葉 勇,趙凱華,田祥龍
(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司線路站場設(shè)計研究院,北京 100055)
經(jīng)調(diào)查,國內(nèi)外尚未見利用已建成無砟軌道城際鐵路運營線路運輸軌料的實施案例。由于運輸軌料車車輪的圓順度和車輪踏面的平滑度都會對既有軌道產(chǎn)生沖擊,從而加重軌道不平順性;且天窗時間較短,運營線對軌道平順度要求高,目前國內(nèi)尚無此類工況下軌道狀態(tài)的實驗資料及研究資料。按TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖示》,鐵路列車荷載圖示分為4種類型,分別為:適用于高速鐵路的ZK活載,適用于城際鐵路的ZC活載,適用于客貨共線鐵路的ZKH活載,適用于重載鐵路的ZH活載。珠三角城際鐵路網(wǎng)采用適用于城際鐵路的ZC活載,僅適用動車組上線運行,原則上不允許牽引機車上線運行。
珠三角城際鐵路網(wǎng)中2020年開通的廣州至清遠城際鐵路廣州北至清遠段(以下簡稱“廣清城際”)按ZC活載無砟軌道設(shè)計(設(shè)計速度200 km/h),在獅嶺站設(shè)置鋪軌基地并與京廣線設(shè)置聯(lián)絡(luò)線。能否利用既有無砟軌道城際線路為相鄰在建線路運輸軌料,目前國內(nèi)尚無實施先例,且缺少理論依據(jù)及實驗數(shù)據(jù)。因此,為解決既有廣清城際線路(無砟軌道)為相鄰在建線路運輸軌料問題,需研究利用既有無砟軌道城際鐵路運輸軌料的可行性和安全性。
為確保牽引機車在以ZC活載設(shè)計的城際鐵路無砟軌道上安全運行,成為國內(nèi)外首例利用既有無砟軌道城際鐵路運營線路運輸軌料的成功案例和示范工程,擬研究解決以下四大重點問題。
(1)軌料運輸車對城際鐵路最大坡度的適應(yīng)性分析
廣清城際鐵路最大坡度為30‰,軌料運輸車能否適應(yīng)大坡度是軌料運輸面臨的主要問題。
(2)橋梁結(jié)構(gòu)對軌料運輸車上線的適應(yīng)性分析
由于軌料運輸車的荷載圖示與橋梁ZC活載存在差異,以ZC活載設(shè)計的橋梁結(jié)構(gòu)能否適應(yīng)軌料運輸車上線運行是面臨的主要問題,需在軌料車運行前后對橋梁狀態(tài)進行實驗測評,確保橋梁結(jié)構(gòu)安全的前提下允許軌料運輸車上線。
(3)軌道結(jié)構(gòu)對軌料運輸車上線的適應(yīng)性分析
由于軌料運輸車與動車組列車在上線運行過程中輪軌對軌道結(jié)構(gòu)縱、橫向力差異較大,軌道結(jié)構(gòu)能否適應(yīng)軌料運輸車上線運行亦是面臨的主要問題,需要對軌道狀態(tài)進行實驗測評,確保軌道結(jié)構(gòu)安全的前提下允許軌料運輸車上線。
(4)軌料運輸對城際鐵路通過能力的影響分析
軌料運輸需與既有城際運輸組織和綜合維修作業(yè)組織相協(xié)調(diào),分析軌料運輸對通過能力的影響。
(1)第一步:通過牽引計算模擬仿真實驗測評,分析并解決軌料運輸車能否適應(yīng)城際鐵路最大坡度的問題。
(2)第二步:基于軌料運輸車上線實驗數(shù)據(jù),分析軌料運輸車上線對橋梁、軌道結(jié)構(gòu)安全性影響,解決軌料運輸車上線的安全性、可靠性問題。
(3)第三步:基于廣清城際現(xiàn)狀客車開行計劃和天窗類型,分析并解決軌料運輸與旅客運輸?shù)倪m應(yīng)性問題。
3.1.1 線路坡度分布概況
2020年開通的廣清城際正線長度38 km,新設(shè)廣州北(花都)、石陂(樂同)、獅嶺、銀盞、龍?zhí)?、清遠(清城)等6個車站,獅嶺鋪軌基地設(shè)于獅嶺站東北側(cè);對廣清城際鐵路軌料運輸重車方向,最大上坡為30‰,最大下坡為22.5‰。
