铁路线路参数化设计的几点思考

白宝英

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

适应国民经济发展需要是铁路网规划建设的根本依据,我国铁路建设从以客货共线为主,到20世纪80年代初修建货运专线、90年代初规划高速客运专线、繁忙运输通道修建多线实行客货分线,都充分体现了铁路规划建设与国家发展规划的息息相关。目前我国已制订了布局合理、适应国家经济发展规划、满足区域经济发展要求、体现国家技术经济综合实力水平的中长期铁路网规划。我国幅员辽阔,地形地貌及地质条件复杂多变,在实施路网规划的线路设计过程中,对于标准的选择及应用存在着较大的灵活性。选择适宜的设计标准以使设计方案安全可靠、经济合理、系统最优、为基础设施使用留有一定的发展空间,是线路专业设计技术应遵循的基本原则。本文拟从曲线半径、缓和曲线长度、坡段长度及同心圆设计等方面,就如何应用参数化设计的相关问题做一分析探讨,以实现线路总体设计及系统设计最优的目标。

2 现行有关线路设计规程规范

我国铁路线路设计标准体系根据线路运输性质分为客货共线标准、客运专线标准两大系列,在各自系列中按照设计行车速度分别规定相应的设计标准。旅客列车设计速度160 km/h及以下、货车设计速度120 km/h及以下的客货共线铁路线路设计执行的规范是《铁路线路设计规范》(GB50090—2006)(简称《线规》)；旅客列车设计速度200 km/h及以下、货车设计速度120 km/h及以下的客货共线铁路线路设计执行的规范是《时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2005]285号)(简称《200客货混》)；旅客列车设计速度200 km/h(含)～250 km/h(不含)客运专线的线路设计执行的设计规范是《时速200～250 km客运专线设计暂行规定》(铁建设[2005]140号)(简称《200～250客运专线》)；旅客列车设计速度250 km/h及以上客运专线的线路设计执行的设计规范是《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)(简称《高速规范》)。

3 现行设计规范标准规定分析

现行线路有关设计规范对于线路主要设计标准如平面曲线半径、缓和曲线长度、坡段长度、竖曲线半径等均给出了规定值,这种标准形式便于设计人员使用,在一般情况下采用规范给定的数值可提高设计工作效率。但是,在实际工程设计中存在着一些情况,需要灵活应用设计规范,如为躲避重要障碍物、为节省工程或满足平纵断面匹配设计要求等需要采用非标准数值的半径、缓和曲线长度、竖曲线半径及坡段长度等,另外在线路引入枢纽或既有铁路接轨的减加速地段,在现行规范中给出的设计数据不适于工程设计的直接选用。

如何依据现行设计规范确定线路设计标准,结合工程技术经济条件要求,科学合理地解决线路设计标准选择问题,是我们工程设计人员必须思考的事情。通过对现行设计规范标准的研究和工程设计实践经验总结,笔者认为建立基于参数化设计的理念是十分必要的,设计者在遵从现行设计规范基本要求的前提下,深刻理解设计标准与计算参数的物理意义,灵活运用设计规范标准进行线路设计,对于提高工程设计的技术经济合理性是非常必要的。

4 参数化设计的几点建议

4.1 关于平面曲线半径选择

表1 平面曲线半径计算超高参数 mm

对于计算结果的采用应注意平纵条件的匹配关系及V-S曲线要求,在满足运营要求的前提下实现线路的舒适性要求,提高工程设计的技术经济合理性。

4.2 关于同心圆设计

在客运专线铁路设计中,同心圆的设计是一种近似的设计,即右线曲线半径与左线曲线半径差值为直线地段线间距,右线与左线配置相同长度的缓和曲线,据此确定出右线设计中线。此时,左右线的设计线间距在圆曲线范围内并非是恒定值,即从线形几何关系上看不是严格意义上的同心圆。在一般情况下这种线形设计能满足工程要求,设计资料简单。如果个别工点对于线间距的要求比较严格时,则需要设计完全意义上的同心圆,如盾构法施工的隧道断面,要求线间距尽可能为某一要求的不变的定值。此时右线应按照同心圆设计理论,根据隧道结构设计要求的线间距,设计右线圆曲线中线,根据左、右线缓和曲线与线间距的关系,求得右线缓和曲线长度,按照设计精度要求确定右线缓和曲线长度取位。这样通过对右线线形的特殊设计可以满足工程上对同心圆线间距不变的要求。

