合肥至武漢鐵路開通速度250 km/h的適應性研究

喻文球

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

合武鐵路是滬漢蓉快速客運通道的重要組成部分,東起合肥市,中穿大別山,西止武漢市,線路全長359.361 km,正線橋隧比例為44%,為Ⅰ級雙線客貨共線電氣化鐵路。鐵道部批準的旅客列車設計速度200 km/h,預留250 km/h及以上條件,區間正線線間距4.6 m,限制坡度6‰,到發線有效長度850 m,自動閉塞,建筑限界滿足雙層集裝箱運輸條件。全線除紅石埂隧道(5 111 m)、金寨隧道(10 766 m)、紅石巖隧道(7 857 m)、大別山隧道(13 256 m)4座長大隧道采用雙塊式無砟軌道外,其余均為有砟軌道。

根據批復意見,合武鐵路土建工程和軌道工程按《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》進行施工圖設計,并于2005年8月份全面開工建設。建設期間,2008年3月鐵道部明確要求合武鐵路按時速250 km開通運營。此時合武鐵路合肥至湖北區間土建工程(路基、橋隧、車站)已基本完成,已進入全面鋪軌和四電工程的施工及設備安裝階段,存在已施工的路基、橋隧、車站、軌道的設計標準以及正在施工的四電設計標準是否滿足動車組開行250 km/h要求問題,有必要對合武鐵路設計標準是否適應動車開行250 km/h要求進行研究,對不適應動車開行250 km/h的設計標準提出建議的加強措施。

2 合武鐵路施工圖設計標準適應性研究

2.1 研究方法

本次研究將對照《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設函[2005]285號,以下簡稱《200公里暫規》)、《新建時速200～250公里客運專線鐵路設計暫行規定》(鐵建設[2005]140號,以下簡稱《250公里暫規》)等有關規范以及鐵道部新近發布的有關技術文件的要求,對合武鐵路開通時速250 km的適應性進行研究。

2.2 適應性研究

2.2.1 土建工程

線路平面：合武鐵路區間線間距按4.6 m設計, DK28+163～DK338+200平面最小圓曲線半徑實際按5 500 m選用,DK338+200～DK358+266為客車線,最小曲線半徑為3 500 m。因此合武鐵路長安集站至丹水池站(DK28+163～DK358+266長度為322.746 km)線路平面可滿足最高速度250 km/h的運行條件。

路基：對照《200公里暫規》和《250公里暫規》,路基設計標準的差別主要在基床厚度及工后沉降方面,如基床厚度《200公里暫規》標準為2.5 m,《250公里暫規》標準為3 m。工后沉降《200公里暫規》標準一般地段150 mm,路橋過渡段80 mm；《250公里暫規》標準一般地段100 mm,路橋過渡段50 mm。當時合武鐵路路基工程已經完成,若按《250公里暫規》標準進行改造時,勢必造成過多的廢棄工程。根據合武鐵路的實際情況,經研究認為：對于工后沉降,合武正線地段軟土工點均為淤泥質黏土,加固深度多小于8 m,采用攪拌樁加固處理,工后沉降可控制在5 cm,能滿足250 km/h目標要求；基床厚度考慮動荷載的計算影響深度, 200 km/h與250 km/h影響深度分別為2.5 m及3.0 m,直接在2.5 m厚的基床上開行250 km/h動車,對基床有多大的危害或影響,即路基的長期穩定性只有在實踐中才能評價。總之,只要路基能按施工圖要求嚴格施工,合武線路基基本上可滿足開通250 km/h目標要求,開通后路基的長期穩定性只能在實踐中進行檢驗。

橋梁：合武鐵路的橋梁按時速200 km客貨共線及時速250 km客運專線有砟軌道技術標準設計,設計活載為中-活載及ZK活載,橋梁設計能滿足250 km/h運營條件。

隧道：合武鐵路按客貨共線設計,隧道內軌頂面以上有效面積為92 m2,滿足250 km/h運營條件。

站場：由于《200公里暫規》和《250公里暫規》的差異,正線道岔兩端基本軌的接頭以外的直線段長度、道岔與橋路過渡段的距離在少數車站的個別地段存在不滿足《250公里暫規》的現象,根據現場實際情況,對有條件調整的調整到位,不能調整的維持施工圖設計,但在運營中需加強監控。研究認為,上述問題不影響動車開行250 km/h的安全性和舒適性。

2.2.2 軌道工程

合武鐵路施工圖有砟軌道地段采用一級道砟,土質路基地段厚0.30 m,硬質巖石路塹、有砟橋梁和隧道地段厚0.35 m。超高設置有砟軌道按Vh=80 km/h(貨車)、Vk=200 km/h(客車)匹配,無砟軌道按Vh=80 km/h、Vk=250 km/h 匹配。

與《250公里暫規》對照,軌道結構在道砟厚度及道砟材質方面、有砟軌道的道床密實度、道床支承剛度及鋼軌的平順度、鋪設精度標準等方面均存在差別,《250公里暫規》要求比《200公里暫規》要高,并且曲線地段超高設置重新調整。具體差別分析如下。

(1)道砟厚度及道砟材質要求不同,250 km/h客運專線要求道砟厚度為35 cm,并采用特級道砟。特級道砟的指標和性能如道砟粒徑、級配、顆粒形狀、清潔度、抗磨耗、抗沖擊性能、抗壓碎性能等,均比一級道砟高(表1)。