3.1.2 研究思路
坡度適應(yīng)性分析,其本質(zhì)是牽引質(zhì)量檢算和制動檢算。首先要確定軌料運輸方式和車組參數(shù),計算不同類型機車在最大上坡道上能夠正常起動和以持續(xù)速度運行的軌料裝載量,最后檢算軌料運輸車在長大下坡道上的制動情況。
3.1.3 軌料運輸方式及車組參數(shù)
經(jīng)廣清城際鐵路運輸?shù)能壛现饕獮?0 kg/m的500 m長鋼軌,運輸長鋼軌的鐵路車輛可以分為兩類。
一類是共用平車組成的車組[1-2],如NX17A型(也可采用N17、NX70、NX70A型),車組由36輛NX17A平車上加裝運輸支架組成,結(jié)構(gòu)如下:首車+16輛裝載車+2輛鎖軌車+16輛裝載車+尾車。其中裝載車由普通鐵路平車和運軌支架組成;首車、尾車是在裝載車的基礎(chǔ)上加擋軌裝置和升降支架;鎖軌車是在裝載車的基礎(chǔ)上增加鎖軌裝置。
另一類是專門的固定編組長軌運輸車組,如T11BK型長鋼軌車組[3-4],車組由13種車型共43輛車組成,包括1輛發(fā)電車、2輛安全車、35輛運軌車(其中4輛帶有鎖定裝置的鎖定車)、1輛作業(yè)首車、3輛作業(yè)中車、1輛作業(yè)尾車。
長鋼軌運輸車組最多裝運56根長500 m、60 kg/m的長鋼軌,不同滿載情況下運輸車組總質(zhì)量見表1。
表1 不同滿載情況時運輸車組總質(zhì)量 t
3.1.4 軌料運輸坡度適應(yīng)性分析
軌料運輸車牽引機車類型通常采用內(nèi)燃機車,當(dāng)利用已開通運營的電氣化鐵路線路運輸時,也有采用電力機車的條件。因此,對內(nèi)燃機車和電力機車兩種類型機車分別進行軌料運輸坡度適應(yīng)性分析。根據(jù)廣鐵集團機車配屬貨機型情況,對DF4D、HXN3、HXD1型牽引軌料運輸車組時的坡度適應(yīng)性進行分析,計算最大坡度下各類機車的牽引質(zhì)量,并進行起動檢算和制動檢算,分析不同類型機車、車輛、滿載率組合的坡度適應(yīng)性。
(1)牽引檢算
不同機車在30‰坡度上以持續(xù)速度運行的牽引質(zhì)量和正常起動的牽引質(zhì)量見表2。
表2 不同機車在30‰坡度上的牽引質(zhì)量 t
選取NX17A型和T11BK型長軌運輸車組,分析不同滿載率時各類型機車在30‰坡度坡道上的適應(yīng)情況[5-6],見表3?!?”代表機車在該牽引模式下能以持續(xù)速度運行并且能正常起動;“0”代表不能以持續(xù)速度運行或不能正常啟動,二者至少有一。
表3 不同滿載率時各類型機車在30‰坡度上的適應(yīng)情況
在30‰坡度線路上,對于NX17A型車組,HXN3、HXD1雙機牽引模式下,在列車滿載時,可以正常起動并以持續(xù)速度運行;DF4D雙機牽引模式下,在滿載率為43%及以下時,可以正常起動并以持續(xù)速度運行。
在30‰坡度線路上,對于T11BK型車組,HXN3雙機牽引模式下,在列車滿載時,可以正常起動并以持續(xù)速度運行;HXD1雙機牽引模式下,在滿載率為75%及以下時,可以正常起動并以持續(xù)速度運行;DF4D雙機牽引模式下,在滿載率為25%及以下時,可以正常起動并以持續(xù)速度運行。
(2)制動檢算
根據(jù)上述30%坡度上列車牽引適應(yīng)情況分析,選取以下3個機車、車輛、滿載率典型組合:2臺DF4D+36輛NX17A+24根長鋼軌(組合1);2臺HXN3+43輛T11BK+56根長鋼軌(組合2);2臺HXD1_25+43輛T11BK+42根長鋼軌(組合3)。根據(jù)表3,這3個典型組合滿足30‰坡道上正常起動和持續(xù)速度運行的要求。對其進行長大下坡制動檢算[7-8],當(dāng)列車制動初速度采用70 km/h、末速度采用30 km/h,減壓量采用60 kPa,長大下坡道區(qū)間的列車再充風(fēng)分析見表4。
