高速鐵路橋梁安全防護(hù)措施分析

肖沁凱

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，武漢 430063)

1 設(shè)置列車安全防護(hù)措施的必要性

盡管高速鐵路線下基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性、線路軌道設(shè)備的平順性以及列車裝備的安全性較普速鐵路大為提高,理論上高速鐵路列車脫軌的概率遠(yuǎn)小于普速鐵路。但由于軌道、車輛及控制系統(tǒng)等存在的缺陷和地震等自然災(zāi)害因素的影響,高速鐵路列車仍然存在脫軌風(fēng)險(xiǎn)。

相對(duì)于普速列車而言,高速列車發(fā)生脫軌事故,勢必將給乘客人身安全和鐵路運(yùn)輸設(shè)備造成更為嚴(yán)重的危害。例如,1998年德國高速鐵路出現(xiàn)因車輪輪轂斷裂導(dǎo)致列車脫軌,造成數(shù)百人傷亡和數(shù)節(jié)車輛損毀；2004年日本上越新干線因地震導(dǎo)致的列車脫軌,造成40軸中22軸脫軌和1號(hào)車廂翻入排水溝。

相對(duì)于路基地段而言,列車通過橋梁時(shí)將引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng),橋梁的振動(dòng)又反過來影響車輛的振動(dòng),高速鐵路列車與橋梁之間的動(dòng)力耦合作用加劇,車體的橫向沖擊力也明顯提高,一旦發(fā)生脫軌,列車會(huì)撞擊橋梁甚至沖入橋下,后果十分嚴(yán)重。因此,在高速鐵路橋梁上,研究設(shè)置合理、可靠的列車安全防護(hù)措施是非常必要的。

2 列車安全防護(hù)措施的常用方式

2.1 列車脫軌工況及防護(hù)目的

列車運(yùn)行的安全性主要是考慮運(yùn)營過程中列車是否存在脫軌問題。世界各國對(duì)于列車運(yùn)行安全性進(jìn)行了長期、系統(tǒng)的理論研究和工程實(shí)踐,取得了令人滿意的成果和經(jīng)驗(yàn)。從受力狀況分析,列車脫軌可以分為兩類：一類是豎向輪重減載導(dǎo)致的脫軌；另一類是輪軌間的橫向力過大而引起的脫軌。前者多發(fā)生于列車低速運(yùn)行于小曲線半徑的情況,而后者則多發(fā)生于列車高速運(yùn)行時(shí)。

列車脫軌情況下,車體將偏離軌道中心,列車豎向荷載偏向線路中心外側(cè)。如果列車偏離軌道中心幅度較大,有可能撞擊到橋梁或其附屬設(shè)施,進(jìn)而沖出橋面甚至造成次生災(zāi)害。設(shè)置橋上安全防護(hù)措施的目的,是對(duì)脫軌列車進(jìn)行導(dǎo)向和限位,避免其在橫向有超出允許的位移。由于高速鐵路列車的橫向沖擊力加大,需要防護(hù)措施具備足夠的抗撞擊能力。

2.2 我國普速鐵路橋梁上的安全防護(hù)措施

我國普速鐵路橋梁采用在基本軌內(nèi)側(cè)鋪設(shè)護(hù)軌的方式,將脫軌車輪限制在基本軌和護(hù)軌之間的輪緣槽。護(hù)軌的設(shè)置區(qū)段為：特大橋及大中橋；曲線半徑≤600 m或橋高>6 m,長度≥10 m的小橋；跨越鐵路、重要公路、城市交通要道的立交橋。護(hù)軌的鋪設(shè)方式為：雙線橋各線均應(yīng)鋪設(shè)護(hù)軌；三線及以上的橋,當(dāng)各線的橋面分別設(shè)于分離式的橋跨結(jié)構(gòu)上時(shí),各線均應(yīng)鋪設(shè)護(hù)軌；當(dāng)各線鋪于同一橋跨結(jié)構(gòu)上時(shí),可僅對(duì)兩外側(cè)線鋪設(shè)護(hù)軌；護(hù)軌頂面不應(yīng)高出基本軌頂面5 mm,也不應(yīng)低于基本軌頂面25 mm。同時(shí),護(hù)軌伸出橋臺(tái)一定長度,使脫軌車輪在進(jìn)入橋梁前便導(dǎo)入輪緣槽內(nèi)。運(yùn)營實(shí)踐證明,護(hù)軌能夠發(fā)揮一定的防護(hù)作用。

