400 km/h莫斯科至喀山高速鐵路土建工程設計研究綜述

陳 列 朱 穎 謝 毅 林曉龍

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

莫斯科至喀山高速鐵路(簡稱“莫喀高鐵”)西起莫斯科庫爾斯克亞車站，向東經莫斯科、莫斯科州、弗拉基米爾州、下諾夫哥羅德州、楚瓦什共和國、馬里埃爾共和國，東至韃靼斯坦共和國首府喀山[1-2]。線路長度約770 km，設計速度400 km/h，軌距 1 520 mm，最大坡度24‰。

沿線地形相對平坦，季節性凍土、軟土分布廣泛，部分地區巖溶發育，極端最低氣溫-48 ℃，最高氣溫37 ℃，地質和氣候極其復雜。鐵路跨越國道M7公路、既有鐵路以及克利亞濟馬河、奧卡河、蘇拉河和伏爾加河。

1 運輸組織

根據俄羅斯交通運輸建設項目勘察設計開放式股份公司《莫斯科-喀山-葉卡捷林堡高速鐵路干線(高鐵-2)莫斯科-喀山段施工階段投資論證》(簡稱“《投資論證》”)報告，莫喀高鐵采用最大軸重170 kN的高速客運列車(允許行車速度350～400 km/h)、區域特快列車(允許行車速度250 km/h)以及最大軸重226 kN的集裝箱列車(允許速度160 km/h)混跑的行車組織模式。

為分析400 km/h高速客運列車與226 kN集裝箱列車共線運行的合理性，運用現代機車車輛-軌道耦合動力學理論，對高速動車與低速貨車的動力學性能進行對比分析，結果發現：高速客運動車、高速貨運動車組和低速貨列車(“三大件轉向架”貨車)通過直線和曲線軌道時，低速貨列車作用下的各輪軌安全性指標明顯大于另外兩種車型作用下的指標，低速貨列車作用下的鋼軌振動位移也明顯大于另外兩種車型作用下的鋼軌振動位移。高速客運動車組與貨運動車組作用下的各輪軌動力學性能差異不明顯。

傳統轉向架貨車(“三大件轉向架”貨車)簧下質量大，以160 km/h速度通過時，對軌道的動力作用較劇烈，輪軌動力性能指標明顯高于動車組或動貨車作用下的指標，動車組與傳統轉向架貨車的輪軸橫向力比較如圖1所示。

圖1 動車組與傳統轉向架貨車的輪軸橫向力圖

為降低輪軌動力作用，保證高速客運的安全性、舒適性，減少維修養護費用，并充分吸取世界高速鐵路的運營實踐經驗，提出了取消開行貨運集裝箱列車的建議。但考慮到莫喀高鐵沿線人口少，取消貨運對項目效益影響較大以及互聯網購物發展的需要，建議將貨運集裝箱列車改為運輸高附加值的高速貨運動車組(允許速度250 km/h)。該建議被俄方采納，成為莫喀高鐵設計的基準和原則，也為未來鐵路國際高速通道建設提供了具有競爭性的新模式[3-4]。

“動車組客運+動車組貨運”是一個新型的運輸組織結構形式，包括列控系統、通信信號、牽引供電和信息系統，都需在400 km/h目標速度值之下進行全新設計，以保證高速客貨共線鐵路的平穩、舒適和安全。

2 線形參數

根據莫喀高鐵設計時速、軌距等技術要求，在平面參數研究中，研究了線路超高、欠超高、過超高、超高時變率、欠超高時變率等動力學參數，探明了400 km/h高速鐵路曲線半徑、緩和曲線長度、夾直線長度、夾圓曲線長度、線間距離等與通過列車之間的相互作用機理，建立了線路平面參數與車-線動力學特性的關系模型。提出莫喀高鐵特定條件下最小曲線半徑為 10 000 m，最大曲線半徑為 1 4000 m，曲線半徑 10 000 m時的最小緩和曲線長度為600 m，夾直線及圓曲線的最小長度為400 m，正線最小線間距為5 m等參數設計標準或基準。