表4 典型組合下坡道制動周期檢算(減壓量60 kPa)
對廣清城際鐵路軌料運輸重車方向,最大下坡段在獅嶺—銀盞區(qū)間,最大坡度-22.5‰,長2 850 m。對于以上典型組合,可滿足22.5‰的長大下坡道周期制動要求。
3.1.5 小結(jié)
經(jīng)廣清城際鐵路運輸?shù)能壛现饕?0 kg/m、500 m長鋼軌,采用的軌料運輸方式為2臺DF4D+36輛NX17A,裝運2層共24根60 kg/m、500 m的長鋼軌(滿載率43%)。根據(jù)以上計算分析得出:廣清軌料運輸列車滿足30‰坡道上正常起動和持續(xù)速度運行的要求;采用60 kPa減壓量,僅用空氣制動可滿足22.5‰的長大下坡道周期制動要求。
本研究結(jié)論除可以用于廣清城際外,還可推廣到其他類似項目。其他典型的軌料運輸方式對坡度的適應(yīng)情況如下。
在30‰坡道上,2臺HXN3+43輛T11BK,在列車滿載時,可以正常起動并以持續(xù)速度運行。機車動力制動力使用系數(shù)0.5的情況下,采用60 kPa減壓量,可滿足30‰的長大下坡道周期制動要求。
在30‰坡道上,2臺HXD1_25+43輛T11BK,在列車滿載率75%時,可以正常起動并以持續(xù)速度運行。機車動力制動力使用系數(shù)0.5的情況下,采用60 kPa減壓量,可滿足30‰的長大下坡道周期制動要求。
3.2.1 橋梁工程概況
廣清城際鐵路采用的簡支箱梁為珠三角時速200 km城際軌道交通簡支箱梁通用圖(專橋(2014)2226系列)[9],全線均為無砟軌道。
3.2.2 研究思路
軌料運輸車計算荷載較廣清城際鐵路所采用的ZC荷載不同,因此需要結(jié)合軌料運輸車的荷載分析對既有廣清城際簡支梁的影響,保證既有結(jié)構(gòu)的安全性。根據(jù)廣清城際相關(guān)資料,確定軌料運輸車的類型,提煉軌料運輸車荷載圖示并與設(shè)計采用的ZC荷載圖示進行對比,計算軌料運輸車荷載作用下各種梁型的受力,對比分析各項設(shè)計指標是否滿足規(guī)范要求。
3.2.3 軌料運輸車計算荷載圖示
運輸車輛車頭采用DF4D型內(nèi)燃機車,長20.9 m,自重142.14 t。車頭帶動36輛NX17A平板車,每節(jié)平板車車底架長13 m,自重23 t,最大載重60 t。依據(jù)資料軌料運輸車荷載可提煉為車頭荷載及平板車荷載組合形式,荷載圖示如圖1所示。東風(fēng)機車荷載可等效為6個212 kN的集中力,平板車荷載按照最大載重可等效為4個235 kN集中力。
圖1 軌料運輸車荷載圖示(單位:m)
3.2.4 軌料運輸車計算荷載與ZC荷載對比分析
廣清城際鐵路采用ZC荷載如圖2所示。列車豎向活載縱向計算采用一般荷載圖示,4個集中力分別為150 kN,間距為1.6 m,均布力為48 kN/m向兩側(cè)無線延伸;列車豎向活載橋面橫向計算采用特種荷載圖示,4個集中力分別為190 kN,間距為1.6 m。
圖2 ZC荷載圖示(單位:m)
軌料運輸車均為集中荷載,機車車頭等效為集中荷載212 kN,最小間距為1.25 m,最大載重下平板車等效為集中荷載235 kN,最小間距為1.5 m。ZC一般荷載集中力為150 kN,間距為1.6 m,均布荷載為45 kN/m、ZC特種荷載集中力為190 kN,間距為1.6 m[10]。由此可見,軌料運輸車集中荷載較ZC荷載大,但荷載間距較大。
3.2.5 軌料運輸車荷載與ZC荷載對橋梁影響
針對各梁型的兩種二期恒載,進行縱向總體計算,建立平面桿系單元模型,計算軌料運輸車荷載作用下截面的強度、應(yīng)力等[11]。軌料運輸車荷載作用下箱梁縱向計算主要成果見表5,ZC荷載作用下箱梁縱向計算主要成果見表6。
