既有福廈鐵路福州南至福清段提速可行性研究

謝帥帥

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

鐵路對發(fā)展生產(chǎn)和繁榮經(jīng)濟(jì)建設(shè)起著重要作用，在綜合交通運(yùn)輸體系中具有骨干地位［1-4］。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人們對快捷出行需求的提高，鐵路升級改造的必要性和迫切性日益增強(qiáng)。為更好地研究既有鐵路提速問題，同時(shí)避免造成投資浪費(fèi)，本文在不廢除既有工程的前提下，對福廈鐵路福州南至福清段區(qū)間線路開展提速可行性研究。福州南至福清段既有線提速方案見圖1。

圖1 福州南至福清段既有線提速方案示意

2 既有線概況

福廈鐵路設(shè)計(jì)速度200 km／h，軌道類型既有有砟軌道，也有無砟軌道，線間距4.6 m，2010年通車運(yùn)營。福州南至福清段區(qū)間線路里程為K883+406～K911+050，線路長度16.87 km，其中包含4個曲線地段。具體工點(diǎn)情況見表1。

表1 福州南至福清段曲線及橋隧分布

3 提速方案研究

3.1 邊界條件

本次研究基于維持線間距、隧道斷面以及構(gòu)筑物限界不變，在純客專運(yùn)行狀態(tài)下，通過調(diào)整曲線地段的外軌超高數(shù)值和緩和曲線長度實(shí)現(xiàn)提速要求。

根據(jù)1993年鐵道科學(xué)研究院在環(huán)行鐵道上的試驗(yàn)結(jié)果，以及《關(guān)于新建客運(yùn)專線鐵路曲線超高設(shè)定的指導(dǎo)意見》（鐵集成〔2009〕86號）規(guī)定，本次研究按照最大允許欠超高60 mm進(jìn)行曲線超高計(jì)算。

有砟軌道和無砟軌道曲線超高計(jì)算結(jié)果分別見表2和表3。

表2 有砟軌道曲線超高計(jì)算

表3 無砟軌道曲線超高計(jì)算

福廈鐵路福州南至福清段區(qū)間線路牽引計(jì)算模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 福州南至福清段既有線牽引計(jì)算模擬

福廈鐵路福州南至福清段區(qū)間線路曲線外軌實(shí)設(shè)超高見表4。

表4 福州南至福清段既有線曲線外軌實(shí)設(shè)超高

3.2 提速方案分析

3.2.1 1#曲線提速分析

1#曲線里程范圍為K896+751.81～K899+637.79。根據(jù)牽引計(jì)算模擬結(jié)果（圖2）可知，本曲線最大模擬運(yùn)行速度為273 km／h。該曲線半徑為7 000 m，實(shí)設(shè)超高為75 mm，曲線內(nèi)的黃晶嶺1#隧道、黃晶嶺2#隧道均設(shè)置無砟軌道。根據(jù)無砟軌道曲線超高計(jì)算表（表3），在現(xiàn)狀條件下，1#曲線通過速度可達(dá)到282 km／h，滿足最大模擬運(yùn)行速度273 km／h要求。

3.2.2 2#曲線提速分析

2#曲線里程范圍為K902+330.27～K904+818.07。根據(jù)牽引計(jì)算模擬結(jié)果（圖2）可知，本曲線最大運(yùn)行速度為300 km／h。該曲線半徑為6 000 m，實(shí)設(shè)超高為85 mm，曲線內(nèi)的黃晶嶺2#隧道設(shè)置有無砟軌道。根據(jù)無砟軌道曲線超高計(jì)算表（表3），在現(xiàn)狀條件下，2#曲線通過速度最高只能達(dá)到271 km／h，不滿足最大運(yùn)行速度300 km／h要求。由于曲線內(nèi)軌道類型屬于無砟軌道，無法調(diào)節(jié)外側(cè)曲線超高，因此考慮采用增加緩和曲線長度的方案進(jìn)行提速研究。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621-2014），按300 km／h標(biāo)準(zhǔn)開展研究。半徑為6 000 m的曲線，配置長度為450 m的緩和曲線，線路最大偏移量為0.878 m，此時(shí)與3#曲線間的夾直線長度為143.7 m，不滿足困難條件下180 m最小夾直線長度的規(guī)范要求；配置長度為410 m的緩和曲線，線路最大偏移量為0.635 m，與3#曲線間的夾直線長度為163.8 m，不滿足規(guī)范要求；配置長度為370 m的緩和曲線，線路最大偏移量為0.415 m，與3#曲線間夾直線長為183.8 m，滿足規(guī)范要求。采用不同曲線要素，黃晶嶺2#隧道及作坊1號橋偏移量如表5所示。