表1 一級道砟與特級道砟主要參數比較

(2)250 km/h客運專線標準要求有砟橋梁、有砟隧道在砟下鋪設彈性墊層或采用彈性軌枕。

(3)250 km/h客運專線的有砟軌道的道床密實度、道床支承剛度及鋼軌的平順度、鋪設精度標準等均比200 km/h客貨共線要高。具體指標差異見表2～表4。

表2 道床主要狀態參數指標比較

表3 有砟軌道平順度鋪設精度標準比較(靜態) mm

表4 無砟軌道平順度鋪設精度標準比較(靜態) mm

2.2.3 四電工程

合武鐵路四電采用集成模式,四電集成招標文件要求通信、信號、電力、電氣化滿足運營速度250 km/h的要求,因此四電滿足動車開行250 km/h要求不存在問題。但根據《關于客運專線信號系統若干問題的指導意見》(鐵運[2008]19號),需對信號進行適當補強,加強鋼軌連接線,將合武正線車站和區間的ZPW-2000軌道電路軌旁設備至鋼軌的連接線由原設計的單線雙塞改為采用雙線雙塞的冗余設置方式；充分考慮無砟軌道、隧道地段、特大橋梁的傳輸特性,調整軌道電路長度,以提高動車高速安全運行的可靠性。

通過以上分析,土建工程和四電工程設計標準除個別方面不滿足《250公里暫規》要求,可適當補強外,其他均可滿足動車開行250 km/h要求,但軌道結構的設計標準與《250公里暫規》要求差別較大,需要研究加強措施,以滿足動車開行250 km/h要求。

3 軌道結構加強方案

軌道加強方案需結合當時工程施工進度情況,以不產生廢棄工程或盡量減少廢棄工程為原則,因此軌道加強方案研究了達標加強方案和適當補強方案,簡要說明如下。

3.1 達標加強方案

該方案根據《250公里暫規》進行達標加強,但考慮到合武鐵路部分地段已經鋪砟鋪軌,為了不引起廢棄,對已鋪砟鋪軌地段仍考慮維持一級道砟不變。具體如下。

軌枕：路基地段仍采用一般Ⅲ型無擋肩軌枕,橋梁和有砟隧道地段則建議采用彈性軌枕。

道床：對未鋪砟鋪軌的地段,按250 km/h的軌道標準達標設計,即采用特級道砟,單線道床頂面寬度3.6 m,道床厚度35 cm,砟肩堆高15 cm；對已鋪砟、鋪軌地段,維持一級道砟不變,但按250 km/h標準對道砟進行加厚加寬,即路基地段的道砟厚度由30 cm加厚到35 cm,單線道床頂面寬度由3.5 m增加到3.6 m,砟肩堆高為15 cm,補充的道砟采用一級道砟。

按達標加強方案,軌道結構可完全滿足《250公里暫規》的要求,確保旅客列車運行的平穩性和舒適性,有利于行車安全,并減少運營期間的養護工作量。但該方案存在以下問題：一是特級道砟在國內已開采的道砟場中不多見,砟源供應困難,如果采用特級道砟,從工期上可能不能滿足合武鐵路2008年底建成通車的需要；二是彈性軌枕目前還處于研究試用期,國內還沒有彈性軌枕成熟的技術標準,如何在產品的采購、施工和驗收過程中進行質量控制,存在著一定的不確定性。

3.2 適當補強方案

立足合武鐵路已經全面鋪軌、2008年底建成通車的實際情況,只能進行適當補強,即：軌枕均維持一般Ⅲ型無擋肩軌枕不變；道床也維持原設計采用一級道砟,軌下道砟厚度由原30 cm加厚至35 cm,道床頂面寬度由3.5 m加寬至3.6 m。

該方案無廢棄工程、有利于施工、可操作性強,并借鑒既有線提速250 km/h的工程經驗,可滿足動車組開行250 km/h要求,因此推薦了適當補強方案。

4 曲線地段超高設置

合武鐵路在客貨共線的情況下,開通速度即要求達到250 km/h,進一步加大了客車與貨車的速差,為了平衡客車的欠超高和貨車的過超高,對曲線地段的外軌超高設置難度更大。經研究,超高設置在優先滿足旅客舒適度要求,并兼顧貨物列車對鋼軌磨耗、減少養護維修工作量的原則前提下,按客車250 km/h、貨車120 km/h匹配設置超高較為合適。客車的欠超高均在良好范圍以內(40 mm),貨車的最大過超高均小于“困難”條件下貨車允許過超高70 mm。見表5。

表5 客車250 km/h、貨車120 km/h超高設置

5 結論

合武鐵路的土建工程和四電工程施工圖設計標準基本可滿足動車組開通速度250 km/h的要求,但由于路基的基床厚度、工后沉降控制指標在規范上存在一定的差異,路基的長期穩定性需要在實踐中進行檢驗。軌道結構的加強方面,推薦方案只是增加了道砟的厚度和寬度,道砟材質仍維持一級道砟。由于一級道砟的抗沖擊、抗擠壓、抗磨耗等特性不如特級道砟,動車按250 km/h開通后,會加速道砟的粉化,特別是橋梁、隧道等剛性基礎地段,未采用彈性軌枕,更會加速道砟的粉化,增加軌道維護工作量。因此在運營過程中,應加強對線路的監控和檢測,對軟土地段路基及橋(涵)路過渡段路基,應繼續進行沉降觀測,在今后的大修養護中,建議將一級道砟逐步更換成特級道砟,以持久保持線路的平順和行車安全。

[1]鐵建設[2005]285號，新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定[S].

[2]鐵建設[2005]140號，《新建時速200～250 km客運專線鐵路設計暫行規定[S].

[3]鐵集成[2008]148號，初期兼顧貨運的客運專線曲線超高設置指導意見[S].

[4]鐵建設[2006]189號，客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定[S].

[5]鐵建設[2007]76號，時速200～250 km有砟軌道鐵路工程測量指南(試行)[S].