兰新铁路第二双线穿越大风区综合选线研究

张太红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

兰新铁路第二双线穿越大风区综合选线研究

张太红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

大风区段对铁路的建设及运营安全存在着各种危害，高速铁路由于具有速度高、车体轻的特点，其安全受到强风威胁会更大，高速铁路穿越大风区防风设置是世界性难题，目前尚无已成功运营的先例，高速铁路大风区综合选线需综合考虑防风设置、防排水、防沙、接触网防风等因素，科学合理进行方案比选研究。通过分析新疆境内四大风区分布及特点，利用既有兰新铁路设施及防风科研成果，对兰新铁路第二双线在穿越大风区段落综合进行选线设计研究，充分分析路基地段的防风设施设置以及线路平纵断面的防风布置选择，确保高速铁路在大风区安全、快速通过，以确定科学、合理的线路设计方案。

兰新铁路第二双线； 大风区； 线路平面；纵断面设计；综合选线

1 项目概述

新建兰新铁路第二双线正线全长1 776 km，速度目标值为200 km/h以上，为以客运为主的高等级快速铁路干线。线路横跨甘肃、青海、新疆三省区，其中新疆境内线路长度710 km，建成后将是亚欧大陆桥快速通道的重要组成部分，在国民经济与路网中均具有非常重要的意义和作用。线路主要通过甘肃境内安西风区和新疆境内的烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区五大风区。全线大风区线路的长度合计579.599 km，占线路总长的32.6%。新疆境内线路通过大风区长度462.409 km，占新疆段线路总长的65.1%。

1.1 沿线大风区概况

本线大风区自然条件恶劣，人烟稀少，多为戈壁，是我国乃至世界上铁路风灾最严重的地区之一。其中以新疆境内的百里风区、三十里风区的风力最为强劲，历史以及近年来多次威胁兰新铁路、南疆铁路的行车安全和造成翻车等重大安全事故。新疆铁路沿线主要风口分布见图1。

图1 新疆铁路沿线主要风口分布

根据既有资料，新疆铁路大风地区大风主要有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、变化速度快的特点。

风速高：据现场实测，百里风区最大风速达60 m/s，新疆铁路风区是全世界铁路内陆大风风速最高的地区。百里风区风速分布以既有兰新线十三间房附近为最大，东西两端递减。

风期长：上述主要风口一年中的大风天数也相当高，大于8级风的大风天数基本上都超过百天，大于12级的概率在10%～15%。近年来由于全球气候变化，大风天数增加十分明显。据2002年至2007年乌局大风监测资料统计，兰新线百里风区大风天数约131 d，兰新线三十里风口地区大风天数约121 d。

季节性强：每年冬春交替季节大风最为集中，占全年大风天数的30%以上，风速也最大。秋冬交替季节大风天气也较多，但最大风速小于冬春交替季节。由于近年地球环境变化的因素，夏季大风有增多的趋势。

风向稳定：风区大风主要受寒潮天气影响，因素单一，加之区域辽阔平坦，每次大风所经路线较为固定，主风向主要在NW0°～40°范围内。

起风速度快：风区大风天气起风速度约在15～40 min内风速可由0～5 m/s迅速增加到19～20 m/s以上。以2008年4月17日开始的一场大风为例，十三间房西测风点风速从22:37～22:54由0.8 m/s迅速增加到了19.1 m/s，只用了17 min；铁泉西2测风点风速从1.2 m/s增加到20 m/s只用了15 min，其后用了不到1.5 h风速便达到了32.7 m/s(12级)以上。风区起风速度之快实属罕见，大风突如其来，具有较强的破坏性。

1.2 大风对铁路安全的危害

根据对既有线运营的经验总结和大风对既有线的危害分析，新建铁路运营面临列车倾覆、轨道积沙、沙石击碎玻璃、接触网受流不稳、列车停运、限速天数多等问题，严重影响铁路运营安全及正常运营。

新建兰新第二双线速度目标值高、车体轻，大风对铁路运营的威胁远甚于既有铁路，因此，为了保证铁路行车安全及大风环境下正常运营，大风区进行综合选线设计及设置防风设施十分必要。

