王樹(shù)國(guó), 高原, 楊東升

（中國(guó)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）

0 引言

與一般跨區(qū)間無(wú)縫線路相比, 高原鐵路面臨陽(yáng)光輻射強(qiáng)、日軌溫差和時(shí)變率大等問(wèn)題。因此, 現(xiàn)階段青藏鐵路格拉段、拉林鐵路、拉日鐵路均采用區(qū)間無(wú)縫線路, 岔區(qū)設(shè)置普通接頭。由于岔區(qū)接頭在服役過(guò)程中病害突出、維修工作量大, 影響運(yùn)行品質(zhì), 因此在高原鐵路應(yīng)用岔區(qū)無(wú)縫化技術(shù), 真正實(shí)現(xiàn)跨區(qū)間無(wú)縫線路具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)需求。

針對(duì)鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路的可行性問(wèn)題, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)跨區(qū)間無(wú)縫線路受力特性和溫度力傳遞規(guī)律進(jìn)行了大量研究。王樹(shù)國(guó)等[1-3］基于有限單元法構(gòu)建了無(wú)縫道岔模型, 選取切合實(shí)際的計(jì)算參數(shù)對(duì)秦沈鐵路18號(hào)和38號(hào)無(wú)縫道岔溫度力和受力特性進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算；王平等[4-5］結(jié)合有限單元法分析對(duì)比了3種不同結(jié)構(gòu)轍叉和2種轍跟形式下無(wú)縫道岔的縱向力傳遞機(jī)理及其對(duì)結(jié)構(gòu)部件受力變形的影響。高亮等[6-7］建立了無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相互作用機(jī)理, 構(gòu)建了軌道結(jié)構(gòu)-下部基礎(chǔ)空間耦合精細(xì)化靜力分析模型和車(chē)輛-無(wú)縫線路-道床-下部基礎(chǔ)耦合動(dòng)力學(xué)協(xié)同仿真分析模型, 率先對(duì)高速鐵路無(wú)縫線路關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)理論與試驗(yàn)研究；國(guó)外三浦重等[8］進(jìn)行了溫度力作用下的道岔縱向力試驗(yàn), 并提出無(wú)縫道岔溫度力與位移的計(jì)算模型和計(jì)算方法。但有關(guān)研究目標(biāo)均未考慮高原地區(qū)獨(dú)特的環(huán)境條件, 對(duì)于高原鐵路的研究相對(duì)較少。

為了探索高原地區(qū)鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路的可行性, 中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)青藏集團(tuán)公司）于玉珠峰站采用膠接方式進(jìn)行了岔區(qū)直股無(wú)縫化試驗(yàn), 但該道岔側(cè)股內(nèi)外均不焊聯(lián), 還不算完全意義上的無(wú)縫道岔。另外, 該無(wú)縫化試驗(yàn)僅限于單組道岔, 未能實(shí)現(xiàn)車(chē)站咽喉區(qū)無(wú)縫化?？傮w而言, 海拔4 000 m以上高原鐵路跨區(qū)間無(wú)縫化在技術(shù)和工程實(shí)現(xiàn)上均存在較大難度, 國(guó)內(nèi)外尚無(wú)工程先例, 有必要開(kāi)展系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究。

1 我國(guó)大溫差地區(qū)軌溫預(yù)測(cè)與評(píng)估

高原鐵路面臨著獨(dú)特的環(huán)境氣候條件, 這些環(huán)境因素對(duì)軌道幾何狀態(tài)穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)部件耐候性的影響較為顯著。為分析高日軌溫差、強(qiáng)陽(yáng)光輻射對(duì)跨區(qū)間無(wú)縫線路的影響, 利用氣象站實(shí)測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法, 計(jì)算和評(píng)估高原、西北（毗鄰沙漠）、東北（高寒）等大溫差地區(qū)的軌溫差值, 論證青藏高原地區(qū)鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路的技術(shù)可行性。

