梁延科

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司線站院,天津 300308)

自1997年至2007年，為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需要，我國鐵路從具體情況出發(fā)，先后于1997年4月1日、1998年10月1日、2000年10月21日、2001年10月21日、2004年4月18日和2007年4月18日實施了6次大面積提速，鐵路客運列車時速由120 km逐漸提升至140，160，200，250 km，并提出了相應(yīng)的技術(shù)條件，使我國鐵路面貌發(fā)生了歷史性變化[1-2]。尤其是第6次大面積提速調(diào)圖，達到了世界鐵路既有線提速先進水平的目標(biāo)，標(biāo)志著中國鐵路既有線提速躋身于世界鐵路先進行列[3]。

截至2020年年底，我國高速鐵路運營里程已達3.79萬 km，其中，設(shè)計時速250 km線路占比最高，達到約40%。為適應(yīng)新時代發(fā)展需要，實施時速250 km等級高速鐵路提速，可有效提升我國高速鐵路運行品質(zhì)和效率效益，充分挖掘龐大的高鐵線路固定資產(chǎn)潛力，最大限度增加客運供給，進一步優(yōu)化完善高速鐵路路網(wǎng)布局，實現(xiàn)全路效益最大化[4-5]。同時，高鐵速度提升對于助力我國解決發(fā)展不平衡不充分問題，助力交通強國建設(shè)具有重要意義。

軌道作為直接承受列車荷載的結(jié)構(gòu)，是列車運行安全性、舒適性的保障，隨著列車速度的提高必然會對軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)提出更高要求。研究表明，有砟軌道在高速列車運行下，軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)增大，會出現(xiàn)道砟劣化等病害[6-8]及飛砟的潛在威脅[9]。無砟軌道在列車速度提高后，軌道結(jié)構(gòu)振動加劇[10]，對結(jié)構(gòu)使用壽命產(chǎn)生不利影響。所以，亟需開展時速250 km線路提速后軌道結(jié)構(gòu)適用性分析，并提出相應(yīng)的既有線提速軌道技術(shù)條件。

通過調(diào)研分析和理論計算，針對既有時速250 km高鐵提速后有砟軌道結(jié)構(gòu)、無砟軌道結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)超高的適用性進行了研究，為指導(dǎo)既有時速250 km線路提速，提出了提速軌道技術(shù)條件，可為相關(guān)工程提供參考和借鑒。研究成果可為制定適用于既有250 km高速鐵路提速關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)，為進一步發(fā)揮高鐵優(yōu)勢，提升高鐵運行品質(zhì)提供技術(shù)支撐。

1 有砟軌道適應(yīng)性分析

有砟軌道作為高速鐵路主要軌道結(jié)構(gòu)形式，在國內(nèi)外已獲得廣泛應(yīng)用，但既有線設(shè)計速度大多為250 km/h，本節(jié)重點從扣件系統(tǒng)和道床兩方面分析提速后有砟軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。

1.1 扣件

基于有限元法及車輛-軌道耦合動力學(xué)理論[11]，以有砟軌道彈條Ⅴ型扣件為例，建立高速列車-有砟軌道耦合動力學(xué)模型，分別計算了列車運行速度為250，350 km/h時，彈條最大等效應(yīng)力變化情況，如圖1所示。

圖1 不同速度下扣件彈條應(yīng)力變化情況

由圖1可知，扣件系統(tǒng)安裝到位后，彈條最大等效初始應(yīng)力出現(xiàn)在彈條后彎處，彈條后彎處最大等效應(yīng)力為1 242 MPa；當(dāng)列車運行速度為250 km/h和350 km/h時，等效應(yīng)力幅值分別變化了132 MPa和171 MPa?；谄诜治隼碚摵屠鄯e損傷法則[12]，估算彈條疲勞壽命，扣件彈條采用60Si2Mn彈簧鋼制成，其95%存活率時的σ-N曲線公式為

(lgN)95%=39.61-11.85lgσ

(1)

式中，σ為工作循環(huán)應(yīng)力幅值，MPa；N為疲勞壽命，次。

采用工程中應(yīng)用較多的Goodman模型對應(yīng)力進行修正[13]：一節(jié)車即2個轉(zhuǎn)向架，共4輪次，彈條疲勞壽命以輪次為單位，運行速度為250 km/h和350 km/h時，彈條疲勞壽命分別為0.98×1011次和0.83×1011次，即提速后彈條疲勞壽命減小15.3%。

