菲律宾北吕宋窄轨铁路线路设计标准研究

冯慧淼

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 概况

菲律宾共和国是群岛国家，共有大小岛屿7 107个，人口8 947万，其中吕宋岛是其最大的岛屿，面积10.5万km2，南北740 km，约占全国面积的35%，约占全国人口的1/2。

西班牙殖民时期，在吕宋岛陆续修建了总里程1 200多km的窄轨铁路，以首都马尼拉分界，分为南吕宋岛铁路(南铁)和北吕宋岛铁路(北铁)。目前南铁只有马尼拉及以南30 km铁路运营，其他均遭废弃。南铁技术条件较差，设备陈旧落后，只运行客车，速度较低。北铁的既有铁路钢轨大部分丢失，已无法运营。

随着菲律宾整体经济的复苏，菲律宾政府决定重新恢复贯穿吕宋岛南北主干线的铁路建设，在南吕宋岛铁路技改的同时，开展北吕宋岛铁路恢复重建，计划从首都马尼拉一直延伸至San Fernando，La Union，全长近375 km，计划分4期建设。

本文介绍的项目为菲律宾北吕宋岛铁路的一期一段工程，从 Caloocan到 Malolos，我国于2003年12月正式签署了EPC总包合同(勘察、设计、施工、设备供应、安装、培训和验收等的交钥匙工程)，2007年已开始施工。

新建双线铁路走向与既有线一致，设计为窄轨双线，最高设计速度120 km/h，运输模式为客、货混运。按照业主(北铁)的要求新建线路应尽量位于既有用地界内，因此本段新建双线基本在原用地界范围内修建铁路，为减少新征用地，个别小半径曲线维持既有标准。线路全长32 km，车站6座，大中桥11座。

2 设计流程及特点

本项目为完全按照国际项目管理标准操作的EPC项目，设计过程及方法完全按照国际项目执行，没有完整的适用于设计速度120 km/h窄轨铁路的线路设计标准。线路技术标准是影响本工程是否可以实施的决定因素，且影响着工程造价水平，技术标准的研究应结合本项目特点进行。

2.1 设计流程

菲律宾铁路设计的一般流程如图1所示。

图1 菲律宾北吕宋铁路设计流程

2.2 设计特点

从设计流程上看，本项目与国内项目差异不大，但由于国情不同和项目业主需求的特殊性，使得设计工作与国内铁路设计有很大不同，最主要区别如下所述。

(1)没有颁布实施的标准规范作为依据

目前国内没有现行的窄轨铁路的设计标准，本线为设计速度120 km/h的窄轨铁路，在世界米轨铁路上还没有成功的先例，平面半径、缓和曲线长度等技术标准指标必需综合大量的相关资料进行计算、类比，推算得出。各计算参数要广泛参照各国规范及UIC标准。同时还要与类似的标准轨距线路标准对比。

(2)充分利用既有铁路用地

菲律宾为土地私有化国家，私有土地的征用非常困难，甚至有时是不可能的。由于这一特殊要求，使得平纵断面设计标准的确定以及设计原则必须以此为控制条件。

3 设计标准的确定

按照业主减少新征用地、降低工程造价的需求，确认了设计依据后，需要综合考虑本线的具体情况确定本线的主要技术标准。

3.1 平面圆曲线半径

3.1.1 最小曲线半径

最小曲线半径是铁路主要设计标准之一。最小曲线半径既要适应初期的运营需要，也要满足远期的运营要求;既要保证旅客列车的舒适度要求，又要满足货物列车的轮轨磨耗要求。因此最小曲线半径的确定要综合考虑线路的运输性质、速度目标值、旅客舒适度的要求以及养护维修对线路的要求，还要考虑UIC标准对快速铁路的相关规定。

(1)计算公式

1)外轨超高

离心力是机车车辆在曲线轨道上运行时所特有的力。为平衡这个力，需要在曲线轨道上设置外轨超高，用重力水平分力来抵消离心力，以达到内外两股钢轨受力均匀、垂直磨耗均匀等，减小离心加速度，增加旅客舒适感，并提高线路稳定性和安全性。简化计算图式如图2所示，超高公式为

式中 h——曲线外轨超高，mm;

V——行车速度，km/h;

g——重力加速度，9.81 m/s2;

R——曲线半径，m;

S1——内外股钢轨中心线距离，mm。

图2 简化计算图式

当轨距为1 067 mm时，轨头宽采用50 kg/m标准轨尺寸70 mm，取S1=1 137 mm，将数值代入公式(1)，得出

2)曲线半径计算公式

①满足旅客列车最高行车速度及旅客舒适度要求的最小曲线半径

②满足内外轨均匀磨耗条件要求的最小曲线半径

式中 Vmax——客车最高设计速度，km/h;