4.3 关于改变线间距的设计

当双线并行地段因工程设计需要改变线间距时,规范规定一般通过邻近曲线平行侧移来实现线间距改变,当工程设计要求改变线间距的附近没有曲线时,则采用直线上设置一组反向曲线来实现线间距的改变。通过曲线变线间距的方法在整个曲线范围内线间距都是变化的,对于设计及施工均增加了一定难度；采用直线上设置一组反向曲线变化线间距的方法则恶化了平面条件,增加施工及养护的难度,并且当线间距变化值较小时，受最小圆曲线长度规定限制，这种方法还不适用。而采用参数化设计的理念可以灵活解决设计中遇到的需要改变线间距问题。设计方法类似于上述的同心圆设计,即根据线间距变化值计算内外侧缓和曲线,一般以左线为基准计算右线的缓和曲线长度,外侧曲线一般配置规范中的最长缓和曲线,内侧根据线间距变化值计算确定。因此,采用参数化设计可以提高线路设计精确性和准确度,更好地适应工程设计，为施工及运营养护维修创造较好的条件。

4.4 关于缓和曲线长度

确定缓和曲线长度的参数包括设计超高、超高时变率、欠超高时变率,根据设计速度,合理匹配设计超高、超高时变率、欠超高时变率。当需要根据设计参数计算确定缓和曲线长度时,计算参数值的选用可采用规范中规定的允许值范围内的区间值。现行有关高速铁路规范中的参数见表2。

表2 缓和曲线长度计算参数

注：V为设计速度,km/h。

(1)根据设计速度计算均衡超高,根据V-S曲线合理设计欠、过超高,超高时变率与设计欠超高的舒适度水平应相匹配,即欠超高较小时应采用较小的超高时变率计算缓和曲线长度；当高低速列车通过曲线的速度差较大时,如果低速车过超高控制了实设超高取值,此时需要检算欠超高时变率条件控制的缓和曲线长度。

(2)在选用时应注意的问题：①采用较长缓和曲线后应检查剩余圆曲线长度,如果缓和曲线采用了最大长度而导致圆曲线长度不满足0.8V时,应调整缓和曲线长度,使超高顺坡率(超高时变率)的水平与圆曲线长度舒适度水平匹配合理；②当曲线间夹直线长度较短时,如果缓和曲线长度采用了较大值而导致夹直线长度不满足0.8V,则应调整缓和曲线长度采用值；③当变坡点必须与圆曲线重叠设置时,竖曲线宜距离缓圆点或圆缓点尽量远,如果受缓和曲线长度控制则宜调整缓和曲线长度,综合考虑空间曲线的合理匹配。

4.5 坡段长度

坡段长度选择遵循的基本原则是：在满足工程技术经济条件要求前提下,尽可能采用较长的坡度,以减少变坡点的设置,提高舒适性。在地形复杂的地区,坡段长度标准对于工程经济合理性的影响较大。从理论上讲,只要竖曲线半径足够大、竖曲线间夹坡长度足够长,则列车通过变坡点产生的振动对于舒适度的影响即可控制在规定的水平。

