市域鐵路限界研究

陳 波，林 飛，蔡超勛

(1.中國鐵道科學(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；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)室，北京 100081；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063； 4.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

市域鐵路是一種伴隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展而興起的新型軌道交通系統(tǒng)，其客流強(qiáng)度、設(shè)計速度都介于城際鐵路與城市軌道交通之間。由于沒有統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，我國開通運(yùn)營及在建的市域鐵路存在交叉采用地鐵及國鐵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的情況。就限界而言，除廣佛肇(廣州—佛山—肇慶)城際等線路外，大多數(shù)采用地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)速度進(jìn)行計算，部分線路對于區(qū)間建筑限界還按照路基、隧道及橋梁分別考慮。市域鐵路與國鐵或城市軌道交通有貫通運(yùn)營要求時，要考慮限界兼容的可行性，就必須統(tǒng)一限界標(biāo)準(zhǔn)。為此，需要對市域鐵路運(yùn)用的車輛技術(shù)規(guī)格簡統(tǒng)化，并根據(jù)車輛技術(shù)參數(shù)，研究制定市域鐵路車輛限界和建筑限界。

1 車輛技術(shù)規(guī)格

車輛類型根據(jù)市域鐵路的功能定位、預(yù)測客流量、線路條件、運(yùn)輸能力等因素綜合確定。目前確定的市域鐵路車輛類型有市域A型、市域D型和CRH市域型，根據(jù)車體寬度分為窄體車和寬體車。其中，窄體車的技術(shù)規(guī)格與地鐵A型車相近，寬體車的技術(shù)規(guī)格與城際動車組相近，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 市域鐵路車輛限界的制定

市域鐵路車輛尺寸較小，窄體車尺寸與地鐵車輛接近，與客運(yùn)專線鐵路機(jī)車車輛限界輪廓之間的間隙

表1 市域鐵路車輛主要技術(shù)參數(shù)

注：Δ為司機(jī)室加長量。

較大，仍沿用該限界的輪廓尺寸已不合適。另外，市域鐵路運(yùn)營車輛單一，依據(jù)市域鐵路車輛的技術(shù)參數(shù)制定車輛限界，更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2.1 車輛上部限界

市域鐵路屬于客運(yùn)專線鐵路，其車輛上部限界參照客運(yùn)專線鐵路機(jī)車車輛上部限界輪廓尺寸，依據(jù)市域鐵路寬體車和窄體車的最大半寬、落弓高度制定。

車輛上部限界的最大高度由車輛空載狀態(tài)下垂直面內(nèi)的最大尺寸所確定，受限于車輛落弓高度。市域鐵路寬體車和窄體車的落弓高度分別小于等于 4 640，4 450 mm，取整確定寬體車和窄體車的車輛限界最大高度分別為 4 700，4 500 mm。車輛上部限界的最大半寬由車體靜態(tài)半寬、最大標(biāo)準(zhǔn)公差和磨耗限度確定。市域鐵路寬體車和窄體車的最大半寬分別為 1 650，1 500 mm，車輛制造公差和磨耗引起的車輛橫向最大靜偏移按25 mm考慮，確定寬體車和窄體車的車輛限界最大半寬分別為 1 675，1 525 mm。

2.2 車輛下部限界

車輛下部限界規(guī)定了車輛下部設(shè)計制造的垂直尺寸不得突破的界限，該界限計入了車輛靜載條件下的彈簧靜撓度以及最大磨耗。市域鐵路車輛的懸掛參數(shù)與普速鐵路運(yùn)行的車輛相近，車輛下部限界輪廓尺寸參照TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》[1]中的“客貨共線鐵路機(jī)車車輛限界”制定，除最大半寬改為 1 675 mm(寬體車)和 1 525 mm(窄體車)外，還將底部的(1 260,90)點(diǎn)與(1 675/1 525,350)點(diǎn)改為斜線直接相連。

2.3 車輛限界輪廓及基本尺寸

綜合以上分析，沿用GB 146.1—83《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》[2]中規(guī)定的車輛限界圖式表示方法，根據(jù)采用的車輛類型不同，確定了2種市域鐵路車輛限界輪廓，如圖1—圖4所示。

圖1 市域鐵路寬體車上部限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

圖2 市域鐵路寬體車下部限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

圖3 市域鐵路窄體車上部限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

圖4 市域鐵路窄體車下部限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

3 車輛振動偏移量計算

車輛限界寬度和車輛運(yùn)行中的振動偏移量是建筑限界寬度的主要影響因素，車輛限界確定后，還須對車輛振動偏移量進(jìn)行分析。理論計算和動力學(xué)仿真是分析車輛振動偏移量的常用手段[3-6]。理論計算能夠考慮懸掛偏移的極限狀態(tài)，動力學(xué)仿真能夠考慮車輛懸掛參數(shù)、運(yùn)行速度、風(fēng)載、線路條件等因素的影響。本文采用2種方法分別計算了車輛外輪廓的動態(tài)包絡(luò)線，從而能夠充分考慮到各種因素對車輛振動偏移量的影響。