在縱斷面參數研究中，分析了坡度、坡段長度、豎曲線半徑、坡度代數差等對高速列車通過時動力學特性的影響規律，建立了線路縱斷面參數與車-線垂向動力學參數之間的關系模型。提出適合本項目特殊條件的最大坡度為24‰，最小夾坡段長度為300 m，最小坡段長度為 1 150 m，最大坡段長度位4 km，豎曲線半徑為 42 000 m(凸型)和 31 000 m(凹形)等參數設計標準或基準。

在高速鐵路空間線形基本原則的研究中，根據高速鐵路空間線形與沿線地理環境、地物景觀、綜合交通體系的融合機理，分析了高速行車安全性、平穩性和旅客舒適性隨空間線形的變化規律，提出了確定高速鐵路空間線形的基本原則[5]，并采用動力仿真方法對全線平縱斷面參數進行評估，驗證所釆用參數的合理性。

設計中，通過修訂線形參數標準、統一全線曲線要素、選取合理路橋分界高度，以及依據動力仿真方法評估結果調整設計參數等手段，提高了線形設計品質。

3 凍土特性研究

在莫喀高鐵沿線莫斯科丘陵、弗拉基米爾低地、下諾夫哥羅德低地、伏爾加河丘陵4個大的地貌單元中，選擇林地、草地、沼澤濕地以及河流階地等代表性微地貌的14處測試場地，監測自然條件下沿線不同場地的凍脹特性。根據寒季現場調查和監測的結果，確定了莫喀高鐵沿線季節性凍土的分布特征。(1)提出了總凍脹量h<4 mm為弱凍脹，4 mm≤h≤15 mm為凍脹，h>15 mm為強凍脹的高速鐵路凍脹分級標準和相應的防治措施。按照凍脹分級標準，14處測試場地中，6處場地為弱凍脹土，6處場地為凍脹土，2處場地為強凍脹土。(2)提出了影響凍脹的主要因素有土體性質、水、溫度、含鹽量和雪蓋，探明了凍脹強度高的土體類型，最大季節性凍土深度與地下水最高水位的關系，凍脹與低溫天氣持續時間的關系，含鹽量對凍脹的影響和雪蓋對凍結及凍結融化時間的影響。

4 軌道結構

基于車輛-軌道耦合動力學理論，根據莫喀高鐵400 km/h高速列車主要參數，建立高速列車-無砟軌道耦合動力學模型，開展軌道動力響應、動荷載、曲線半徑和超高等參數以及鋼軌表面局部幾何狀態惡化等參數變化對軌道結構各部件影響的研究。根據軌道幾何不平順對高速列車運行安全性和舒適性的影響分析，提出了不平順控制限值。通過軌下膠墊剛度、過渡段剛度、扣件間距等對高速列車-無砟軌道動力特性及行車安全性和舒適性的影響分析，提出了相應的合理參數值。

根據嚴寒地區的氣候特點，結合無砟軌道的動力特性，提出了嚴寒地區無砟軌道列車設計荷載、溫度荷載和基礎變形荷載的合理取值。根據嚴寒地區無砟軌道的服役特性研究，綜合考慮軌道縱橫向傳力、養護維修、嚴寒條件下材料的服役特性等，提出了合理的無砟軌道結構型式。通過建立無砟軌道靜、動力分析模型，開展了無砟軌道結構設計參數研究，提出了無砟軌道的主要結構設計參數。針對嚴寒地區對無砟軌道服役狀態要求，開展了無砟軌道各主體結構和附屬結構的適應性研究。針對嚴寒環境特征，開展無砟軌道系統材料的常溫、低溫力學性能試驗與耐候性(低溫、冰雪)試驗研究，提出材料的關鍵設計參數。

