合肥至武汉铁路开通速度250 km/h的适应性研究

喻文球

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

合武铁路是沪汉蓉快速客运通道的重要组成部分,东起合肥市,中穿大别山,西止武汉市,线路全长359.361 km,正线桥隧比例为44%,为Ⅰ级双线客货共线电气化铁路。铁道部批准的旅客列车设计速度200 km/h,预留250 km/h及以上条件,区间正线线间距4.6 m,限制坡度6‰,到发线有效长度850 m,自动闭塞,建筑限界满足双层集装箱运输条件。全线除红石埂隧道(5 111 m)、金寨隧道(10 766 m)、红石岩隧道(7 857 m)、大别山隧道(13 256 m)4座长大隧道采用双块式无砟轨道外,其余均为有砟轨道。

根据批复意见,合武铁路土建工程和轨道工程按《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》进行施工图设计,并于2005年8月份全面开工建设。建设期间,2008年3月铁道部明确要求合武铁路按时速250 km开通运营。此时合武铁路合肥至湖北区间土建工程(路基、桥隧、车站)已基本完成,已进入全面铺轨和四电工程的施工及设备安装阶段,存在已施工的路基、桥隧、车站、轨道的设计标准以及正在施工的四电设计标准是否满足动车组开行250 km/h要求问题,有必要对合武铁路设计标准是否适应动车开行250 km/h要求进行研究,对不适应动车开行250 km/h的设计标准提出建议的加强措施。

2 合武铁路施工图设计标准适应性研究

2.1 研究方法

本次研究将对照《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2005]285号,以下简称《200公里暂规》)、《新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2005]140号,以下简称《250公里暂规》)等有关规范以及铁道部新近发布的有关技术文件的要求,对合武铁路开通时速250 km的适应性进行研究。

2.2 适应性研究

2.2.1 土建工程

线路平面：合武铁路区间线间距按4.6 m设计, DK28+163～DK338+200平面最小圆曲线半径实际按5 500 m选用,DK338+200～DK358+266为客车线,最小曲线半径为3 500 m。因此合武铁路长安集站至丹水池站(DK28+163～DK358+266长度为322.746 km)线路平面可满足最高速度250 km/h的运行条件。

路基：对照《200公里暂规》和《250公里暂规》,路基设计标准的差别主要在基床厚度及工后沉降方面,如基床厚度《200公里暂规》标准为2.5 m,《250公里暂规》标准为3 m。工后沉降《200公里暂规》标准一般地段150 mm,路桥过渡段80 mm；《250公里暂规》标准一般地段100 mm,路桥过渡段50 mm。当时合武铁路路基工程已经完成,若按《250公里暂规》标准进行改造时,势必造成过多的废弃工程。根据合武铁路的实际情况,经研究认为：对于工后沉降,合武正线地段软土工点均为淤泥质黏土,加固深度多小于8 m,采用搅拌桩加固处理,工后沉降可控制在5 cm,能满足250 km/h目标要求；基床厚度考虑动荷载的计算影响深度, 200 km/h与250 km/h影响深度分别为2.5 m及3.0 m,直接在2.5 m厚的基床上开行250 km/h动车,对基床有多大的危害或影响,即路基的长期稳定性只有在实践中才能评价。总之,只要路基能按施工图要求严格施工,合武线路基基本上可满足开通250 km/h目标要求,开通后路基的长期稳定性只能在实践中进行检验。

桥梁：合武铁路的桥梁按时速200 km客货共线及时速250 km客运专线有砟轨道技术标准设计,设计活载为中-活载及ZK活载,桥梁设计能满足250 km/h运营条件。

隧道：合武铁路按客货共线设计,隧道内轨顶面以上有效面积为92 m2,满足250 km/h运营条件。

站场：由于《200公里暂规》和《250公里暂规》的差异,正线道岔两端基本轨的接头以外的直线段长度、道岔与桥路过渡段的距离在少数车站的个别地段存在不满足《250公里暂规》的现象,根据现场实际情况,对有条件调整的调整到位,不能调整的维持施工图设计,但在运营中需加强监控。研究认为,上述问题不影响动车开行250 km/h的安全性和舒适性。

2.2.2 轨道工程

合武铁路施工图有砟轨道地段采用一级道砟,土质路基地段厚0.30 m,硬质岩石路堑、有砟桥梁和隧道地段厚0.35 m。超高设置有砟轨道按Vh=80 km/h(货车)、Vk=200 km/h(客车)匹配,无砟轨道按Vh=80 km/h、Vk=250 km/h 匹配。

与《250公里暂规》对照,轨道结构在道砟厚度及道砟材质方面、有砟轨道的道床密实度、道床支承刚度及钢轨的平顺度、铺设精度标准等方面均存在差别,《250公里暂规》要求比《200公里暂规》要高,并且曲线地段超高设置重新调整。具体差别分析如下。

(1)道砟厚度及道砟材质要求不同,250 km/h客运专线要求道砟厚度为35 cm,并采用特级道砟。特级道砟的指标和性能如道砟粒径、级配、颗粒形状、清洁度、抗磨耗、抗冲击性能、抗压碎性能等,均比一级道砟高(表1)。

