萧甬线线路平纵断面优化设计研究

吴勇锋 上海铁路局工务处

萧甬线西起萧山站，东至宁波站，双线运营，延长291.774 km，线路等级Ⅰ级；正线道岔156组，正线曲线226条/78.299 km，最大曲线半径4 000 m，最小曲线半径400 m，全线P60区间无缝线路，以Ⅱ型混泥土轨枕为主，线路最大坡度11.9‰；桥梁总数327座，其中特大桥2座，大桥4座，中桥39座，涵渠252只。线路平纵断面主要病害有：曲线未被平衡欠超高困难或超高顺坡率困难185条曲线，其中由于提速原因造成的有127条曲线，同时存在未被平衡欠超高困难和超高顺坡率困难35条曲线；缓和曲线不足的曲线有98条；两相邻曲线夹直线长度不满足行车困难条件的有55处，曲线超高顺坡终点距道岔的夹直线长度不足的情况有9条；纵断面坡段长度不满足最小坡段长度有58处；石碴厚度不足的有碴桥梁有28座；纵断面竖曲线与缓和曲线重叠的情况有59处。

上下行K19.800-K66.500和上下行K88.150-K109.000两个区段按最高速度140 km/h进行提速；上下行K109.000-K131.800按最高速度160km/h进行提速；在开通动车组和提速之前，曲线超高调整，延长缓和曲线、夹直线长度及改善线型等进行优化；更换无缝道岔；平改立遗留的人行过道及道口强化改造；全线291km正线道床补充适量道碴进行大机起整作业，纵断面优化改善；并对全线有病害的桥梁进行加固修复。

1 曲线外业测量

外业勘查工作质量的好坏，将直接影响到线路优化设计的质量。外业勘查工作要全面了解和掌握将要施工的线路平面、纵断面、分界点、线路设备、桥隧等其它设备的详细情况，取得足够的可靠的原始资料，供设计时使用。现以线路平面曲线的测量为例，曲线测量方法通常采用正矢法、矢距法、偏角法及极坐标法等，这些方法已不能满足提速改造及日常高速动态养护要求。坐标法是一种方法简单，行车干扰少，安全可靠的精确测量方法。

图 1 曲线测量示意图

现场建立临时导线点，用已知方位角法建站（见图1），置镜 J1，以 J1 为坐标（ 0，0），后视 J0，设定方位角 90-00-00 建站完成。在笔记本上记清楚测量顺序是顺里程还是逆里程，测点是左股还是右股，现场曲线走向示意图，作业里程，线别，现场测点名称。司镜：要求扫描3～5个点归方向一次，锐角归方向于J0，角度相差大于3"，要求重新建站。扫描到点12，测J2点，要求两个测回重复测J2点，转镜。置镜J2，置镜点号为13号，输入点 J2的测量坐标，后视点 J1坐标（0，0），后视 J1点读数，记下方位角度。转镜完成，扫描点12，与前一镜子读数相差5 mm（X、Y值）以上要求返工。

曲线外业测量，不仅要准确测量曲线平面坐标，还要测量影响曲线优化施工的线路设备坐标，遇到特征点必须要加点（供电立柱、道岔岔首、岔尾、桥梁、道口、公里牌等），道岔离曲线300 m之内，都要求测。测点1至5间距为200～300 m，点4避开鹅头，作为定基线点，测量一个曲线范围内，测点要求有两个点与现场百米桩或公里牌对应，直线上点间距要求50 m左右，曲线上点间距要求20 m左右，所有测点无须拉链，在跑尺之前用油漆在轨腰处标注好，建议测点放在靠路肩的一股。夹直线长度短时要求至少测量4个点，以便拟合曲线时选择最佳方向。曲线上四大桩要求必须测。若两个曲线夹直线长度小于400 m的要求联测，夹直线上定基线的测点的选择须避开大方向或"鹅头"。

2 曲线优化设计

2.1 超高调整

在线路曲线地段，因列车沿曲线运行所产生的离心力，使外股钢轨承受较大压力，旅客感觉不舒服，离心力过大还将影响行车安全。为抵消离心力的作用，需要将外股抬高，即设置超高。

式中：H--超高（ mm）；

vj--平均速度（ km/h）；

R--曲线半径（m）；

Ni--一昼夜各类列车次数（列）；

Qi--各类列车重量（ t）；

Vi--实测各类列车速度（km/h）；

按上式算出后，对未被平衡欠超高和未被平衡过超高分别按下列公式检算：

式中：H--实设超高（ mm）；

Hc--未被平衡欠超高（mm）；

Hg--未被平衡过超高（mm）；

vmax--线路允许速度（ km/h）；

vh--货物列车平均行车速度（km/h）；

未被平衡欠超高太大会降低旅客乘车的舒适度，甚至影响行车安全。但实设超高过大，在缓和曲线内顺不完，或者超高在缓和曲线内顺坡坡度太大，引起行车稳定性不良；在客货混跑的既有线，又要兼顾未被平衡过超高；因此曲线超高需要一个合理的设置。