1.1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最高軌溫預(yù)測(cè)方法

《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定年最高軌溫等于年最高氣溫加20℃[9］, 然而高原鐵路受海拔等因素影響, 其最高氣溫相對(duì)較低, 規(guī)范中的年最高軌溫和最高氣溫間的關(guān)系可能對(duì)其不適用, 因此針對(duì)高原鐵路, 擬采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行軌溫預(yù)測(cè)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于誤差逆向傳播算法來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型, 是最為經(jīng)典的模型之一。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于最速下降法, 利用逆向傳播對(duì)網(wǎng)絡(luò)閾值及權(quán)值進(jìn)行調(diào)整, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)誤差平方和的最小化。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)果包含3層, 分別為輸入層、隱含層和輸出層。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首先通過(guò)輸入變量（海拔、氣溫和緯度等）計(jì)算輸出變量（軌溫）, 隨后利用實(shí)際輸出變量及其誤差修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值, 直至兩者之間誤差達(dá)到設(shè)定值, 該誤差平方和可表示為：

式中：ΔE為擬合誤差；Zrs為實(shí)際輸出變量；Zs為輸出變量；n3為輸入變量數(shù)。獲得擬合誤差后, 需要對(duì)連接權(quán)值進(jìn)行初始化, 并計(jì)算每層神經(jīng)元的輸出值：

式中：fk為連接權(quán)值的初始化函數(shù)；f1和f2分別為線性或sigmoid等激活函數(shù)；w1kj、w2ik分別為每層連接權(quán)值；xj為輸入變量。隨后利用梯度下降法修正連接權(quán)值, 每層連接權(quán)值的修正公式可表示為：

式中：η為學(xué)習(xí)速度；f′1和f′2分別為激活函數(shù)f1和f2的導(dǎo)數(shù)。然后將權(quán)值初始值和調(diào)整值之和作為新的權(quán)值進(jìn)一步循環(huán), 直至誤差平方和達(dá)到一定容許范圍即可。將不同高原地區(qū)鐵路軌溫?cái)?shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本, 樣本包括熱當(dāng)（見(jiàn)圖1）、秀水河、沱沱河、望昆和雁石坪等車(chē)站的實(shí)時(shí)軌溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[10］。將海拔、氣溫和緯度等影響軌溫的因素提前定義為三維列向量, 將軌溫作為輸出向量進(jìn)行訓(xùn)練生成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖2）, 進(jìn)而完成海拔、氣溫和緯度等復(fù)雜條件下的軌溫預(yù)測(cè)。

圖1 熱當(dāng)氣溫和軌溫監(jiān)測(cè)

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

1.2 高原鐵路年、日軌溫差計(jì)算與評(píng)估

根據(jù)全國(guó)晝夜溫差分布相關(guān)文獻(xiàn)和氣象站資料調(diào)研, 選取溫差較大的青藏鐵路（高海拔）、蘭新鐵路（沙漠戈壁）、濱洲鐵路（高緯度）, 計(jì)算和分析我國(guó)高寒和高海拔鐵路線年、日軌溫差現(xiàn)狀, 其中, 蘭新鐵路和濱洲鐵路均已鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路。青藏鐵路年、日軌溫通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法獲得, 而蘭新鐵路、濱洲鐵路年軌溫基于《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》獲得；氣溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)當(dāng)?shù)?5個(gè)氣象站實(shí)測(cè)得到, 數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為1980—2021年, 利用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)值方法, 在224 475個(gè)樣本中獲得精確的氣溫值及分布規(guī)律。

