莫斯科至喀山高鐵軌道設計綜述

劉大園 龐 玲 姚 力

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 概述

莫斯科至喀山高鐵(下稱“莫喀高鐵”)西起俄羅斯首都莫斯科庫爾斯克亞車站，自西向東經莫斯科、弗拉基米爾、下諾夫哥羅德、切博克薩雷至喀山，線路全長767.76 km，設車站15個[1]。莫喀高鐵是中俄高鐵的一部分，根據規劃，將在新疆與中國高鐵相連接，形成新歐亞高速運輸大通道，是呼應和構建中國“一路一帶”的重大基礎設施和戰略支撐項目。

2 工程特點及軌道工程設計理念

2.1 莫喀高鐵工程特點

1)高速：莫喀高鐵設計速度為400 km/h，目前世界上正式運營的高鐵線路，運營速度最高的是中國高速鐵路350 km/h。2)寬軌距：采用俄羅斯鐵路的1 520 mm軌距。目前世界上高速鐵路均采用1 435 mm的軌距,還未有直接建設1 520 mm軌距高速鐵路的先例。3)采用客貨混運的運營模式。4)全線位于高緯度嚴寒地帶。極端最高溫度40 ℃，極端最低溫度48 ℃，溫差接近100 ℃，對高鐵所有的結構計算和設計提出了苛刻要求。

2.2 莫喀高鐵軌道工程設計理念

鑒于上述工程特點，莫喀高鐵軌道系統采用的設計理念如下：

1)軌道系統設計應考慮相關工程的接口協調及技術要求，統籌規劃，系統設計；2)軌道系統設計應優先采用被工程應用證明是成熟、安全及穩定的技術，同時根據項目環境特點進行適當的優化和創新設計，在確保安全的前提下引入先進的技術及標準；3)軌道系統設計應滿足建設過程及運營期間的環保要求，確保可持續發展；4)軌道設計應保持線路方向軌道剛度均勻，且線路平順度符合要求；5)為提高軌道結構平順度和穩定性，速度不小于250 km/h地段采用無砟軌道結構；6)無砟軌道結構在技術方案上應適用于嚴寒地區的特點，具有便捷的施工性、適應大變形及可維護性能，養護工作量應較少且具有較長的使用壽命；7)全線軌道系統機構形式應基本統一，采用具有通用性和可互換性的零部件，應力求構造簡單并降低成本；8)盡量利用俄羅斯境內可以利用的資源來進行軌道系統設計。

3 技術難點的處理

3.1 特殊嚴寒條件下無砟軌道選型

正線主要鋪設無砟軌道，將面臨極端最低氣溫低、年溫差大、可施工時間短、季節性凍害和雪害等不利條件。根據本線的工程特點，對無砟軌道結構提出了如下特殊要求[1]：1)軌道結構能滿足速度400 km/h高速動車和200 km/h快速客車的強度要求。2)軌道結構受力體系能夠適應極端低溫、大溫差等特殊氣候。無砟軌道結構和材料在極端低溫、大溫差等特殊氣候條件下具有較好的抗裂性和適應性。3)軌道結構在嚴寒氣候條件下的施工能滿足施工進度要求。4)軌道結構應具有良好的可維護性。在冬季漫長、氣候寒冷的嚴寒地區，無砟軌道病害不可避免，嚴寒氣候條件下的可維護性是對無砟軌道的新要求。根據上述無砟軌道環境特點，確定了無砟軌道結構選型的基本原則，即無砟軌道應具備安全可靠性、合理的經濟性的同時還應具備良好的低溫適應性、低溫耐久性、便于施工以及可修復性。

世界上高速鐵路大都采用無砟軌道作為主要的軌道結構型式，如日本的板式無砟軌道，德國的Rheda2000型無砟軌道和B?gl板式無砟軌道，中國的CRTS系列無砟軌道等[2]。不同類型的無砟軌道結構、應用情況及主要技術特點對比如表1所示。

通過對比分析不同無砟軌道結構的特點，可見CRTSⅢ型板式無砟軌道最能適用于莫喀高鐵的工程特點，采用優化后的CRTSⅢ型板式無砟軌道能滿足本線的設計、施工、運營、維護等要求。

表1 不同類型無砟軌道結構的主要特點

3.2 400 km/h高速運行線路軌道結構動力特性研究

針對寬軌距時速400 km無砟軌道結構，運用現代機車車輛—軌道耦合動力學理論，建立了寬軌距高速列車—無砟軌道耦合動力學模型。綜合考慮了400 km/h高速動車、200 km/h動貨車、200 km/h既有提速客車、200 km/h既有提速機車、160 km/h“三大件式轉向架”貨車、160 km/h“構架式轉向架”貨車等不同車輛作用下的輪軌動力作用，研究客貨共線時的輪軌動力性能，得到如下關鍵結論：

