甬金线双高箱集装箱运输建筑限界适应性分析

凌烈鹏，周 游，孙加林，冯毅杰

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

1981年，由美国铸钢公司(ACF)制造的有固定端墙的双层集装箱货车开始在南太平洋铁路运行，这是世界上最早的铁路双层集装箱运输车辆，经过改造推广到美国各大公司，给铁路运输带来了巨大的经济效益。美国南太平洋铁路公司经过研究认为，采用双层集装箱平车比单层集装箱的单位运营成本(燃料费用和工资费用)节约1/3，而运输能力提高1倍以上[1]。发展铁路集装箱多式联运，对推进铁路供给侧结构性改革、扩大铁路有效供给、更好发挥铁路优势、降低全社会物流成本等具有重要作用。为此，国家特别制定了《“十三五”铁路集装箱多式联运发展规划》[2]，大力推进双层集装箱运输。

到目前为止，根据国际标准化组织(ISO)第104技术委员会制定的国际标准及GB/T 1413—2008《系列1集装箱 分类、尺寸和额定质量》[3]规定，建造和使用的国际通用标准集装箱共有13种规格。其宽度均为 2 438 mm。长度有5种，分别为 13 716，12 192，9 125，6 058，2 991 mm。高度有4种，其中3种分别为 2 896，2 591，2 438，另一种小于 2 438 mm。高度为 2 896 mm 的集装箱目前普遍用于货物运输，长度均在 12 192 mm 以上。

根据铁运〔2007〕125 号 《铁路双层集装箱运输管理办法》第9条规定[4]，双层集装箱专用车车辆限界应符合GB 146.1—83《标准轨距铁路机车车辆限界》[5]，装车后距轨面最大装载高度不得超过 5 850 mm，因此在实际运输中最高装载只能采用 2 591 mm 高度的集装箱与 2 896 mm 高度的集装箱组合而成的双层集装箱装载运输方式[6-8]。

目前双层集装箱运输主要采用的是X2K和X2H型运输平车，根据中国中车制造的X2K和X2H型运输平车的参数显示，双层集装箱装载方案分为3种。

方案A：下层2×6 096 mm，上层1×12 192 mm/13 716 mm/14 630.4 mm/16 154.4 mm，载重780 kN。

方案B：下层1×12 192 mm，上层1×12 192 mm/13 716 mm/14 630.4 mm/16 154.4 mm，载重610 kN。

方案C:下层2×6 096 mm (重箱)，上层2×6 096 mm(空箱)，载重610 kN。

由此可知，如果不考虑铁运〔2007〕125 号《铁路双层集装箱运输管理办法》[4]中对装载高度的限制，X2K和X2H型运输平车可以采用方案B，即2个高箱叠拼的装载方式，运输更大体积的货物，提高运输的效率。因此有必要对双高箱集装箱限界进行研究，在提高运输能效的同时，保障列车的运行安全。

1 双高箱集装箱偏移量分析

车体偏移量计算有静态计算、准静态计算和计算机仿真几种方法。计算机仿真则是通过对车辆、线路和轮轨接触关系建模，模拟车辆运行时受外界因素如轨道不平顺、横风荷载等激扰而产生的振动，可以更准确地估算车体的最大偏移量。为了使得分析数据更加与实际情况想接近，在本次分析中主要采用准静态计算和计算机仿真相结合的方式开展。

1.1 动力学模型的建立

本文利用SIMPACK软件建立X2K和X2H运输平车模型，其中装载集装箱均采用2个高度 2 896 mm集装箱叠拼，分别考虑重车和空车2种工况，其中重车工况为集装箱满载，空车工况为集装箱空载[9-10]。另外，装载最不利条件为上下层集装箱装载相同重量，且单个集装箱装载条件下重心不超过其中心位置。

X2K和X2H车辆质量为22 t，重心高度为0.65 m，集装箱装载面高度0.305 m。

1)双高箱集装箱均为空载

集装箱质量为4.72×2=9.44 t，集装箱重心高度为0.305+2.896=3.201 m。

装载双高箱集装箱运输车辆的重心高度为

2)双高箱集装箱均为满载

集装箱质量为30.48×2=60.96 t，集装箱重心高度为0.305+2.896=3.201 m。

装载双高箱集装箱运输车辆的重心为

1.2 动力学仿真结果

将仿真结果与文献[11]的实测数据进行对比，以验证模型的可行性。

装载双高箱的X2H和X2K型平车在重车和空车条件下，车体偏移量最大值统计结果见表1—表4。

由表1—表4可得到如下结论：

1)X2H型空车在无侧风作用时，车体横向、垂向最大偏移量分别为164.13，23.68 mm；承受侧风作用时，车体横向、垂向最大偏移量分别为225.24，48.96 mm。

