鐵路線路參數化設計的幾點思考

白寶英

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

適應國民經濟發展需要是鐵路網規劃建設的根本依據,我國鐵路建設從以客貨共線為主,到20世紀80年代初修建貨運專線、90年代初規劃高速客運專線、繁忙運輸通道修建多線實行客貨分線,都充分體現了鐵路規劃建設與國家發展規劃的息息相關。目前我國已制訂了布局合理、適應國家經濟發展規劃、滿足區域經濟發展要求、體現國家技術經濟綜合實力水平的中長期鐵路網規劃。我國幅員遼闊,地形地貌及地質條件復雜多變,在實施路網規劃的線路設計過程中,對于標準的選擇及應用存在著較大的靈活性。選擇適宜的設計標準以使設計方案安全可靠、經濟合理、系統最優、為基礎設施使用留有一定的發展空間,是線路專業設計技術應遵循的基本原則。本文擬從曲線半徑、緩和曲線長度、坡段長度及同心圓設計等方面,就如何應用參數化設計的相關問題做一分析探討,以實現線路總體設計及系統設計最優的目標。

2 現行有關線路設計規程規范

我國鐵路線路設計標準體系根據線路運輸性質分為客貨共線標準、客運專線標準兩大系列,在各自系列中按照設計行車速度分別規定相應的設計標準。旅客列車設計速度160 km/h及以下、貨車設計速度120 km/h及以下的客貨共線鐵路線路設計執行的規范是《鐵路線路設計規范》(GB50090—2006)(簡稱《線規》)；旅客列車設計速度200 km/h及以下、貨車設計速度120 km/h及以下的客貨共線鐵路線路設計執行的規范是《時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設函[2005]285號)(簡稱《200客貨混》)；旅客列車設計速度200 km/h(含)～250 km/h(不含)客運專線的線路設計執行的設計規范是《時速200～250 km客運專線設計暫行規定》(鐵建設[2005]140號)(簡稱《200～250客運專線》)；旅客列車設計速度250 km/h及以上客運專線的線路設計執行的設計規范是《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621—2009)(簡稱《高速規范》)。

3 現行設計規范標準規定分析

現行線路有關設計規范對于線路主要設計標準如平面曲線半徑、緩和曲線長度、坡段長度、豎曲線半徑等均給出了規定值,這種標準形式便于設計人員使用,在一般情況下采用規范給定的數值可提高設計工作效率。但是,在實際工程設計中存在著一些情況,需要靈活應用設計規范,如為躲避重要障礙物、為節省工程或滿足平縱斷面匹配設計要求等需要采用非標準數值的半徑、緩和曲線長度、豎曲線半徑及坡段長度等,另外在線路引入樞紐或既有鐵路接軌的減加速地段,在現行規范中給出的設計數據不適于工程設計的直接選用。

如何依據現行設計規范確定線路設計標準,結合工程技術經濟條件要求,科學合理地解決線路設計標準選擇問題,是我們工程設計人員必須思考的事情。通過對現行設計規范標準的研究和工程設計實踐經驗總結,筆者認為建立基于參數化設計的理念是十分必要的,設計者在遵從現行設計規范基本要求的前提下,深刻理解設計標準與計算參數的物理意義,靈活運用設計規范標準進行線路設計,對于提高工程設計的技術經濟合理性是非常必要的。