由以上可知，速度提高會降低扣件的使用壽命，應(yīng)對目前已運營線路扣件服役性能進行重新評估，保證滿足既有規(guī)范相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

1.2 道床

隨著車速增加，軌道系統(tǒng)部件的加速度、動位移、動應(yīng)力均有明顯增大。隨著行車速度提高，軌道結(jié)構(gòu)垂向加速度均發(fā)生了增大，且行駛速度350 km/h較250 km/h時道床加速度增大幅度25.17%，如圖2所示，說明行車速度增大會極大加劇結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)；而在動位移方面，軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)也逐漸增大，其中，道床動位移增大幅度為6.13%，而結(jié)構(gòu)動位移增大不利于軌道幾何形位的保持，過大的動位移還會危及行車安全；在動應(yīng)力方面，道床垂向動應(yīng)力增大14.77%，道床應(yīng)力增大會導(dǎo)致道砟粉化加快，縮短道床使用壽命，對軌道結(jié)構(gòu)的影響較大。

圖2 不同速度下道床加速度變化情況

調(diào)研結(jié)果表明，有砟軌道提速主要存在2個問題：道床劣化和道砟飛濺。德國行車速度為250～300 km/h的高速鐵路有砟軌道養(yǎng)護維修費用為速度160～200 km/h時的2倍。法國高速鐵路有砟軌道長時間運營后出現(xiàn)道砟粉化嚴(yán)重、軌道幾何尺寸難以保持、維修周期縮短、維修費用大大增加等現(xiàn)象。減緩道床粉化破壞的措施主要有2種，一是采用彈性軌枕，二是在道砟下鋪設(shè)橡膠墊[14]。當(dāng)列車速度提高到一定程度時，在列車空氣動力和車軌動力共同作用下，可能發(fā)生道砟顆粒飛離道床，并擊打列車轉(zhuǎn)向架、車輪及鋼軌踏面等現(xiàn)象，對列車和軌道結(jié)構(gòu)具有巨大危害。通過調(diào)整道床面高度、砟肩堆高高度，減緩道床邊坡坡度、調(diào)整道床級配等措施，可降低道砟飛濺的概率[15]。

此外，為降低某些特殊地段有砟軌道養(yǎng)護維修工作量，國內(nèi)相關(guān)單位提出采用聚氨酯對道床進行固化[16]，以解決有砟道床劣化及道砟飛濺問題。該項技術(shù)已在滬昆高鐵、京張高鐵、濟青高鐵等局部地段得到應(yīng)用，最高試驗速度達到385 km/h。

總體來看，有砟軌道提速后道床應(yīng)采取防飛濺和防粉化措施，確保軌道幾何形位滿足相關(guān)技術(shù)要求。另外，道床應(yīng)保持彈性和排水良好，并按規(guī)定保持密實，確保道床主要力學(xué)參數(shù)滿足運營要求。

2 無砟軌道適應(yīng)性分析

與有砟軌道類似，列車速度提高也會引起無砟軌道扣件和道床動應(yīng)力、動位移、振動加速度增加，從而降低其服役性能。本節(jié)重點分析了列車速度提高對無砟道床配筋的影響。

對于設(shè)計時速250 km鐵路，考慮輪軌不平順作用下的速度效應(yīng)，動載系數(shù)取值2.5；對于時速300 km及以上的高速鐵路，豎向設(shè)計活載中的動載系數(shù)取3.0。動載系數(shù)增大會對軌道結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用狀態(tài)提出更高的要求，有必要對無砟軌道結(jié)構(gòu)受力及結(jié)構(gòu)配筋進一步進行分析。

以雙塊式無砟軌道、列車軸重17 t為例，基于梁-板-板理論計算動載系數(shù)變化后列車垂向荷載作用下路基、橋梁、隧道段底座板和道床板的最大彎矩變化量。路基地段3塊道床板對應(yīng)1塊底座板，基礎(chǔ)支承剛度按76 MPa/m取值；橋梁地段1塊道床板對應(yīng)1塊底座板，基礎(chǔ)支承剛度按1 000 MPa/m取值；隧道地段道床板采用連續(xù)澆筑，無底座板，基礎(chǔ)支承剛度按1 200 MPa/m取值。最終計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同動載系數(shù)下軌道結(jié)構(gòu)彎矩變化情況