3條鐵路年氣溫、日氣溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2, 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的年軌溫和日軌溫?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表3、表4。從1980—2021年, 蘭新鐵路年軌溫差最大值為101.3℃, 位于阿勒泰；濱洲鐵路年軌溫差最大值為105.6℃, 位于呼倫貝爾；青藏鐵路年軌溫差最大值為87.0℃, 位于沱沱河。蘭新鐵路日軌溫差最大值為45.6℃, 位于吐魯番；濱洲鐵路日軌溫差最大值為46.5℃, 位于呼倫貝爾；青藏鐵路日軌溫差最大值為47.9℃, 位于日喀則。從年軌溫差考慮, 青藏鐵路鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路環(huán)境較優(yōu)；從日溫差考慮, 青藏鐵路日軌溫差大于其他線路, 環(huán)境更惡劣, 但差異不大, 說(shuō)明鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路具有可行性。

表1 3條鐵路年氣溫匯總

表2 3條鐵路日氣溫匯總

表3 3條鐵路年軌溫匯總

表4 3條鐵路日軌溫匯總

2 高原鐵路無(wú)縫道岔工程實(shí)踐與理論檢算

2.1 青藏鐵路玉珠峰站無(wú)縫道岔工程實(shí)踐

2018年6 月, 為探索高原地區(qū)鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路的可行性, 青藏集團(tuán)公司選取玉珠峰站5號(hào)岔位12號(hào)道岔（海拔4 100 m）, 采用膠接方式進(jìn)行了岔區(qū)直股無(wú)縫化試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)3年運(yùn)營(yíng)實(shí)踐, 該道岔膠接接頭服役狀態(tài)良好, 無(wú)縫道岔穩(wěn)定, 可初步證明高原地區(qū)鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路具有可行性。但該道岔側(cè)股內(nèi)外均不焊聯(lián), 還不算完全意義上的無(wú)縫道岔[11］。并且該無(wú)縫化試驗(yàn)僅限于單組道岔, 單組道岔僅在直股無(wú)縫化, 這與整個(gè)咽喉區(qū)無(wú)縫化相比還存在較大差距, 還需進(jìn)一步進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 拉林鐵路熱當(dāng)站無(wú)縫道岔工程實(shí)踐

2021年4 月, 在拉林鐵路熱當(dāng)站（海拔3 200 m）采用膠接接頭實(shí)現(xiàn)該站1、2號(hào)岔位共2組12號(hào)可動(dòng)心軌道岔（圖號(hào)：GLC（08）01）直、側(cè)股及緩沖區(qū)所有接頭無(wú)縫化, 并對(duì)軌溫、鋼軌縱向力和尖軌伸縮進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。2021年6—10月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3, 尖軌與基本軌縱向相對(duì)位移在-5—15 mm, 小于±40 mm的限值。至今, 該2組無(wú)縫道岔表現(xiàn)穩(wěn)定, 服役狀態(tài)良好, 未發(fā)生卡阻問(wèn)題。

圖3 岔區(qū)尖軌和基本軌相對(duì)位移監(jiān)測(cè)

2.3 尖軌、基本軌伸縮量檢算

選取我國(guó)高海拔、高寒等典型地區(qū), 收集歷年溫度數(shù)據(jù), 換算為年、日最大軌溫變化（即最高、最低軌溫與鎖定軌溫之間的最大差值）, 其結(jié)果見(jiàn)表5。

基于表5計(jì)算的年、日最大軌溫變化, 以我國(guó)主型道岔專(zhuān)線4249（青藏鐵路格拉段正線道岔）、GLC（08）01（拉林鐵路正線道岔）、研線1115和GLC（07）02道岔為研究目標(biāo), 對(duì)道岔尖軌尖端伸縮量進(jìn)行了簡(jiǎn)算。在不同地區(qū)年軌溫差條件下, 專(zhuān)線4249、GLC（08）01、研線1115等采用外鎖閉結(jié)構(gòu)的12號(hào)道岔, 尖軌最長(zhǎng)為15.45 m, 自由段長(zhǎng)度為12.75 m, 尖軌尖端極限伸縮量為16～19 mm。GLC（07）02等采用外鎖閉結(jié)構(gòu)的18號(hào)道岔, 尖軌長(zhǎng)度一般為21.45 m, 自由段長(zhǎng)度為18.75 m, 尖軌尖端極限伸縮量為19～22 mm, 均小于外鎖閉結(jié)構(gòu)尖軌伸縮量的限值（不超過(guò)40 mm）, 且具有較大冗余量。在不同日溫差條件下, 12號(hào)道岔尖軌伸縮量最大為17 mm, 18號(hào)道岔最大為20 mm, 均小于相應(yīng)限值。由以上分析可知：