表5 軌料運輸車荷載作用下各梁型主要指標
表6 ZC荷載作用下各梁型主要指標
經(jīng)對比,在軌道運料車荷載作用下簡支梁跨中強度安全系數(shù)、跨中抗裂安全系數(shù)[12]有所增加,跨中下緣混凝土壓應(yīng)力有所降低,各項指標滿足規(guī)范要求。靜活載作用支座反力降低,因此既有支座可以滿足需求,無需更換。
3.2.6 小結(jié)
綜上所述,依據(jù)廣清軌料運輸單位提供資料,提煉出軌料運輸車荷載圖示,并且與廣清城際設(shè)計用ZC荷載進行對比,對比后發(fā)現(xiàn)軌料運輸車集中荷載較ZC荷載大但荷載間距較大。廣清城際采用珠三角時速200 km城際軌道交通簡支箱梁通用圖(專橋(2020)2226系列),綜合考慮橋面附屬設(shè)施以及軌道運料車荷載的作用,經(jīng)分析檢算,箱梁承載能力能夠滿足要求。
3.3.1 軌道工程概況
珠三角城際線路均鋪設(shè)CRTS雙塊式無砟軌道,速度為160~200 km/h,鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。
3.3.2 研究思路
研究軌料運輸車運行在無砟軌道上的運行狀態(tài),可行性分析主要分為兩個部分:第一,建立靜力學(xué)模型,檢算軌料運輸車作用下軌道結(jié)構(gòu)的受力情況,對既有軌道結(jié)構(gòu)進行力學(xué)檢算,判斷軌道結(jié)構(gòu)的承載能力;第二,建立動力學(xué)模型,對既有軌道結(jié)構(gòu)在軌料車運行下軌道動力學(xué)指標進行分析與評估,進而判斷軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)表現(xiàn)。
3.3.3 靜力學(xué)分析
靜力學(xué)分析采取極限狀態(tài)法,對既有無砟軌道結(jié)構(gòu)運行軌料運輸車進行力學(xué)分析[13]。軌道靜力學(xué)計算結(jié)果如表7所示。
表7 軌道靜力學(xué)計算
將上述有限元分析模型的計算結(jié)果輸入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析軟件,對道床板或底座板的鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力狀態(tài)及混凝土裂縫寬度進行檢算,均滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范或橋規(guī)要求[14]。既有結(jié)構(gòu)滿足軌料運輸車行駛要求。
按照Q/CR 9130—2015《鐵路軌道極限狀態(tài)法設(shè)計暫行規(guī)范》和GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中承載能力極限狀態(tài)法對道床板和底座板進行配筋計算,并按照正常使用極限狀態(tài)法進行相應(yīng)裂縫寬度檢算。實際配筋率滿足計算要求,裂縫寬度檢算滿足容許裂縫寬度。
3.3.4 動力學(xué)分析
動力學(xué)指標限值及計算數(shù)據(jù)[15-18]匯總見表8。
表8 動力學(xué)指標測試數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比
由動力學(xué)分析可知,軌料車運行在既有軌道結(jié)構(gòu)時,軌道的動力學(xué)響應(yīng)(含鋼軌垂向位移、垂向加速度、鋼軌橫向位移、橫向加速度、道床垂向位移、垂向加速度、道床橫向位移、橫向加速度、鋼軌動彎應(yīng)力等指標)均低于規(guī)范限制,行車安全性指標(含輪軌垂向及橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率等指標)也在規(guī)范要求范圍內(nèi)[18-19],滿足行車安全要求。