由圖3可知，動載系數(shù)變化后路基地段軌道結(jié)構(gòu)縱橫向彎矩變化較大，路基地段道床板縱向彎矩變化最大，增大了4.7 kN·m/m?；诶碚摴剑瑢α熊嚈M向荷載、溫度荷載、混凝土收縮以及基礎(chǔ)變形作用下道床板和底座板彎矩分別進行計算。對各荷載作用下的彎矩進行組合后，以混凝土強度、鋼筋強度、裂紋寬度、最小配筋率及鋼筋間距為依據(jù)進行配筋計算[17]。

由計算結(jié)果可知，除路基和隧道底座板、距洞口大于200 m隧道道床板外，其他情況列車豎向設(shè)計荷載不作為控制因素；由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求，動力系數(shù)變化對隧道內(nèi)底座板配筋、路基底座板橫向配筋、距洞口大于200 m隧道道床板縱向配筋均無影響；按照計算鋼筋量，動力系數(shù)由2.5增大到3.0后，路基地段采用底座板時，采用φ12 mm縱向鋼筋會增加1根，距洞口大于200 m隧道道床板采用φ12 mm鋼筋時橫向鋼筋會增加1根，由于設(shè)計時有一定的安全富余量，設(shè)計鋼筋量一般會多于計算鋼筋量，總體來說動力系數(shù)變化對軌道結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計無影響。

3 超高適應(yīng)性分析

在曲線半徑、列車運行速度及未被平衡超高允許值已知時，設(shè)計超高的計算公式如下

h=11.8v2/R-hw

(2)

式中，R為最小曲線半徑；v為列車運行速度；h為設(shè)計超高；hw為欠超高。

曲線地段無砟軌道最大設(shè)計超高值為175 mm，有砟軌道一般情況最大設(shè)計超高值為150 mm，最小值為15 mm。以區(qū)間線路為例，欠超高允許值為60 mm，過超高為70 mm[18-19]，不同速度下超高設(shè)置最大、最小值如圖4所示。

圖4 不同曲線半徑下超高取值

由于超高最大、最小值影響，在250 km/h提高到300 km/h以及300 km/h提高到350 km/h時，應(yīng)首先判斷目前的半徑是否滿足最小曲線半徑要求。由圖4可知，當(dāng)列車速度為250，300，350 km/h時，無砟軌道曲線半徑最小值分別為3 139，4 520，6 152 m，有砟軌道曲線半徑最小值分別為3 512，5 058，6 884 m。接下來判斷實設(shè)超高值是否滿足提速后要求，圖中紅色部分為250 km/h提速到300 km/h時應(yīng)重點關(guān)注的區(qū)域，灰色部分為300 km/h提速到350 km/h時重點關(guān)注的區(qū)域，在重點關(guān)注區(qū)域內(nèi)應(yīng)采取措施增大實設(shè)超高值。

當(dāng)實設(shè)超高滿足提速要求后，應(yīng)進一步確認(rèn)緩和曲線長度，通過超高順坡率進行判斷，超高順坡率最大值取1/(9vmax)，不同速度及緩和曲線長度下，超高允許實設(shè)值如圖5所示。

圖5 不同緩和曲線長度下超高取值

由圖5可知，不同速度下實設(shè)超高允許最大值隨著緩和曲線長度增加呈線性增長，當(dāng)緩和曲線長度過短時，由于超高順坡率限制，超高實設(shè)值不能太高。當(dāng)速度為250，300，350 km/h時，無砟軌道超高值設(shè)置不受緩和曲線限制，最大緩和曲線長度分別為394，473，552 m，有砟軌道分別為338，405，473 m，當(dāng)小于上述長度時，應(yīng)進一步核實超高順坡率是否滿足相關(guān)要求。以既有線設(shè)計速度250 km/h、曲線半徑6000 m、緩和曲線長度280 m、實設(shè)超高117 mm為例，當(dāng)此線路提速到300 km/h后，由圖4可知，曲線半徑為6000 m時，實設(shè)超高最小值為117 mm，滿足提速要求；由圖5可知，緩和曲線長度為280 m時，實設(shè)超高允許最大值為103 mm，不滿足提速要求。

