阜杭通道曲線改造優化設計方案研究

陶柏峰 上海鐵路局工務檢測所

為適應鐵路重載快速運輸要求，我局二通道、特別是阜杭通道的電化提速改造，正緊張有序地進行。總結京滬通道線路改造的經驗，既有線路平面在電化改造前進行優化設計，并結合線路大修或維修同步施工，不僅能夠提高線路質量，更重要的是減少了因線路改造施工而引起的供電調網、調線甚至移動電桿等工作的相關配合，而且能夠節省大量的封鎖天窗時，緩解運輸和施工的矛盾。

1 曲線優化設計的技術標準

曲線優化的目的是通過優化曲線線型，合理設置曲線超高，以提高列車運行的平穩性和旅客舒適度。設計采用速度值：宣杭線按160km/h，寧蕪、皖贛、淮南、阜淮線按120km/h。其主要技術標準為：

(1)曲線超高設置應能夠滿足：欠超高不大于75mm，個別困難地段不大于90mm；過超高不大于75mm(按貨車80km/h檢算)。

(2)曲線超高順坡率應能夠滿足：困難條件下不大于1/（8Vmax）。可在直線段順超高，但允許速度為120km/h(不含)～160km/h的線路，直線段順坡的超高不大于8mm；欠超高和順坡率不同時出現《鐵路線路修理規則》中規定的困難條件。

(3)緩和曲線、圓曲線、夾直線長度在既有的基礎上盡量延長。夾直線長度不得小于80m，緩和曲線、圓曲線長度可分別大于40m、80m。當線路允許速度為140km/h、160km/h，曲線半徑分別取10000m和12800m時，可不設緩和曲線。

(4)設計時，原則上曲線半徑不減小、曲線條數不增加，最大曲線半徑不超過12800m。

(5)每處測量長度不少于曲線改造范圍向外延伸各200m，采用全站儀測量和三維精確定位系統。撥量計算采用正線軌道控制計算軟件，加密曲線內各點細化具體撥道量。

2 曲線優化設計方案

阜杭通道各條線路允許速度不一，曲線半徑偏小、緩和曲線長度不足、反向曲線夾直線長度不足、曲線頭尾連接道岔或橋梁等情況，都會限制列車運行速度和平穩性。在設定線路允許速度的前提下，針對現場曲線的不同情況，采取了以下設計方案：

2.1 增大曲線半徑

旅客列車通過曲線的最大允許速度計算公式為Vmax(R)=4.3。根據旅客列車運行速度，一般曲線半徑要求如表1：

表1 線路平面曲線半徑

既有線路的曲線半徑基本滿足旅客列車運行速度，但單個曲線圓曲線長度往往不足。在保證兩線線間距滿足要求的條件下，采用增大曲線半徑的方案，可直接增加圓曲線長度。阜杭通道中，淮南線線路平面曲線偏角較小，圓曲線長度不足的曲線較為密集，曲線半徑都在3000m～5000m之間，而圓曲線長度達不到最困難60m的要求，此種情況尤合肥以北線路更為多數。以淮南線上行K76+900曲線為列：既有曲線半徑為5000m，曲線長度只有41.67m，無緩和曲線；設計將曲線半徑變成7000m，其它曲線要素不變，圓曲線長度大于60m（見圖 1）。

圖1 現場曲線優化前后示意圖

具體優化曲線詳細資料見表2：

此設計方案最大撥量只有25mm，且曲線范圍內施工長度較短，能利用大型機械在維修天窗內同步完成，切實可行。

表2 優化曲線詳細資料

2.2 延長緩和曲線

在緩和曲線范圍內，其半徑由無限大漸變到圓曲線半徑，從而使車輛產生的離心力逐漸增加，有利于行車平穩；并且外軌超高由零遞增到需要的超高量，使向心力逐漸增加，與離心力的增加相配合。

既有線曲線優化設計時，H=11.8V2max/R-Hc H/l0≤1/（8Vmax）。

式中：Vmax-線路允許速度（km/h）；H--為實設超高（mm）；Hc--為未被平衡欠超高（mm）；l0-緩和曲線長度（m）。在規定列車允許速度和欠超高數值（75mm）、曲線半徑不變以及根據困難條件下的超高順坡率，可以計算出最短緩和曲線長度理論值（見表3）。設計時盡量采用較長的緩和曲線，避免未被平衡欠超高和超高順坡率的困難條件同時出現。

表3 各種運行速度條件下可以設置的最短緩和曲線長度(m)理論值

設計時，雖然采用較長的緩和曲線可以減小超高時變率，能夠增加旅客舒適度，但在既有線曲線優化設計時，必須同時考慮緩和曲線和圓曲線的長度。不能延長緩和曲線太長，否則將減小圓曲線的長度，使客車同時跨越圓弧兩端的緩和曲線，影響行車平穩。