2 强风区高速铁路设计采用的主要防风结构形式

为了解决兰新铁路第二双线大风区工程设计面临的技术难题，满足各阶段勘测设计的需要，在广泛调研、搜集已有防风资料的基础上，我院先期与中南大学、西南交大等院校合作，开展了路基、桥梁、防风明洞的防风科研工作。

风区内线路防风设施主要有单侧挡风墙、双侧挡风墙、半封闭防风走廊、防风(渡槽)明洞、桥梁挡风屏等，动模型实验模型及实验情况见图2。

图2 模型实验情况

3 大风区高速铁路综合选线设计原则研究

兰新第二双线线路经过大风区地段长，完全绕避风区不可能，加上兰新第二双线采用的设计速度远远大于既有兰新线，因而选线原则特别重要，在尽量减少穿越大风区的情况下，合理选择线路走向及进行必要的措施，对降低工程造价、避免行车事故、提高运输安全有着极其重要的作用。

以下综合沿线大风分布情况及特点，参照既有兰新铁路防风成果及铁一院同其他科研单位前期研究成果，充分考虑拟采用的防风设施，兼顾沿线戈壁漫流区地形、地质条件，对高速铁路穿越大风区选线进行综合研究。

3.1 线路平面位置及线形的选择

根据大风区风向特点及既有铁路运营经验和实验资料，高速铁路穿越大风区平面选线设计中，除了要考虑一般地区铁路选线的要求外，还应主要遵循以下原则。

(1)平面线位宜选择在靠近既有铁路下风口一侧平行布设

靠近既有铁路，能充分利用已经多年运营的既有兰新铁路防风设施和防风成果、试验资料，并在此基础上进一步开展科研实验研究，更大限度保障高速铁路运营安全。

线位选择在平行既有铁路下风口一侧，能充分利用既有防风设施，一定程度降低大风风速和强度，减弱大风对高速铁路的影响。

(2)平面线位宜选择以直线穿越大风区

根据防风实验成果，铁路选线宜直线通过大风区，可以较大限度减少因右偏曲线兜风对防风带来不利因素，同时以最短距离穿越风区，减少风害的影响，因此尽量采用直线穿越大风区，不可避免时尽量以较大曲线半径快速通过风区。

3.2 线路纵断面设计的选择

依据既有铁路运营经验和实验资料，结合兰新第二双线在大风区设置的防风工程设施可以看出，高速铁路穿越大风区线路纵断面设计中，除了要考虑一般地区铁路选线的要求外，还应主要遵循以下原则。

(1)风区线路纵断面宜选择以低填方和路堑通过

根据高速铁路在风区设置的防风设施可以看出，风区线路纵断面设计应尽量避免高填方，宜选择以低填方和路堑通过，减少防风设施设置，节约工程投资。

(2)在满足防洪要求条件下降低铁路高程，减少桥梁高度

在满足防洪要求下线路纵断面尽量压低，以降低铁路高程，避免大于30 m的高桥出现，确保高速铁路在大风区运营安全。

3.3 路基地段防风设施设置主要研究

根据实验数据及理论计算结果，综合列车运行标准的均衡匹配，适当兼顾防沙因素，可以得出挡风墙设置高度的综合结论。

(1)路堑

路堑深度≥5 m时，宜在堑顶设置不小于2.0 m的挡风墙，此时在环境风速不超过45 m/s条件下，动车组可以以推荐运行规则安全运行。

2 m<路堑深度≤5 m时，宜在堑顶设置不小于3.0 m的挡风墙，此时在环境风速不超过45 m/s条件下，动车组可以以推荐运行规则安全运行。

路堑深度≤2 m时，宜在堑顶设置不小于3.5 m的挡风墙，此时在环境风速不超过45 m/s条件下，动车组可以以推荐运行规则安全运行。

(2)路堤

路堤高度≤3 m 时，宜在路肩设置不小于4.0 m高的挡风墙，此时在环境风速不超过45 m/s条件下，动车组可以以推荐运行规则安全运行。

3 m<路堤高度≤5 m时，宜在路肩设置不小于4.0 m高的挡风墙，此时在环境风速不超过45 m/s条件下，动车组可以以推荐运行规则安全运行。

5 m<路堤高度≤7 m时，宜在路肩设置不小于3.5 m高的挡风墙，此时在环境风速不超过40 m/s条件下，动车组可以以推荐运行规则安全运行。

路堤高度>7 m时，宜设置封闭(半封闭结构)，此时在环境风速不超过50 m/s条件下，动车组可以以推荐运行规则安全运行。若设置单侧挡风墙结构，则在环境风速不超过35 m/s条件下，动车组可以以推荐运行规则安全运行。

