高速鐵路異物侵限監測網設置范圍計算公式的完善

石先明

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

1 概述

高速鐵路列車運行速度高，受自然災害(如風、雨、雪、地震等)的影響比較大；另外，侵入鐵路建筑限界范圍內的異物對高速運行的列車也會產生極大的安全危害。因此，高速鐵路應配套建設自然災害及異物侵限監測系統，對鐵路沿線風、雨、雪、地震及異物侵限進行實時監測、預警、報警及聯動安全監控等[1-9]。其中，上跨鐵路的道路橋梁(一般是指公路橋，以下簡稱為公跨鐵立交橋)的異物侵限監測是高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統的重要組成部分，當公跨鐵立交橋上有異物墜落到鐵路建筑限界范圍內時，監測系統要進行實時報警，并通過信號系統控制接近此處的列車立即制動停車，從而有效防止或減少異物侵限災害對高速列車運行安全的影響[5-10]。

文獻[10]規定：“設計速度大于160 km/h區段內上跨鐵路的道路橋梁處應設置異物侵限現場采集設備”；“異物侵限現場監測裝置宜采用雙電網傳感器，設置于上跨鐵路的道路橋梁兩側”；“雙電網傳感器的設置范圍應結合工程特點及現場的實際情況，根據上跨鐵路的道路橋梁防撞護欄的防撞性能、鐵路軌面至上跨鐵路的道路橋梁橋面的高度、鐵路線路與上跨鐵路的道路橋梁的交叉角度、上跨鐵路的道路橋梁上機動車的走向等因素計算確定”。

2 高速鐵路異物侵限監測網設置范圍的既有算法存在的缺陷

目前，真正指導大家開展高速鐵路異物侵限監測系統工程設計的重要文件是原鐵道部運輸局2010年頒布的文獻[11](以下稱“739號文”)，該文獻細化了高速鐵路公跨鐵立交橋異物侵限監測方案，并給出了監測電網設置范圍的計算公式。其相關內容摘錄如下。

“2.異物侵限監測裝置長度的計算

公跨鐵立交橋與高速鐵路線路的關系如圖1～圖3所示。

圖1 公跨鐵立交橋與高速鐵路線路正交(單位：m)

圖2 公跨鐵立交橋與高速鐵路線路斜交(銳角)

圖3 公跨鐵立交橋與高速鐵路線路斜交(鈍角)

異物侵限監測電網的長度(L)，按以下公式計算

式中，H為從鋼軌軌面至公跨鐵立交橋橋面的高度，m；g為重力加速度，m/s2；10.9為經過計算得出的大型汽車超速并沖出公跨鐵立交橋護欄后的初始速度，m/s。

圖2～圖4中，Dp和LT的計算公式如下

施工圖中，應標注出“L、LT值以及鋼軌軌面至公跨鐵立交橋橋面的高度。”

以上為“739號文”關于監測電網設置范圍的完整表述。

由上可以看出，公跨鐵立交橋上墜落物以大型汽車沖出橋梁作為最不利異物侵限事件，其沖出橋梁的剩余速度為10.9 m/s；汽車沖出橋梁后，其水平方向的運行軌跡與橋梁側面的夾角為20°；另外，還忽略了空氣阻力和汽車加減速等因素，因此汽車沖出橋梁后的運動軌跡可視為物理學所謂的平拋運動。

按照以上算法，可以得出如下計算結果：

(1)當α≥160°時，Dp≤0；

(2)當進一步增大α值時，LT也有可能為負值。

“739號文”沒有對α、Dp、LT等代號給出定義，但可通過圖2～圖4推測出其含義，即α可理解為公跨鐵立交橋上的汽車運行方向與鄰近鐵路線路的列車運行方向的夾角，Dp可理解為沿著公跨鐵立交橋上落物的運行軌跡，落物起點(也是監測電網的始端)與臨近的鐵路建筑限界(投影)交點之間的距離，LT可理解為沿著公跨鐵立交橋上落物的運行軌跡，落物起點至臨近鐵路線的中心線(投影)的距離。

很顯然，上述計算結果出現負值是錯誤的。也就是說，739號文關于監測電網設置范圍的算法是有缺陷的，至少是不全面的，當夾角較大時，其算法需要補充完善。

需要指出的是，當α>70°時，按照“739號文”的算法計算確定的異物侵限監測電網設置范圍偏小，不利于高速鐵路運營安全。

3 高速鐵路異物侵限監測網設置范圍的新算法

經分析，出現上述問題的根本原因，是錯誤地將橋上以大型汽車為典型代表的墜落物沖出橋梁后的水平方向運行軌跡與橋梁側面的夾角固定為定值20°。實際上，“739號文”的原意應該是該夾角不應大于20°，即汽車沖出橋梁后的水平方向運行軌跡與橋梁側面的夾角為0～20°，因此，汽車沖出橋梁后運行軌跡在水平面上是一個與橋梁側面呈20°的扇形區域。據此，Dp的計算值應該根據α值的大小分3種情形分別列出算式，如下所示。