Vh——货物列车设计速度，km/h;

hmax——最大超高，mm;

hqy——允许欠超高，mm;

hgy——允许过超高，mm。

(2)计算参数的选择

1)欠超高

允许未被平衡离心加速度(a0)各国取值不同，取值范围一般为0.4～0.8 m/s2。我国标准轨距铁路规定的允许未被平衡离心加速度一般为0.4 m/s2，困难0.6 m/s2;UIC标准中a0标准值为0.40 m/s2，困难取0.53 m/s2，特别值为0.67 m/s2。参考以上取值，本次取允许未被平衡离心加速度一般0.4 m/s2，困难0.6 m/s2，以保证旅客舒适。

未被平衡离心加速度a可以用下式表示

式中 g——重力加速度，9.81 m/s2;

S1——内外股钢轨中心线距离，mm，当轨距为1 067 mm时，取S1=1 137 mm;

hq——欠超高，mm。

将数值代入公式(5)，得出

计算结果:欠超高允许值一般为50 mm，困难时为70 mm。

2)最大超高

车辆在曲线轨道上抵抗倾覆的稳定程度取决于偏心距e的大小。用稳定系数n衡量车辆通过曲线轨道时的稳定程度，定义为:两股钢轨中心线间距离的一半(即S1/2)与偏心距e的比值。n=S1/(2e)

式中 H——货物列车重心高度(我国标准车辆重心至轨顶面的高度为2 220 mm)。

当列车在曲线轨道上临时停车时，列车处于最不利状态，此时允许的超高为最大超高。

即

国内外标准轨距(1 435 mm)客货混运铁路最大实设超高均在150 mm左右。根据我国标准轨距铁路的稳定系数n=3计算，求得轨距为1 067 mm时最大超高为85.4 mm，取85 mm。

3)最大过超高

过超高的大小影响内轨偏磨程度，过超高不宜过大。根据我国运营经验，过超高在30 mm及以下时内外轨的磨耗均不明显。我国标准轨距铁路的过超高限值:一般30 mm、困难50 mm。国外经验也大致如此。

法国窄轨铁路的过超高值根据日货运量确定，日运量大于4.5万t时，一般值为40 mm，困难60 mm;日运量小于1万t时，一般值为60 mm，困难80 mm。

参照国内标准轨及窄轨的过超高值的分析，根据菲律宾铁路货运量较小的情况，过超高取值一般为30 mm，困难50 mm。

(3)最小曲线半径的确定

本项目设计旅客列车最高行车速度为120 km/h，货物列车的设计行车速度按70 km/h考虑。

将上述分析的相关参数取值代入(3)、(4)式

由(3)式计算结果为:一般R1=950 m，困难R1=830 m。

由(4)式计算结果为:一般R2=1 060 m，困难R2=710 m。

因此最小曲线半径Rmin取值为一般1 100 m，困难850 m。

3.1.2 最大曲线半径

最大曲线半径标准关系到线路铺设、养护维修能否达到要求的精度，进而影响到轨道的平顺状态。

曲线半径过大，曲线20 m弦正矢很小，现场难于保持曲线线形，容易产生线路不平顺，工务养护维修及检测相当困难。参照我国标准轨距铁路线路设计规范规定，本次研究最大曲线半径采用10 000 m。

3.2 缓和曲线长度

为保证列车平稳运行，在直线与圆曲线之间应设置一定长度的缓和曲线，使曲率变化由无穷大变至某一衡值，在缓和曲线上完成外轨超高。缓和曲线的长度与旅客舒适度及行车安全有关。

3.2.1 计算公式

安全条件要求的最小缓和曲线长度计算公式为

由舒适度要求的缓和曲线长度计算公式为

式中 i——超高顺坡率，一般不大于2‰～2.5‰，我国规定最大值为2‰;

h——曲线上实设超高，mm;

f——超高时变率，mm/s;

b——欠超高时变率，mm/s。

缓和曲线长度取上述计算公式中较大值。

3.2.2 计算参数的选择

(1)超高时变率

车体通过缓和曲线时，由于外轨超高的变化，使车体产生倾斜，过大的车体倾斜角速度会引起旅客舒适度的恶化，所以必须对车体倾斜角速度即超高时变率加以限制。本次研究超高时变率取值一般采用28 mm/s;困难采用35 mm/s。