按规范要求：未被平衡欠超高不大于75 mm，困难地段不大于90 mm；未被平衡过超过不大于30 mm，困难情况下不大于50 mm。曲线超高顺坡率应能够满足：允许速度大于120 km/h的线路，顺坡坡度不应大于1/(10 Vmax)；困难条件下不大于1/(8 Vmax)。如缓和曲线长度不足，顺坡可以延伸至直线上，允许速度为120 km/h(不含)～160 km/h的线路，在直线上顺坡的超高不大于8 mm。

按站段现场养护经验，在设计时，未被平衡欠超高和顺坡率不同时出现以上所述中的困难条件。

表1 曲线缓和曲线长度与超高调整

以上行K32+349～K32.615曲线为例，如表1所列：R-曲线半径（ m），H-实设超高（ mm），l0-缓和曲线长度（ m），L-曲线全长（m），Hg-未被平衡过超高（mm），过超高以货物列车运行速度80km/h检算，I-顺坡倍，Bmax-线路最大拨量（mm）。本设计超高顺坡在缓和曲线内顺完，顺坡率i=H/l0，由此转化可以得出，I=1 000×l0/（H×Vmax）。既有曲线行车条件良好，提速目标与区间允许速度140 km/h一致；方案二通过超高调整就可以达到目标，不过未被平衡欠超高困难。而方案一通过超高调整，再延长缓和曲线长度20 m，线路最大拨道量60 mm，施工切实可行的，现场也没有影响到其它设备，因此，方案一为首选方案。

曲线超高调整一般结合延长缓和曲线同步进行，通过曲线超高调整，解决了欠超高大于75 mm困难条件的曲线有158条，超高顺坡率大于1/（10 Vmax）困难条件有82条。

2.2 延长夹直线长度

车辆通过夹直线及两端超高顺坡地段时，在前一个顺坡地段产生的振动，应在进入后一个顺坡地段前消失，避免振动重叠。因此两超高顺坡终点间的直线段过短，会影响过渡时行车的平稳性。反向曲线与同向曲线相比，所承受外力的情况比较复杂，轨道几何尺寸比同向曲线难于保持。圆曲线与夹直线最小长度要求一样，满足表2的要求。

表2 圆曲线或夹直线最小长度

在具体曲线优化设计中，会经常遇到反向曲线。相邻两线在车站两端、站内和桥隧地段利用反向曲线变更线间距时，一般曲线半径都较大，曲线偏角也较小。延长夹直线长度设计方案(见图2)。

图 2 反向曲线示意图

(1)图 2（ a） 反向曲线的类型，以下行 K 114+453～K 114+600反向曲线为例，夹直线长度为67 m，不满足表2中160 km/h允许速度下夹直线长度大于80 m的困难要求，既有曲线要素：R-4 000 m，无缓和曲线。以夹直线中点为转点旋转一个角度，使夹直线长度为82.96 m，在设置曲线JD1和JD2时，曲线半径取值尽量相等，R取9 000 m，不设缓和曲线。最大拨道量为83/-83 mm，两曲线拨量相反，使工作量最小，优化后的曲线满足160 km/h允许速度下困难的行车条件。

(2)图2（b）反向曲线除了要旋转一个角度以外，还要控制曲线超高顺坡终点与正线道岔之间的直线长度，线路允许速度为120km/h（不含）～160km/h时不应小于40m。在设计拟合时，先把邻近控制点的曲线交点移至JD1'，再旋转一个角度。这种情况的反向曲线改造，拨量往往较大，外业测量时要做好路肩宽度，桥梁偏心情况，道岔，供电立柱限界及线间距等勘测。

(3)图2（c）反向曲线中两个曲线要素相差较大，一般是"喇叭口"的情况，两个曲线偏角有差别，这种情况需结合超高设置，缓和曲线长度的检算，延长夹直线长度时可以根据现场设备控制点灵活处理，根据需要曲线交点单边移动亦可。

既有线夹直线长度不足的情况五花八门，并不能以几种理想的类型加以概括。以站段现场养护的经验来说，曲线改造时，两相邻曲线间，尤其在反向曲线间，考虑在曲线拨移工程量允许条件下，尽量设置较长的夹直线。通过优化设计后，优化解决了有夹直线长度不足病害的曲线28处，曲线超高顺坡终点距道岔的夹直线长度不足的情况有4条。

2.3 延长缓和曲线长度及曲线半径的选配

曲线的构造无论是外股超高还是圆曲线的曲率都不可能突然进行的，均由直线与圆曲线之间的缓和曲线完成的。在缓和曲线范围内，其半径由无限大渐变到圆曲线半径，从而使车辆产生的离心力逐渐增加，有利于行车平稳；并且外轨超高由零递增到需要的超高量，使向心力逐渐增加，与离心力的增加相配合。