運用高速道岔平面線形與基本參數法及輪軌系統動力學評估理論，研究了適合于客貨共線、客運專線運行特點的400 km/h高速道岔平面線型，確定了其主要尺寸和總布置圖。結合道岔轉換計算，確定了高速道岔的牽引點布置和轉換動程。研究確定了400 km/h高速道岔部件結構設計原則、滑床臺彈性扣壓技術、雙肢彈性可彎心軌、尖軌及心軌不足位移控制、心軌跟端結構、工電接合部方案、翼軌結構形式、尖軌和心軌防跳結構、長短心軌拼接方式、心軌水平藏尖結構、岔枕或道岔板結構形式。

采用基于中國CRTSⅢ型板式無砟軌道技術的CRTS ⅢRUS型板式無砟軌道無砟軌道，由P65鋼軌、扣件、雙向預應力預制軌道板、自密實混凝土、隔離層、鋼筋混凝土底座等部分組成。路基和橋梁地段均為單元結構，受溫度力作用影響較小，對嚴寒及大溫差環境的適應性好。軌道板為工廠預制，采用自動化流水線進行先張法預應力混凝土預制。

根據中國高速鐵路建設、運營經驗，并結合俄羅斯國情，對俄羅斯2013年頒布的《莫斯科至喀山至葉卡捷琳堡高速鐵路莫斯科至喀山區段人工設施設計施工技術規范和要求特殊技術條款》(簡稱“《特殊技術條款》”)提出了修改和補充建議。將原規定“無縫線路超長軌道長軌最佳鎖定軌溫35±5 ℃”修改為“應由計算確定，并且其取值應該在軌道區間范圍內是統一的”；補充了“為補償無縫線路超長軌道與橋梁交界處或與道岔相連處的溫度位移，根據計算需要設置伸縮調節器”的規定；補充了“當具備合適的規范技術文件時，可以按規定程序使用感應壓力焊接方式，當缺乏使用電接觸方式的技術可行性時，可以使用鋁熱焊接方式”的規定；補充了“當使用的扣件應該保障鋼軌相對于軌道結構支座進行自由滑動時(在軌枕處、伸縮調節器處或橋梁上)，應該保障扣壓力不小于9 kN，扣件節點縱向阻力不小于4 kN”的規定。

5 路基工程

根據莫喀高鐵設計時速、軌距、氣候環境特征等，開展了無砟軌道路基基床結構的適用性研究，包括瀝青混凝土強化基床、級配碎石基床和樁板結構等多種型式，特別是瀝青混凝土結構層的適應性與耐久性研究。根據工程資料、實地調研、數值計算、室內材料與模型試驗的研究成果，開展了無砟軌道400 km/h高速鐵路基床結構型式的綜合研究。

通過對嚴寒地區抗凍脹填料凍脹性表現的調研，分析了填料的級配特征，以及典型填料的級配、滲透、持水和壓實特征，評價了其工程適用性。通過測試改良土的強度及抗凍指標，評價其工程適用性。

通過對國內外研究現狀、現場勘查資料、既有線路監測結果等的分析、總結，考慮氣候、地質、工程對策等主要影響條件，比選路基典型監測斷面。并基于設計規范、評估技術指南、高速鐵路工程測量規范等規定，完成基于環境-荷載-路基-列車的安全風險分析，最終確定凍土地區高速鐵路路基的監測內容、控制指標及典型斷面的測點布設方案。

路基結構采用”防排疏滲”的防凍脹結構型式，由瀝青混凝土封閉層、第一保護層、第二保護層、保護層以下路堤、邊坡防護、排水系統等組成。路基斷面示意如圖2所示。設置能有效減小地表水下滲和路基凍脹的全斷面瀝青混凝土封閉層。保護層采用滲透性好的非凍脹填料，厚度不小于凍結深度。將電力、通信電纜槽等設置于路堤坡腳護道上。路堤坡腳設置保溫護道，加強瀝青混凝土層與軌道結構的連接，線間排水通過軌道基座伸縮縫實現。

圖2 路基斷面圖(m)

