高速鐵路無(wú)砟軌道曲線超高設(shè)置研究

摘要：目前，我國(guó)處于高速客運(yùn)專線鐵路以及城際鐵路建設(shè)的黃金時(shí)期，軌道結(jié)構(gòu)主要鋪設(shè)無(wú)砟軌道。由于無(wú)砟軌道超高可調(diào)量很小，一旦建成，重新調(diào)整超高非常困難，因此，高速客運(yùn)專線鐵路曲線超高設(shè)置問(wèn)題為當(dāng)前研究的熱門課題。本文基于當(dāng)前遇到的實(shí)際問(wèn)題，從超高計(jì)算方法、設(shè)置原則、設(shè)置方法和方式、設(shè)置基本原理等方面進(jìn)行了分析，并從滿足行車安全條件和舒適條件下，對(duì)高速客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道曲線欠、過(guò)超高進(jìn)行了深入研究，給出了詳細(xì)的計(jì)算和檢算方法，以供參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 無(wú)砟軌道 曲線超高設(shè)置

0 引言

列車在曲線上行駛時(shí)，由于慣性離心力的作用，會(huì)將列車推向外股鋼軌，加大了外股鋼軌的壓力，使旅客產(chǎn)生不適。因此需要把曲線外軌適當(dāng)抬高，使列車的自身重力產(chǎn)生一個(gè)向心的水平分力，以抵消慣性離心力，達(dá)到內(nèi)外兩股鋼軌受力均勻和垂直磨耗均等，滿足旅客舒適度，提高線路的穩(wěn)定性和安全性。目前，我國(guó)處于高速客運(yùn)專線鐵路以及城際鐵路建設(shè)的黃金時(shí)期，軌道結(jié)構(gòu)主要鋪設(shè)無(wú)砟軌道。由于無(wú)砟軌道超高可調(diào)量很小，一旦建成，重新調(diào)整超高非常困難，超高應(yīng)盡可能一次設(shè)置到位。所以，對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道曲線超高設(shè)置進(jìn)行研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 超高計(jì)算方法

當(dāng)抬高外軌使車體傾斜時(shí)，軌道對(duì)車輛的反力和車體重力的合力形成向心力，如圖1所示：

圖1中，p為車體的重力；Q為軌道反力；Fn為向心力；S1為兩軌頭中心線距離；h為所需的外軌超高度[2]。

由=，F(xiàn)=，得：

h=（1）

取S1=1500mm，g=9.8m/s2，代入上式并變換量綱單位得超高計(jì)算公式為：

h=11.8 （2）

式中，V為曲線通過(guò)速度（km/h）；R為曲線半徑（m）。

當(dāng)列車以任意速度通過(guò)曲線時(shí)，離心力J為：

J= （3）

2 超高設(shè)置方法

2.1 設(shè)置位置

視不同線下基礎(chǔ)和無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式，如表1所示，超高分別設(shè)置在支承層或基床表層或鋼筋混凝土底座上。

2.2 設(shè)置方式

采用以內(nèi)軌頂面為準(zhǔn)，外軌抬高方式。底座最小厚度Ⅰ型板約為120mm，Ⅱ型板外股線約為190mm，內(nèi)股線約為180mm左右。

3 曲線超高設(shè)置基本原理

3.1 三大基本原則

超高設(shè)置必須滿足以下三大基本原則：安全條件、舒適條件、養(yǎng)路條件。一般說(shuō)，只需滿足舒適條件，就不必?fù)?dān)心安全條件。

3.2 欠超高

3.2.1 基本概念。當(dāng)列車以高于按均衡速度設(shè)置超高的曲線，即V>Vm時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生欠超高。欠超高過(guò)大對(duì)列車通過(guò)曲線的安全性、舒適性和軌道橫向穩(wěn)定性都會(huì)帶來(lái)影響，故應(yīng)對(duì)欠超高加以限制。

3.2.2 欠超高確定的一般原則。①修建新線時(shí)，若為客運(yùn)專線，為更好地滿足旅客旅行的舒適要求，未被平衡橫向加速度可采用較高標(biāo)準(zhǔn)，即較小的α值。若為客貨混運(yùn)線路，可用較大的α值。②既有線提速改造時(shí)，為充分發(fā)揮既有設(shè)備的效能，減少改建工程，可用較大的值，即標(biāo)準(zhǔn)稍低。在既有線改造中，對(duì)速度V≤200km/h的線路，法國(guó)和德國(guó)用到α=0.85m/s2（hq=130mm），通過(guò)實(shí)踐證明，不至于對(duì)行車造成妨礙。③因未被平衡橫向加速度與車輛重心高度有關(guān)，故重心較低的車輛可采用較大α的值。④客運(yùn)專線鐵路由于采用同一類型車輛又固定編組的運(yùn)輸模式，故可采用較小α值，以提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和旅客的舒適性。