3.1 計算條件

采用UM(Universal Mechanism)軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真，計算模型應(yīng)采用車輛實(shí)際技術(shù)參數(shù)建立，非線性單元如止擋力特性、減振器阻尼特性、輪軌接觸關(guān)系等都不作線性化處理。理論計算公式見CJJ 96—2003《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》[7]的規(guī)定。

動力學(xué)仿真和理論計算的最高速度按設(shè)計速度的110%取值，即寬體車取176 km/h，窄體車取154 km/h。根據(jù)TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》[8]對動車組在風(fēng)區(qū)運(yùn)行和通過站臺的規(guī)定，側(cè)風(fēng)工況的最大風(fēng)速取30 m/s，列車通過側(cè)線站臺時考慮最大側(cè)風(fēng)風(fēng)速取15 m/s。

車輛計算點(diǎn)坐標(biāo)見表2，其中Y0，Z0分別表示計算點(diǎn)的橫向和垂向坐標(biāo)。

3.2 計算結(jié)果

按2種方法計算得到的車輛動態(tài)包絡(luò)線見圖5和圖6。由于2種方法考慮的因素不盡相同，計算結(jié)果有一定的差別。在車體和轉(zhuǎn)向架部位包絡(luò)線的橫向間隙，寬體車為17 mm，動力學(xué)仿真的輪廓較大;窄體車為47 mm，理論計算的輪廓較大。由于動力學(xué)仿真模型中考慮了受電弓與車體的彈性連接，因此在受電弓外側(cè)包絡(luò)線的橫向間隙都是動力學(xué)仿真的輪廓較大，其中寬體車為137 mm，窄體車為115 mm。2種方法計算的主要控制點(diǎn)最大偏移位置見表3，確定建筑限界基本尺寸時以較大的包絡(luò)線輪廓作為參考依據(jù)。

表2 車輛計算點(diǎn)坐標(biāo) mm

圖5 寬體車動態(tài)包絡(luò)線圖6 窄體車動態(tài)包絡(luò)線

表3 2種方法計算的主要控制點(diǎn)最大偏移位置 mm

4 市域鐵路建筑限界的制定

與市域鐵路車輛限界對應(yīng)，根據(jù)采用的車輛類型不同，市域鐵路建筑限界分寬體車建筑限界和窄體車建筑限界。

4.1 建筑限界的寬度

4.1.1 建筑限界的最大寬度

寬體車動態(tài)包絡(luò)線最大半寬為 1 734 mm，參考GB 50517—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》[9]的設(shè)置原則，以300 mm作為建筑限界與車輛動態(tài)包絡(luò)線之間的橫向安全間隙，計算得到建筑限界最大半寬為 2 034 mm，取整為 2 100 mm。根據(jù)隧道專業(yè)的研究結(jié)果，限界寬度由 2 100 mm 增大到 2 200 mm 并不會增加工程量，因此，將最大寬度與城際鐵路建筑限界統(tǒng)一，仍為 2 200 mm。窄體車動態(tài)包絡(luò)線最大半寬為 1 622 mm，仍以300 mm作為建筑限界與車輛動態(tài)包絡(luò)線之間的橫向安全間隙，計算得到建筑限界最大半寬為 1 922 mm，取整為 2 000 mm。

4.1.2 受電弓工作區(qū)域的寬度

寬體車受電弓垂向工作高度為 5 150～5 300 mm，根據(jù)計算結(jié)果，受電弓 5 300 mm 工作高度外邊緣處橫向最大偏移位置為 1 257 mm，考慮 300 mm 的安全裕量，計算得到受電弓工作區(qū)域?qū)挾葹?1 557 mm，取整為 1 600 mm。由于受電弓工作區(qū)域的寬度由 1 600 mm 增大到 1 700 mm 對隧道斷面沒有影響，因此，將該尺寸取為 1 700 mm，可進(jìn)一步增加安全裕量。窄體車受電弓垂向工作高度為 5 000～5 150 mm，受電弓 5 150 mm 工作高度外邊緣處橫向最大偏移位置為 1 222 mm，考慮300 mm的安全裕量，計算得到受電弓工作區(qū)域的寬度為 1 522 mm，取整為 1 600 mm。

4.2 建筑限界的高度

建筑限界的最大高度考慮因素包括接觸導(dǎo)線高度(寬體車為 5 300 mm，窄體車為 5 150 mm)、對地絕緣距離(300 mm)、施工誤差和抬道影響(50 mm)，以及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度Y。對于不同的懸掛方式，Y的值不同，采用剛性懸掛時，Y為接觸網(wǎng)安裝高度。因此，寬體車建筑限界最大高度表示為 5 650+Y，窄體車建筑限界最大高度表示為 5 500+Y。