路橋分界高度綜合路基工后沉降標準和工程投資綜合考慮。低壓縮性土地基的路基高度為8～12 m，軟弱地基的路基高度為6～8 m，其他地基的路基高度為6～10 m。設計資料足夠時，應根據地基條件和路堤填料方案(遠運或改良)，進行路基與橋梁方案的比選研究。

6 橋梁結構

針對典型簡支梁橋，采用車-線-橋耦合振動理論，研究400 km/h高速列車下橋梁的動力響應及車輛的行車安全性和乘坐舒適性，評價其設計參數。基于車-橋耦合振動分析理論及車橋耦合振動計算，分析不同時速列車作用下梁體位移的動態變化。根據各種因素作用下梁體位移動態的分析結果，對橋梁結構動態性能進行綜合評價，給出橋梁梁部結構剛度、變形及變位限值。

在對俄羅斯混凝土制備技術和應用現狀進行調研的基礎上，結合各國對混凝土抗凍性技術的要求和俄羅斯特殊的環境條件，提出了橋梁用混凝土的耐久性設計原則。通過橋面防水體系耐久性設計研究，結合橋梁軌道結構形式，提出了用于無砟軌道混凝土橋面的Ⅰ型防水體系結構和用于有砟軌道混凝土橋面或無凍融季節地區無砟軌道混凝土橋面的Ⅱ型防水體系結構。通過梁體、橋墩防護材料研究，提出了梁體、橋墩混凝土表面耐久性涂裝體系。

根據中國高速鐵路的建設、運營經驗，對俄羅斯《特殊技術條款》提出修改和補充建議。刪除了“橋上只鋪設有砟軌道”的不合理規定，為設計全線鋪設無砟軌道，提升俄羅斯高速鐵路品質掃除了障礙。提出的“補充結構物不均勻沉降造成的折角不應大于1‰，無砟軌道墩臺均勻沉降限值20 mm、有砟軌道墩臺均勻沉降限值30 mm”、“補充梁端豎向轉角標準，橋長超過3 km在線路兩側交錯設置1處可上下橋的救援疏散通道”等建議均在《特殊技術條款》修訂中被采用。

根據中國高速鐵路橋梁采用工廠制造，大型設備運輸、架設的成功經驗以及這一經驗在俄羅斯的適應性分析和技術保障措施研究，將俄羅斯《投資論證》報告“混凝土橋梁以現場澆筑為主”的設計方案修改為“以標準化設計的預制梁為主”的方案，有效提升了工程質量，節省了工程投資(高架橋預制梁與現澆梁混凝土量比高達1∶93)，縮短了建設工期。

按照俄羅斯設計模數，標準化設計的預制梁以34 m跨度預應力混凝土簡支箱梁為主[6]，其最大動力響應特征如圖3所示，特殊情況采用移動模架和支架現澆。

圖3 跨度34 m預應力混凝土簡支箱梁最大動力響應特征圖

同時設計了以預制架設為主的24 m跨度預應力混凝土簡支箱梁和采用移動模架現澆的50 m跨度預應力混凝土簡支箱梁。為適應特殊困難區段施工組織的需求，還設計了34 m和50 m跨度鋼-混簡支梁。跨M7公路采用特殊的框架橋，跨河流、道路、既有鐵路時設計主跨 66 m和 162 m的預應力混凝土連續梁(連續剛構)、110 m的混凝土系桿拱橋和190 m的鋼混結合梁。

7 隧道結構

根據動車組列車密封性調研，分析多種工況下400 km/h列車通過斷面65～95 m2單線隧道和80～110 m2雙線隧道時的車內瞬變壓力，并基于瞬變壓力舒適度準則，得出兩組推薦隧道凈空斷面，如表1所示。經平均空氣阻力檢算，兩組隧道推薦斷面下的空氣阻力滿足列車的牽引能力。