3.2.3 欠超高的檢算。列車通過(guò)實(shí)設(shè)超高的曲線時(shí)，應(yīng)按下式檢算欠超高是否超過(guò)相關(guān)規(guī)定：

h=11.8-h≤[h] （4）

式中：V：高速列車設(shè)計(jì)速度（km/h）。其它符號(hào)同前。

3.3 過(guò)超高

當(dāng)列車以低于均衡速度的速度通過(guò)曲線，即V

3.3.1 過(guò)超高允許值 ①對(duì)客貨共線軌道過(guò)超高的規(guī)定遠(yuǎn)小于欠超高允許值，主要是考慮貨物列車比客運(yùn)列車不僅軸重大，軸數(shù)也多，會(huì)加劇對(duì)鋼軌的損傷和軌道的破壞。故需嚴(yán)格限制過(guò)超高值。②對(duì)高中速共線的客專軌道，動(dòng)車組車輛性能遠(yuǎn)優(yōu)于貨車性能，并且速度相差不大，故可放寬對(duì)過(guò)超高的規(guī)定。③對(duì)全高速客運(yùn)專線而言，參考鐵科院對(duì)小半徑（R=1000m、800m）曲線過(guò)超高為90mm時(shí)，所測(cè)列車脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪對(duì)橫向力等安全參數(shù)均小于有關(guān)規(guī)定，列車運(yùn)行安全性和軌道橫向穩(wěn)定性可充分保證。故可認(rèn)為過(guò)超高與欠超高對(duì)旅客乘坐舒適度的影響是同等的。

3.3.2 過(guò)超高的檢算。當(dāng)列車以低于均衡速度的速度（V

h=h-11.8≤h （5）

式中hg：過(guò)超高。其它符號(hào)同前。

4 我國(guó)客運(yùn)專線欠、過(guò)超高允許值

《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)[2007]47號(hào)）中規(guī)定[hq]值見(jiàn)表2：

我國(guó)“設(shè)計(jì)暫規(guī)”中對(duì)過(guò)超高允許值的規(guī)定：采用與欠超高允許值一致。

5 h+h及h+h的檢算

曲線超高設(shè)置除應(yīng)檢算欠超高h(yuǎn)、過(guò)超高h(yuǎn)之外，還應(yīng)檢算欠超高與過(guò)超高之和h+h及實(shí)設(shè)超高h(yuǎn)與欠超高h(yuǎn)之和h+h是否符合相應(yīng)“設(shè)規(guī)”規(guī)定的[h+h]值及[h+h]值（見(jiàn)表3）。

6 曲線通過(guò)速度

根據(jù)實(shí)設(shè)超高h(yuǎn)和設(shè)置欠超高h(yuǎn)的條件，可得曲線

通過(guò)速度V計(jì)算式為：

h+h==11.8

V==0.29h+hR （6）

7 算例

時(shí)速300～350km/h客運(yùn)專線無(wú)砟軌道曲線超高計(jì)算，已知曲線半徑R=10000m；高速列車VG1=300km/h；VG2=320km/h；VG3=350km/h，試確定該曲線實(shí)設(shè)超高并檢算欠、過(guò)超高并進(jìn)行檢算。

7.1 實(shí)設(shè)超高計(jì)算

均衡速度Vm==324km/h；設(shè)計(jì)超高h(yuǎn)sj=11.8=124mm，實(shí)設(shè)超高h(yuǎn)s=125mm。

7.2 欠、過(guò)超高檢算

h=125-11.8=19mm≤h=40mm良好

h=125-11.8=4mm≤h=40mm良好

h=11.8-125=20mm≤h=40mm良好

7.3 h+h及h+h的檢算

h+h=20+19=39

h+h=125+20=145

7.4 曲線最高允許通過(guò)速度

V=0.29×125+40×10000=373km/h

V=0.29×125+60×10000=394km/h

V=0.29×125+70×10000=405km/h

V=0.29×125+100×10000=435km/h

式中，V表示欠超高h(yuǎn)q=40mm時(shí)的曲線通過(guò)速度，其它略同。

8 結(jié)論

8.1 高速客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道曲線超高應(yīng)滿足旅客舒適度的要求。一般來(lái)講，只要滿足舒適條件，就不必?fù)?dān)心安全條件。

8.2 欠超高過(guò)大對(duì)列車通過(guò)曲線的安全性、舒適性和軌道橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；過(guò)超高越大，內(nèi)外軌磨耗就越厲害，列車運(yùn)行安全性和軌道橫向穩(wěn)定性就無(wú)法保證，故一定要對(duì)欠、過(guò)超高加以限制，并通過(guò)合適的計(jì)算方法來(lái)檢算欠、過(guò)超高。

8.3 對(duì)公式（6）進(jìn)行分析可知，提高曲線通過(guò)速度的途徑有三：一是增大曲線半徑；二是增大實(shí)設(shè)超高；三是放寬欠超高。綜合分析認(rèn)為，曲線半徑對(duì)速度的限制還不如曲線超高來(lái)得嚴(yán)重，要想提高曲線通過(guò)速度，增大曲線超高和放寬欠超高是一條投資少、見(jiàn)效快的重要途徑。

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作者簡(jiǎn)介：

薛超（1979-），男，河南確山人，本科，工程師，主要研究方向：施工技術(shù)。