3.3.5 小結(jié)
綜上所述,改變既有軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載,采用有限元模型進行分析,靜力分析采用極限狀態(tài)法和容許應(yīng)力法,并對軌道結(jié)構(gòu)在軌料車作用下的結(jié)構(gòu)安全進行檢算,通過檢算混凝土、鋼筋及結(jié)構(gòu)裂縫與允許值,得出了既有結(jié)構(gòu)滿足行車要求的結(jié)論。通過建立車輛輪對、軌道結(jié)構(gòu)及下部基礎(chǔ)的模型,采用動力分析并提取了軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)及行車安全各項指標,既有結(jié)構(gòu)在行車條件下動力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。
軌料運輸需與既有城際運輸組織和綜合維修作業(yè)組織相協(xié)調(diào),基于廣清城際現(xiàn)狀客車開行計劃和天窗類型,分析軌料運輸對通過能力的影響。
3.4.1 軌料運輸需求分析
針對典型的軌料運輸組合(機車、車輛、滿載率組合),其每列軌料運輸車能夠運輸?shù)拈L鋼軌長度如表9所示。
表9 典型軌料運輸組合運輸?shù)拈L鋼軌長度 km
目前,我國500 m長鋼軌鋪軌機日鋪軌線路1.5~3 km[17],若不考慮珠三角城際各在建線路同時鋪軌的情況,上述典型組合1列車運輸?shù)拈L鋼軌即可滿足1條線每日鋪軌需要??紤]到運輸車回空,每日最多需開行1對軌料運輸車。
3.4.2 綜合維修天窗內(nèi)的軌料運輸能力分析
廣清城際采用垂直天窗[18],天窗時間為0:00—4:00,天窗內(nèi)綜合維修作業(yè)實際占用210 min以上,天窗內(nèi)可供軌料運輸?shù)恼€通行時間較少。因此,采用天窗內(nèi)時段開行軌料運輸列車[18-19]的方案不可行。
根據(jù)我國動車組與貨物列車混行的政策規(guī)定,對于200 km/h客貨共線鐵路,運營原則是:如動、貨不分時段混行,則動車組限速160 km/h;如動、貨分時段運行,則動車組可按200 km/h速度運行。因此,在天窗外非客運時段進行軌料運輸在政策上是可行的。
3.4.3 綜合維修天窗外非客運時段軌料運輸能力分析
(1)廣清城際客車開行計劃
目前,廣清城際營業(yè)動車組開行對數(shù)為42對/d,平均行車間隔為22 min,最小行車間隔為10 min,最大行車間隔為35 min,新增清城—花都13對直達列車,廣州與清遠兩城間實現(xiàn)了最快16 min直達。
(2)綜合維修天窗外可供利用的非客運時段
為保證行車安全,天窗開始前,軌料運輸車需在該區(qū)段最后一列載客列車結(jié)束運營或非載客車底入庫后開行;天窗結(jié)束后,軌料運輸車需在動檢車運行前結(jié)束運行。根據(jù)廣清鐵路現(xiàn)狀運行圖,各軌料運輸區(qū)段天窗外可利用的非客運時段如表10所示。
表10 天窗外可利用的非客運時段 對
(3)綜合維修天窗外非客運時段軌料運輸能力
軌料運輸列車追蹤間隔采用7 min,獅嶺—廣州北運行時間為12 min,獅嶺—清遠運行時間為27 min。天窗外可利用的非客運時段可開行的軌料運輸列車對數(shù)如表11所示。
表11 軌料運輸車開行對數(shù) 對
可以看出,獅嶺—廣州北區(qū)段可利用天窗前非客運時段、天窗后非客運時段進行軌料運輸;獅嶺—清遠區(qū)段只能利用天窗后非客運時段進行軌料運輸。