表5 我國(guó)高原高寒等地區(qū)典型區(qū)段軌溫?cái)?shù)據(jù)

（1）青藏鐵路玉珠峰站（海拔4 100 m）12號(hào)道岔直股無(wú)縫化試驗(yàn)與實(shí)踐初步證明海拔4 000 m以上鐵路建設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路具有可行性；拉林鐵路熱當(dāng)站（海拔3 200 m）12號(hào)道岔直側(cè)股無(wú)縫化試驗(yàn)與實(shí)踐再次說(shuō)明高海拔地區(qū)道岔無(wú)縫化的技術(shù)可行性。

（2）仿真計(jì)算表明, 在較大年軌溫差和日溫差地區(qū)鋪設(shè)無(wú)縫道岔時(shí), 現(xiàn)有主型12號(hào)和18號(hào)道岔尖軌伸縮量值小于允許限值, 且具有較大冗余量。

3 高原鐵路跨區(qū)間無(wú)縫化試驗(yàn)方案

基于上述分析可知, 青藏鐵路面臨的特殊環(huán)境條件較我國(guó)其他已實(shí)施跨區(qū)間無(wú)縫化的地區(qū)更為嚴(yán)酷, 但差異性不大, 加之在青藏鐵路玉珠峰站和拉林鐵路熱當(dāng)站開(kāi)展的具有一定局限性的岔區(qū)無(wú)縫化試驗(yàn), 說(shuō)明在青藏鐵路格拉段試驗(yàn)跨區(qū)間無(wú)縫線路具有可行性。結(jié)合青藏鐵路擴(kuò)能改造工程實(shí)施, 考慮不同自然地理環(huán)境與線路運(yùn)營(yíng)條件的影響, 提出跨區(qū)間無(wú)縫化試驗(yàn)方案。擬選取望昆站、唐古拉北站、那曲站和昂噶站等進(jìn)行跨區(qū)間無(wú)縫化試驗(yàn)（見(jiàn)表6）。選擇車(chē)站涵蓋海拔4 000～5 000 m、緯度30°～36°的地理?xiàng)l件, 并考慮車(chē)站內(nèi)道岔群布置形式, 可一次性驗(yàn)證多重因素對(duì)跨區(qū)間無(wú)縫線路的適應(yīng)性影響。

表6 青藏鐵路鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路試驗(yàn)方案

為了保證高原鐵路跨區(qū)間無(wú)縫線路試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行實(shí)施, 研究并擬定具體的工程化實(shí)施方案如下：

（1）正線采用60 kg/m鋼軌跨區(qū)間無(wú)縫線路, 站線保留50 kg/m鋼軌有縫線路。

（2）考慮到現(xiàn)場(chǎng)不具備運(yùn)輸長(zhǎng)定尺鋼軌的條件, 道岔區(qū)前后配軌仍按照原緩沖區(qū)軌件長(zhǎng)度配置, 現(xiàn)場(chǎng)焊接為長(zhǎng)軌條。道岔外設(shè)置的絕緣接頭里程不變, 如與配置鋼軌接頭與絕緣接頭里程不重合, 則就近截?cái)噤撥? 設(shè)置絕緣接頭。

（3）唐古拉北站、昂噶站采用接頭全焊接無(wú)縫化方案。望昆站、那曲站采用部分接頭（尖軌跟端接頭和轍叉趾、跟端接頭）凍結(jié)、其他接頭焊接的無(wú)縫化方案；道岔外連接軌先采用移動(dòng)式氣壓焊焊接為長(zhǎng)軌條, 再上線鋪設(shè), 并通過(guò)鋁熱焊或凍結(jié)與道岔、區(qū)間線路鋼軌連接。

