市域铁路限界研究

陈 波，林 飞，蔡超勋

(1.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；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速轮轨关系试验室，北京 100081；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063； 4.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)

市域铁路是一种伴随着我国城镇化发展而兴起的新型轨道交通系统，其客流强度、设计速度都介于城际铁路与城市轨道交通之间。由于没有统一的建设标准，我国开通运营及在建的市域铁路存在交叉采用地铁及国铁技术标准的情况。就限界而言，除广佛肇(广州—佛山—肇庆)城际等线路外，大多数采用地铁限界标准，并根据速度进行计算，部分线路对于区间建筑限界还按照路基、隧道及桥梁分别考虑。市域铁路与国铁或城市轨道交通有贯通运营要求时，要考虑限界兼容的可行性，就必须统一限界标准。为此，需要对市域铁路运用的车辆技术规格简统化，并根据车辆技术参数，研究制定市域铁路车辆限界和建筑限界。

1 车辆技术规格

车辆类型根据市域铁路的功能定位、预测客流量、线路条件、运输能力等因素综合确定。目前确定的市域铁路车辆类型有市域A型、市域D型和CRH市域型，根据车体宽度分为窄体车和宽体车。其中，窄体车的技术规格与地铁A型车相近，宽体车的技术规格与城际动车组相近，主要技术参数见表1。

2 市域铁路车辆限界的制定

市域铁路车辆尺寸较小，窄体车尺寸与地铁车辆接近，与客运专线铁路机车车辆限界轮廓之间的间隙

表1 市域铁路车辆主要技术参数

注：Δ为司机室加长量。

较大，仍沿用该限界的轮廓尺寸已不合适。另外，市域铁路运营车辆单一，依据市域铁路车辆的技术参数制定车辆限界，更为经济实用。

2.1 车辆上部限界

市域铁路属于客运专线铁路，其车辆上部限界参照客运专线铁路机车车辆上部限界轮廓尺寸，依据市域铁路宽体车和窄体车的最大半宽、落弓高度制定。

车辆上部限界的最大高度由车辆空载状态下垂直面内的最大尺寸所确定，受限于车辆落弓高度。市域铁路宽体车和窄体车的落弓高度分别小于等于 4 640，4 450 mm，取整确定宽体车和窄体车的车辆限界最大高度分别为 4 700，4 500 mm。车辆上部限界的最大半宽由车体静态半宽、最大标准公差和磨耗限度确定。市域铁路宽体车和窄体车的最大半宽分别为 1 650，1 500 mm，车辆制造公差和磨耗引起的车辆横向最大静偏移按25 mm考虑，确定宽体车和窄体车的车辆限界最大半宽分别为 1 675，1 525 mm。

2.2 车辆下部限界

车辆下部限界规定了车辆下部设计制造的垂直尺寸不得突破的界限，该界限计入了车辆静载条件下的弹簧静挠度以及最大磨耗。市域铁路车辆的悬挂参数与普速铁路运行的车辆相近，车辆下部限界轮廓尺寸参照TG/01—2014《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》[1]中的“客货共线铁路机车车辆限界”制定，除最大半宽改为 1 675 mm(宽体车)和 1 525 mm(窄体车)外，还将底部的(1 260,90)点与(1 675/1 525,350)点改为斜线直接相连。

2.3 车辆限界轮廓及基本尺寸

综合以上分析，沿用GB 146.1—83《标准轨距铁路机车车辆限界》[2]中规定的车辆限界图式表示方法，根据采用的车辆类型不同，确定了2种市域铁路车辆限界轮廓，如图1—图4所示。

图1 市域铁路宽体车上部限界轮廓及基本尺寸(单位：mm)

图2 市域铁路宽体车下部限界轮廓及基本尺寸(单位：mm)

图3 市域铁路窄体车上部限界轮廓及基本尺寸(单位：mm)

图4 市域铁路窄体车下部限界轮廓及基本尺寸(单位：mm)

3 车辆振动偏移量计算

车辆限界宽度和车辆运行中的振动偏移量是建筑限界宽度的主要影响因素，车辆限界确定后，还须对车辆振动偏移量进行分析。理论计算和动力学仿真是分析车辆振动偏移量的常用手段[3-6]。理论计算能够考虑悬挂偏移的极限状态，动力学仿真能够考虑车辆悬挂参数、运行速度、风载、线路条件等因素的影响。本文采用2种方法分别计算了车辆外轮廓的动态包络线，从而能够充分考虑到各种因素对车辆振动偏移量的影响。

