某高速鐵路水下隧道線路平縱斷面方案研究

白 樺

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司線路站場設計研究處,武漢 430063)

1 概述

廣深港客運專線位于廣東省中南部,是北京—廣州—深圳—香港客運專線的南段,起自武廣客運專線廣州南站,向南經廣州市番禺區、東莞市至深圳市接香港段至終點西九龍站,是一條高標準、大能力的客運專線,線下基礎設計速度目標值為350 km/h。線路越珠江方案進行了橋梁上跨和隧道下穿兩大系列方案的比較論證,鐵道部經專家審查后最終決定釆用隧道下穿方案。線路越珠江位于珠江入海口的獅子洋,該處江面寬闊,江中分布有多處島嶼,線路方案研究時擬充分利用這些島嶼縮短隧道長度,但由于島面寬度較小,利用島嶼時必須采用30‰以上的大縱坡。盡管德國、法國等國家的高速鐵路有采用大縱坡的先例,但在我國客運專線的修建過程中,大坡度的豎曲線,尤其是在30‰及以上的縱坡曲線,與平面曲線組合成平縱斷面的設計方案尚處于摸索和探討階段。為此,本文采用有關單位研發的鐵道機車車輛-軌道耦合動力學理論及其仿真分析系統TTISIM[1～7],對不同線路平面方案采用不同縱坡時的安全性與舒適性進行分析,并結合水下隧道工程的特點進行多方面綜合比較,提出最優的平縱斷面設計方案。

2 獅子洋隧道段線路平縱斷面方案

獅子洋隧道下穿珠江，主要有2個線路平面方案[8],即經海鷗島方案和經沙仔島方案,2個平面方案分別研究了2個縱斷面方案,即長隧道方案和短隧道橋隧結合方案,其中短隧道橋隧結合方案的設計最大縱坡分別達到30‰和34‰,而長隧道方案的最大坡度僅為20‰,如圖1和圖2所示。

圖1 經海鷗島方案線路平縱斷面示意

圖2 經沙仔島方案線路平縱斷面示意

3 不同平縱斷面方案的行車安全性、舒適性動態仿真分析與評估[9]

3.1 安全性與舒適性動態仿真分析原理

將機車車輛系統和軌道系統視為一個相互作用、相互耦合的總體大系統,而將輪軌關系作為連接這2個子系統的紐帶,綜合考察機車車輛系統和軌道系統的動力學行為及輪軌相互作用特性，基于車輛-軌道耦合動力學理論,運用計算機圖形可視化技術,西南交通大學成功研制了機車車輛與軌道空間耦合動力學仿真平臺TTISIM(Train/Track Interaction SIMulation)。TTISIM系統所獲得的仿真結果包括：車體、構架和輪對的位移、速度和加速度隨時間的變化歷程及由此導出的運行平穩性指標；鋼軌、軌枕和道床的位移、速度和加速度響應；輪軌垂向力與橫向力響應及由此導出的脫軌系數、輪重減載率等指標；以及鋼軌-軌枕動反力和其他各連接部件的動作用力響應。

3.2 仿真分析條件

3.2.1 列車條件

由于廣深港鐵路客運專線獅子洋隧道方案研究階段,我國尚無高速列車的實車參數,因此選取表1所列機車車輛作為動力學仿真研究之條件。

3.2.2 速度條件

根據本線總體設計方案,行車速度兼顧高中速,高速為300 km/h,中速為200 km/h。因此,研究中考察了300 km/h和200 km/h 2種速度運營模式的動力學性能,相應的仿真計算工況共計8種(2種速度×2個平面方案×2種縱斷面方案)。

表1 高速列車車型

3.2.3 軌道幾何不平順條件

軌道幾何不平順是激起列車振動進而產生對軌道動力作用的根源,在動力仿真中是系統的激擾輸入,因此,選擇軌道不平順對仿真結果的合理性有重要影響。在研究高速鐵路的輪軌動態運行安全性及舒適性時則必須引用高速鐵路軌道譜,考慮到本線的最高速度為300 km/h,故采用德國高速鐵路(低干擾)軌道譜。

3.3 仿真結果與評估

3.3.1 評價標準

對于200 km/h及以上速度運營工況,其客車舒適性及安全性按鐵道部有關規范采用,具體如下。

(1)輪軌橫向力

輪軌間橫向力過大將引起軌距擴大、線路嚴重變形。對于本研究中采用的機車車輛,輪軌橫向力允許限度值列于表2和表3。

(2)輪軌垂向力

輪軌間垂向力過大將對機車車輛運行平穩性與安全性以及輪軌系統各部件的傷損和軌道質量狀態的惡化等均有極其不利的影響。目前暫無相關規范對該指標的限值進行規定,根據英國BR標準,可取[P]=250 kN。

(3)脫軌系數

脫軌系數為瞬時作用的輪軌橫向力和垂向力之比,用于評定車輪爬軌的可能性,高速機車車輛或動車組脫軌系數的合格等級限界值為0.8。

(4)輪重減載率

輪重減載率為輪重減載量與平均輪重的比值,用于評定車輪懸浮脫軌的可能性,輪重減載率限值指標為

(1)

式中 ΔP——減值；

P——原值。

(5)傾覆系數

傾覆系數是用于表示機車車輛沿軌道運行時受到各種橫向力作用下可能傾覆的程度,其計算表達式如(2)式,合格等級的限界值為0.8。

(2)

式中Pzl——左側輪軌垂向力；

Pzr——右側輪軌垂向力。

(6)運行舒適性指標

客車運行平穩性(旅客乘坐的舒適性)可根據Sperling平穩性指標進行評定,其限值見表2和表3。

表2 行車速度300 km/h隧道段動力性能指標計算結果最大值及限值

表3 行車速度200 km/h隧道段動力性能指標計算結果最大值及限值

3.3.2 評估結果

(1)行車速度300 km/h的計算結果(表2)