（4）道岔鋪設(shè)采用移位法, 即先在線下組裝, 并完成岔內(nèi)接頭焊接或凍結(jié), 再將道岔整組移位至岔位。道岔區(qū)鎖定軌溫應(yīng)與區(qū)間線路保持一致。

（5）道岔尖軌跟端成型段長(zhǎng)度由450 mm延長(zhǎng)至1 050 mm, 在焊接失敗時(shí), 可鋸掉焊頭重新焊接。轍叉趾端和跟端加長(zhǎng)可便于凍結(jié)接頭組裝和首次焊接失敗后再次焊接。

（6）岔后側(cè)股連接到發(fā)線或夾直線大于100 m時(shí), 岔后配置2×25 m定尺60 kg/m鋼軌, 通過(guò)凍結(jié)組成側(cè)股伸縮區(qū)。伸縮區(qū)后設(shè)置異型鋼軌過(guò)渡至50 kg/m鋼軌, 異型鋼軌兩端采用普通接頭聯(lián)接。

（7）無(wú)縫線路鎖定應(yīng)選取夜間溫度處于鎖定軌溫范圍的時(shí)間施工, 避免白天日照對(duì)軌溫的影響。如施工時(shí)鎖定軌溫不滿足要求, 可在低溫狀態(tài)下鎖定, 待軌溫合適時(shí)進(jìn)行應(yīng)力放散或應(yīng)力調(diào)整。低溫鎖定、放散、調(diào)整等作業(yè)按照《無(wú)縫道岔應(yīng)力放散和應(yīng)力調(diào)整指導(dǎo)意見(jiàn)》執(zhí)行[12］, 不得在高于施工鎖定軌溫范圍內(nèi)作業(yè)。

（8）道岔鋪設(shè)當(dāng)日, 如果無(wú)法完成焊接, 鋼軌接頭處應(yīng)采用無(wú)損加固, 其中膠接絕緣、焊接接頭按照8 mm設(shè)置軌縫, 凍結(jié)接頭不設(shè)置軌縫, 做好連接軌長(zhǎng)度調(diào)整, 并于第2天完成鎖定。

4 結(jié)論

基于實(shí)測(cè)氣象站數(shù)據(jù)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 梳理和總結(jié)了高原鐵路及高溫差地區(qū)氣溫、軌溫分布規(guī)律, 結(jié)合高原鐵路跨區(qū)間無(wú)縫化工程實(shí)踐和理論簡(jiǎn)算, 對(duì)高原地區(qū)鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路可行性進(jìn)行了研究, 提出了跨區(qū)間無(wú)縫化試驗(yàn)方案, 所得結(jié)論如下：

（1）從1980—2021年, 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到的青藏鐵路年軌溫差最大值為87.0℃, 小于蘭新鐵路和濱洲鐵路。從年軌溫差考慮, 青藏鐵路鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路的環(huán)境較優(yōu)；青藏鐵路、蘭新鐵路、濱洲鐵路最大日軌溫差分別為47.9、45.6、46.5℃, 青藏鐵路日軌溫差大于其他線路, 環(huán)境更為惡劣, 但差異不大, 說(shuō)明鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路具有可行性。

（2）在海拔4 100 m的玉珠峰站進(jìn)行了道岔直股無(wú)縫化實(shí)踐, 無(wú)縫道岔總體狀態(tài)良好, 3年多的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐初步證明了在海拔4 000 m以上實(shí)現(xiàn)道岔無(wú)縫化的可行性。

（3）實(shí)測(cè)和理論計(jì)算的高原鐵路道岔尖軌伸縮量小于±40 mm的限值, 且具有較大冗余量, 說(shuō)明道岔工電設(shè)備基本適應(yīng)高原鐵路跨區(qū)無(wú)縫線路的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。