套軌技術(shù)在非洲米軌改造工程中的運(yùn)用

周榕生

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

鐵路軌距是指鋼軌頭部踏面下16 mm 范圍內(nèi)兩股鋼軌工作邊之間的最小距離［1］，一般將軌距類型分為窄軌距、標(biāo)準(zhǔn)軌距和寬軌距，國(guó)際鐵路協(xié)會(huì)在1937年制定1 435 mm 為標(biāo)準(zhǔn)軌距。非洲鐵路軌距主要為1 000 mm和1 067 mm兩種。

非洲鐵路技術(shù)裝備水平較低，線路條件差，機(jī)車車輛型號(hào)雜，通信信號(hào)設(shè)備也不可靠。雖然存在一些困難，但非洲國(guó)家仍采取一些措施，致力于鐵路改造。套軌鐵路作為一種過(guò)渡形式的鐵路，既能實(shí)現(xiàn)不同軌距列車共線運(yùn)營(yíng)功能，滿足不斷增長(zhǎng)客貨運(yùn)輸需求，又能節(jié)約土地和建設(shè)資金，減少環(huán)境污染。在既有米軌鐵路不中斷運(yùn)營(yíng)情況下，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軌-米軌套軌形式的鐵路改造也是非洲鐵路在過(guò)渡階段的必然選擇。

1 基本布置

國(guó)內(nèi)外比較常見(jiàn)的套軌鐵路形式有寬軌-米軌（1 676 mm-1 000 mm）、標(biāo)準(zhǔn)軌-米軌（1 435 mm-1 000 mm）和寬軌-標(biāo)準(zhǔn)軌（1 520 mm-1 435 mm）3 種套軌形式。非洲鐵路絕大部分為米軌鐵路，應(yīng)重點(diǎn)研究標(biāo)準(zhǔn)軌-米軌形式的套軌鐵路，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)軌-米軌三線套軌示意

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

從運(yùn)輸組織角度考慮，套軌鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選擇在設(shè)計(jì)行車速度、牽引質(zhì)量、到發(fā)線有效長(zhǎng)和機(jī)車車輛選型等方面與普通鐵路存在一定差異。

2.1 設(shè)計(jì)行車速度

設(shè)計(jì)行車速度是鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的核心，其內(nèi)涵決定了基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備及各項(xiàng)配套設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)的選擇，直接關(guān)系項(xiàng)目建設(shè)投資、運(yùn)營(yíng)成本和運(yùn)營(yíng)效益等，并影響鐵路在區(qū)域內(nèi)運(yùn)輸市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

套軌鐵路設(shè)計(jì)行車速度應(yīng)根據(jù)不同軌距線路在鐵路網(wǎng)中作用、運(yùn)輸需求和工程條件等因素，綜合比選確定。

2.2 牽引質(zhì)量

貨物列車牽引質(zhì)量與牽引種類、機(jī)車類型、車站分布和線路平縱斷面條件等因素密切相關(guān)，直接影響鐵路輸送能力，并對(duì)工程投資和運(yùn)輸成本等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有較大影響。

套軌鐵路牽引質(zhì)量應(yīng)根據(jù)不同軌距線路運(yùn)輸需求，綜合考慮相應(yīng)機(jī)車車輛性能及參數(shù)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后確定，并宜與相鄰線牽引質(zhì)量相協(xié)調(diào)。

2.3 到發(fā)線有效長(zhǎng)

到發(fā)線有效長(zhǎng)度是車站到發(fā)線能停放列車而不影響相鄰股道列車作業(yè)的長(zhǎng)度，一般是出站信號(hào)機(jī)到警沖標(biāo)的距離。

2.3.1 貨物列車

貨物列車到發(fā)線有效長(zhǎng)的確定應(yīng)綜合考慮輸送能力、牽引質(zhì)量、地形條件和相鄰區(qū)段統(tǒng)一牽引等因素確定，其計(jì)算公式為

式中：L貨效為貨物列車到發(fā)線有效長(zhǎng)，m；∑L機(jī)為機(jī)車長(zhǎng)度，m；Q為重車方向貨物列車牽引質(zhì)量，t；W為列車每單位長(zhǎng)度質(zhì)量，t/m；L附為列車停車時(shí)附加距離，m。

∑L機(jī)+Q/W為列車長(zhǎng)度，受設(shè)計(jì)路段限制坡度和不同軌距線路所采用的牽引機(jī)車類型、車輛類型等因素影響。L附與列車牽引質(zhì)量有關(guān)，牽引質(zhì)量越大，其長(zhǎng)度越大，一般取30 m。