(2)行車速度200 km/h的計算結果(表3)

(3)4種平縱斷面方案綜合比較

不管線路平面是經海鷗島還是沙仔島,對于2個縱斷面設計方案,當列車以300 km/h通過時,長隧道方案的所有安全性指標及舒適性指標值優于橋隧結合方案,且能滿足高速行車要求,而在橋隧結合方案中,部分地段(位于7 000 m平曲線與大坡度重合地段)輪軌橫向相互作用出現了異常振動,導致部分安全性指標值超出了安全限值,且舒適性指標也接近了合格限值的邊緣。當列車以200 km/h通過時,長隧道方案的所有安全性指標及舒適性指標均略小于橋隧結合方案,但二者大部分屬相同等級。因此,推薦采用長隧道方案。

對比海鷗島和沙仔島的長隧道方案,當列車以300 km/h通過時,后者的輪軌橫向力、輪軌垂向力及脫軌系數等安全性指標值均要小于前者(主要是后者仍有部分區段位于30‰坡道上),2個方案的輪重減載率及傾覆系數等安全性指標非常接近,舒適度指標也十分接近,無明顯差別。當列車以200 km/h通過時,2個方案的安全性、舒適性指標互有優劣,均屬相同等級。因此,推薦采用沙仔島長隧道方案(此為動力性能最優方案)。

4 不同平縱斷面方案的其他因素比較

隧道平縱斷面設計方案除考慮行車安全性與舒適性外,還應綜合考慮施工難度、運營事故處理難度以及工程造價、工期等因素。

4.1 施工難度比較

在兩個平面線位的長隧道方案中,隧道洞口均位于獅子洋的主防洪堤之外,施工期的防洪、材料運輸、棄砟處理方便,而橋隧結合方案中有一個洞口位于島上,施工進出不方便,材料運輸與棄砟處理困難。此外,長隧道方案與短隧道橋隧結合方案均采用盾構法施工,隧道基本埋置于基巖中,盾構段施工難度相當。但短隧道方案由于隧道進口的明挖段位于島上,距離河道太近,施工中地下水的處理以及防洪堤保護難度更大。因此,從施工難度看,不宜采用短隧道橋隧結合方案。

4.2 運營事故處理難度比較

運營期當列車在隧道內發生事故時,一般均需要列車自行行駛出隧道后再實施洞外救災,因此必須考慮列車喪失部分動力在隧道內停車后再起動的問題。以ICE3動車為例,其起動坡計算結果如下。

當列車未喪失牽引力時,正常情況下起動坡為59‰,雨雪天氣或洞內潮濕時起動坡為47.1‰～59‰。當列車喪失25%的牽引力時,正常情況下起動坡為40.8‰,雨雪天氣或洞內潮濕時起動坡為31.9‰～40.8‰。當列車喪失50%的牽引力時,正常情況下起動坡為22.6‰,雨雪天氣或洞內潮濕時起動坡為16.7‰～22.6‰。

可見,當列車喪失50%的牽引力時,不能在30‰的坡道上起動。因此,從事故處理難度看,不宜采用短隧道橋隧結合方案。

4.3 工程造價比較

短隧道橋隧結合方案由于隧道長度短,隧道工程造價相對較低,但由于需修建大跨度橋梁跨越輔助航道,而大跨度橋梁造價要遠遠高于隧道,因此,2種不同的縱斷面方案工程造價基本相當。

4.4 施工工期比較

獅子洋隧道采用盾構法施工,只能從兩端向江中掘進。短隧道橋隧結合方案隧道長度短,因而總工期較長隧道方案短約6個月。

5 結論

(1)采用機車車輛與軌道空間耦合動力學仿真分析的方法對鐵路客運專線的行車安全性與舒適性進行評估,可以為線路平縱斷面方案的比選提供較好的理論依據。

(2)根據動力學仿真分析結果,對于行車速度達到300 km/h的鐵路客運專線,當平曲線半徑達到7 000 m且與30‰及以上的大坡度重合時,輪軌橫向相互作用可能出現異常振動,從而導致部分安全性指標值超出安全限值,且舒適性指標也接近合格限值的邊緣,因此大縱坡不宜與平曲線重合。廣深港鐵路客運專線獅子洋隧道即基于此推薦采用縱坡較小的長隧道方案。

(3)對于設置凹形縱坡的水下隧道,最大坡度的選擇應考慮列車喪失部分動力時的停車再起動問題,當列車喪失50%的牽引力時,不能在30‰的坡道上起動,因此水下隧道最大縱坡不宜超過20‰。

[1]翟婉明.車輛-軌道耦合動力學(第二版)[M].北京:中國鐵道出版社,2002．

[2]翟婉明.車輛-軌道耦合動力學研究的新進展[J].中國鐵道科學,2002,23(2):1-14．

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[4]王開云,翟婉明.車輛-軌道耦合動力學仿真軟件TTISIM及其試驗驗證[J].中國鐵道科學,2004,25(6):48-53．

[5]95J01—L,高速試驗列車動力車強度及動力學性能規范[S]．

[6]鐵道部科學研究院,北京鐵路局.京秦客運通道提速改造工程第一次實車運行試驗研究報告[R].TY-1487,北京,2000．

[7]鐵道部科學研究院.環行線貨物列車直線段脫軌試驗研究報告[R].TY-1408,北京,2000．

[8]鐵道第四勘察設計院.廣深港客運專線獅子洋隧道初步設計文件[Z].武漢：鐵道第四勘察設計院,2005.

[9]西南交通大學.廣深港客運專線珠江段設計安全性與平穩性仿真評估研究報告[R].成都：西南交通大學,2005.