京廣線提速至200 km/h站前工程技術條件探討

蔣澤軍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 京廣線提速背景

20世紀中后期，發達國家紛紛采取了既有線提速改造和修建高速鐵路新線并重的策略，以提高鐵路競爭能力。技術進步使得發達國家的鐵路在交通運輸市場中處于優勢地位，在取得了較好的經濟效益的同時，也取得了較好的社會效益，成為20世紀世界鐵路發展的潮流。法國TGV列車在既有線上的速度已達到200 km/h、貨運列車120 km/h;德國對多條既有線進行強化改造后，旅客列車速度達到160～200 km/h、貨運列車120 km/h;日本對既有窄軌鐵路改造后，旅客列車最高速度達到160 km/h，東海道新干線希望號開行后，動車組速度提高到250 km/h。與此同時，國外高速鐵路已達到了最高速度300 km/h。

進入21世紀后，我國國民經濟繼續保持較快增長，通過1997年4月開始的鐵路5次提速，鐵路取得了長足進步，雖初步扭轉了鐵路客貨運量在運輸市場中逐步下滑的被動局面，但與國民經濟的發展要求仍極不適應。2004年1月7日，國務院批準了《中長期鐵路網規劃》［1］，規劃中明確提出“為適應全面建設小康社會的目標要求，鐵路網要擴大規模，完善結構，提高質量，快速擴充運輸能力，迅速提高裝備水平”。在此背景下，鐵道部決策實施第6次鐵路大提速，要求京廣線北京局管段竇店至保定、高邑至小康莊成區段提速至200 km/h，合計段落長170 km。

將既有干線旅客列車提速至200 km/h，同時還要兼顧較大比重的貨物列車，挑戰空前。雖然我國鐵路通過5次提速，干線旅客列車速度已達到160 km/h，廣深線采用擺式列車速度也達到了200 km/h，但擺式列車提速由于旅客舒適度滯后以及擺式列車技術引進等原因而不能大面積推廣。將繁忙干線提速至200 km/h當時處于無“設計規范”可循的局面。

鐵道部2003年10月21日發布了《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設函［2003］439號)［2］其中部分標準可以在既有線提速中參照;而《既有線提速200 km/h技術條件》仍處于研究階段，鐵道部尚未定稿發布。針對現實狀況，這就要求京廣線提速相關設計人員要分析研究有關“提速技術條件”，并須報經鐵道部批復后方能在本線執行。

在京廣線北京局管段提速至200 km/h的設計中，選用“技術先進、成熟、經濟、實用、可靠的站前工程技術條件”正是本文的目的所在。

2 研究的內容與方法

2.1 站前工程主要技術條件研究內容

京廣線提速主要技術條件中線路、軌道方面包括:最小曲線半徑、緩和曲線長、夾直線及最小圓曲線長度、曲線超高、線間距、最小坡段長度、豎曲線半徑、軌道結構等;路基包括:橫斷面結構、基床強度、軟弱路基處理、路橋過渡段等;橋涵包括:設計荷載、橋梁剛度、橋梁的改造加固等;站場包括:站場布置、客運設施、站內道岔、安全措施等等。

2.2 研究方法

通過運用前5次鐵路提速的經驗以及鐵科院一系列提速試驗結論，對比《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》技術條件［2］，參照國外有關提速、高速建設標準，對京廣線站前工程主要技術條件進行分析研究。

3 京廣線提速站前工程主要技術條件的分析研究

3.1 線路、軌道

3.1.1 最小曲線半徑

選用最小曲線半徑一般3 500 m，困難條件下2 800 m，這與《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》(以下簡稱“《新建線暫規》”)［2］一致，可以直接采用執行。

而既有線未改造地段最小保留半徑選擇2 500 m還是2 200 m的曲線，各方面爭議較大。理論計算半徑2 200 m曲線，旅客列車以時速200 km通過，考慮現有的貨物列車以時速70 km通過時，過超高將達到80 mm，此項數值過大造成鋼軌磨耗嚴重，對養護維修不利;對比國內外資料［2，4］，雖然有半徑2 200 m曲線運行時速200 km的列車，但其線路上低速度的列車也都在時速100 km以上，速差相對小，這與我國的繁忙干線貨物列車速度約70 km/h有較大的不同。上述分析表明保留半徑2 200 m曲線不可取。