确定最小坡段长度的参数是竖向加速度及其相应的竖曲线半径标准,我国客运专线上规定的最大竖向加速度允许值为0.4 m/s2。据此确定一定设计速度对应的最小竖曲线半径标准,另外考虑车辆通过竖曲线产生的振动不叠加要求,应留有一定的夹坡长度,一般取设计速度的0.4～0.8倍,最小坡段长度的计算公式为

lp=(Δi1+Δi2)/2×Rsh+(0.4～0.8)V

式中，Δi1、Δi2为坡段两端相邻坡段坡度差；Rsh为对应设计速度的竖曲线半径,一般取最大值。

高速规范中给出的最小坡段长度在一般条件下是适宜的,但当遇到特殊工程情况或技术条件控制时,如困难地形地质条件下工程设计有要求时、车站两端受咽喉区布置控制时等情况,最小坡段长度可按照上述公式计算,在满足夹坡长度不小于0.8V要求的前提下,可采用较规范短的坡段长度,但一般不宜短于600 m。

5 关于线间距计算的案例分析(表3)

表3 线间距计算

表3中序号1～3给出了某条线左右线按照《高速规范》中(1)栏标准配置相同长度缓和曲线时的计算线间距,可以看出计算线间距与设计线间距的误差值与曲线半径及偏角大小有关,半径越大、线间距误差值越小；由于缓和曲线长度与理论上要求的有差异,故加设缓和曲线产生的内移距[圆曲线范围内移距p的计算近似公式为p={l2/(24R)-l4/(2 688R3)},l为缓和曲线长度,R为圆曲线半径]与理论上的内移距存在差异,导致圆曲线范围内线间距有微小变化,小偏角大半径曲线在圆曲线范围内计算线间距相同,一般情况下曲中线间距较缓圆点及圆缓点线间距略大；相同半径偏角越大、线间距误值越大；表中带★号的数据,为缓和曲线长度采用《高速规范》中(2)栏标准时的计算结果,与采用(1)栏的计算结果对比可以发现缓和曲线长度取值越大线间距误差值越大。

表中序号4为某条线变线间距的设计,背景情况是：曲线前直线段布置有渡线,线间距为5 m,渡线后直线段较短,圆曲线范围部分段落隧道施工拟采用盾构法,要求线间距较直线段缩小且为等值。如果采用一般设计方法,是在渡线后较短的直线段右线上设置1组反向曲线,该设计可满足设计速度80 km/h标准要求。为改善线形条件采用了右线曲线两端设置不等长缓和曲线长度的设计,借助计算机辅助设计手段拟合出右线中线,确保圆曲线部分为4.4 m等间距,解决了工程设计需要,降低了隧道施工难度并节省了工程投资。

6 结语

线路设计质量关系着其他工程设计的技术经济合理性,是一个建设项目总体性和系统性优劣的基础。针对我国幅员辽阔,地形地貌及地质条件复杂多变的实际,通过建立参数化设计理念,从系统优化角度出发,紧密结合项目工程实际灵活运用设计规范,可以解决线路设计中的诸多难题,科学合理地改进机械地套用设计规范的常规做法,针对工程设计具体要求,合理选择线路设计标准,使设计成果既满足设计规范要求又符合工程实际需要,通过实践经验积累不断提升对于设计规范的应用水平,充分体现“以人为本、服务运

输、强本简末、系统优化、着眼发展”的铁路建设理念。

[1]中华人民共和国铁道部.GB50090—2006 铁路线路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2006.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[3]中华人民共和国铁道部.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].北京：中国铁道出版社，2005.

[4]中华人民共和国铁道部.铁建设函[2005]285号 新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[5]中华人民共和国铁道部.铁科技[2009]212号 铁路客运专线技术管理办法(试行),300～350 km/h部分[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[6]中华人民共和国铁道部.铁科技[2009]116号,铁路客运专线技术管理办法(试行),200～250 km/h部分[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[7]白宝英.高速铁路线路纵断面设计标准及其应用研究[J].铁道标准设计，2010(7)：4-7.

[8]朱 颖.铁路选线理念的创新与实践[J].铁道工程学报,2009(8)：1-5．