考慮到每日軌料運輸列車的開行需求最大只有1對,因此,廣清城際天窗外非客運時段軌料運輸能力可以滿足軌料運輸需求。
3.4.4 小結(jié)
廣清城際現(xiàn)狀綜合維修天窗內(nèi)時段不滿足軌料運輸需求,需在天窗外的非客運時段運輸軌料。經(jīng)分析,獅嶺—廣州北區(qū)段可利用天窗前、后的非客運時段,每日最多開行5對軌料運輸列車;獅嶺—清遠區(qū)段只能利用天窗后非客運時段,每日最多開行1對軌料運輸列車。在珠三角城際各在建線路不同時鋪軌的情況下,可以滿足1條線路每日的鋪軌需要。
以上僅考慮了廣清城際的既有客車開行計劃,若軌料運輸列車還需經(jīng)其他既有線開行,需結(jié)合其他既有線的開行計劃,對軌料運輸車的開行時間進行統(tǒng)籌安排。這種情況下,天窗外非客運時段可能會不滿足軌料運輸車的開行需要。此時,需對非客運時段和天窗時段統(tǒng)籌調(diào)整,盡量將天窗外非客運時段合并,減少三角區(qū)的影響。若必要,可對天窗設(shè)置方案進行調(diào)整,采用“一線維修,一線運行”的模式,以滿足軌料運輸?shù)男枰?/p>
珠三角城際鐵路網(wǎng)中,與廣清城際互連互通的4個在建(擬建)項目可經(jīng)廣清城際通道運輸軌料,分別為新白廣城際、廣清城際北延線、廣清城際南延線、廣佛環(huán)線佛山西至廣州北段[20-21]。下面分別論述利用廣清城際運輸軌料和不利用廣清城際運輸軌料兩種軌料運輸方案。
如圖3和圖4所示,500 m長鋼軌由紅海焊軌廠供應(yīng)至現(xiàn)場,經(jīng)京廣線、獅嶺聯(lián)絡(luò)線、廣清城際進入工程線。
圖3 廣清城際軌料運輸線路示意
圖4 T11長軌運輸車
長軌運輸線路為:從紅海焊軌廠裝軌,采用貨運方式將長軌運輸至京廣線軍田站,由廣鐵集團運輸轉(zhuǎn)交由廣東城際鐵路運營有限公司運輸,利用自備機車牽引長軌運輸車途經(jīng)獅嶺聯(lián)絡(luò)線至鋪軌基地,再經(jīng)廣清城際至新白廣城際、廣清城際北延線、廣清城際南延線、廣佛環(huán)線佛山西至廣州北段4個在建(擬建)項目工程線。
經(jīng)測算,本方案工程費用共約1 385萬元。
若不利用廣清城際,由于新白廣城際、廣清城際北延線、廣清城際南延線、廣佛環(huán)線佛山西至廣州北段4個在建(擬建)項目沿線不具備與京廣線設(shè)置聯(lián)絡(luò)線(及鋪軌基地)條件,因此運輸軌料須采用紅海焊軌廠汽車裝運至4個項目工程線。
經(jīng)測算,本方案工程費用共約8795萬元,鄰近項目采用長軌運輸方案費用測算如表12所示。
表12 鄰近項目采用長軌運輸方案費用測算
綜上分析,利用廣清城際運輸軌料可節(jié)省工程投資約7 410萬元。
首先,從理論上分析利用既有無砟軌道城際鐵路運輸軌料,軌料運輸牽引車列對線路坡度適應(yīng)性、橋梁和軌道結(jié)構(gòu)對軌料運輸車上線的適應(yīng)性、運營線路運輸組織及工務(wù)養(yǎng)護維修對軌料運輸?shù)倪m應(yīng)性四個重點難題,具備了其可行性和安全性。然后,利用已建成廣清城際鐵路無砟軌道運營線路天窗時間運輸軌料進行試驗,從實踐中成功實現(xiàn)了軌料運輸牽引車列可以適應(yīng)城際鐵路最大坡度、橋梁和軌道結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)軌料運輸車上線、運營線路運輸組織及工務(wù)養(yǎng)護維修可以適應(yīng)軌料運輸,驗證了其可行性和安全性。
本文首次從理論上和實踐分別實現(xiàn)了利用既有無砟軌道城際鐵路運輸軌料的可行性和安全性,填補國內(nèi)這方面研究不足,該成果對后續(xù)類似項目的開展具有參考和指導(dǎo)價值。