高速铁路桥梁安全防护措施分析

肖沁凯

(中铁第四勘察设计院集团有限公司桥隧处，武汉 430063)

1 设置列车安全防护措施的必要性

尽管高速铁路线下基础设施的稳定性、线路轨道设备的平顺性以及列车装备的安全性较普速铁路大为提高,理论上高速铁路列车脱轨的概率远小于普速铁路。但由于轨道、车辆及控制系统等存在的缺陷和地震等自然灾害因素的影响,高速铁路列车仍然存在脱轨风险。

相对于普速列车而言,高速列车发生脱轨事故,势必将给乘客人身安全和铁路运输设备造成更为严重的危害。例如,1998年德国高速铁路出现因车轮轮毂断裂导致列车脱轨,造成数百人伤亡和数节车辆损毁；2004年日本上越新干线因地震导致的列车脱轨,造成40轴中22轴脱轨和1号车厢翻入排水沟。

相对于路基地段而言,列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动,桥梁的振动又反过来影响车辆的振动,高速铁路列车与桥梁之间的动力耦合作用加剧,车体的横向冲击力也明显提高,一旦发生脱轨,列车会撞击桥梁甚至冲入桥下,后果十分严重。因此,在高速铁路桥梁上,研究设置合理、可靠的列车安全防护措施是非常必要的。

2 列车安全防护措施的常用方式

2.1 列车脱轨工况及防护目的

列车运行的安全性主要是考虑运营过程中列车是否存在脱轨问题。世界各国对于列车运行安全性进行了长期、系统的理论研究和工程实践,取得了令人满意的成果和经验。从受力状况分析,列车脱轨可以分为两类：一类是竖向轮重减载导致的脱轨；另一类是轮轨间的横向力过大而引起的脱轨。前者多发生于列车低速运行于小曲线半径的情况,而后者则多发生于列车高速运行时。

列车脱轨情况下,车体将偏离轨道中心,列车竖向荷载偏向线路中心外侧。如果列车偏离轨道中心幅度较大,有可能撞击到桥梁或其附属设施,进而冲出桥面甚至造成次生灾害。设置桥上安全防护措施的目的,是对脱轨列车进行导向和限位,避免其在横向有超出允许的位移。由于高速铁路列车的横向冲击力加大,需要防护措施具备足够的抗撞击能力。

2.2 我国普速铁路桥梁上的安全防护措施

我国普速铁路桥梁采用在基本轨内侧铺设护轨的方式,将脱轨车轮限制在基本轨和护轨之间的轮缘槽。护轨的设置区段为：特大桥及大中桥；曲线半径≤600 m或桥高>6 m,长度≥10 m的小桥；跨越铁路、重要公路、城市交通要道的立交桥。护轨的铺设方式为：双线桥各线均应铺设护轨；三线及以上的桥,当各线的桥面分别设于分离式的桥跨结构上时,各线均应铺设护轨；当各线铺于同一桥跨结构上时,可仅对两外侧线铺设护轨；护轨顶面不应高出基本轨顶面5 mm,也不应低于基本轨顶面25 mm。同时,护轨伸出桥台一定长度,使脱轨车轮在进入桥梁前便导入轮缘槽内。运营实践证明,护轨能够发挥一定的防护作用。

2.3 国外铁路桥梁上的安全防护措施

2.3.1 德国

德国相关标准规定,当桥上或桥前曲线半径<300 m,或轨面以上承力构件距线路中心≤3.2 m、桥长>20 m的下承式结构时,应设置安全措施；不设置安全措施的应进行脱轨检算。

对于采用无砟轨道的高速铁路,以电缆槽墙体作为列车安全防护措施(图1)；在脱轨事故发生后,在轨道间增设了混凝土挡块(图2),防止列车脱轨后偏离轨道中心过远。

图1 电缆槽防护

图2 轨道间混凝土挡块防护

2.3.2 法国

法国铁路为有砟轨道,桥上的安全防护措施采用护轨方式。单线桥上铺设2条护轨,多线桥上在每条线路内侧各铺设1条护轨。

2.3.3 日本

日本新干线除明桥面上铺设护轨外,其他区段桥梁不采用任何安全防护措施。近年来,针对提高地震条件下列车运行安全性需求,对于厂修的列车,在转向架轴箱下方安装反L型车辆导向装置,保证列车脱轨后导向装置钩住钢轨(图3),防止车辆偏离轨道中心线过远。