需指出的是，路堤状况下挡风墙的防护效果同路堤高度、环境风速密切相关。就列车气动性能而言，路堤越高，大风的增速效应越明显，挡风墙所能防护的环境风速越低。对于相同状况下路堤，环境风速增大，4.0 m高挡风墙的防护效果要优于3.5 m，但墙高再进一步升高会在二线产生负压。对于高路堤，挡风墙所能防护的环境风速值是降低的，4.0 m墙高以上再升高墙高就意义不大了。因此，就路堤而言，仅考虑列车倾覆力矩，挡风墙的最优高度应为路肩以上3.5～4.0 m。具体设置时，还应考虑挡风墙设置的均衡、连续、景观以及适度防沙，综合设置。

3.4 与线路方案研究中防风相关的其他设计研究

(1)线路平纵断面选择中防风与防排水的综合选择

大风区大部分位于戈壁荒滩区，考虑防风设施设置安全及节约投资，线路纵坡设置较低，必定会对戈壁漫流区排水造成较大影响。铁路选线中应进行综合比选，既要考虑节约投资，又要考虑满足排水要求，科学合理进行防排水处理，以满足高铁运营安全。

(2)线路平纵断面选择中防风与防沙的综合选择

风区内往往沙害伴随大风发育，特别是大风吹起的沙砾对行车危害较大，在设置挡风墙后，因线路纵坡设置较低，在沟口地形、低路堤、浅路堑、顺坡等地段线路上的积沙问题可能会比较突出，除了本次设置的防沙措施外，运营中应做好风沙监测和及时清理积沙的工作。

(3)线路平纵断面选择中防风设施对接触网的影响

由于低挡风墙对接触网处的风速具有加速效应，目前的挡风墙设置主流是恶化了接触网的受力条件，接触网必须通过自身加强来解决。需结合目前的挡风墙设置对列车较高速度运行时，大风条件下接触网结构的可靠性、耐久性进行深入研究，依靠接触网本身的工程措施保证挡风墙设置后接触网设备的安全性及可靠性。

4 兰新第二双线新疆段穿越大风区综合选线具体设计研究及说明

4.1 烟墩风区

该风区东起DK1123+063，西至DK1256+000长129.325 km，该段线路一直走在兰新铁路的南侧，在既有烟墩车站前上跨既有线走在既有兰新线北侧，后接入既有哈密站。该风区的平均风速相对较小，设计中主要考虑以挡风墙为主的防风结构形式。为了节省工程投资，线路平纵断面设计中尽量考虑以低填方的路基通过，减少桥梁工程，尤其是高桥的出现。该区段内共设桥3 428 m/4座，隧道1座长1 050 m。

4.2 百里风区

该风区东起DK1370+000，西至DK1540+000，长170.114 km，该段线路一直走在既有兰新铁路南侧，由于该风区风速大，风期长等特点，本次设计中采用重型防护，主要以防风明洞为主。结合防风工程的设置和线路防排水设计，本段线路平面主要以直线通过，防止因右偏曲线兜风对防风带来不利；线路纵断面设计尽量采用低填路堤和深挖方路堑的路基工程通过，深挖方的路堑地段采用防风明洞上排水。在该段范围内平纵断面设计中严格控制桥梁座数、长度和高度，特别是高度大于30 m的高桥，更要加以严格控制，仅在柳树泉南出站D1K1372+190.00处的百里风区进口影响较弱区，由于受地形、地质条件限制，出现1座淀泉特大桥外，其余桥梁的桥高均小于30 m。该段风区共设桥18 665 m/34座，隧道5座长5 833.0 m。

