既有时速250 km高铁提速轨道适应性研究

梁延科

(中国铁路设计集团有限公司线站院,天津 300308)

自1997年至2007年，为满足社会经济发展需要，我国铁路从具体情况出发，先后于1997年4月1日、1998年10月1日、2000年10月21日、2001年10月21日、2004年4月18日和2007年4月18日实施了6次大面积提速，铁路客运列车时速由120 km逐渐提升至140，160，200，250 km，并提出了相应的技术条件，使我国铁路面貌发生了历史性变化[1-2]。尤其是第6次大面积提速调图，达到了世界铁路既有线提速先进水平的目标，标志着中国铁路既有线提速跻身于世界铁路先进行列[3]。

截至2020年年底，我国高速铁路运营里程已达3.79万 km，其中，设计时速250 km线路占比最高，达到约40%。为适应新时代发展需要，实施时速250 km等级高速铁路提速，可有效提升我国高速铁路运行品质和效率效益，充分挖掘庞大的高铁线路固定资产潜力，最大限度增加客运供给，进一步优化完善高速铁路路网布局，实现全路效益最大化[4-5]。同时，高铁速度提升对于助力我国解决发展不平衡不充分问题，助力交通强国建设具有重要意义。

轨道作为直接承受列车荷载的结构，是列车运行安全性、舒适性的保障，随着列车速度的提高必然会对轨道结构服役状态提出更高要求。研究表明，有砟轨道在高速列车运行下，轨道结构动力响应增大，会出现道砟劣化等病害[6-8]及飞砟的潜在威胁[9]。无砟轨道在列车速度提高后，轨道结构振动加剧[10]，对结构使用寿命产生不利影响。所以，亟需开展时速250 km线路提速后轨道结构适用性分析，并提出相应的既有线提速轨道技术条件。

通过调研分析和理论计算，针对既有时速250 km高铁提速后有砟轨道结构、无砟轨道结构和轨道结构超高的适用性进行了研究，为指导既有时速250 km线路提速，提出了提速轨道技术条件，可为相关工程提供参考和借鉴。研究成果可为制定适用于既有250 km高速铁路提速关键技术参数标准奠定基础，为进一步发挥高铁优势，提升高铁运行品质提供技术支撑。

1 有砟轨道适应性分析

有砟轨道作为高速铁路主要轨道结构形式，在国内外已获得广泛应用，但既有线设计速度大多为250 km/h，本节重点从扣件系统和道床两方面分析提速后有砟轨道结构适应性。

1.1 扣件

基于有限元法及车辆-轨道耦合动力学理论[11]，以有砟轨道弹条Ⅴ型扣件为例，建立高速列车-有砟轨道耦合动力学模型，分别计算了列车运行速度为250，350 km/h时，弹条最大等效应力变化情况，如图1所示。

图1 不同速度下扣件弹条应力变化情况

由图1可知，扣件系统安装到位后，弹条最大等效初始应力出现在弹条后弯处，弹条后弯处最大等效应力为1 242 MPa；当列车运行速度为250 km/h和350 km/h时，等效应力幅值分别变化了132 MPa和171 MPa。基于疲劳分析理论和累积损伤法则[12]，估算弹条疲劳寿命，扣件弹条采用60Si2Mn弹簧钢制成，其95%存活率时的σ-N曲线公式为

(lgN)95%=39.61-11.85lgσ

(1)

式中，σ为工作循环应力幅值，MPa；N为疲劳寿命，次。

采用工程中应用较多的Goodman模型对应力进行修正[13]：一节车即2个转向架，共4轮次，弹条疲劳寿命以轮次为单位，运行速度为250 km/h和350 km/h时，弹条疲劳寿命分别为0.98×1011次和0.83×1011次，即提速后弹条疲劳寿命减小15.3%。

由以上可知，速度提高会降低扣件的使用寿命，应对目前已运营线路扣件服役性能进行重新评估，保证满足既有规范相关技术指标要求。

1.2 道床

随着车速增加，轨道系统部件的加速度、动位移、动应力均有明显增大。随着行车速度提高，轨道结构垂向加速度均发生了增大，且行驶速度350 km/h较250 km/h时道床加速度增大幅度25.17%，如图2所示，说明行车速度增大会极大加剧结构的振动响应；而在动位移方面，轨道结构响应也逐渐增大，其中，道床动位移增大幅度为6.13%，而结构动位移增大不利于轨道几何形位的保持，过大的动位移还会危及行车安全；在动应力方面，道床垂向动应力增大14.77%，道床应力增大会导致道砟粉化加快，缩短道床使用寿命，对轨道结构的影响较大。