在既有线改造中，缓和曲线长度和曲线半径的选用，既要满足既有曲线行车的要求，又要使其拨量最小。在实际设计中应做到：

(1)考虑曲线超高顺坡的条件，优先选用缓和曲线。缓和曲线是一条空间曲线，情况复杂，采用较长的缓和曲线可以减小超高顺坡率，能够增加旅客舒适度。

(2)缓和曲线长度的选择必须同时考虑圆曲线的长度，不能延长缓和曲线太长，否则将减小圆曲线的长度，使客车同时跨越圆曲线两端的缓和曲线，影响行车的平稳性。

(3)现场的情况往往很复杂，受制于现场设备的限制而不能同时延长两端缓和曲线长度，为满足缓和曲线长度的要求，可以采用不等长缓和曲线长度。

优化设计延长了缓和曲线67条。

3 纵断面设计

线路大修的纵断面设计是在既有线原设计基础上进行，修正和改善原有纵断面上不符合技术要求的部分。因此，纵断面的优化设计，必然会受到原有建筑物的严格限制，车站内的天桥、上跨立交、站台及隧道等建筑净空的限制，道口、有碴桥石碴厚度、明桥面及道岔区等设备控制点的限制，一般来说是不能随意抬道或落道的。为线路大机起整施工用的线路纵断面优化设计，又区别于线路大修清筛的拉坡设计。具体优化设计时应注意以下几点：

(1)做好大机起整纵断面优化设计，原则上不能落道，理想是平均抬道20～50 mm，个别点有落道的，组织人工进行扒碴落道，落道工作量不能太大。

(2)竖曲线线型有抛物线和圆曲线两种，为了减少工作量，采用与原设计相同的线型。为降低养护维修难度和工作量，竖曲线不得与竖曲线、缓和曲线重叠，也不得进入道岔及无碴桥梁上。如遇到竖曲线进入道岔区等设备时，可以采用不同类型的竖曲线和技术参数，选用最合理的方案。竖曲线半径应根据线路行车条件和道床厚度选择较大的竖曲线半径。

(3)可以不设竖曲线的两坡段变坡点，为了列车通过变坡点不再受到其它附加力的影响，在条件允许的情况下，尽量将变坡点避开缓和曲线、道岔、无碴桥梁上及道口处。

(4)拉坡设计时，尽量采用较长的坡段，减少变坡点。最小坡段长度不仅与机车车辆的运行要求有关，而且与列车牵引质量和列车长度有关，较长的坡段长度有利于提高列车通过时的运行品质。但从节省投资的角度分析，较短的坡段能够较好地适应地形，减少工程量。因此，设计时需要选择一个合理的坡段长度，既要满足列车平稳性要求，又要尽可能地减少工程数量。

通过纵断面优化设计后，优化解决了萧甬线纵断面坡段长度不满足最小坡段长度有38处；石碴厚度不足的有碴桥梁有28座；纵断面竖曲线与缓和曲线重叠的情况有30处。

4 施工注意事项

平纵断面改造施工采用结合大型机械起道捣固同步完成曲线超高调整及拨道，既能发挥大型机械的作用和节约封锁天窗，又能保证曲线改造的拨道质量。施工时应注意：

(1)线路起道、拨道量大的地段先组织人工起起拨道，而且要分多次起拨道，特别是大起道地段，要及时卸碴。

(2)在直线上大机起整作业须开启激光对中进行线路起拨道；在曲线地段大机利用人工拨道曲线时间间隔，起整曲线头尾直线段，起整也须采用激光对中进行拨道。

(3)拨量大的曲线在完成前几次拨道施工后，不能简单的按设计拨量与前几次拨量的差值来决定后续大机拨道数据，需要用全站仪按既有线控制点重新测量、重新计算线路拨道量，为大机精确拨道提供准确数据。

(4)拨量大的曲线要计算出线路的缩短量，以及线路缩短量引起锁定轨温的变化值，锁定轨温差超过5℃要及时进行应力调整，连同曲线两头的直线区段作为一个单元锁定轨节，做好锁定轨温的记录。

5 施工效果和建议

(1)线路改造迅速改善及提高了线路质量，既满足了提速要求的行车条件，又解决了站段日常养护时难以处理的线路病害。尤其是曲线地段原来存在两个以上困难甚至特别困难条件，通过改造后只有一个困难行车条件或者成为一般行车条件。

(2)线路改造受资金和运输的限制，较大工作量的改造工程未实施，部分曲线地段仍存在两个及以上的困难行车条件，建议该曲线地段进行速度优化，降低行车速度以保持线路的稳定性。

(3)建议在资金允许情况下，进行线路大修清筛，以解决道床脏污、板结及道床冒浆等病害。