表1 一级道砟与特级道砟主要参数比较

(2)250 km/h客运专线标准要求有砟桥梁、有砟隧道在砟下铺设弹性垫层或采用弹性轨枕。

(3)250 km/h客运专线的有砟轨道的道床密实度、道床支承刚度及钢轨的平顺度、铺设精度标准等均比200 km/h客货共线要高。具体指标差异见表2～表4。

表2 道床主要状态参数指标比较

表3 有砟轨道平顺度铺设精度标准比较(静态) mm

表4 无砟轨道平顺度铺设精度标准比较(静态) mm

2.2.3 四电工程

合武铁路四电采用集成模式,四电集成招标文件要求通信、信号、电力、电气化满足运营速度250 km/h的要求,因此四电满足动车开行250 km/h要求不存在问题。但根据《关于客运专线信号系统若干问题的指导意见》(铁运[2008]19号),需对信号进行适当补强,加强钢轨连接线,将合武正线车站和区间的ZPW-2000轨道电路轨旁设备至钢轨的连接线由原设计的单线双塞改为采用双线双塞的冗余设置方式；充分考虑无砟轨道、隧道地段、特大桥梁的传输特性,调整轨道电路长度,以提高动车高速安全运行的可靠性。

通过以上分析,土建工程和四电工程设计标准除个别方面不满足《250公里暂规》要求,可适当补强外,其他均可满足动车开行250 km/h要求,但轨道结构的设计标准与《250公里暂规》要求差别较大,需要研究加强措施,以满足动车开行250 km/h要求。

3 轨道结构加强方案

轨道加强方案需结合当时工程施工进度情况,以不产生废弃工程或尽量减少废弃工程为原则,因此轨道加强方案研究了达标加强方案和适当补强方案,简要说明如下。

3.1 达标加强方案

该方案根据《250公里暂规》进行达标加强,但考虑到合武铁路部分地段已经铺砟铺轨,为了不引起废弃,对已铺砟铺轨地段仍考虑维持一级道砟不变。具体如下。

轨枕：路基地段仍采用一般Ⅲ型无挡肩轨枕,桥梁和有砟隧道地段则建议采用弹性轨枕。

道床：对未铺砟铺轨的地段,按250 km/h的轨道标准达标设计,即采用特级道砟,单线道床顶面宽度3.6 m,道床厚度35 cm,砟肩堆高15 cm；对已铺砟、铺轨地段,维持一级道砟不变,但按250 km/h标准对道砟进行加厚加宽,即路基地段的道砟厚度由30 cm加厚到35 cm,单线道床顶面宽度由3.5 m增加到3.6 m,砟肩堆高为15 cm,补充的道砟采用一级道砟。

按达标加强方案,轨道结构可完全满足《250公里暂规》的要求,确保旅客列车运行的平稳性和舒适性,有利于行车安全,并减少运营期间的养护工作量。但该方案存在以下问题：一是特级道砟在国内已开采的道砟场中不多见,砟源供应困难,如果采用特级道砟,从工期上可能不能满足合武铁路2008年底建成通车的需要；二是弹性轨枕目前还处于研究试用期,国内还没有弹性轨枕成熟的技术标准,如何在产品的采购、施工和验收过程中进行质量控制,存在着一定的不确定性。

3.2 适当补强方案

立足合武铁路已经全面铺轨、2008年底建成通车的实际情况,只能进行适当补强,即：轨枕均维持一般Ⅲ型无挡肩轨枕不变；道床也维持原设计采用一级道砟,轨下道砟厚度由原30 cm加厚至35 cm,道床顶面宽度由3.5 m加宽至3.6 m。

该方案无废弃工程、有利于施工、可操作性强,并借鉴既有线提速250 km/h的工程经验,可满足动车组开行250 km/h要求,因此推荐了适当补强方案。

4 曲线地段超高设置

合武铁路在客货共线的情况下,开通速度即要求达到250 km/h,进一步加大了客车与货车的速差,为了平衡客车的欠超高和货车的过超高,对曲线地段的外轨超高设置难度更大。经研究,超高设置在优先满足旅客舒适度要求,并兼顾货物列车对钢轨磨耗、减少养护维修工作量的原则前提下,按客车250 km/h、货车120 km/h匹配设置超高较为合适。客车的欠超高均在良好范围以内(40 mm),货车的最大过超高均小于“困难”条件下货车允许过超高70 mm。见表5。

表5 客车250 km/h、货车120 km/h超高设置

5 结论

合武铁路的土建工程和四电工程施工图设计标准基本可满足动车组开通速度250 km/h的要求,但由于路基的基床厚度、工后沉降控制指标在规范上存在一定的差异,路基的长期稳定性需要在实践中进行检验。轨道结构的加强方面,推荐方案只是增加了道砟的厚度和宽度,道砟材质仍维持一级道砟。由于一级道砟的抗冲击、抗挤压、抗磨耗等特性不如特级道砟,动车按250 km/h开通后,会加速道砟的粉化,特别是桥梁、隧道等刚性基础地段,未采用弹性轨枕,更会加速道砟的粉化,增加轨道维护工作量。因此在运营过程中,应加强对线路的监控和检测,对软土地段路基及桥(涵)路过渡段路基,应继续进行沉降观测,在今后的大修养护中,建议将一级道砟逐步更换成特级道砟,以持久保持线路的平顺和行车安全。

[1]铁建设[2005]285号，新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定[S].

[2]铁建设[2005]140号，《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定[S].

[3]铁集成[2008]148号，初期兼顾货运的客运专线曲线超高设置指导意见[S].

[4]铁建设[2006]189号，客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定[S].

[5]铁建设[2007]76号，时速200～250 km有砟轨道铁路工程测量指南(试行)[S].