图2 不同速度下道床加速度变化情况

调研结果表明，有砟轨道提速主要存在2个问题：道床劣化和道砟飞溅。德国行车速度为250～300 km/h的高速铁路有砟轨道养护维修费用为速度160～200 km/h时的2倍。法国高速铁路有砟轨道长时间运营后出现道砟粉化严重、轨道几何尺寸难以保持、维修周期缩短、维修费用大大增加等现象。减缓道床粉化破坏的措施主要有2种，一是采用弹性轨枕，二是在道砟下铺设橡胶垫[14]。当列车速度提高到一定程度时，在列车空气动力和车轨动力共同作用下，可能发生道砟颗粒飞离道床，并击打列车转向架、车轮及钢轨踏面等现象，对列车和轨道结构具有巨大危害。通过调整道床面高度、砟肩堆高高度，减缓道床边坡坡度、调整道床级配等措施，可降低道砟飞溅的概率[15]。

此外，为降低某些特殊地段有砟轨道养护维修工作量，国内相关单位提出采用聚氨酯对道床进行固化[16]，以解决有砟道床劣化及道砟飞溅问题。该项技术已在沪昆高铁、京张高铁、济青高铁等局部地段得到应用，最高试验速度达到385 km/h。

总体来看，有砟轨道提速后道床应采取防飞溅和防粉化措施，确保轨道几何形位满足相关技术要求。另外，道床应保持弹性和排水良好，并按规定保持密实，确保道床主要力学参数满足运营要求。

2 无砟轨道适应性分析

与有砟轨道类似，列车速度提高也会引起无砟轨道扣件和道床动应力、动位移、振动加速度增加，从而降低其服役性能。本节重点分析了列车速度提高对无砟道床配筋的影响。

对于设计时速250 km铁路，考虑轮轨不平顺作用下的速度效应，动载系数取值2.5；对于时速300 km及以上的高速铁路，竖向设计活载中的动载系数取3.0。动载系数增大会对轨道结构承载能力和正常使用状态提出更高的要求，有必要对无砟轨道结构受力及结构配筋进一步进行分析。

以双块式无砟轨道、列车轴重17 t为例，基于梁-板-板理论计算动载系数变化后列车垂向荷载作用下路基、桥梁、隧道段底座板和道床板的最大弯矩变化量。路基地段3块道床板对应1块底座板，基础支承刚度按76 MPa/m取值；桥梁地段1块道床板对应1块底座板，基础支承刚度按1 000 MPa/m取值；隧道地段道床板采用连续浇筑，无底座板，基础支承刚度按1 200 MPa/m取值。最终计算结果如图3所示。

图3 不同动载系数下轨道结构弯矩变化情况

由图3可知，动载系数变化后路基地段轨道结构纵横向弯矩变化较大，路基地段道床板纵向弯矩变化最大，增大了4.7 kN·m/m。基于理论公式，对列车横向荷载、温度荷载、混凝土收缩以及基础变形作用下道床板和底座板弯矩分别进行计算。对各荷载作用下的弯矩进行组合后，以混凝土强度、钢筋强度、裂纹宽度、最小配筋率及钢筋间距为依据进行配筋计算[17]。

由计算结果可知，除路基和隧道底座板、距洞口大于200 m隧道道床板外，其他情况列车竖向设计荷载不作为控制因素；由于结构构造要求，动力系数变化对隧道内底座板配筋、路基底座板横向配筋、距洞口大于200 m隧道道床板纵向配筋均无影响；按照计算钢筋量，动力系数由2.5增大到3.0后，路基地段采用底座板时，采用φ12 mm纵向钢筋会增加1根，距洞口大于200 m隧道道床板采用φ12 mm钢筋时横向钢筋会增加1根，由于设计时有一定的安全富余量，设计钢筋量一般会多于计算钢筋量，总体来说动力系数变化对轨道结构配筋设计无影响。

3 超高适应性分析

在曲线半径、列车运行速度及未被平衡超高允许值已知时，设计超高的计算公式如下

h=11.8v2/R-hw

(2)

式中，R为最小曲线半径；v为列车运行速度；h为设计超高；hw为欠超高。

曲线地段无砟轨道最大设计超高值为175 mm，有砟轨道一般情况最大设计超高值为150 mm，最小值为15 mm。以区间线路为例，欠超高允许值为60 mm，过超高为70 mm[18-19]，不同速度下超高设置最大、最小值如图4所示。