3.1 计算条件

采用UM(Universal Mechanism)软件进行动力学仿真，计算模型应采用车辆实际技术参数建立，非线性单元如止挡力特性、减振器阻尼特性、轮轨接触关系等都不作线性化处理。理论计算公式见CJJ 96—2003《地铁限界标准》[7]的规定。

动力学仿真和理论计算的最高速度按设计速度的110%取值，即宽体车取176 km/h，窄体车取154 km/h。根据TG/01—2014《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》[8]对动车组在风区运行和通过站台的规定，侧风工况的最大风速取30 m/s，列车通过侧线站台时考虑最大侧风风速取15 m/s。

车辆计算点坐标见表2，其中Y0，Z0分别表示计算点的横向和垂向坐标。

3.2 计算结果

按2种方法计算得到的车辆动态包络线见图5和图6。由于2种方法考虑的因素不尽相同，计算结果有一定的差别。在车体和转向架部位包络线的横向间隙，宽体车为17 mm，动力学仿真的轮廓较大;窄体车为47 mm，理论计算的轮廓较大。由于动力学仿真模型中考虑了受电弓与车体的弹性连接，因此在受电弓外侧包络线的横向间隙都是动力学仿真的轮廓较大，其中宽体车为137 mm，窄体车为115 mm。2种方法计算的主要控制点最大偏移位置见表3，确定建筑限界基本尺寸时以较大的包络线轮廓作为参考依据。

表2 车辆计算点坐标 mm

图5 宽体车动态包络线图6 窄体车动态包络线

表3 2种方法计算的主要控制点最大偏移位置 mm

4 市域铁路建筑限界的制定

与市域铁路车辆限界对应，根据采用的车辆类型不同，市域铁路建筑限界分宽体车建筑限界和窄体车建筑限界。

4.1 建筑限界的宽度

4.1.1 建筑限界的最大宽度

宽体车动态包络线最大半宽为 1 734 mm，参考GB 50517—2003《地铁设计规范》[9]的设置原则，以300 mm作为建筑限界与车辆动态包络线之间的横向安全间隙，计算得到建筑限界最大半宽为 2 034 mm，取整为 2 100 mm。根据隧道专业的研究结果，限界宽度由 2 100 mm 增大到 2 200 mm 并不会增加工程量，因此，将最大宽度与城际铁路建筑限界统一，仍为 2 200 mm。窄体车动态包络线最大半宽为 1 622 mm，仍以300 mm作为建筑限界与车辆动态包络线之间的横向安全间隙，计算得到建筑限界最大半宽为 1 922 mm，取整为 2 000 mm。

4.1.2 受电弓工作区域的宽度

宽体车受电弓垂向工作高度为 5 150～5 300 mm，根据计算结果，受电弓 5 300 mm 工作高度外边缘处横向最大偏移位置为 1 257 mm，考虑 300 mm 的安全裕量，计算得到受电弓工作区域宽度为 1 557 mm，取整为 1 600 mm。由于受电弓工作区域的宽度由 1 600 mm 增大到 1 700 mm 对隧道断面没有影响，因此，将该尺寸取为 1 700 mm，可进一步增加安全裕量。窄体车受电弓垂向工作高度为 5 000～5 150 mm，受电弓 5 150 mm 工作高度外边缘处横向最大偏移位置为 1 222 mm，考虑300 mm的安全裕量，计算得到受电弓工作区域的宽度为 1 522 mm，取整为 1 600 mm。

4.2 建筑限界的高度

建筑限界的最大高度考虑因素包括接触导线高度(宽体车为 5 300 mm，窄体车为 5 150 mm)、对地绝缘距离(300 mm)、施工误差和抬道影响(50 mm)，以及接触网结构高度Y。对于不同的悬挂方式，Y的值不同，采用刚性悬挂时，Y为接触网安装高度。因此，宽体车建筑限界最大高度表示为 5 650+Y，窄体车建筑限界最大高度表示为 5 500+Y。