既有線未改造地段若保留半徑2 500 m的曲線，在考慮國內現有貨車速度還較低的條件下，通過時速200 km的旅客列車，曲線超高基本在限制范圍內，結合日本東海道新干線最小曲線半徑為2 500 m的運營實踐，分析認為既有線未改造地段保留2 500 m曲線是合適的。

3.1.2 緩和曲線長度

緩和曲線長度主要由以下三因素決定:(1)緩和曲線上伴隨著超高量的變化，車體和轉向架的平面構造特性可能使車輪產生三點支撐而一點懸浮的情況，這是必須予以控制的現象，從而保證列車對脫軌的安全性要求，以此求得的保證列車安全性所需的緩和曲線長度一般較短，此項超高順坡率因素已不是提速的控制條件;(2)客貨共線滿足欠超高時變率條件的緩和曲線長度，一般都小于滿足超高時變率條件的緩和曲線長度，因此，此因素也不是提速的控制條件;(3)顯然對應于乘車舒適度的超高時變率，在時速200 km的線路上成為主要控制因素。

借鑒日本東海道新干線超高時變率的乘車舒適度目標值為0.03g/s=超高時變率45 mm/s［3］;法國140～160 km/h Ⅰ級干線超高時變率40 ～60 mm/s［4］。本次提速京廣線超高時變率按困難地段控制定為45 mm/s，對應的超高順坡率為1/(8Vmax)，以此控制緩和曲線長度是安全的，舒適度也是適中的，最終被選用。例如半徑2 800 m曲線，緩和曲線長定為一般180 m、困難條件150 m，雖然略低于新線標準，但在既有線提速中選用，既節省了工程投資，又照顧到安全性和旅客舒適度方面的要求，技術條件適宜。

3.1.3 夾直線及圓曲線最小長度

曲線改造地段:一般最小長度為0.7Vmax，困難條件0.5Vmax，與《新建線暫規》取用一致，直接采用執行即可。

特殊困難條件下是否采用0.4Vmax，需要進一步論證。此項技術條件的規定是與車輛轉向架彈簧振動消失時間有關的一項控制數值，其目標主要是保證車輛通過圓曲線或夾直線兩端緩和曲線時，為避免車輛后軸在緩和曲線終點產生的振動，與車輛前軸在另一緩和曲線起點產生的振動產生疊加現象發生，這是一個保證列車平穩運行以滿足旅客舒適度要求的技術條件。

我國前5次提速實施過程中，特殊條件時個別情況下，保留了20 m夾直線及圓曲線最小長度。我國車輛彈簧振動周期一般是1.12 s，振動基本在1個周期內消失，有關研究表明夾直線及圓曲線最小長度Lj≥τVmax而 τ≈0.4［4］;有關資料表明國外提速線路 Lj一般是(0.6～0.4)Vmax。京廣線提速保留地段僅為個別地段，為節省投資綜合考慮，夾直線及圓曲線最小長度對于既有線保留地段，困難條件下確定采用0.4Vmax是合理的，但在設計中要嚴格掌握，不得連續設置。

3.1.4 曲線最大超高、過超高、欠超高

(1)曲線最大超高

曲線最大超高值是由低速行駛由于風力造成車輛傾斜或停車等的安全性，停車或慢行時旅客舒適度，軌道側磨耗和軌道橫向穩定主要幾個因素確定的。

我國I級干線規定最大超高為150 mm［6］，德國一般規定V＞160 km/h最大超高為160 mm［5］，日本東海道新干線V=210 km/h時最大超高為180 mm［8］。本次京廣線提速后貨運比重仍較大，綜合過超高、欠超高等技術條件，將曲線最大超高定為150 mm較為合適。

(2)過超高

客貨共線鐵路上過超高允許值主要由貨運列車運行時鋼軌側磨條件控制，提速后貨車行駛條件沒有發生根本的變化，可直接采用2002年10月4日鐵道部發布的《既有線提速技術條件》(鐵科技［2002］76號)(V=160 km/h)的規定，過超高允許值一般地段50 mm，困難地段70 mm。