4 參數化設計的幾點建議

4.1 關于平面曲線半徑選擇

表1 平面曲線半徑計算超高參數 mm

對于計算結果的采用應注意平縱條件的匹配關系及V-S曲線要求,在滿足運營要求的前提下實現線路的舒適性要求,提高工程設計的技術經濟合理性。

4.2 關于同心圓設計

在客運專線鐵路設計中,同心圓的設計是一種近似的設計,即右線曲線半徑與左線曲線半徑差值為直線地段線間距,右線與左線配置相同長度的緩和曲線,據此確定出右線設計中線。此時,左右線的設計線間距在圓曲線范圍內并非是恒定值,即從線形幾何關系上看不是嚴格意義上的同心圓。在一般情況下這種線形設計能滿足工程要求,設計資料簡單。如果個別工點對于線間距的要求比較嚴格時,則需要設計完全意義上的同心圓,如盾構法施工的隧道斷面,要求線間距盡可能為某一要求的不變的定值。此時右線應按照同心圓設計理論,根據隧道結構設計要求的線間距,設計右線圓曲線中線,根據左、右線緩和曲線與線間距的關系,求得右線緩和曲線長度,按照設計精度要求確定右線緩和曲線長度取位。這樣通過對右線線形的特殊設計可以滿足工程上對同心圓線間距不變的要求。

4.3 關于改變線間距的設計

當雙線并行地段因工程設計需要改變線間距時,規范規定一般通過鄰近曲線平行側移來實現線間距改變,當工程設計要求改變線間距的附近沒有曲線時,則采用直線上設置一組反向曲線來實現線間距的改變。通過曲線變線間距的方法在整個曲線范圍內線間距都是變化的,對于設計及施工均增加了一定難度；采用直線上設置一組反向曲線變化線間距的方法則惡化了平面條件,增加施工及養護的難度,并且當線間距變化值較小時，受最小圓曲線長度規定限制，這種方法還不適用。而采用參數化設計的理念可以靈活解決設計中遇到的需要改變線間距問題。設計方法類似于上述的同心圓設計,即根據線間距變化值計算內外側緩和曲線,一般以左線為基準計算右線的緩和曲線長度,外側曲線一般配置規范中的最長緩和曲線,內側根據線間距變化值計算確定。因此,采用參數化設計可以提高線路設計精確性和準確度,更好地適應工程設計，為施工及運營養護維修創造較好的條件。

4.4 關于緩和曲線長度

確定緩和曲線長度的參數包括設計超高、超高時變率、欠超高時變率,根據設計速度,合理匹配設計超高、超高時變率、欠超高時變率。當需要根據設計參數計算確定緩和曲線長度時,計算參數值的選用可采用規范中規定的允許值范圍內的區間值。現行有關高速鐵路規范中的參數見表2。

表2 緩和曲線長度計算參數

注：V為設計速度,km/h。

(1)根據設計速度計算均衡超高,根據V-S曲線合理設計欠、過超高,超高時變率與設計欠超高的舒適度水平應相匹配,即欠超高較小時應采用較小的超高時變率計算緩和曲線長度；當高低速列車通過曲線的速度差較大時,如果低速車過超高控制了實設超高取值,此時需要檢算欠超高時變率條件控制的緩和曲線長度。

(2)在選用時應注意的問題：①采用較長緩和曲線后應檢查剩余圓曲線長度,如果緩和曲線采用了最大長度而導致圓曲線長度不滿足0.8V時,應調整緩和曲線長度,使超高順坡率(超高時變率)的水平與圓曲線長度舒適度水平匹配合理；②當曲線間夾直線長度較短時,如果緩和曲線長度采用了較大值而導致夾直線長度不滿足0.8V,則應調整緩和曲線長度采用值；③當變坡點必須與圓曲線重疊設置時,豎曲線宜距離緩圓點或圓緩點盡量遠,如果受緩和曲線長度控制則宜調整緩和曲線長度,綜合考慮空間曲線的合理匹配。

4.5 坡段長度

坡段長度選擇遵循的基本原則是：在滿足工程技術經濟條件要求前提下,盡可能采用較長的坡度,以減少變坡點的設置,提高舒適性。在地形復雜的地區,坡段長度標準對于工程經濟合理性的影響較大。從理論上講,只要豎曲線半徑足夠大、豎曲線間夾坡長度足夠長,則列車通過變坡點產生的振動對于舒適度的影響即可控制在規定的水平。