1)在300 km/h～400 km/h速度范圍內，高速列車作用下的各輪對動力作用指標隨速度的增加逐漸增加，但均滿足安全限值需求。2)在波磨條件下，高速動車作用下的輪軌垂向力為206.48 kN，輪重減載率為1.0，均超出安全限值，得出140 mm波長的鋼軌波磨波深不應超過0.07 mm。3)綜合考慮軌下膠墊垂向動剛度對400 km/h高速動車作用下的各敏感的動力學性能指標，建議軌下膠墊垂向動剛度合理匹配范圍為38 MN/m～45 MN/m。4)為了降低由于橋臺與路基連接處差異沉降引起的輪軌動力作用，宜設置鋼筋混凝土搭板，其合理長度為10 m～15 m。

3.3 正線高速道岔研究

綜合考慮莫喀高鐵速度高、寬軌距、高寒環境、客貨共線運營等特點，基于行車安全舒適性、道岔低動力設計、高平順性和轉換鎖閉可靠性的要求，通過輪軌關系、無縫化和轉換設計等關鍵技術研究，得到以下主要成果：

1)形成了25號道岔平面線型方案(如表2所示的推薦方案)，其始轉轍角較小，軌距線交點距轍叉跟端距離較長，能滿足行車舒適性、減緩構件磨耗速率、電務設置和經濟性等要求。

表2 寬軌距25號單開道岔平面線型參數對比

2)結合二次序列優化法(SQP)，基于接觸跡線外移的新型輪軌關系設計理念，提出了直基本軌頂面加工廓形方案，顯著提高了行車平穩性，轉轍器范圍內輪對橫移量和車體橫向振動加速度分別降低了56.2%和50%。為減小轍叉垂向結構不平順，開展了翼軌垂向抬高結構設計，車輛直逆向和側逆向過岔時長心軌處輪軌垂向力最大值分別降低了14.60 kN和16.85 kN；且輪載過渡位置后移，減緩了心軌磨耗等傷損。考慮道岔鋼軌間支撐和約束條件差異，提出了彈性均勻的岔區軌道剛度技術，如圖1所示。以上輪軌關系設計顯著降低了道岔動力作用。

3)研制了通過鎖閉鉤轉動，適應可動軌件大伸縮量的新型鉤型鎖閉機構，并通過調整轉轍器跟端兩組限位器的子母塊間隙，使其滿足同步受力要求，保證了無縫道岔的高平順性，如圖2所示。

4)形成了25號道岔尖軌設置5個牽引點、心軌設置3個牽引點、采用多機多點、牽引點間布置密貼檢查器的牽引方案。

3.4 CRTSⅢR型板式無砟軌道板的最優化配置

對于預制板式軌道結構，需要進行的一項重要工作是軌道板的配板。莫喀高鐵根據橋梁標準跨度及軌道技術標準，確定了3種類型的單元板長度，分別為：主板長度為4 636 mm，輔助板長度為5 210 mm及5 184 mm。路基地段軌道板型號為P4636,P5210及P5184；橋梁上軌道板型號為M4636,M5210及M5184。

1)橋梁地段軌道板配置方法。根據簡支梁的長度進行配置：23.6 m簡支梁為M4636×5塊；34.2 m簡支梁為M4636×5塊+M5210×2塊；50 m簡支梁為M4636×5塊+M5184×5塊。連續梁及其他特殊梁結合伸縮調節器布置，盡量采用M4636，M5184，M5210三種標準長度板進行布置，當采用標準長度板不滿足鋪設要求時，可采用其他長度的異型板進行調整。

2)道岔區軌道板配置方法。根據25號牽引點的布置及轉換設備安裝要求，優先布置轉轍器區域及轍叉區域道岔板；其次布置導曲線部分道岔板，最后布置岔后及渡線間道岔板。

3)路基地段軌道板配置方法。路基地段以鋪設P4636標準板為主,結合路基長度采用P5210，P5180標準板為輔進行適當調整。

對于普通路基地段，其長度不等，為了達到軌道板最優化配置，根據軌道板配置的特點，建立了基于整數規劃的數學模型，借助計算機軟件輔助分析，達到更快、更合理的配置軌道板的鋪設方案，軌道板的最優化規劃數學模型[3,4]如下：

其中，x1為主板P4636的塊數；x2為輔助板P5210的塊數；x3為輔助板P5184的塊數；n1為采用100 mm標準板縫的個數;d1為調整的板縫寬度；L為待配板軌道區段的線路長度。

通過建立上述模型，利用計算程序，有效的解決無砟軌道板的最優化配置問題[5]。

4 結語

莫喀高鐵軌道系統設計中，充分總結了世界上的高鐵建設經驗，特別是中國高鐵軌道系統的建設經驗。莫喀高鐵軌道工程設計采用系統設計的理念，將軌道系統與其他工程統籌考慮，使各方面能相互匹配，協調工作，在整個高鐵系統中起到承上啟下的作用，保證整個高鐵系統的安全高效運行，將為世界類似環境條件下的高速鐵路工程提供成功的應用經驗。