表1 X2H型空车车体偏移量最大值统计

表2 X2H型重车车体偏移量最大值统计

表3 X2K型空车车体偏移量最大值统计

2)X2H型重车在无侧风作用时，车体横向、垂向最大偏移量分别为219.60，32.24 mm；承受侧风作用时，车体横向、垂向最大偏移量分别为253.01，37.73 mm。

3)X2K型空车在无侧风作用时，车体横向、垂向最大偏移量分别为155.68，22.34 mm；承受侧风作用时，车体横向、垂向最大偏移量分别为214.23，32.83 mm。

表4 X2K型重车车体偏移量最大值统计

4)X2K型重车在无侧风作用时，车体横向、垂向最大偏移量分别为233.44，39.01 mm；承受侧风作用时，车体横向、垂向最大偏移量分别为271.95，47.39 mm。

2 双高箱建筑限界适应性分析

2.1 双高箱建筑限界

铁路建筑限界最大高度的影响因素主要有车辆高度(装载方案、垂向偏移量)、接触网(接触网悬挂方式、导线高度、结构高度、带电体对地绝缘距离)、施工影响(施工误差、工务抬道)及安全裕量。

铁路建筑限界最大宽度的影响因素主要有车辆限界宽度、车辆构造误差、列车运行中横向振动偏移量、轨道状态(线路超高、线路曲线、线间距)等[12]。

2.1.1 最大高度值

接触网导线高度是指悬挂定位点处接触线距轨面的垂直高度。TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》[13]规定：接触线工作支悬挂点距轨面的高度应根据车辆装载高度、空气绝缘距离、冰雪附加载荷、工务维修、施工误差以及受电弓的工作范围等因素综合确定。

另外，TG/01—2014《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》[14]第203条规定：接触网带电部分与固定接地物的距离，不小于300 mm，至机车车辆活装载货物的距离不小于350 mm。

因此，根据双高箱装载方式计算，X2H和X2K型运输车辆集装箱承载面高度小于305 mm，双高箱集装箱叠拼高度为 2 896+2 896=5 792 mm，根据上述仿真计算得到极端条件下双高箱集装箱装载运输垂向最大偏移量为48.96 mm，合计车辆理论装载高度为305+5 792+48.96=6 145.96 mm，取整为 6 150 mm。另外，考虑综合带电体对地绝缘距离、施工影响、安全裕量等因素，可获取接触网导线高度。具体为：①考虑25 kV带电体距机车车辆或装载货物间隙350 mm。②考虑施工误差30 mm。③考虑导线覆冰等因素50 mm。④考虑工务抬道等其他因素约50 mm。

综上可知，最低导线高度为 6 630 mm。

本次研究的双高箱集装箱装载高度与既有双层集装箱装载高度差为 2 896-2 591=305 mm，而上述研究的双高箱集装箱运输建筑限界中的接触网导线高度为 6 630 mm，比既有双高箱集装箱建筑限界中的接触网导线高度高300 mm。另外，根据相关资料显示，在前期关于双高箱集装箱接触网导线高度研究中直接采用在既有的双层集装箱装载标准上增加305 mm，即双高箱集装箱接触网最小导线高度采取 6 635 mm，并已在部分研究中应用，与本次研究的差异较小。为了统一考虑，本次研究的双高箱集装箱接触网最低导线高度取 6 635 mm。

另外，接触网悬挂方式、结构高度均根据既有规范取1 100 mm，基于上述导线高度可推算出限界最大高度在原设计值基础上增加305 mm，即 8 265 mm。

2.1.2 最大宽度值

我国高速铁路建筑限界基于静态限界理论进行研究，在双高箱装载车辆限界的基础上计算最大宽度值并考虑以下几个方面：

1)车辆运行时的横向动态偏移量。

根据前期研究成果及仿真分析结果可知，双高箱集装箱运输车辆在极端条件下的最大横向偏移量为271.95 mm。

2)车辆各部件之间的游间、车辆允许制造误差引起的横向偏移量

车辆构造引起的横向偏移量主要包括车轮与轨道之间的游间(22 mm)、车轮轮缘磨耗(10 mm)、车辆各部件之间的游间(83 mm)及车辆制造误差(20 mm)，总计最不利情况下车体横向最大偏移量为135 mm。