2.3.2 旅客列車

旅客列車到發(fā)線有效長(zhǎng)主要根據(jù)旅客列車長(zhǎng)度確定，其計(jì)算公式為

式中：L客效為旅客列車到發(fā)線有效長(zhǎng)，m；L車輛為編掛旅客列車車輛長(zhǎng)度，m。

綜上所述，對(duì)于套軌鐵路，其到發(fā)線有效長(zhǎng)應(yīng)綜合考慮不同軌距線路客貨列車所需到發(fā)線有效長(zhǎng)確定。

2.4 機(jī)車車輛選型

我國(guó)出口機(jī)車車輛較多［2］，常見(jiàn)寬軌、標(biāo)準(zhǔn)軌和窄軌機(jī)車車輛參數(shù)與軌距沒(méi)有必然聯(lián)系，套軌鐵路不同軌距線路機(jī)車車輛選型可結(jié)合具體項(xiàng)目要求，綜合考慮牽引種類、牽引質(zhì)量和設(shè)計(jì)速度等運(yùn)輸需求，按照與線路條件相協(xié)調(diào)的原則，結(jié)合車站分布，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選分別確定。

3 標(biāo)準(zhǔn)斷面形式

根據(jù)非洲鐵路既有情況，路基地段和橋梁地段均采用單層碎石道床，厚度為300 mm。道床頂面寬度為3 200 mm，砟肩寬度為350 mm，砟肩堆高為150 mm，道床邊坡坡率為1∶1.50。改造后，一般路基地段和橋梁地段線路橫斷面如圖2和圖3所示。

圖2 路基地段線路橫斷面（單位：mm）

圖3 橋梁地段線路橫斷面（單位：mm）

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 軌枕

軌枕設(shè)計(jì)主要按照機(jī)車軸重參數(shù)選擇、道床支承反力計(jì)算模式、軌枕承載能力影響因素分析、軌枕設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)建立和套軌軌枕初步設(shè)計(jì)方案等步驟進(jìn)行。在我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法中，軌枕設(shè)計(jì)的關(guān)鍵截面主要分為軌下截面和中間截面，彎矩計(jì)算參照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)軌距軌枕對(duì)稱設(shè)計(jì)方法。但窄軌荷載彎矩計(jì)算方法暫無(wú)規(guī)定，且存在荷載和結(jié)構(gòu)不對(duì)稱情況，需要對(duì)軌下和軌中支承情況進(jìn)行假設(shè)及分析，計(jì)算其軌下和軌中彎矩，確定道床支承方案。

本文假設(shè)2 種方案共7 種工況。第1 種是中間不支承、兩邊支承方案，適用于計(jì)算軌下截面最不利荷載情況，該方案是在假定支承長(zhǎng)度確定的情況下，計(jì)算米軌軌下和標(biāo)準(zhǔn)軌軌下最大正彎矩。第2種是兩邊支承、中間部分支承方案，適用于計(jì)算枕中截面和米軌中部最不利荷載情況，該方案在假定支承長(zhǎng)度確定的情況下，計(jì)算枕中和米軌軌中最大負(fù)彎矩。本文僅舉例米軌機(jī)車通過(guò)時(shí)米軌軌下和軌中軌枕截面彎矩的計(jì)算。

4.1.1 米軌軌下截面彎矩計(jì)算

設(shè)軌枕長(zhǎng)度L，標(biāo)準(zhǔn)軌距鋼軌中心線至枕端距離a1，a2，軌底寬b'，米軌機(jī)車通過(guò)時(shí)，左側(cè)道床支承長(zhǎng)度為e1，右側(cè)道床支承長(zhǎng)度為e2，鋼軌動(dòng)壓力Rd，道床支承反力q1，q2不同，如圖4所示。

圖4 米軌軌下截面彎矩道床支承方案［3］

根據(jù)米軌軌下截面正彎矩的道床支承方案計(jì)算模型列出支承反力平衡方程：

對(duì)①軌取彎矩，列出彎矩平衡方程。根據(jù)支撐反力平衡方程和彎矩平衡方程可以分別求出道床支承反力和①，②，③軌軌下截面彎矩。

4.1.2 米軌中間截面彎矩計(jì)算

在軌枕長(zhǎng)度為2 500 mm 的前提下，共用軌軌下支承長(zhǎng)度為e1=950.0 mm，e2=1 137.5 mm，b=412.5 mm，道床支承反力q1，q2不相同，中部荷載為3q1/4，如圖5所示。

