既有福厦铁路福州南至福清段提速可行性研究

谢帅帅

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063）

1 引言

铁路对发展生产和繁荣经济建设起着重要作用，在综合交通运输体系中具有骨干地位［1-4］。近年来，随着我国经济的快速发展以及人们对快捷出行需求的提高，铁路升级改造的必要性和迫切性日益增强。为更好地研究既有铁路提速问题，同时避免造成投资浪费，本文在不废除既有工程的前提下，对福厦铁路福州南至福清段区间线路开展提速可行性研究。福州南至福清段既有线提速方案见图1。

图1 福州南至福清段既有线提速方案示意

2 既有线概况

福厦铁路设计速度200 km／h，轨道类型既有有砟轨道，也有无砟轨道，线间距4.6 m，2010年通车运营。福州南至福清段区间线路里程为K883+406～K911+050，线路长度16.87 km，其中包含4个曲线地段。具体工点情况见表1。

表1 福州南至福清段曲线及桥隧分布

3 提速方案研究

3.1 边界条件

本次研究基于维持线间距、隧道断面以及构筑物限界不变，在纯客专运行状态下，通过调整曲线地段的外轨超高数值和缓和曲线长度实现提速要求。

根据1993年铁道科学研究院在环行铁道上的试验结果，以及《关于新建客运专线铁路曲线超高设定的指导意见》（铁集成〔2009〕86号）规定，本次研究按照最大允许欠超高60 mm进行曲线超高计算。

有砟轨道和无砟轨道曲线超高计算结果分别见表2和表3。

表2 有砟轨道曲线超高计算

表3 无砟轨道曲线超高计算

福厦铁路福州南至福清段区间线路牵引计算模拟结果如图2所示。

图2 福州南至福清段既有线牵引计算模拟

福厦铁路福州南至福清段区间线路曲线外轨实设超高见表4。

表4 福州南至福清段既有线曲线外轨实设超高

3.2 提速方案分析

3.2.1 1#曲线提速分析

1#曲线里程范围为K896+751.81～K899+637.79。根据牵引计算模拟结果（图2）可知，本曲线最大模拟运行速度为273 km／h。该曲线半径为7 000 m，实设超高为75 mm，曲线内的黄晶岭1#隧道、黄晶岭2#隧道均设置无砟轨道。根据无砟轨道曲线超高计算表（表3），在现状条件下，1#曲线通过速度可达到282 km／h，满足最大模拟运行速度273 km／h要求。

3.2.2 2#曲线提速分析

2#曲线里程范围为K902+330.27～K904+818.07。根据牵引计算模拟结果（图2）可知，本曲线最大运行速度为300 km／h。该曲线半径为6 000 m，实设超高为85 mm，曲线内的黄晶岭2#隧道设置有无砟轨道。根据无砟轨道曲线超高计算表（表3），在现状条件下，2#曲线通过速度最高只能达到271 km／h，不满足最大运行速度300 km／h要求。由于曲线内轨道类型属于无砟轨道，无法调节外侧曲线超高，因此考虑采用增加缓和曲线长度的方案进行提速研究。

根据《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014），按300 km／h标准开展研究。半径为6 000 m的曲线，配置长度为450 m的缓和曲线，线路最大偏移量为0.878 m，此时与3#曲线间的夹直线长度为143.7 m，不满足困难条件下180 m最小夹直线长度的规范要求；配置长度为410 m的缓和曲线，线路最大偏移量为0.635 m，与3#曲线间的夹直线长度为163.8 m，不满足规范要求；配置长度为370 m的缓和曲线，线路最大偏移量为0.415 m，与3#曲线间夹直线长为183.8 m，满足规范要求。采用不同曲线要素，黄晶岭2#隧道及作坊1号桥偏移量如表5所示。

表5 黄晶岭2#隧道及作坊1号桥偏移量

由于黄晶岭2#隧道平面无法调整，采用增加缓和曲线长度进行提速的方案不可行，因此2#曲线限速271 km／h。

3.2.3 3#曲线提速分析

3#曲线里程范围为K904+986.60～K905+733.08。按2#曲线限速271 km／h进行牵引模拟计算，3#曲线最大运行速度279 km／h。3#曲线半径为7 000 m，实设超高为75 mm，该曲线范围内设置有砟轨道。根据有砟轨道曲线超高计算表（表2），在现状条件下，最大通过速度为282 km／h，满足最大模拟运行速度279 km／h要求。

3.2.4 4#曲线提速分析

4#曲线里程范围为K907+697.85～K909+178.22，曲线半径为4 500 m，实设超高为105 mm，该曲线范围内设置有砟轨道。通过牵引模拟计算，最大运行速度为300 km／h。根据有砟轨道曲线超高计算表（表2），将既有曲线超高从105 mm抬升至130 mm，可以将运行速度提升至269 km／h，但仍不满足300 km／h的运行速度要求。

考虑采用增加缓和曲线长度的方案进行提速研究。当采用4 500 m曲线半径、460 m缓长时，洪宽二路立交最大偏移量为0.76 m，大北溪桥最大偏移量为0.38 m，此时既有线偏移量大于0.3 m，无法通过顶梁移梁措施满足改造要求。为了避免废除既有桥梁工程，采用4 500 m曲线半径、400 m缓长，计算得到洪宽二路立交最大偏移量为0.28 m，大北溪桥最大偏移量为0.14 m，满足工程要求。