(3)欠超高

客貨共線鐵路上欠超高允許值主要由旅客舒適度和列車安全運行控制，在第5次提速中，一般地段90 mm，困難地段110 mm，采用上述數值，國內鐵科院有關實測資料表明輪重減載率、脫軌系數、輪對橫向作用力均小于安全限值。本次提速將采用動車組運行，對比日本東海道新干線提速后，欠超高采用了110 mm［8］;世界鐵路聯盟 UIC703R 建議的 V=120～200 km/h時，欠超高標準值100 mm，最大120 mm。綜合考慮京廣線提速至200 km/h地段欠超高允許值確定為:“一般地段90 mm，困難地段110 mm”是可以接受的，研究予以采用。

3.1.5 線間距

執行《新建線暫規》區間的線間距為4.4 m，此間距已充分考慮了各種車輛的交會條件，可直接采用。

3.1.6 線路縱斷面

《新建線暫規》規定:“坡段長度一般地段600 m，困難條件下不小于400 m，且連續使用時不得超過2個;坡度代數差大于1‰，設半徑15 000 m的豎曲線”。由于京廣線北京局提速區段較為平坦，現狀限坡4‰，縱斷面改動相對較小，研究后認為執行《新建線暫規》規定即可。

3.1.7 軌道

借鑒鐵路第5次提速經驗，考慮采用動車組運行，輪重相對減輕，但速度提高到了200 km/h，研究提出“正線采用60 kg/m跨區間無縫線路、Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕1 667根/km鋪設、彈條II型扣件、一級道砟、正線道岔采用60 kg/m鋼軌可動心軌道岔”。日本1964年開通的東海道新干線采用的是53 kg/m鋼軌，1981年才更換為60 kg/m鋼軌［8］;歐洲各國鐵路考慮大型機械養護條件，軌枕普遍采用的是1 667根/km［7］。軌道是提速的關鍵設備，對比國內外有砟軌道的技術條件，研究認為提速區段采用上述技術條件是滿足要求的。

3.2 路基

既有線提速路基工程技術條件主要是基床、路橋過渡段。

3.2.1 基床處理

分析認為基床厚度可執行我國I級干線標準，對比認為德國鐵路基床厚度1.8 m［9］，日本新干線基床厚度3.0 m［8］，我國鐵路I級干線取用2.5 m基床厚度是適中的。

對于基床表層當基本承載力小于0.18 MPa應予以加固;基床底層當基本承載力小于0.15 MPa也應予以加固。參照京秦線提速改造科研成果，采用水泥土擠密樁技術、局部注漿技術處理路基，以達到路基承載力的要求。結合本線的路基勘探成果，僅極個別路基段落需要采取措施。

3.2.2 路橋、路涵過渡段

鐵路前5次提速改造中，對路橋、路涵過渡段路基基本沒有處理。試驗資料表明，提速至200 km/h路橋、路涵過渡段對行車的平穩性、軌道結構、車輛結構、旅客舒適度等有較大的影響。

日本新干線橋臺后路基采用了特殊優質填料、補強混凝土、混凝土過渡搭板等過渡技術，一般處理長度是10～20 m［8］，較好地解決了不同路基剛度的過渡。

本次京廣線提速提出采用水泥土擠密樁技術解決路橋、路涵過渡，路橋過渡段長度不小于20 m，路涵過渡段長度不小于15 m，加固長度按《新建線暫規》的公式計算確定。

3.3 橋涵

3.3.1 荷載

分析表明:客貨共線鐵路當采用動車組車輛提速至200 km/h運行時，動車組活載不控制設計，仍為貨車荷載控制，故設計采用中-活載并考慮各種附加力以及特殊荷載組合。

3.3.2 橋梁剛度

鐵科院研究表明提速區段橋梁剛度是硬指標，其剛度限值綜合反映在《新建線暫規》中，由于橋梁是提速的關鍵設施，故對橋梁的豎向撓度、墩臺的橫向位移等限值均執行《新建線暫規》。