圖5 米軌中間截面彎矩道床支承方案［3］

根據(jù)米軌中間截面彎矩的道床支承方案計(jì)算模型列出支承反力平衡方程：

對(duì)①軌取彎矩，列出彎矩平衡方程。根據(jù)支撐反力平衡方程和彎矩平衡方程可以分別求出道床支承反力、標(biāo)準(zhǔn)軌枕中間截面彎矩和米軌中間截面彎矩。

4.1.3 套軌軌枕選擇

通過(guò)選擇米軌軌距機(jī)車和標(biāo)準(zhǔn)軌距機(jī)車參數(shù)，確定三線套軌軌枕適應(yīng)的承載能力，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軌距和米軌軌距機(jī)車分別作用下道床支承反力，通過(guò)對(duì)比選出最不利工況，并以此為目標(biāo)對(duì)軌枕承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軌距和米軌軌距進(jìn)行協(xié)調(diào)布置，確定設(shè)計(jì)為無(wú)擋肩套軌軌枕。

4.2 道岔

為滿足兩種不同軌距車輛通過(guò)道岔，可將兩組不同軌距的同向單開(kāi)道岔套合在一起，構(gòu)成套線道岔。在套線道岔中，三軌套線道岔是最常用的形式，其中一股軌道為共用軌道，另一股軌道根據(jù)車輛輪對(duì)參數(shù)設(shè)置。當(dāng)列車過(guò)岔時(shí)，根據(jù)不同的軌距選擇不同的軌道。套軌道岔主要分為套軌道岔平面線形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)、輪軌關(guān)系設(shè)計(jì)和軌道剛度設(shè)計(jì)。

套軌道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，道岔區(qū)存在車輪與多根鋼軌接觸及輪載過(guò)渡情形，其輪軌關(guān)系遠(yuǎn)比普通道岔區(qū)間線路復(fù)雜，是影響行車安全和限制運(yùn)行速度的薄弱點(diǎn)。因此，要保證列車以規(guī)定的容許速度順利通過(guò)套軌道岔，并有足夠的安全性、穩(wěn)定性和必要的旅客舒適度。套軌道岔設(shè)計(jì)時(shí)，必須結(jié)合機(jī)車車輛的輪對(duì)尺寸、固定軸距等對(duì)各部輪緣槽寬度、咽喉寬度、查照間隔、護(hù)背距離等間隔尺寸進(jìn)行計(jì)算，保證尖軌、心軌開(kāi)口量等間隔在容許限度內(nèi)，不發(fā)生車輪撞擊軌件等事故；其次要合理設(shè)計(jì)道岔平面線形，控制尖軌、護(hù)軌和翼軌緩沖段沖擊角大小，使車輪撞擊的動(dòng)能損失不超過(guò)容許值。

4.3 信號(hào)

套軌信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬非常規(guī)、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，除已開(kāi)通實(shí)施的幾條邊境線路外，沒(méi)有太多的成熟經(jīng)驗(yàn)可參考。對(duì)于套軌來(lái)說(shuō)，如套軌道岔不納入車站集中聯(lián)鎖控制，采用人工手扳道岔，則全部由行車人員人工保證行車安全，就不存在信號(hào)設(shè)計(jì)配套問(wèn)題，因此套軌信號(hào)設(shè)計(jì)方案均基于采用集中聯(lián)鎖方案下的探討。

套軌鐵路信號(hào)控制方案研究信號(hào)設(shè)備采用的是站內(nèi)聯(lián)鎖方案。根據(jù)進(jìn)路要求，統(tǒng)一控制進(jìn)路中所有信號(hào)設(shè)備，即在排列聯(lián)鎖進(jìn)路時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)軌（寬軌）和米軌道岔均同時(shí)轉(zhuǎn)換至聯(lián)鎖進(jìn)路所要求的方向，不區(qū)分列車型號(hào)，軌道電路（計(jì)軸）、電碼化和信號(hào)機(jī)等均采用同一套裝置，保證站內(nèi)聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。套軌鐵路與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路采用信號(hào)系統(tǒng)制式一致，滿足該方案主要針對(duì)室外道岔控制及軌道占用檢查裝置進(jìn)行方案研究設(shè)計(jì)。

目前套軌在國(guó)內(nèi)暫無(wú)信號(hào)定型設(shè)備和相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)資料，如要將套軌道岔納入車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)集中控制，需要解決的問(wèn)題較多。首先要解決的是道岔轉(zhuǎn)換與控制；其次是軌道占用檢查功能的實(shí)現(xiàn)條件；為保證列車的安全運(yùn)行，需進(jìn)一步解決機(jī)車信號(hào)，即涉及站內(nèi)電碼化問(wèn)題。同時(shí)上述內(nèi)容還要結(jié)合套軌的具體形式（三線、四線）綜合考慮。