3)现场施工误差

考虑线路的施工误差50 mm。

综合上述影响因素可知，在最不利状态下车体横向最大偏移量为：Δy=271.95+135+50=457 mm(取整)。

另外考虑50 mm的安全裕量，车辆的横向最大偏移量为507 mm。

根据车辆限界尺寸最大宽度值 3 400 mm，可计算得到建筑限界最大半宽值为 1 700+507=2 207 mm。因此，既有的建筑限界半宽值 2 440 mm 有足够富裕空间。

X2K和X2H型平车宽度为 2 912 mm，集装箱宽度为 2 438 mm，其车辆底部半宽值远小于建筑限界尺寸半宽值 2 440 mm，集装箱顶部半宽值 1 219+507=1 726 mm，满足《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》[14]中双层集装箱运输铁路桥隧建筑限界上部宽度限界值 1 760 mm 的要求，仍有安全裕量。

因此，开行双高箱集装箱运输车辆的基本建筑限界宽度值仍可采用既有规范中规定的最大宽度要求值。

2.1.3 曲线加宽

建筑限界的基本尺寸都是针对水平直线地段的线路制定的。当车辆运行在曲线上时由于车辆的纵向中心线与线路中心线不一致，致使车体中部向曲线内侧凸出，车体端部向曲线外侧凸出，形成车辆在曲线上的几何偏移；二是由于曲线设有超高，造成车体向曲线内侧倾斜，车体的垂向中心线偏离铅垂线，产生超高偏移。因此，为保证曲线上的建筑限界与机车车辆间仍有足够的安全裕量，必须对建筑限界进行曲线加宽。建筑限界曲线内侧需进行几何偏移量加宽和超高偏移量加宽，外侧仅有几何偏移量加宽，其计算公式分别为

式中：W1为曲线内侧加宽值，mm；W2为曲线外侧加宽值，mm；R为半径，m；H为计算点距轨面高度，mm；h为外轨超高值，mm。

双高箱装载方式车辆对曲线加宽无特别要求，其曲线建筑限界和桥隧建筑限界可直接采用既有技术规程中规定的加宽办法。

2.1.4 基本限界

综合上述分析结果可知，对双高箱限界影响最大的参数是车辆高度引起的限界最大高度的变化，而最大宽度变化并不大，可忽略不计。因此双高箱限界可直接对《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》[14]中规定的双层集装箱运输装载限界及双层集装箱运输铁路建筑限界的高度进行相应地增加。

基于既有的双层集装箱运输装载限界及双层集装箱运输铁路建筑限界，本论文新修正的适用于双高箱集装箱运输的装载上部限界和基本建筑限界见图1。基于既有的电力牵引双层集装箱运输桥隧建筑限界修正后的双高箱集装箱运输的桥隧建筑限界见图2。

图1 双高箱集装箱运输装载上部限界及基本建筑限界(单位：mm)

图2 电力牵引双高箱集装箱运输桥隧建筑限界(单位：mm)

新修改的建筑限界与《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》[14]中规定相比，仅最大高度和导线最低高度发生了变化。

2.2 隧道适应性分析

隧道内轮廓主要考虑以下因素：①建筑限界和线间距；②缓解空气动力学效应对隧道净空横断面面积的要求；③养护维修、救援、工程技术作业和其他使用要求所需的空间。根据铁建设函〔2005〕285号《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》[15]及铁建设〔2005〕140号《新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定》[16]，设计行车速度为200 km/h时双线隧道净空横断面面积不应小于80 m2，隧道内救援通道距线路中线不应小于2.3 m，救援通道宽度不宜小于1.5 m，净高不应小于2.2 m。

新建甬金线设计采用的双线隧道最小线间距为4.4 m，见图3。可见，其隧道断面不满足双高箱集装箱运输桥隧建筑限界要求，最大入侵量大于219 mm。

图3 隧道断面适应性对比(单位：mm)