表5 黃晶嶺2#隧道及作坊1號橋偏移量

由于黃晶嶺2#隧道平面無法調(diào)整，采用增加緩和曲線長度進(jìn)行提速的方案不可行，因此2#曲線限速271 km／h。

3.2.3 3#曲線提速分析

3#曲線里程范圍為K904+986.60～K905+733.08。按2#曲線限速271 km／h進(jìn)行牽引模擬計(jì)算，3#曲線最大運(yùn)行速度279 km／h。3#曲線半徑為7 000 m，實(shí)設(shè)超高為75 mm，該曲線范圍內(nèi)設(shè)置有砟軌道。根據(jù)有砟軌道曲線超高計(jì)算表（表2），在現(xiàn)狀條件下，最大通過速度為282 km／h，滿足最大模擬運(yùn)行速度279 km／h要求。

3.2.4 4#曲線提速分析

4#曲線里程范圍為K907+697.85～K909+178.22，曲線半徑為4 500 m，實(shí)設(shè)超高為105 mm，該曲線范圍內(nèi)設(shè)置有砟軌道。通過牽引模擬計(jì)算，最大運(yùn)行速度為300 km／h。根據(jù)有砟軌道曲線超高計(jì)算表（表2），將既有曲線超高從105 mm抬升至130 mm，可以將運(yùn)行速度提升至269 km／h，但仍不滿足300 km／h的運(yùn)行速度要求。

考慮采用增加緩和曲線長度的方案進(jìn)行提速研究。當(dāng)采用4 500 m曲線半徑、460 m緩長時(shí)，洪寬二路立交最大偏移量為0.76 m，大北溪橋最大偏移量為0.38 m，此時(shí)既有線偏移量大于0.3 m，無法通過頂梁移梁措施滿足改造要求。為了避免廢除既有橋梁工程，采用4 500 m曲線半徑、400 m緩長，計(jì)算得到洪寬二路立交最大偏移量為0.28 m，大北溪橋最大偏移量為0.14 m，滿足工程要求。

表6 調(diào)整后的4#曲線有砟軌道曲線超高計(jì)算表

根據(jù)表6可知，采用400 m緩長，并將曲線超高調(diào)整至140 mm后，最大通過速度可提高至276 km／h，但仍然不滿足最大運(yùn)行速度300 km／h要求。

3.3 站前主要工程適應(yīng)性分析

既有線提速后，會對既有橋梁、路基、隧道等工程造成影響，因此對上述站前工程進(jìn)行適應(yīng)性分析。

3.3.1 橋梁工程適應(yīng)性分析

在不同運(yùn)行時(shí)速下，既有橋梁受力情況如表7所示。

表7 250 km／h、273 km／h，279 km／h情況下尖山中橋受力情況

可以看出，提速前后橋梁所受離心力變化較小。經(jīng)檢算，提速后既有橋梁可以滿足受力要求。

3.3.2 路基工程適應(yīng)性分析

本段路塹地段基床表層挖除換填0.6 m級配碎石；路堤地段基床表層填筑0.6 m級配碎石，基床底層為A、B組填料，基床以下填筑隧道棄渣。地基為弱風(fēng)化凝灰?guī)r、Q3粉質(zhì)黏土、碎石土等，地質(zhì)條件較好，工后沉降滿足提速至300 km／h路基工后沉降要求。路基面半寬小于4.4 m，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，可通過路肩幫寬、設(shè)置擋砟墻或?qū)⒙芳缭O(shè)備移至路肩以外等措施進(jìn)行處理。當(dāng)接觸網(wǎng)立柱移至擋墻上時(shí)，需要對擋墻進(jìn)行重新核算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采取必要的補(bǔ)強(qiáng)措施。

3.3.3 隧道工程適應(yīng)性分析

世界各國在修建鐵路隧道時(shí)，為控制車內(nèi)瞬變壓力、提高旅客舒適度，基本采用兩種模式:一是以歐洲各國為代表，采用大斷面隧道來降低對列車密封性能的要求，減小運(yùn)營成本；二是以日本為代表，采用密封性能較高的列車來減小對隧道斷面面積要求，降低工程投資［5］。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621-2014）條文說明，我國通過對瞬變壓力的計(jì)算和分析，提出了不同速度目標(biāo)值時(shí)與車輛密封性能相適應(yīng)的隧道凈空斷面面積建議值，即250 km／h雙線隧道凈空斷面面積為90 m2；300 km／h雙線隧道凈空斷面面積為100 m2。