4.3 站臺建筑限界

4.3.1 站臺建筑限界的高度

市域鐵路站臺建筑限界高度應(yīng)與車輛的地板面高度相適應(yīng)，以保證旅客上下車的安全。根據(jù)車輛技術(shù)參數(shù)，寬體車站臺限界高度確定為 1 250 mm，窄體車站臺限界高度確定為 1 080 mm。

4.3.2 站臺建筑限界的寬度

為保證車輛安全通過站臺，車輛地板面高度處的最大偏移位置與站臺邊緣之間的水平間隙不宜太?。涣硪环矫?，為保證旅客上下車安全，車輛地板面高度處的輪廓線與站臺邊緣之間的水平間隙不宜過大。根據(jù)計算結(jié)果，寬體車、窄體車站臺高度處的橫向最大偏移位置分別為 1 720 mm 和 1 573 mm，綜合考慮將站臺建筑限界寬度分別設(shè)為 1 750 mm 和 1 600 mm。車輛地板面高度處的最大偏移位置與站臺邊緣之間的水平間隙，寬體車為30 mm，窄體車為27 mm；車輛地板面高度處的輪廓線與站臺邊緣之間的水平間隙，寬體車為107 mm，窄體車為112 mm?？梢员ＷC站臺區(qū)域的行車安全和旅客人身安全。

4.3.3 站臺門建筑限界

站臺門的設(shè)置須考慮在車輛限界以外保留一定的安全距離，同時盡量減小站臺門與停站車輛之間的間隙。參考地鐵的經(jīng)驗(yàn)，分別以寬體車和窄體車的車輛限界半寬 1 650 mm 和 1 500 mm，加上130 mm的凈距，即 1 780 mm 和 1 630 mm 作為寬體車和窄體車的站臺門建筑限界。

4.4 建筑限界輪廓及基本尺寸

綜合以上分析，沿襲高速鐵路和城際鐵路的建筑限界圖式[10-11]，根據(jù)采用的車輛類型不同，確定了2種市域鐵路建筑限界輪廓，如圖7和圖8所示。

圖7 市域鐵路寬體車建筑限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

圖8 市域鐵路窄體車建筑限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

4.5 曲線地段建筑限界加寬辦法

出于經(jīng)濟(jì)性考慮，市域鐵路建筑限界的曲線加寬公式不按GB 146.1—83定義的計算車輛來計算，而是根據(jù)本線采用的最長車輛的車體長度和轉(zhuǎn)向架中心距來計算。在曲線上，車輛中間部分向曲線內(nèi)側(cè)的幾何偏移量為l2/(8R)(單位為m)，單位轉(zhuǎn)化為mm則表示為125l2/R，由超高引起的車輛偏移量為Hh/1 500(單位為mm)，向曲線內(nèi)側(cè)的總偏移量為二者相加，即125l2/R+Hh/1 500(單位為mm)。車輛兩端向曲線外側(cè)的幾何偏移量為(L2-l2)/(8R)(單位為m)，單位轉(zhuǎn)化為mm則表示為125(L2-l2)/R。因此曲線內(nèi)側(cè)加寬量W1=125l2/R+Hh/1 500(單位為mm)，曲線外側(cè)加寬量W2=125(L2-l2)/R(單位為mm)。其中：l為本線采用的最長車輛的轉(zhuǎn)向架中心距，m；R為曲線半徑，m；H為計算點(diǎn)自軌面算起的高度，mm；h為外軌超高，mm；L為本線采用的最長車輛的車體長度，m。

圖9 曲線地段建筑限界加寬示意

曲線地段的加寬方法可采用圖9所示的階梯形方式，或采用曲線圓順方式。其中，圓曲線的全部、緩和曲線緩圓點(diǎn)(圓緩點(diǎn))至緩和曲線中點(diǎn)并向直線方向延長0.5L的部分，曲線內(nèi)外側(cè)分別加寬W1和W2；緩和曲線其余部分以及直緩點(diǎn)(緩直點(diǎn))向直線方向延長0.5(L+l)的部分，曲線內(nèi)外側(cè)分別加寬0.5W1和0.5W2。

5 結(jié)論

1)采用GB 146.1—83中的標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界模式，研究制定市域鐵路限界，避免了一線一算，實(shí)現(xiàn)了市域鐵路限界輪廓的簡統(tǒng)化。

2)結(jié)合市域鐵路運(yùn)營車輛的特點(diǎn)制定了市域鐵路車輛限界，豐富了我國鐵路機(jī)車車輛限界的種類。

3)市域鐵路限界分窄體車和寬體車2種，根據(jù)設(shè)計需求選用，可在保證安全的前提下盡量減小限界輪廓尺寸。

4)研究提出的市域鐵路限界與既有的高速鐵路限界、城際鐵路限界共同構(gòu)建了我國客運(yùn)專線鐵路限界標(biāo)準(zhǔn)體系。