图4 不同曲线半径下超高取值

由于超高最大、最小值影响，在250 km/h提高到300 km/h以及300 km/h提高到350 km/h时，应首先判断目前的半径是否满足最小曲线半径要求。由图4可知，当列车速度为250，300，350 km/h时，无砟轨道曲线半径最小值分别为3 139，4 520，6 152 m，有砟轨道曲线半径最小值分别为3 512，5 058，6 884 m。接下来判断实设超高值是否满足提速后要求，图中红色部分为250 km/h提速到300 km/h时应重点关注的区域，灰色部分为300 km/h提速到350 km/h时重点关注的区域，在重点关注区域内应采取措施增大实设超高值。

当实设超高满足提速要求后，应进一步确认缓和曲线长度，通过超高顺坡率进行判断，超高顺坡率最大值取1/(9vmax)，不同速度及缓和曲线长度下，超高允许实设值如图5所示。

图5 不同缓和曲线长度下超高取值

由图5可知，不同速度下实设超高允许最大值随着缓和曲线长度增加呈线性增长，当缓和曲线长度过短时，由于超高顺坡率限制，超高实设值不能太高。当速度为250，300，350 km/h时，无砟轨道超高值设置不受缓和曲线限制，最大缓和曲线长度分别为394，473，552 m，有砟轨道分别为338，405，473 m，当小于上述长度时，应进一步核实超高顺坡率是否满足相关要求。以既有线设计速度250 km/h、曲线半径6000 m、缓和曲线长度280 m、实设超高117 mm为例，当此线路提速到300 km/h后，由图4可知，曲线半径为6000 m时，实设超高最小值为117 mm，满足提速要求；由图5可知，缓和曲线长度为280 m时，实设超高允许最大值为103 mm，不满足提速要求。

4 技术条件

为进一步规范既有线提速后轨道相关技术要求，结合既有相关规范[20-21]及运营经验，从钢轨、轨枕、扣件、道床、轨道不平顺管理等方面提出既有时速250 km高铁提速轨道技术条件，可为既有线提速工程提供一定参考。

4.1 钢轨

正线应采用60 kg/m钢轨，钢轨质量应符合相关技术要求。应铺设跨区间无缝线路。

4.2 轨枕

正线有砟轨道应选用Ⅲ型混凝土枕，轨枕间距宜为600 mm。

铺设护轨地段应采用Ⅲ型混凝土桥枕。

4.3 扣件

正线有砟轨道扣件宜与轨枕类型配套使用。Ⅲ型有挡肩混凝土枕配套扣件为弹条Ⅴ型扣件，Ⅲ型无挡肩混凝土枕配套扣件为弹条Ⅳ型扣件。

正线无砟轨道扣件应采用配套弹性扣件，轨下胶垫静刚度应满足相关技术要求。

4.4 道床

应采用特级道砟，道床厚35 cm，单线碎石道床顶面宽3.60 m，双线道床顶面宽度应分别按单线设。

道床边坡坡度应为1∶1.75，道床砟肩应采用道砟堆高15 cm，道床顶面应低于轨枕承轨面4 cm，且不应高于轨枕中部顶面。道床主要参数指标符合表1规定。

表1 道床主要参数指标(平均数)

道床应保持弹性和排水良好，并按规定保持密实，应采取防飞溅和防粉化措施，确保轨道几何形位满足相关技术要求。

轨道结构应根据线下基础和环境条件设置性能良好的防排水系统，严寒地区排水设计应考虑防冻融要求，轨道板或道床板内钢筋应进行接地和绝缘。

4.5 轨道不平顺管理标准

线路静态平顺度和动态验收应满足提速相关要求。线路动态验收应满足局部幅值评价和TQI允许偏差管理值要求。局部幅值按每千米线路评价，检测结果不应出现Ⅱ级偏差，且除轨距外每千米线路出现单项Ⅰ级偏差长度不应大于5%。TQI允许偏差管理值Ⅰ级为4.0，Ⅱ级为5.0，每200 m为一个TQI计算单元，全线TQI出现Ⅰ级偏差累计单元长度不应大于5%，同时每个单元TQI不应出现Ⅱ级偏差。

5 结论

通过调研分析和理论计算，针对既有时速250 km高铁提速后有砟轨道结构、无砟轨道结构和轨道结构超高的适用性进行了研究，并提出了提速轨道技术条件，主要结论及建议如下。

(1)有砟轨道提速后应重点关注扣件和道床服役性能，并采取加强措施降低道床劣化及道砟飞砟。

(2)无砟轨道提速后动力系数发生改变，动力系数增大后路基地段道床板纵向弯矩变化最大，增大了4.7 kN·m/m，总体上对无砟轨道道床板和底座板配筋基本无影响。

(3)提速后应满足最小曲线半径的要求，并对超高进行相应调整，并验证超高顺坡率是否满足规范限值。

(4)提速后应关注道床排水、轨道平顺性等，需符合现行规范的相关要求，保障列车安全平稳运行。