大興國際機場線列車運行安全性及平穩性分析

馮杜煬 楊 松 劉鄭琦 郭 驍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

北京地鐵大興國際機場線(以下簡稱“機場線”)連接北京市城區與大興國際機場，設草橋站、大興新城站、大興機場站。機場線一期工程全長約41.36 km，其中地下段長23.65 km，高架段長(含部分路基段)17.71 km。新機場線是我國首條設計速度達160 km/h的地鐵線路，采用CRH6型市域列車[1-2]。

本工程一般地段采用CRTSI型雙塊式無砟軌道。相較于城際鐵路，新機場線具有行車密度大、曲線半徑小(Rmin=600 m)、小半徑曲線多[3]、下部基礎標準多樣等特點，軌道結構方案需結合工程特點進行特殊設計[4-5]。本工程軌道結構組成見表1。

本工程軌道設計方案與既有城際鐵路或地鐵項目均有不同，有必要針對本工程設計方案，建立有限元模型，對列車運行的平穩性、安全性及無砟軌道的動力特性進行預測與分析，進而判斷現有方案是否滿足列車運行要求[6]。

表1 機場線軌道結構組成

軌道動力學分析最早可追溯至20世紀20年代，早期的軌道動力學將軌道結構簡化為連續彈性基礎無限梁模型或疊合梁模型，以研究軌道結構的動力響應，但忽略了車輛與軌道的耦合作用。20世紀90年代，隨著計算機軟件的進步，開始采用有限元分析軟件進行輪軌關系分析。21世紀以來，則通過建立車輛-軌道-下部基礎的耦合模型，從軌道動力學響應、車輛運行過程中的平穩性及安全性等方面進行分析。以下通過建立有限元車輛-軌道-下部基礎耦合模型，對相關指標進行計算分析并得出相關結論[7]。

2 安全性及平穩性評價指標

安全性是列車運營過程中需要滿足的最基本要求，列車運行的平穩性是保證乘客舒適的前提條件。此外，還應對軌道結構的動力學相關指標進行預估，以確定其是否滿足相關規范的要求。

整體道床的動力特性以及行車的安全性、平穩性可分為3類：軌道結構各部分動力學指標(動位移、加速度、動應力)、行車平穩性評價指標(車體垂向加速度、車體橫向加速度)、行車安全性評價指標(輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數、輪重減載率)。

2.1 軌道結構各部分動力學指標

機場線設計速度為160 km/h，城市軌道交通相關規范并不適用，從安全性考慮，宜參照《高速鐵路工程動態驗收技術規范》進行指標選取(見表2)[8]。

表2 軌道結構動力學指標限值

2.2 車體動力學指標

車體垂向加速度、車體橫向加速度是判定車輛運行平穩性的重要指標。根據《城際鐵路設計規范》(TB 10423—2014)[9]，車體垂向振動加速度不應大于1.3 m/s2，車體橫向振動加速度不應大于1.0 m/s2。根據《軌道幾何狀態動態檢測及評定》(TB/T 3355—2014)[10]，車體垂向加速度不應大于1.0 m/s2，車體橫向加速度不應大于0.6 m/s2。本工程按城際鐵路要求從嚴取值，車體垂向加速度限值取為1.0 m/s2，橫向加速度限值取為0.6 m/s2[11-12]。

2.3 行車安全性評價指標

根據《高速鐵路工程動態驗收技術規范》(TB 10761—2013)，無砟軌道工況下輪軌垂向力最大允許值為170 kN，該規范對于輪軌橫向力限值沒有規定。根據《城際鐵路設計規范》(TB 10423—2014)，輪對橫向水平力不應大于(10+靜輪重/3) kN。綜上，輪軌垂向力限值取170kN，輪軌橫向力限值取38 kN。

脫軌系數、輪重減載率均為評定列車運行安全性的重要指標。脫軌系數定義為某一時刻車輪的橫向力Q與垂向力P之比。輪重減載率定義為減載側車輪的輪重減載量與輪對的平均輪重之比[13]。

根據《城際鐵路設計規范》(TB 10423—2014)，脫軌系數不應大于0.8，輪重減載率不應大于0.6。

3 模型建立與數據分析

3.1 模型的建立

建立車輛-軌道-基礎耦合模型，對相關評估指標進行計算分析。建模過程中，車輛整車模型(含車體、轉向架及輪對)相關參數的取值基于新機場線采用的CRH6型城際動車組(見表3)[14-16]。

表3 車輛建模選取參數一覽

軌道及下部基礎模型中，WJ-8B扣件靜剛度取30 kN/mm，扣件動靜比按1.4考慮。隧道、路基、橋梁尺寸及材料性質根據施工圖施加相應的約束[17]。選取美國六級譜作為輪軌激勵施加在鋼軌表面[18]，軌道模型相關參數見表4。

表4 軌道模型建立相關參數

經過上述步驟，建立的隧道地段、橋梁地段及路基地段的車輛-軌道耦合動力分析模型如圖1～圖3。

圖1 車輛-軌道-隧道結構耦合模型

圖2 車輛-軌道-橋梁結構耦合模型

圖3 車輛-軌道-路基結構耦合模型

3.2 模型驗證

北京新機場線采用CRH6型動車組，目前國內尚無采用該型號車輛運營的線路。為驗證該模型的準確性，選取深圳地鐵11號線(設計時速120 km，地鐵A型車，軸重16 t，DT-Ⅲ型扣件，普通圓形隧道整體道床)進行實測數據與模型計算數據的驗證。對深圳車公廟至紅樹灣區間左線輪軌垂向力和橫向力、脫軌系數、輪重減載率、鋼軌垂向位移5個實測數據與模型計算數據進行對比，對比結果見表5。

由表5可知，利用車輛-軌道-基礎耦合模型計算得出的結果均在實測數據范圍之內。因此，可采用該模型對本工程相關數據進行預測[19-20]。

表5 軌道模型建立相關參數

3.3 數據匯總

模型列車速度取值范圍為120～180 km/h，每20 km/h作為一個計算工況(共計4個速度工況)，每個工況含軌道結構各部分動力學、行車平穩性評價、行車安全性評價共計14個動力學指標。對上述模型指標進行提取匯總，各工況及不同線下基礎模型的相關數據統計見表6～表8。

表6 隧道地段動力學計算數據匯總

表7 橋梁地段動力學計算數據匯總

將有限元軟件計算數據與規范限值進行對比，在3種工況下(橋梁、隧道及路基)，各項軌道結構或列車動力學指標均在規范限值以內。其規律變化總結如下。

表8 路基地段動力學計算數據匯總

(1)各動力學評價指標與行車速度成正比(行車速度是影響軌道結構動力響應的重要因素，行車速度越大，軌道結構動力響應越大)。

(2)動力學指標數值均處在規范限值范圍之內，且有一定安全余量；行車平穩性指標、安全性指標也均在安全限值之內。

4 結論與評價

采用有限元方法建立隧道地段、橋梁地段、路基地段的車輛-軌道耦合動力分析模型，計算了列車在橋梁、隧道及路基地段雙塊式無砟軌道上運行時的軌道結構受力及列車的動力響應。通過與規范要求限值的對比可知，列車速度在120～180 km/h范圍時，軌道結構各動力學指標均位于安全限值之內且安全余量較大，本工程軌道結構強度、行車的平穩性和安全性也均處于安全狀態，可滿足列車運行要求。