2.3 桥梁适应性分析

根据设计规范要求，桥面宽度应符合以下要求：①线路中心线距挡砟墙(或防撞墙)内侧最小距离不应小于2.20 m；②线路中心线距接触网支柱内侧最小距离不应小于3.0 m；③线路中心线距作业通道栏杆或声屏障内侧最小,距离不应小于4.1 m。因此，在提出的建筑限界以外，桥梁上有足够的净宽安装设备和设置作业通道。修正后的双高箱集装箱运输限界除高度增加外，宽度均无变化，对于简支梁、连续梁、连续钢构桥梁影响仅限于接触网高度调整，其他无影响。对于系杆拱桥梁须要核定其系杆垂直轨道横断面最低净空高度及公跨铁桥桥下净空高度。

2.4 接触网适应性分析

由于我国特殊的运输需求，目前客货共线双层集装箱线路接触网导线的高度为 6 450 mm，如石太、合武、汉宜等线路。这给动车组受电弓与不同区段接触网的弓网适应性带来了困难，原来的受电弓性能很难既满足300 km/h线路 5 300 mm 的接触网导线高度，又满足250 km/h线路 6 450 mm 的接触网导线高度。

目前，多条线路出现了跨线运行动车组弓网不适应问题，如：北京至青岛的CRH380BL动车组，广州南至厦门的CRH380A和CRH380BL动车组，跨京广高铁至太原、宜昌等线路的动车组。相关业务部门也在积极组织对受电弓进行试验和性能调整，用以解决跨线运行动车组受电弓性能优化问题，为铁路的运行安全提供保证。

综上分析可以认为，目前我国客货共线铁路接触网导线高度均在 6 500 mm 以下，暂且尚无任何 6 500 mm 以上接触网运行试验经验，更无在此条件下开行动车组经验，而开行双高箱集装箱线路接触网最低导线高度为 6 635 mm，在此条件下应充分研究解决动车组弓网适应性问题。

由于接触网是露天设施，使用条件恶劣且没有备用，所以其安全性对行车就极其重要，TB 10009—2016规定：在最大风速条件下，接触线距离受电弓中心的最大水平偏斜值，一般地区不得大于500 mm，与大风方向一致的山口、谷口和高架桥、特殊重要桥及安装支柱极其困难的桥范围内不得大于450 mm。

在运行可能的情况下，接触线在水平面上的位置应考虑到由于车辆的摇动或风引起的接触线的偏移及支持装置的扰动等，必须使接触线的偏移值处于受电弓的有效宽度范围内。

由于机车在运行过程中受到轨道运行曲线、横向风等作用，过道岔及通过不良线路时所受到的惯性力作用，将使机车车体发生水平摆动，进而引起受电弓水平横移。

根据上述仿真分析结果可知，双高箱集装箱装载运输车辆在极端工况条件下车体横向最大偏移量为272 mm(取整)，双高箱集装箱装载车辆仿真模型装载高度为 6 097 mm，双高箱集装箱线路接触网导线高度取 6 635 mm，以线路中心为车辆摆动中心考虑，计算得受电弓水平偏移量为296 mm，满足要求。

为了对上述弓网结构、受流性能进一步验证，有必要进行现场双高箱集装箱运输模式下动态试验，如限界试验、弓网受流性能试验，具体试验方案需根据现场情况组织实施。

3 结论

1)基于SIMPACK软件的动力学仿真，对于采用X2K和X2H型双高箱集装箱的运输车辆，在速度为25 m/s 的横向风作用下，其最大横向偏移量为271.95 mm，最大垂向偏移量为48.96 mm。

2)双高箱限界影响最大的参数是车辆高度引起的限界最大高度的变化，而最大宽度变化并不大，仍采用既有规范要求的最大半宽值 2 440 mm。基本建筑限界最大高度值在原设计值基础上增加305 mm，即为 8 265 mm。

3)新建甬金线基础构筑物对双高箱集装箱限界不适应于最小线间距4.0 m条件下的双线隧道断面，对于系杆拱桥断面净空高度及公跨铁桥下净空高度需要进一步复核。

4)双高箱集装箱限界条件下的接触网最低导线高度为 6 635 mm，目前接触网无此高度条件下的运行试验经验，建议对弓网结构、受流性能做进一步验证，有必要进行现场双高箱集装箱运输模式下动态试验。