4.3 站台建筑限界

4.3.1 站台建筑限界的高度

市域铁路站台建筑限界高度应与车辆的地板面高度相适应，以保证旅客上下车的安全。根据车辆技术参数，宽体车站台限界高度确定为 1 250 mm，窄体车站台限界高度确定为 1 080 mm。

4.3.2 站台建筑限界的宽度

为保证车辆安全通过站台，车辆地板面高度处的最大偏移位置与站台边缘之间的水平间隙不宜太小；另一方面，为保证旅客上下车安全，车辆地板面高度处的轮廓线与站台边缘之间的水平间隙不宜过大。根据计算结果，宽体车、窄体车站台高度处的横向最大偏移位置分别为 1 720 mm 和 1 573 mm，综合考虑将站台建筑限界宽度分别设为 1 750 mm 和 1 600 mm。车辆地板面高度处的最大偏移位置与站台边缘之间的水平间隙，宽体车为30 mm，窄体车为27 mm；车辆地板面高度处的轮廓线与站台边缘之间的水平间隙，宽体车为107 mm，窄体车为112 mm。可以保证站台区域的行车安全和旅客人身安全。

4.3.3 站台门建筑限界

站台门的设置须考虑在车辆限界以外保留一定的安全距离，同时尽量减小站台门与停站车辆之间的间隙。参考地铁的经验，分别以宽体车和窄体车的车辆限界半宽 1 650 mm 和 1 500 mm，加上130 mm的净距，即 1 780 mm 和 1 630 mm 作为宽体车和窄体车的站台门建筑限界。

4.4 建筑限界轮廓及基本尺寸

综合以上分析，沿袭高速铁路和城际铁路的建筑限界图式[10-11]，根据采用的车辆类型不同，确定了2种市域铁路建筑限界轮廓，如图7和图8所示。

图7 市域铁路宽体车建筑限界轮廓及基本尺寸(单位：mm)

图8 市域铁路窄体车建筑限界轮廓及基本尺寸(单位：mm)

4.5 曲线地段建筑限界加宽办法

出于经济性考虑，市域铁路建筑限界的曲线加宽公式不按GB 146.1—83定义的计算车辆来计算，而是根据本线采用的最长车辆的车体长度和转向架中心距来计算。在曲线上，车辆中间部分向曲线内侧的几何偏移量为l2/(8R)(单位为m)，单位转化为mm则表示为125l2/R，由超高引起的车辆偏移量为Hh/1 500(单位为mm)，向曲线内侧的总偏移量为二者相加，即125l2/R+Hh/1 500(单位为mm)。车辆两端向曲线外侧的几何偏移量为(L2-l2)/(8R)(单位为m)，单位转化为mm则表示为125(L2-l2)/R。因此曲线内侧加宽量W1=125l2/R+Hh/1 500(单位为mm)，曲线外侧加宽量W2=125(L2-l2)/R(单位为mm)。其中：l为本线采用的最长车辆的转向架中心距，m；R为曲线半径，m；H为计算点自轨面算起的高度，mm；h为外轨超高，mm；L为本线采用的最长车辆的车体长度，m。

图9 曲线地段建筑限界加宽示意

曲线地段的加宽方法可采用图9所示的阶梯形方式，或采用曲线圆顺方式。其中，圆曲线的全部、缓和曲线缓圆点(圆缓点)至缓和曲线中点并向直线方向延长0.5L的部分，曲线内外侧分别加宽W1和W2；缓和曲线其余部分以及直缓点(缓直点)向直线方向延长0.5(L+l)的部分，曲线内外侧分别加宽0.5W1和0.5W2。

5 结论

1)采用GB 146.1—83中的标准轨距铁路限界模式，研究制定市域铁路限界，避免了一线一算，实现了市域铁路限界轮廓的简统化。

2)结合市域铁路运营车辆的特点制定了市域铁路车辆限界，丰富了我国铁路机车车辆限界的种类。

3)市域铁路限界分窄体车和宽体车2种，根据设计需求选用，可在保证安全的前提下尽量减小限界轮廓尺寸。

4)研究提出的市域铁路限界与既有的高速铁路限界、城际铁路限界共同构建了我国客运专线铁路限界标准体系。