图3 反L型车辆导向装置

2.3.4 瑞典

瑞典高速铁路列车安全防护措施,主要是采用加高挡砟墙的方式。挡砟墙墙顶面高出轨顶面约0.50 m,同时可起到降低轮轨噪声对沿线环境影响的作用。

2.3.5 UIC规范

国际铁路联盟(UIC)规范规定,在有砟钢桥面或有砟钢筋混凝土桥面上铺设线路时,为了控制列车在桥上脱轨的后果,可以设置保护措施；如果挡砟墙比轨枕上缘高,且足够坚固,能起到控制车轮的作用时,亦可不另设防护措施。

3 我国高速铁路桥梁上的列车安全防护措施

3.1 防护措施的形式选择

针对高速铁路桥梁上的列车安全防护措施选型,我国进行大量的前期研究工作。应该说,最有代表性的防护措施是设置护轨。但桥上设置护轨给线路维修养护带来诸多不便,会在一定程度上影响线路质量并增加养护工作量。经综合比选,确定采用加高加强挡砟墙(防护墙)的方案。挡砟墙(防护墙)的高度应根据最小曲线半径时,墙顶高程不低于外轨顶面计算确定,目的在于脱轨情况下可使列车沿挡砟墙(防撞墙)向前滑行,以防止列车倾覆或冲出桥面。有砟轨道桥梁上称作挡砟墙兼具挡砟功能,无砟轨道桥梁上称作防护墙。

3.2 挡砟墙(防护墙)的结构设计

3.2.1 横向脱轨荷载的取值

挡砟墙(防护墙)的结构设计,主要考虑列车脱轨时的横向撞击力。轮对对钢轨的横向冲击力大小取决于轮对横向加速度、车轮对轨道的冲击角和轮对瞬时轴重。对于横向撞击力,各国的取值不尽相同,德国为250 kN/m,法国为42.5 kN/m,日本为47.5 kN/m。

根据物理学动量定律,以轮对在轨道上正常运行的冲击角作为冲击防护墙的角度,则轮对对防护墙的横向冲击力为

Q=m·v·sinα/Δt

式中，m为轮对质量；v为列车运行速度；α为轮对冲击角；Δt为横向冲撞力作用时间。由于列车脱轨时将发生轨排横移、轨距扩大及线路失稳等现象,列车冲击防护墙的冲击角将会产生偏差,同时横向冲撞力的作用时间的大小,对横向撞击力影响较大。因此根据我国的具体情况,从偏于安全考虑,列车脱轨对挡砟墙(防护墙)的撞击力取为100 kN/m,其作用点位置与轨顶面平齐。

3.2.2 挡砟墙(防护墙)的构造与布置

挡砟墙(防护墙)与桥面连为一体。对于有砟轨道桥梁,为保证大型养护机械作业,墙体内侧距离线路中心线最小距离为2.20 m；对于无砟轨道桥梁,在满足建筑限界条件下,以尽量靠近线路为原则,墙体内侧距离线路中心线最小距离为1.9 m。

墙体宽度根据撞击力产生的弯矩进行设置。现行标准设计中,挡砟墙(防护墙)顶面宽度为0.20 m,底面宽度为0.25 m。

标准设计中的挡砟墙(防护墙)的具体布置分别如图4和图5所示。

图4 我国高速铁路(350 km/h)无砟轨道桥梁防护墙示意(单位：cm)

图5 我国高速铁路(350 km/h)有砟轨道桥梁挡砟墙示意(单位：cm)

4 结语

(1) 为提高列车运营的安全性,各国铁路桥梁上采用的列车安全防护措施,都是在列车与轨道动力学和轮轨相互作用分析与研究的基础上确定的,是行之有效的。主要安全防护措施汇总如表1所示。

(2)考虑轨道、车辆、自然灾害等各种情况,高速铁路列车存在脱轨的可能性,设置列车安全防护措施是必要的。

(3)我国高速铁路桥梁设置挡砟墙(防护墙)是一种可行方案。

表1 各国铁路桥梁上采用的列车安全防护措施

(4)继续加强对高速铁路脱轨荷载和安全防护设施使用功能的研究,对现行挡砟墙(防护墙)进行进一步优化。

[1]TB 10002.1—2005，铁路桥涵设计基本规范[S].

[2]TB 10621—2010，高速铁路设计规范[S].

[3]中国铁道科学研究院.高速铁路桥梁区域列车运营安全措施[Z].北京：2008.

[4]中铁工程设计咨询集团有限公司.客运专线挡砟墙(防撞墙)设置分析[Z].北京：2008.