2.3 反向曲線

既有線路存在的反向曲線，基本是半徑較大、偏角較小、長度較短、轉向相反的兩條曲線。優化設計曲線的圓曲線長度、夾直線長度需滿足表4要求。

表4 圓曲線或夾直線最小長度

設計相鄰曲線、尤其是反向曲線的半徑，結合具體條件盡可能配合協調：

（1）相鄰兩圓曲線間夾直線較短時，避免一個半徑很大，另一個半徑很小。必要時適當縮小相鄰大半徑曲線的半徑，以達到增大相鄰小半徑曲線的半徑。

（2）圓曲線半徑、緩和曲線長度及夾直線長度的配合。設計時，兩相鄰曲線間，尤其在反向曲線間，盡量設置較長的夾直線。但同時考慮圓曲線長度或者緩和曲線的長度，否則線路改造時曲線撥移工程量會很大。以阜淮線下行K89.344～K89.498反向曲線為例：既有曲線圓曲線長度只有40m，夾直線長度為50m，線間距為5.07m，圓曲線和夾直線長度均不滿足表4要求。曲線優化設計后曲線頭尾的移動量、圓曲線長度和夾直線長度（見圖2）及撥量見表5：

圖2 曲線頭尾的移動量、圓曲線長度和夾直線長度示意圖

表5 下行軌道控制計算表

從圖2和表5中可以看出，反向曲線的優化，不僅曲線頭尾向兩端直線段移動，曲線要素也發生較大變化。其撥道量最大點位于既有曲線曲中位置，且撥量值相當、方向相反。即一條曲線往路肩一側撥道的同時，另一條曲線則往兩線當中撥移。設計反向曲線必須考慮既有線曲線范圍內及向外延伸直線段的線間距，曲線優化后滿足列車運行要求。

2.4 調整曲線線形

既有線經過長期的運行和養護維修，受無縫線路地段鋼軌的應力、道床的臟污程度以及軌道結構的整體狀態影響，既有曲線要素會發生一定變化。對位于混凝土橋上、鋼梁橋頭、隧道內、離道岔近距離等特殊條件下的曲線影響更大，這類曲線在宣杭線范圍內尤其突出。只能通過大幅度改造改變現狀，但受其它設備的限制，大幅度改造既不能提高該區間列車運行的速度，又需要很大的費用。設計對此類曲線只利用現場測量數據對曲線線形進行優化設計，增強曲線內部的圓順度。以宣杭線下行K137.296-K137.456曲線為列，計算結果如表6：

表6 下行軌道控制計算表

通過現場測量數據計算和設計的曲線與既有曲線各項要素相比，曲線半徑、緩和曲線不變，曲線長度和偏角值有微小變動，說明現場曲線兩端直線即曲線的切線方向發生微小變化，通過微小撥量就能改變曲線內部個別點不圓順的情況。

3 施工方案

每條線路各區段的線路允許速度不一致，而且曲線分布較散，優化設計不盡相同。結合工務線路大修施工或養護維修天窗，采用大型機械同步完成曲線改造施工，既能發揮大型養路機械的作用和節約封鎖天窗，又能保證曲線改造的施工質量。

只做線型調整和撥量較小的曲線，大型養路機械能一次性完成曲線改造；撥量較大的曲線改造施工，必須分階段實施撥道、搗固；在完成前一階段施工后，不能簡單的按設計撥量與大機前次撥量的差值來決定后續大機撥道數據，有條件的用全站儀按既有線路控制點重新測量、重新計算線路撥道量，為后一階段撥道提供準確數據。

此外，該線路平面和縱斷面的改造優化設計是一個整體，必須保證行車的安全平順，保證旅客有一定的舒適度及維修工作的方便。在平面設計時，要考慮縱斷面的要求；縱斷面抬道時，也要考慮平面有無改善的可能。既有曲線改造，對曲線改造地段的線路病害同步處理，使既有曲線下路基的堅固和穩定。適當調整線路縱斷面，保證線路軌道結構狀態的整體良好。

4 實施效果和體會

(1)目前，此設計方案不僅在阜淮線、淮南線、寧蕪線、皖贛線和宣杭線等提速、曲線改造施工中廣泛應用，共完成曲線優化設計225條、161.69km；而且在京九線電化改造中逐步實施。通過施工，消除了曲線地段列車運行時經常晃車現象，軌控成績進步明顯。采用此設計方案的施工具有投資省、見效快的優點。

(2)電化改造前對既有線路進行平縱斷面改造優化設計，不僅提高了線路質量，更重要的是減少了因線路改造施工而引起的供電調網、調線甚至移動電桿等相關部門的配合工作。

(3)設計與施工前后必須考慮曲線改造優化設計對線路兩側路肩或水溝的影響，還應考慮施工時石碴等材料和機具的供應需求。同時，施工時盡量結合線路大修或維修施工"共用天窗"完成線路平縱斷面優化，那樣可以大幅度地減少對運輸秩序的干擾，緩解運輸和施工的矛盾。

(4)既有線線路瞬間動態的變化，建議曲線外業測量、內業設計和優化施工緊密進行，否則必須要重新對曲線進行測量，這樣能保證曲線優化設計現場撥量的準確性。