(2)欠超高时变率

欠超高时变率也是反映旅客舒适度的一个重要参数，因此需对欠超高时变率取值加以限制，以满足旅客舒适度的要求。

参考有关规范、规定，本次研究欠超高时变率取值一般采用40 mm/s;困难采用45 mm/s。

(3)超高顺坡率

超高顺坡率i与超高时变率f存在如下关系

UIC标准中规定超高顺坡率i的标准值为10Vmax，困难时取8Vmax，同时参考我国标准轨距有关规定，本次研究超高时变率取值一般采用28 mm/s(对应超高顺坡为1/10V);困难采用35 mm/s(对应超高顺坡1/8V)。

3.2.3 计算结果

按上述采用的计算公式和计算参数，对各种曲线半径逐一试算，结果见表1。

表1 缓和曲线长度

3.3 圆曲线和夹直线最小长度

圆曲线及夹直线最小长度主要受列车运行平稳性和旅客乘座舒适条件的控制，同时也受轨道检测、机械养路作业要求的限制。

理论上列车运行平稳、旅客乘座舒适所要求的圆曲线及夹直线最小长度，通常按列车在缓和曲线出入口(即夹直线或圆曲线的起终点)产生的振动不致叠加考虑，与列车振动、衰减特性和列车运行速度有关。

圆曲线或夹直线长度应满足:Lj≥τVmax

根据我国铁路运营实践经验教训及UIC建议值，τ取值一般为0.6，困难为0.4。计算得出圆曲线和夹直线最小长度一般80 m，困难50 m。

3.4 纵断面标准

由于没有生产成型的适用于窄轨铁路的内燃动车组，菲律宾项目采用的内燃动车组主要技术参数经北铁和咨询工程师批复后，由南车青岛四方机车车辆股份有限公司在国内生产。主要技术参数的特点为:动车组各项参数除最高运行速度、车辆轴重、起动加速度、紧急制动距离外，其余均和地铁B型车一致。因此，菲律宾窄轨铁路纵断面设计标准如限制坡度、竖曲线半径、最小坡段长度的选择均和标准轨距铁路相同，不再逐一进行分析。

最终采用设计标准为:限制坡度25‰，相邻坡段最大坡度差30‰。纵断面最小坡段长度为200 m。相邻坡段坡度差大于或等于3‰时，以圆曲线形竖曲线连接。竖曲线半径一般采用10 000 m，困难情况下竖曲线半径不小于5 000 m。

4 设计标准应用分析

(1)平面标准适应性分析

菲律宾北吕宋铁路一期一段工程平面线位主要受既有用地界控制，平面设计类似于城市轨道交通的平面选线。由于既有铁路标准较低，按确定的平面设计标准完成平面选线后，局部地段新征地较多，最终经北铁和咨询工程师批复的线位采用最小曲线半径为500 m(需限速，不能满足 120 km/h)，最大曲线半径6 000 m;缓和曲线长度、圆曲线和夹直线最小长度均满足一般值要求。

(2)纵断面标准适应性分析

菲律宾北吕宋铁路一期一段工程所处地形平坦，纵断面高程主要受洪水位高程、立交道要求和车站类型控制，确定的标准在设计过程中得以采用，最大程度地满足了业主节省投资的要求。

5 结语

由于本项目所有标准的选择及设计成果均需要由业主和咨询单位签字认可后才能最终确定，在技术谈判过程中，积累了一些经验、教训，下面是一些基本的建议。

(1)目前UIC标准被世界各国广泛承认，应加强系统学习、掌握，以利于设计标准和原则的确定，同时也有利于沟通。

(2)加强与业主及咨询专业工程师之间良好的沟通，有助于了解业主的最终意图，最大限度地减少不必要的工作。

(3)设计说明尽可能简单，最好全部用图表达设计意图。

[1]菲律宾.[EB/OL].百度文库(高等教育).2011.

[2]中华人民共和国铁道部.GB50090—99 铁路线路设计规范[S].北京:中国计划出版社，1999.

[3]UIC703R.高速旅客列车线路的定线设计特性[S].1990.

[4]曾树谷.关于曲线允许欠超高标准的探讨[J].铁道建筑，1997(3):6－9.

[5]李洪斌.马来西亚南部米轨铁路主要技术标准研究[J].铁道勘察，2004(6).

[6]山下广行.日本铁路既有线提速[J].哈尔滨铁道科技，1997(3).

[7]中华人民共和国铁道部.铁建设函[2003]439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，2003.

[8]北京城建设计研究总院.GB50157—2003 地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社，2003.