注：以上算式仍依據汽車沖出公跨鐵立交橋護欄后的剩余初始速度值10.9 m/s進行表述，本文也不準備對汽車沖出公跨鐵立交橋護欄后的剩余初始速度值10.9 m/s和沖出橋梁后的水平方向運行軌跡與橋梁側面的夾角不大于20°的合理性進行研究。

其實，Dp的取值還可以用一般表達式來表述。如果用v0來表示墜落物沖出公跨鐵立交橋護欄后的剩余初始速度值，用β代表墜落物沖出橋梁后的水平方向運行軌跡與橋梁側面的夾角的最大值(顯然β≤90°)，則Dp的一般表達式如下

Dp的計算公式作上述修正后，異物侵限監測電網的總長度L的計算公式也需要作相應修正(注：LT的計算公式不需要修正)，其一般表達式為

式中，Lx為兩個最外側鐵路線的線間距(單線鐵路為0)，m。

根據以上算式，“739號文”的表1～表4重新修訂如下。

表1 軌面至橋面10 m，線間距4.6 m，不同夾角

表2 軌面至橋面15 m，線間距4.6 m，不同夾角條件下

表3 軌面至橋面10 m，線間距5.0 m，不同夾角條件下

表4 軌面至橋面15 m，線間距5.0 m，不同夾角條件下

4 結語

高速鐵路異物侵限監測系統是高速鐵路重要的基礎設施，能否準確、可靠地監測到侵入高速鐵路的異物并及時報警，將直接關系到高速鐵路的運輸安全，首當其沖的關鍵點是要正確、合理地確定監測網的安裝范圍，原鐵道部運輸局2010年頒布的《高速鐵路防災安全監控系統-公跨鐵立交橋異物侵限監測方案》(運技基礎[2010]739號)雖然提供了公跨鐵立交橋異物侵限監測方案和監測電網設置范圍的計算公式，但該公式存在一定缺陷，當公跨鐵立交橋與鐵路線的夾角α>70°時，其計算值偏小，縮小了監測電網的設置范圍，不利于高速鐵路運營安全。因此，完善739號文關于監測電網設置范圍的算法既十分必要，也十分緊迫，本文提供了新的計算公式能很好地修正這一缺陷。但需要說明的是，以上分析和研究成果均是基于公跨鐵立交橋橋面為水平無坡度且沿直線跨越鐵路線的情況，如果橋面有一定坡度、或水平方向為曲線形式跨越鐵路線，則以上計算公式還需作適當修正。因篇幅所限，本文不再探討。

[1] 鐵道第三勘察設計院集團有限公司，中鐵第四勘察設計院集團有限公司.TB10621—2014 高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[2] 鐵道第三勘察設計院集團有限公司，中鐵第四勘察設計院集團有限公司.TB10623—2014 城際鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[3] 中華人民共和國鐵道部.鐵運[2010]28號 關于印發高速鐵路防災安全監控系統管理辦法(暫行)的通知[S].北京：中華人民共和國鐵道部，2010.

[4] 中國鐵路總公司.鐵路技術管理規程(高速鐵路部分)[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[5] 石先明.信號、通信及信息系統工程[M].武漢：湖北科學技術出版社，2015：170-187.

[6] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.武漢至廣州鐵路客運專線防災安全監控系統工程設計資料[Z].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2007.

[7] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.南京至上海鐵路客運專線防災安全監控系統工程設計資料[Z].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2008.

[8] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.向塘至莆田鐵路防災安全監控系統工程設計資料[Z].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2011.

[9] 鐵道部運輸局.運基信號[2009]719號 關于印發《信號系統與異物侵限監控系統接口技術條件》的通知[S].北京：鐵道部運輸局，2009.

[10] 中國鐵路總公司.鐵總建設[2013]86號 中國鐵路總公司關于印發《鐵路自然災害及異物侵限監測系統工程設計暫行規定》的通知[S].北京：中國鐵路總公司，2013.

[11] 鐵道部運輸局.運技基礎[2010]739號 關于印發《高速鐵路防災安全監控系統-公跨鐵立交橋異物侵限監測方案》的通知[S].北京：鐵道部運輸局，2010.