于接觸網(wǎng)高度調(diào)整，其他無(wú)影響。對(duì)于系桿拱橋梁須要核定其系桿垂直軌道橫斷面最低凈空高度及公跨鐵橋橋下凈空高度。

2.4 接觸網(wǎng)適應(yīng)性分析

由于我國(guó)特殊的運(yùn)輸需求，目前客貨共線雙層集裝箱線路接觸網(wǎng)導(dǎo)線的高度為 6 450 mm，如石太、合武、漢宜等線路。這給動(dòng)車組受電弓與不同區(qū)段接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)適應(yīng)性帶來(lái)了困難，原來(lái)的受電弓性能很難既滿足300 km/h線路 5 300 mm 的接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度，又滿足250 km/h線路 6 450 mm 的接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度。

目前，多條線路出現(xiàn)了跨線運(yùn)行動(dòng)車組弓網(wǎng)不適應(yīng)問(wèn)題，如：北京至青島的CRH380BL動(dòng)車組，廣州南至廈門的CRH380A和CRH380BL動(dòng)車組，跨京廣高鐵至太原、宜昌等線路的動(dòng)車組。相關(guān)業(yè)務(wù)部門也在積極組織對(duì)受電弓進(jìn)行試驗(yàn)和性能調(diào)整，用以解決跨線運(yùn)行動(dòng)車組受電弓性能優(yōu)化問(wèn)題，為鐵路的運(yùn)行安全提供保證。

綜上分析可以認(rèn)為，目前我國(guó)客貨共線鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度均在 6 500 mm 以下，暫且尚無(wú)任何 6 500 mm 以上接觸網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，更無(wú)在此條件下開(kāi)行動(dòng)車組經(jīng)驗(yàn)，而開(kāi)行雙高箱集裝箱線路接觸網(wǎng)最低導(dǎo)線高度為 6 635 mm，在此條件下應(yīng)充分研究解決動(dòng)車組弓網(wǎng)適應(yīng)性問(wèn)題。

由于接觸網(wǎng)是露天設(shè)施，使用條件惡劣且沒(méi)有備用，所以其安全性對(duì)行車就極其重要，TB 10009—2016規(guī)定：在最大風(fēng)速條件下，接觸線距離受電弓中心的最大水平偏斜值，一般地區(qū)不得大于500 mm，與大風(fēng)方向一致的山口、谷口和高架橋、特殊重要橋及安裝支柱極其困難的橋范圍內(nèi)不得大于450 mm。

在運(yùn)行可能的情況下，接觸線在水平面上的位置應(yīng)考慮到由于車輛的搖動(dòng)或風(fēng)引起的接觸線的偏移及支持裝置的擾動(dòng)等，必須使接觸線的偏移值處于受電弓的有效寬度范圍內(nèi)。

由于機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中受到軌道運(yùn)行曲線、橫向風(fēng)等作用，過(guò)道岔及通過(guò)不良線路時(shí)所受到的慣性力作用，將使機(jī)車車體發(fā)生水平擺動(dòng)，進(jìn)而引起受電弓水平橫移。

根據(jù)上述仿真分析結(jié)果可知，雙高箱集裝箱裝載運(yùn)輸車輛在極端工況條件下車體橫向最大偏移量為272 mm(取整)，雙高箱集裝箱裝載車輛仿真模型裝載高度為 6 097 mm，雙高箱集裝箱線路接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度取 6 635 mm，以線路中心為車輛擺動(dòng)中心考慮，計(jì)算得受電弓水平偏移量為296 mm，滿足要求。

為了對(duì)上述弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)、受流性能進(jìn)一步驗(yàn)證，有必要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)雙高箱集裝箱運(yùn)輸模式下動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，如限界試驗(yàn)、弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況組織實(shí)施。

3 結(jié)論

1)基于SIMPACK軟件的動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)于采用X2K和X2H型雙高箱集裝箱的運(yùn)輸車輛，在速度為25 m/s 的橫向風(fēng)作用下，其最大橫向偏移量為271.95 mm，最大垂向偏移量為48.96 mm。

2)雙高箱限界影響最大的參數(shù)是車輛高度引起的限界最大高度的變化，而最大寬度變化并不大，仍采用既有規(guī)范要求的最大半寬值 2 440 mm?；窘ㄖ藿缱畲蟾叨戎翟谠O(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上增加305 mm，即為 8 265 mm。

3)新建甬金線基礎(chǔ)構(gòu)筑物對(duì)雙高箱集裝箱限界不適應(yīng)于最小線間距4.0 m條件下的雙線隧道斷面，對(duì)于系桿拱橋斷面凈空高度及公跨鐵橋下凈空高度需要進(jìn)一步復(fù)核。

4)雙高箱集裝箱限界條件下的接觸網(wǎng)最低導(dǎo)線高度為 6 635 mm，目前接觸網(wǎng)無(wú)此高度條件下的運(yùn)行試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，建議對(duì)弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)、受流性能做進(jìn)一步驗(yàn)證，有必要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)雙高箱集裝箱運(yùn)輸模式下動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。