具體措施包括:對不滿足要求的鋼板梁采用混凝土梁更換;對混凝土分體式橋梁采用預應力橫向加固措施;對于無支座以及平板橡膠支座的橋梁均采取加設橫向限位措施;對于輕型墩臺均采用包打墩臺方法予以補強剛度。

3.3.3 線間距由4.0 m撥移為4.4 m橋梁改造

由于時速200 km地段，線間距須撥移至4.4 m，橋梁須相應改造。對于梁橋，一般墩臺采用鋼筋混凝土預加寬;基礎采用旋噴樁、挖孔樁預加固;結合線路要點施工一并撥移梁部結構的技術方案。

采用頂進框架結構預先取代原有的部分病害橋涵，是通過5次提速后形成的可靠技術;對于既有部分框架橋，由于線路撥移后橋上線路位置發生變化，經檢算強度不足的部分結構，也可采用碳纖維或補貼鋼板結構的技術予以加固。

3.4 站場

站場除執行站場一般設計規范外，主要是按200 km/h的行車要求對站場進行改造。

3.4.1 站場布置

對正線采用12號還是18號可動心軌道岔進行比較分析，雖然18號道岔側向通過速度可以提高30 km/h，對全線通過能力有所提高，但咽喉區改造影響范圍大，引起征地拆遷投資費用增加較多;考慮到未來規劃的京廣線高速鐵路建成后，既有線貨運比重較大的運輸狀態，研究認為正線全部更換為12號60 kg/m鋼軌可動心軌道岔。

關于安全行車的站內作業應予以強化。站內正線平縱斷面、軌道、路基技術條件與區間相同;對于站內線間距:正線線間距一般采用5.0 m;正線與有技術作業的到發線間距6.5 m、困難條件下5.5 m，與無作業的到發線間距5.0 m;正線與牽出線間距(設防護柵欄)一般7.0 m、困難條件6.5 m，與其他線間距5.0 m。根據上述條件站場相應調整平面布置。

3.4.2 安全設施

考慮時速200 km的行車狀態，相應的安全設施應予以配套。除到發線外，其他線路與正線銜接時，在銜接處線路前方設置安全線或其他隔開設備;有調車作業的中間站設置牽出線，采用平行進路、安全線或其他隔開設備與正線隔開。與通過列車相鄰的同向到發線設于1.0‰以上的下坡道時，為防止車輛意外侵入正線，在到發線下坡方向末端設置安全線或其他隔開設備。

鄰靠正線的站臺，與正線間設置柵欄防護，站臺邊緣至柵欄間距不小于2.0 m。

4 結論

京廣線北京局管段提速區段2005年6月完成施工圖設計，2006年底施工改造完成，2007年4月18日正式開行時速200 km的和諧號動車組。

運營至今，京廣線改造后的技術設備均經受住了時間的考驗。但是本線還是存在一些不足，比如:由于本線每天開行多達114對客貨運列車，且由于本線5 000 t級貨物列車比重大，使得軌道結構狀態的保持較為困難，與同期運營的石太客運專線相比，旅客乘車舒適度相對略低。

提速區段至今已安全運行4年，運營表明京廣線最初確定的主要技術條件基本上是合理可行的，一些技術條件值得總結借鑒。

［1］中華人民共和國鐵道部.中長期鐵路網規劃［Z］.北京:中華人民共和國鐵道部，2004.

［2］中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2003］439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，2003.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵科技［2002］76號 既有線提速技術條件(V－160 km/h試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［4］鐵道部科學技術司.既有線提速200km/h技術條件(征求意見稿)［Z］.北京:鐵道部科學技術司，2004.

［5］范華，徐學東，高亮.德國既有線提速的關鍵技術及啟示［J］.鐵道標準設計，2004(12):4-7.

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

［7］中華人民共和國鐵道部.TB10082—2005 鐵路軌道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［8］鐵道部赴日高速鐵路研修團.鐵道部赴日高速鐵路研修團研修報告［R］.北京:鐵道部赴日高速鐵路研修團，1996.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005 鐵路路基設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［10］梁占旭，郭國棉.京廣線竇店至小康莊段第6次提速橋涵設計［J］.鐵道標準設計，2008(1):24-25.