確定最小坡段長度的參數是豎向加速度及其相應的豎曲線半徑標準,我國客運專線上規定的最大豎向加速度允許值為0.4 m/s2。據此確定一定設計速度對應的最小豎曲線半徑標準,另外考慮車輛通過豎曲線產生的振動不疊加要求,應留有一定的夾坡長度,一般取設計速度的0.4～0.8倍,最小坡段長度的計算公式為

lp=(Δi1+Δi2)/2×Rsh+(0.4～0.8)V

式中，Δi1、Δi2為坡段兩端相鄰坡段坡度差；Rsh為對應設計速度的豎曲線半徑,一般取最大值。

高速規范中給出的最小坡段長度在一般條件下是適宜的,但當遇到特殊工程情況或技術條件控制時,如困難地形地質條件下工程設計有要求時、車站兩端受咽喉區布置控制時等情況,最小坡段長度可按照上述公式計算,在滿足夾坡長度不小于0.8V要求的前提下,可采用較規范短的坡段長度,但一般不宜短于600 m。

5 關于線間距計算的案例分析(表3)

表3 線間距計算

表3中序號1～3給出了某條線左右線按照《高速規范》中(1)欄標準配置相同長度緩和曲線時的計算線間距,可以看出計算線間距與設計線間距的誤差值與曲線半徑及偏角大小有關,半徑越大、線間距誤差值越小；由于緩和曲線長度與理論上要求的有差異,故加設緩和曲線產生的內移距[圓曲線范圍內移距p的計算近似公式為p={l2/(24R)-l4/(2 688R3)},l為緩和曲線長度,R為圓曲線半徑]與理論上的內移距存在差異,導致圓曲線范圍內線間距有微小變化,小偏角大半徑曲線在圓曲線范圍內計算線間距相同,一般情況下曲中線間距較緩圓點及圓緩點線間距略大；相同半徑偏角越大、線間距誤值越大；表中帶★號的數據,為緩和曲線長度采用《高速規范》中(2)欄標準時的計算結果,與采用(1)欄的計算結果對比可以發現緩和曲線長度取值越大線間距誤差值越大。

表中序號4為某條線變線間距的設計,背景情況是：曲線前直線段布置有渡線,線間距為5 m,渡線后直線段較短,圓曲線范圍部分段落隧道施工擬采用盾構法,要求線間距較直線段縮小且為等值。如果采用一般設計方法,是在渡線后較短的直線段右線上設置1組反向曲線,該設計可滿足設計速度80 km/h標準要求。為改善線形條件采用了右線曲線兩端設置不等長緩和曲線長度的設計,借助計算機輔助設計手段擬合出右線中線,確保圓曲線部分為4.4 m等間距,解決了工程設計需要,降低了隧道施工難度并節省了工程投資。

6 結語

線路設計質量關系著其他工程設計的技術經濟合理性,是一個建設項目總體性和系統性優劣的基礎。針對我國幅員遼闊,地形地貌及地質條件復雜多變的實際,通過建立參數化設計理念,從系統優化角度出發,緊密結合項目工程實際靈活運用設計規范,可以解決線路設計中的諸多難題,科學合理地改進機械地套用設計規范的常規做法,針對工程設計具體要求,合理選擇線路設計標準,使設計成果既滿足設計規范要求又符合工程實際需要,通過實踐經驗積累不斷提升對于設計規范的應用水平,充分體現“以人為本、服務運

輸、強本簡末、系統優化、著眼發展”的鐵路建設理念。

[1]中華人民共和國鐵道部.GB50090—2006 鐵路線路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]中華人民共和國鐵道部.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].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵建設函[2005]285號 新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵科技[2009]212號 鐵路客運專線技術管理辦法(試行),300～350 km/h部分[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[6]中華人民共和國鐵道部.鐵科技[2009]116號,鐵路客運專線技術管理辦法(試行),200～250 km/h部分[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[7]白寶英.高速鐵路線路縱斷面設計標準及其應用研究[J].鐵道標準設計，2010(7)：4-7.

[8]朱 穎.鐵路選線理念的創新與實踐[J].鐵道工程學報,2009(8)：1-5．