4 技術(shù)條件

為進一步規(guī)范既有線提速后軌道相關(guān)技術(shù)要求，結(jié)合既有相關(guān)規(guī)范[20-21]及運營經(jīng)驗，從鋼軌、軌枕、扣件、道床、軌道不平順管理等方面提出既有時速250 km高鐵提速軌道技術(shù)條件，可為既有線提速工程提供一定參考。

4.1 鋼軌

正線應(yīng)采用60 kg/m鋼軌，鋼軌質(zhì)量應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)要求。應(yīng)鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。

4.2 軌枕

正線有砟軌道應(yīng)選用Ⅲ型混凝土枕，軌枕間距宜為600 mm。

鋪設(shè)護軌地段應(yīng)采用Ⅲ型混凝土橋枕。

4.3 扣件

正線有砟軌道扣件宜與軌枕類型配套使用。Ⅲ型有擋肩混凝土枕配套扣件為彈條Ⅴ型扣件，Ⅲ型無擋肩混凝土枕配套扣件為彈條Ⅳ型扣件。

正線無砟軌道扣件應(yīng)采用配套彈性扣件，軌下膠墊靜剛度應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

4.4 道床

應(yīng)采用特級道砟，道床厚35 cm，單線碎石道床頂面寬3.60 m，雙線道床頂面寬度應(yīng)分別按單線設(shè)。

道床邊坡坡度應(yīng)為1∶1.75，道床砟肩應(yīng)采用道砟堆高15 cm，道床頂面應(yīng)低于軌枕承軌面4 cm，且不應(yīng)高于軌枕中部頂面。道床主要參數(shù)指標(biāo)符合表1規(guī)定。

表1 道床主要參數(shù)指標(biāo)(平均數(shù))

道床應(yīng)保持彈性和排水良好，并按規(guī)定保持密實，應(yīng)采取防飛濺和防粉化措施，確保軌道幾何形位滿足相關(guān)技術(shù)要求。

軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)線下基礎(chǔ)和環(huán)境條件設(shè)置性能良好的防排水系統(tǒng)，嚴(yán)寒地區(qū)排水設(shè)計應(yīng)考慮防凍融要求，軌道板或道床板內(nèi)鋼筋應(yīng)進行接地和絕緣。

4.5 軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)

線路靜態(tài)平順度和動態(tài)驗收應(yīng)滿足提速相關(guān)要求。線路動態(tài)驗收應(yīng)滿足局部幅值評價和TQI允許偏差管理值要求。局部幅值按每千米線路評價，檢測結(jié)果不應(yīng)出現(xiàn)Ⅱ級偏差，且除軌距外每千米線路出現(xiàn)單項Ⅰ級偏差長度不應(yīng)大于5%。TQI允許偏差管理值Ⅰ級為4.0，Ⅱ級為5.0，每200 m為一個TQI計算單元，全線TQI出現(xiàn)Ⅰ級偏差累計單元長度不應(yīng)大于5%，同時每個單元TQI不應(yīng)出現(xiàn)Ⅱ級偏差。

5 結(jié)論

通過調(diào)研分析和理論計算，針對既有時速250 km高鐵提速后有砟軌道結(jié)構(gòu)、無砟軌道結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)超高的適用性進行了研究，并提出了提速軌道技術(shù)條件，主要結(jié)論及建議如下。

(1)有砟軌道提速后應(yīng)重點關(guān)注扣件和道床服役性能，并采取加強措施降低道床劣化及道砟飛砟。

(2)無砟軌道提速后動力系數(shù)發(fā)生改變，動力系數(shù)增大后路基地段道床板縱向彎矩變化最大，增大了4.7 kN·m/m，總體上對無砟軌道道床板和底座板配筋基本無影響。

(3)提速后應(yīng)滿足最小曲線半徑的要求，并對超高進行相應(yīng)調(diào)整，并驗證超高順坡率是否滿足規(guī)范限值。

(4)提速后應(yīng)關(guān)注道床排水、軌道平順性等，需符合現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)要求，保障列車安全平穩(wěn)運行。