2.3 國外鐵路橋梁上的安全防護(hù)措施

2.3.1 德國

德國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)橋上或橋前曲線半徑<300 m,或軌面以上承力構(gòu)件距線路中心≤3.2 m、橋長>20 m的下承式結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)設(shè)置安全措施；不設(shè)置安全措施的應(yīng)進(jìn)行脫軌檢算。

對(duì)于采用無砟軌道的高速鐵路,以電纜槽墻體作為列車安全防護(hù)措施(圖1)；在脫軌事故發(fā)生后,在軌道間增設(shè)了混凝土擋塊(圖2),防止列車脫軌后偏離軌道中心過遠(yuǎn)。

圖1 電纜槽防護(hù)

圖2 軌道間混凝土擋塊防護(hù)

2.3.2 法國

法國鐵路為有砟軌道,橋上的安全防護(hù)措施采用護(hù)軌方式。單線橋上鋪設(shè)2條護(hù)軌,多線橋上在每條線路內(nèi)側(cè)各鋪設(shè)1條護(hù)軌。

2.3.3 日本

日本新干線除明橋面上鋪設(shè)護(hù)軌外,其他區(qū)段橋梁不采用任何安全防護(hù)措施。近年來,針對(duì)提高地震條件下列車運(yùn)行安全性需求,對(duì)于廠修的列車,在轉(zhuǎn)向架軸箱下方安裝反L型車輛導(dǎo)向裝置,保證列車脫軌后導(dǎo)向裝置鉤住鋼軌(圖3),防止車輛偏離軌道中心線過遠(yuǎn)。

圖3 反L型車輛導(dǎo)向裝置

2.3.4 瑞典

瑞典高速鐵路列車安全防護(hù)措施,主要是采用加高擋砟墻的方式。擋砟墻墻頂面高出軌頂面約0.50 m,同時(shí)可起到降低輪軌噪聲對(duì)沿線環(huán)境影響的作用。

2.3.5 UIC規(guī)范

國際鐵路聯(lián)盟(UIC)規(guī)范規(guī)定,在有砟鋼橋面或有砟鋼筋混凝土橋面上鋪設(shè)線路時(shí),為了控制列車在橋上脫軌的后果,可以設(shè)置保護(hù)措施；如果擋砟墻比軌枕上緣高,且足夠堅(jiān)固,能起到控制車輪的作用時(shí),亦可不另設(shè)防護(hù)措施。

3 我國高速鐵路橋梁上的列車安全防護(hù)措施

3.1 防護(hù)措施的形式選擇

針對(duì)高速鐵路橋梁上的列車安全防護(hù)措施選型,我國進(jìn)行大量的前期研究工作。應(yīng)該說,最有代表性的防護(hù)措施是設(shè)置護(hù)軌。但橋上設(shè)置護(hù)軌給線路維修養(yǎng)護(hù)帶來諸多不便,會(huì)在一定程度上影響線路質(zhì)量并增加養(yǎng)護(hù)工作量。經(jīng)綜合比選,確定采用加高加強(qiáng)擋砟墻(防護(hù)墻)的方案。擋砟墻(防護(hù)墻)的高度應(yīng)根據(jù)最小曲線半徑時(shí),墻頂高程不低于外軌頂面計(jì)算確定,目的在于脫軌情況下可使列車沿?fù)蹴膲?防撞墻)向前滑行,以防止列車傾覆或沖出橋面。有砟軌道橋梁上稱作擋砟墻兼具擋砟功能,無砟軌道橋梁上稱作防護(hù)墻。