表1 400 km/h高速鐵路隧道凈空斷面面積推薦值表

以兩組推薦斷面為基礎，采用數值模擬計算軟件計算發現，為使微氣壓波滿足標準限值要求，需同時采用緩沖結構和輔助坑道措施。各緩沖結構的波前壓力梯度曲線如圖4所示。

圖4 波前壓力梯度曲線圖

研發了寒區高速鐵路隧道溫度場模型試驗系統，該系統由高速列車模型驅動裝置、隧道模型、溫度控制裝置、測試系統以及列車模型5部分組成[7]。系統裝置試驗可得：(1)實際工程中，寒區隧道不能忽視圍巖地溫對保溫設防長度的影響；(2)寒區高速鐵路隧道應考慮列車運行間隔對保溫設防長度的影響。

8 站場設計

對《特殊技術條款》提出多項修改建議：(1)對“正線上渡線使用22號道岔，正線與到發線連接使用18號道岔，到發線與其他線路連接使用11號道岔，其他線路之間連接使用9號道岔”的條款，提出了“正線道岔統一采用18號道岔，疏解聯絡線根據速度目標值來選取，一般選用50號道岔、42號道岔，車站內到發線與其他線路接軌一般選用12號或者9號道岔”的建議；(2)對“站間距通常為20～40 km，帶股道的分界站距離為50～70 km”的條款，提出了“站間距一般在50 km左右，不宜小于30 km，不宜大于60 km”的建議；(3)對“道岔間配軌依次相鄰的兩個道岔之間的插入段長度不得小于50 m，困難條件下也需保證不小于25 m”的條款，提出了“正線上道岔對向設置，中間短軌長度不小于50 m，受站坪長度限制時，短軌不應小于32 m；道岔順向布置時，中間短軌不小于25 m，到發線與其他站線間配軌見相關設計原則說明”的建議；(4)對“調度連接線(渡線)速度不小于170 km/h，車站到發線速度不小于80 km/h”的條款，提出了“調度連接線(渡線)處應根據不同目標值選用相應型號道岔”的條款；(5)對涉及開行集裝箱列車的多項條款，提出了刪除開行集裝箱列車相關條文的建議；(6)對連接與交叉條款，提出了“補充疏解線根據列車種類以及運行需要進行設置”的建議；(7)對道岔轉轍器條款，提出了“補充道岔轉轍器由相應道岔型號配套，根據需要選定”的建議。

《投資論證》中，全線共設調度站15處，鋪設道岔60組。調度站距離最近站點20～35 m，由兩條渡線構成，用于調整施工時期或者出現意外情況下的火車運行。通過對鋪設區間渡線作用、世界主要國家區間渡線設置情況和合理站間距的分析，提出本線速度目標值為400 km/h條件下，采用“一線維修、一線運營”的養護維修模式存在極大安全隱患，建議采用雙線同時封閉維修的方式，正常情況下不進行維修轉線作業。本線在僅運行高速動車和區際動車兩種列車的條件下，完全可實現公交化、節拍化運行，沒有必要區間越行，且在節拍化運行情況下，雙方向均高密度發車，也難以實現區間越行，反向行車作業也沒有必要。故建議在相距75.62 km的卡夫羅夫高鐵站與戈羅霍韋茨高鐵站、相距81 km的尼瓦高鐵站與波良金高鐵站的區間內各增設越行站1處，減少15處調度站，減少鋪設高速道岔44組，增加站線鋪軌約4.2 km，優化運輸組織和設計。

9 結束語

在充分吸收國內外高速鐵路特別是中國高鐵成功經驗的基礎上，本文通過高速鐵路線形、輪軌關系、空氣動力學、結構動力特性、凍脹土特性等基礎理論的分析研究和科學試驗，建立和完善了嚴寒地區400 km/h寬軌高速鐵路設計技術標準體系和成套技術。在確保莫喀高鐵技術水平和設計質量，創新和發展高速鐵路運輸組織方式、技術標準、結構形式的同時，為中國標準國際化，中國高鐵技術和裝備“走出去”積累了經驗，提升了中國高鐵的國際影響力，也為我國探索和建造更高速度的高速鐵路奠定了基礎。