4.4 不中斷行車施工過(guò)渡

不中斷行車施工過(guò)渡主要涉及路基、橋梁和車站地段，重點(diǎn)研究路基地段施工過(guò)渡。

4.4.1 路堤單側(cè)幫寬

路堤單側(cè)幫寬方案是將線中設(shè)置于米軌左側(cè)或右側(cè)，線中偏移距離根據(jù)抬高高度確定，同一段落以最大高度確定。路基邊坡采用植草防護(hù)，在既有用地界足夠地段直接放坡，既有用地界不足地段坡腳采用擋墻收坡，以免新增鐵路征地。

4.4.2 路堤雙側(cè)幫寬

路堤雙側(cè)幫寬方案，沿兩側(cè)既有邊坡挖臺(tái)階后，再進(jìn)行夯填土；若既有線路基加寬值較小時(shí)，可采用設(shè)置護(hù)肩墻加寬。若考慮施工時(shí)不中斷行車外部條件，于米軌左側(cè)或右側(cè)設(shè)置便線，便線路肩寬度僅保證道砟不散落至邊坡，即道砟坡腳至坡頂寬度約為0.2 m。便線距既有米軌線中的距離根據(jù)抬高高度確定，同一段落以最大高度確定。幫寬路基邊坡采用植草防護(hù)，在既有用地界足夠段直接放坡，既有用地界不足段坡腳采用擋墻收坡，以免新增鐵路征地。

根據(jù)幫寬形式及所考慮的因素，主要研究4 個(gè)方案，見(jiàn)表1。

表1 路堤幫寬方案分析比較

5 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

5.1 3種套軌形式工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

為了評(píng)價(jià)3 種套軌形式經(jīng)濟(jì)性，按照不考慮既有線利用和考慮既有線利用2 種形式，假定線路長(zhǎng)度均為10 km，分別計(jì)算軌道、路基和橋梁工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［4］，見(jiàn)表2—表4?？芍煌总壭问綑M向比較，標(biāo)準(zhǔn)軌-米軌最為經(jīng)濟(jì)，寬軌-米軌次之，寬軌-標(biāo)準(zhǔn)軌最劣；軌道工程中對(duì)不同方案縱向比較，考慮既有線軌道部件利用能有效降低工程費(fèi)用，不考慮既有線利用，路基段和橋梁段軌道工程費(fèi)用差別不大；路基工程不同方案縱向比較，單側(cè)幫寬經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于雙側(cè)幫寬，雙側(cè)幫寬中為了減少征地很大程度上需要付出成倍的工程費(fèi)用，同時(shí)為了施工時(shí)不中斷行車外部條件增設(shè)便線也需相應(yīng)增加費(fèi)用。

表2 軌道工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析 萬(wàn)元

表3 路基工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析 萬(wàn)元

考慮到影響既有線改造的因素繁多，并結(jié)合非洲既有鐵路特點(diǎn)，對(duì)鐵路用地、施工便線、施工組織和工程投資等因素進(jìn)行綜合分析，非洲鐵路選擇標(biāo)準(zhǔn)軌-米軌套軌形式改造方案為最佳選擇。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)軌-米軌工程與新建標(biāo)準(zhǔn)軌經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

非洲既有鐵路普遍為米軌，運(yùn)量均較小，改造既有線僅能滿足近期運(yùn)量需求，不能滿足遠(yuǎn)期運(yùn)量需求，且隨著運(yùn)量逐漸增大，還需新建標(biāo)準(zhǔn)軌。一次新建標(biāo)準(zhǔn)軌則投資較大，且因軌距不同，與相鄰線路銜接不便。套軌工程則可以綜合這兩種形式的優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮軌道、路基、橋梁和站場(chǎng)等因素，初步估算標(biāo)準(zhǔn)軌-米軌方案工程投資比新建標(biāo)準(zhǔn)+既有米軌簡(jiǎn)單修復(fù)方案工程投資節(jié)省30%左右。

6 結(jié)語(yǔ)

非洲鐵路普遍為米軌且技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低，隨著非洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，既有鐵路升級(jí)改造為標(biāo)準(zhǔn)軌的市場(chǎng)前景也日益廣闊。在既有米軌鐵路不中斷運(yùn)營(yíng)情況下，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軌-米軌套軌形式的鐵路改造也是非洲鐵路在過(guò)渡階段的必然選擇。