3.2 擋砟墻(防護(hù)墻)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 橫向脫軌荷載的取值

擋砟墻(防護(hù)墻)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要考慮列車脫軌時(shí)的橫向撞擊力。輪對(duì)對(duì)鋼軌的橫向沖擊力大小取決于輪對(duì)橫向加速度、車輪對(duì)軌道的沖擊角和輪對(duì)瞬時(shí)軸重。對(duì)于橫向撞擊力,各國的取值不盡相同,德國為250 kN/m,法國為42.5 kN/m,日本為47.5 kN/m。

根據(jù)物理學(xué)動(dòng)量定律,以輪對(duì)在軌道上正常運(yùn)行的沖擊角作為沖擊防護(hù)墻的角度,則輪對(duì)對(duì)防護(hù)墻的橫向沖擊力為

Q=m·v·sinα/Δt

式中，m為輪對(duì)質(zhì)量；v為列車運(yùn)行速度；α為輪對(duì)沖擊角；Δt為橫向沖撞力作用時(shí)間。由于列車脫軌時(shí)將發(fā)生軌排橫移、軌距擴(kuò)大及線路失穩(wěn)等現(xiàn)象,列車沖擊防護(hù)墻的沖擊角將會(huì)產(chǎn)生偏差,同時(shí)橫向沖撞力的作用時(shí)間的大小,對(duì)橫向撞擊力影響較大。因此根據(jù)我國的具體情況,從偏于安全考慮,列車脫軌對(duì)擋砟墻(防護(hù)墻)的撞擊力取為100 kN/m,其作用點(diǎn)位置與軌頂面平齊。

3.2.2 擋砟墻(防護(hù)墻)的構(gòu)造與布置

擋砟墻(防護(hù)墻)與橋面連為一體。對(duì)于有砟軌道橋梁,為保證大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械作業(yè),墻體內(nèi)側(cè)距離線路中心線最小距離為2.20 m；對(duì)于無砟軌道橋梁,在滿足建筑限界條件下,以盡量靠近線路為原則,墻體內(nèi)側(cè)距離線路中心線最小距離為1.9 m。

墻體寬度根據(jù)撞擊力產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行設(shè)置。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中,擋砟墻(防護(hù)墻)頂面寬度為0.20 m,底面寬度為0.25 m。

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中的擋砟墻(防護(hù)墻)的具體布置分別如圖4和圖5所示。

圖4 我國高速鐵路(350 km/h)無砟軌道橋梁防護(hù)墻示意(單位：cm)

圖5 我國高速鐵路(350 km/h)有砟軌道橋梁擋砟墻示意(單位：cm)

4 結(jié)語

(1) 為提高列車運(yùn)營的安全性,各國鐵路橋梁上采用的列車安全防護(hù)措施,都是在列車與軌道動(dòng)力學(xué)和輪軌相互作用分析與研究的基礎(chǔ)上確定的,是行之有效的。主要安全防護(hù)措施匯總?cè)绫?所示。

(2)考慮軌道、車輛、自然災(zāi)害等各種情況,高速鐵路列車存在脫軌的可能性,設(shè)置列車安全防護(hù)措施是必要的。

(3)我國高速鐵路橋梁設(shè)置擋砟墻(防護(hù)墻)是一種可行方案。

表1 各國鐵路橋梁上采用的列車安全防護(hù)措施

(4)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)高速鐵路脫軌荷載和安全防護(hù)設(shè)施使用功能的研究,對(duì)現(xiàn)行擋砟墻(防護(hù)墻)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

[1]TB 10002.1—2005，鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[2]TB 10621—2010，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]中國鐵道科學(xué)研究院.高速鐵路橋梁區(qū)域列車運(yùn)營安全措施[Z].北京：2008.

[4]中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.客運(yùn)專線擋砟墻(防撞墻)設(shè)置分析[Z].北京：2008.