既有福廈線隧道斷面面積為92 m2，與貴廣高鐵相同；線間距為4.6 m，較貴廣高鐵窄0.2 m。貴廣高鐵運(yùn)行速度已成功由250 km／h提速至280 km／h。借鑒貴廣高鐵提速的相關(guān)成功案例，既有福廈線從250 km／h提速至280 km／h也是可行的。但需建立在以下幾個假設(shè)前提下:一是列車速度過高，會車時(shí)會產(chǎn)生壓力波，影響車輛脫軌系數(shù)、傾覆系數(shù)、輪重減載率等安全性能，同時(shí)可能會對車體框架和車窗等薄弱環(huán)節(jié)造成傷害，劇烈的壓差變化會對車內(nèi)環(huán)境和風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)造成影響，導(dǎo)致旅客耳鳴、不適等癥狀，因而需采用密封性能更高的列車［6］。二是高速列車進(jìn)入隧道后，由于空氣動力學(xué)效應(yīng)在洞口產(chǎn)生微氣壓波，在有些條件下會產(chǎn)生極大的爆炸聲，嚴(yán)重的可使建筑物的玻璃破碎，對環(huán)境造成污染［7-8］，采用較大的隧道斷面（如100 m2），基本上可以消除這種爆炸聲。根據(jù)國家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目《高速鐵路線橋隧設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的研究報(bào)告》，當(dāng)列車速度達(dá)到250 km／h以上時(shí)，為解決洞口微氣壓波問題需修建洞口緩沖結(jié)構(gòu)。既有黃晶嶺1#、2#隧道未考慮設(shè)置開口緩沖結(jié)構(gòu)，需對該段洞門進(jìn)行改造。三是列車進(jìn)出隧道時(shí)空氣動力學(xué)效應(yīng)影響較為明顯，黃晶嶺1#隧道出口與黃晶嶺2#隧道進(jìn)口間距僅為85 m，列車進(jìn)出隧道時(shí)間間隔很短，短時(shí)間內(nèi)較大的空氣壓力變化對旅客舒適度影響較大，同時(shí)對列車結(jié)構(gòu)安全也不利，采用明洞連接后可消除這種空氣動力學(xué)效應(yīng)影響。四是高速列車進(jìn)入隧道后產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)對隧道內(nèi)附屬物（接觸網(wǎng)、風(fēng)機(jī)葉片、洞室門、水溝蓋板和安裝件）會產(chǎn)生不利影響。因此需考慮采用附屬設(shè)施附加壓強(qiáng)建議值（見表8），對既有黃晶嶺1#、2#隧道附屬物進(jìn)行加固處理。

表8 隧道內(nèi)附屬設(shè)施附加壓強(qiáng)建議值

3.3.4 線間距適應(yīng)性分析

既有福廈線區(qū)間正線采用4.6 m線間距，滿足250 km／h客運(yùn)專線線間距要求?！陡咚勹F路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:時(shí)速300 km鐵路最小線間距為4.8 m；時(shí)速350 km鐵路最小線間距為5.0 m。國外高速鐵路運(yùn)營實(shí)踐表明:運(yùn)行速度300 km／h及以下時(shí)的線間距小于4.5 m可以滿足安全要求。德國高速鐵路在側(cè)壁凈距1.2 m的情況下，列車運(yùn)行速度已達(dá)到350 km／h［9-10］。國內(nèi)研究也表明:隨著我國機(jī)車車輛制造技術(shù)的不斷提高或?qū)Σ糠侄撮T采取減緩隧道壓力波的措施后，4.6 m線間距能夠適應(yīng)提速至300 km／h的要求［11-12］。

4 研究結(jié)論

綜上分析，1#曲線滿足行車模擬提速要求，通過速度為273 km／h；由于2#曲線內(nèi)存在無砟軌道隧道工程，需限速271 km／h通過；3#曲線滿足279 km／h行車模擬提速要求；4#最大通過速度可提高至276 km／h。本次研究表明，通過調(diào)整曲線超高和緩和曲線長度，并補(bǔ)強(qiáng)路基工程、增設(shè)隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)等措施，可以在不廢除既有工程的條件下，將既有福廈鐵路福州南至福清段運(yùn)行速度由200 km／h提高至279 km／h。