表6 调整后的4#曲线有砟轨道曲线超高计算表

根据表6可知，采用400 m缓长，并将曲线超高调整至140 mm后，最大通过速度可提高至276 km／h，但仍然不满足最大运行速度300 km／h要求。

3.3 站前主要工程适应性分析

既有线提速后，会对既有桥梁、路基、隧道等工程造成影响，因此对上述站前工程进行适应性分析。

3.3.1 桥梁工程适应性分析

在不同运行时速下，既有桥梁受力情况如表7所示。

表7 250 km／h、273 km／h，279 km／h情况下尖山中桥受力情况

可以看出，提速前后桥梁所受离心力变化较小。经检算，提速后既有桥梁可以满足受力要求。

3.3.2 路基工程适应性分析

本段路堑地段基床表层挖除换填0.6 m级配碎石；路堤地段基床表层填筑0.6 m级配碎石，基床底层为A、B组填料，基床以下填筑隧道弃渣。地基为弱风化凝灰岩、Q3粉质黏土、碎石土等，地质条件较好，工后沉降满足提速至300 km／h路基工后沉降要求。路基面半宽小于4.4 m，不满足现行规范要求，可通过路肩帮宽、设置挡砟墙或将路肩设备移至路肩以外等措施进行处理。当接触网立柱移至挡墙上时，需要对挡墙进行重新核算，根据计算结果，采取必要的补强措施。

3.3.3 隧道工程适应性分析

世界各国在修建铁路隧道时，为控制车内瞬变压力、提高旅客舒适度，基本采用两种模式:一是以欧洲各国为代表，采用大断面隧道来降低对列车密封性能的要求，减小运营成本；二是以日本为代表，采用密封性能较高的列车来减小对隧道断面面积要求，降低工程投资［5］。根据《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）条文说明，我国通过对瞬变压力的计算和分析，提出了不同速度目标值时与车辆密封性能相适应的隧道净空断面面积建议值，即250 km／h双线隧道净空断面面积为90 m2；300 km／h双线隧道净空断面面积为100 m2。

既有福厦线隧道断面面积为92 m2，与贵广高铁相同；线间距为4.6 m，较贵广高铁窄0.2 m。贵广高铁运行速度已成功由250 km／h提速至280 km／h。借鉴贵广高铁提速的相关成功案例，既有福厦线从250 km／h提速至280 km／h也是可行的。但需建立在以下几个假设前提下:一是列车速度过高，会车时会产生压力波，影响车辆脱轨系数、倾覆系数、轮重减载率等安全性能，同时可能会对车体框架和车窗等薄弱环节造成伤害，剧烈的压差变化会对车内环境和风机进出风造成影响，导致旅客耳鸣、不适等症状，因而需采用密封性能更高的列车［6］。二是高速列车进入隧道后，由于空气动力学效应在洞口产生微气压波，在有些条件下会产生极大的爆炸声，严重的可使建筑物的玻璃破碎，对环境造成污染［7-8］，采用较大的隧道断面（如100 m2），基本上可以消除这种爆炸声。根据国家“八五”科技攻关项目《高速铁路线桥隧设计参数选择的研究报告》，当列车速度达到250 km／h以上时，为解决洞口微气压波问题需修建洞口缓冲结构。既有黄晶岭1#、2#隧道未考虑设置开口缓冲结构，需对该段洞门进行改造。三是列车进出隧道时空气动力学效应影响较为明显，黄晶岭1#隧道出口与黄晶岭2#隧道进口间距仅为85 m，列车进出隧道时间间隔很短，短时间内较大的空气压力变化对旅客舒适度影响较大，同时对列车结构安全也不利，采用明洞连接后可消除这种空气动力学效应影响。四是高速列车进入隧道后产生的空气动力学效应对隧道内附属物（接触网、风机叶片、洞室门、水沟盖板和安装件）会产生不利影响。因此需考虑采用附属设施附加压强建议值（见表8），对既有黄晶岭1#、2#隧道附属物进行加固处理。

表8 隧道内附属设施附加压强建议值

3.3.4 线间距适应性分析

既有福厦线区间正线采用4.6 m线间距，满足250 km／h客运专线线间距要求。《高速铁路设计规范》规定:时速300 km铁路最小线间距为4.8 m；时速350 km铁路最小线间距为5.0 m。国外高速铁路运营实践表明:运行速度300 km／h及以下时的线间距小于4.5 m可以满足安全要求。德国高速铁路在侧壁净距1.2 m的情况下，列车运行速度已达到350 km／h［9-10］。国内研究也表明:随着我国机车车辆制造技术的不断提高或对部分洞门采取减缓隧道压力波的措施后，4.6 m线间距能够适应提速至300 km／h的要求［11-12］。

4 研究结论

综上分析，1#曲线满足行车模拟提速要求，通过速度为273 km／h；由于2#曲线内存在无砟轨道隧道工程，需限速271 km／h通过；3#曲线满足279 km／h行车模拟提速要求；4#最大通过速度可提高至276 km／h。本次研究表明，通过调整曲线超高和缓和曲线长度，并补强路基工程、增设隧道洞口缓冲结构等措施，可以在不废除既有工程的条件下，将既有福厦铁路福州南至福清段运行速度由200 km／h提高至279 km／h。