4.3 三十里风区

该风区东起DK1656+000，西至DK1746+227，长86.398 km，该段线路一直走在既有兰新铁路南侧，三十里风区，是内陆风力最为强劲的地区之一。大风曾多次造成既有兰新、南疆铁路翻车、停轮，给铁路运输带来了巨大的经济损失和严重的社会影响，设计中对该风区的重点段落采用重型、重点防护。该段线路需翻越天山山脉，受地形地质条件的限制，该段线路80%以上段落为足坡地段。线路纵断面设计中尽量结合防风工程的设置，在坡度允许的情况下采用低路堤、深路堑和低高度桥梁，以减小防风工程的投资。该段风区共设桥19 415 m/26座，隧道2座长2 738 m。

4.4 达坂城风区

该风区东起DK1746+227，西至DK1822+760，长76.572 km，该段线路一直走在既有兰新铁路南侧，过达坂城湿地后上跨既有兰新线，线路走在吐乌大高速公路北侧。该风区的平均风速相对较小，设计中主要考虑以挡风墙为主的防风结构形式。为了节省工程投资，线路平纵断面设计中尽量考虑以低填方的路基通过，减少桥梁工程，尤其是高桥的出现。该区段内共设桥16 081 m/45座，隧道4座长7 707 m。

5 结语

高速铁路穿越大风区防风设置是世界性难题，目前尚无已成功运营的先例，高速铁路大风区综合选线需综合考虑防风设置、防排水、防沙、接触网防风等因素，科学合理进行方案比选研究，从而得出比较经济合理的线路方案，最大限度在节约工程投资基础上达到满足高速铁路在风区安全、快速运营。兰新铁路第二双线已于2014年12月27日开通运营，经受住了2015年第一个春运大客流的考验，全线路基、桥梁、隧道等基础设施状态良好，列车运行安全平稳，社会效益和经济效益显著。

[1] 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．

[2] 中华人民共和国铁道部.中长期铁路网规划(2008年调整)[S].北京:中华人民共和国铁道部，2008．

[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司，兰新第二双线防风工程初步设计总说明书[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2012.

[4] 李斌.兰新线风区段铁路大风气象灾害及防风措施[J].大陆桥视野，2007(6)．

[5] 张毅.兰新第二双线防大风灾害措施选择研究[J].甘肃科技纵横，2009(3)：137，133．

[6] 孙成访，董汉雄，胡智炜.兰新铁路百里风区挡风墙设计[J].铁道建筑，2009(6)：93-95．

[7] 程建军，庞巧东.戈壁强风区挡风构筑物限制下列车气动力学特性分析[J].铁道标准设计，2013(1)：1-5．

[8] 刘长利.强侧风下接触网响应特性及弓网运行安全分析[J].铁道标准设计，2013(2)：105-109.

[9] 姚立强，左合君，李钢铁，等.临策铁路戈壁段路堤二维风速流场特征研究[J].铁道标准设计，2013(9)：4-9．

[10]刘改红.风区挡风墙/屏影响下接触网设计风速计算研究[J].铁道标准设计，2013(9)：90-93．

[11]郝国林，杨有海，刘辉，等.太中银铁路典型地段沙害治理效果研究[J].铁道标准设计，2014(1)：24-27．

[12]靳宝成.铁路拱形防风明洞风荷载研究[J].铁道标准设计，2014(4)：61-64．

The Alignment of Second Double Track of Lanzhou-Urumqi Railway in Gale Area

ZHANG Tai-hong

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd.， Xian 710043， China)

Gale area exposes hazards to railway construction and operation. The high-speed railway characteristic of high speed and light car body is more venerable to strong wind. High speed railway passing through strong wind zones has become a world wide problem without successful operational practices. There are many factors to be considered for integrated alignment of high-speed railway， such as wind proof setting， dewatering and drainage， wind sand and some others. This paper analyzes the distribution and characteristics of the four major wind zones in Xinjiang. With reference to the existing facilities and the results of windproof research on Lan-Xin railway， the alignment of the second double track of Lan-Xin railway is studied with focus on the setting of windproof facilities along the subgrade section and their distributions in the level longitudinal profile in order that the safety of high-speed train to pass wind zones is ensured and rational selection of alignment is determined．

Lan～Xin railway second double， Gale area， Line plane， Longitudinal profile， Integrated alignment

2014-10-23；

2014-11-07

铁道部科技研究开发计划(2010G019-G)

张太红(1980—)，男，工程师，2004年毕业于兰州交通大学，工学学士，E-mail：lzzth@126.com。

1004-2954(2015)07-0028-04

U212.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.008