高原铁路铺设跨区间无缝线路可行性研究与试验方案

王树国, 高原, 杨东升

（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）

0 引言

与一般跨区间无缝线路相比, 高原铁路面临阳光辐射强、日轨温差和时变率大等问题。因此, 现阶段青藏铁路格拉段、拉林铁路、拉日铁路均采用区间无缝线路, 岔区设置普通接头。由于岔区接头在服役过程中病害突出、维修工作量大, 影响运行品质, 因此在高原铁路应用岔区无缝化技术, 真正实现跨区间无缝线路具有强烈的现实需求。

针对铺设跨区间无缝线路的可行性问题, 国内外学者对跨区间无缝线路受力特性和温度力传递规律进行了大量研究。王树国等[1-3］基于有限单元法构建了无缝道岔模型, 选取切合实际的计算参数对秦沈铁路18号和38号无缝道岔温度力和受力特性进行了详细计算；王平等[4-5］结合有限单元法分析对比了3种不同结构辙叉和2种辙跟形式下无缝道岔的纵向力传递机理及其对结构部件受力变形的影响。高亮等[6-7］建立了无缝线路结构系统相互作用机理, 构建了轨道结构-下部基础空间耦合精细化静力分析模型和车辆-无缝线路-道床-下部基础耦合动力学协同仿真分析模型, 率先对高速铁路无缝线路关键设计参数进行了系统理论与试验研究；国外三浦重等[8］进行了温度力作用下的道岔纵向力试验, 并提出无缝道岔温度力与位移的计算模型和计算方法。但有关研究目标均未考虑高原地区独特的环境条件, 对于高原铁路的研究相对较少。

为了探索高原地区铺设跨区间无缝线路的可行性, 中国铁路青藏集团有限公司（简称青藏集团公司）于玉珠峰站采用胶接方式进行了岔区直股无缝化试验, 但该道岔侧股内外均不焊联, 还不算完全意义上的无缝道岔。另外, 该无缝化试验仅限于单组道岔, 未能实现车站咽喉区无缝化。总体而言, 海拔4 000 m以上高原铁路跨区间无缝化在技术和工程实现上均存在较大难度, 国内外尚无工程先例, 有必要开展系统的理论和试验研究。

1 我国大温差地区轨温预测与评估

高原铁路面临着独特的环境气候条件, 这些环境因素对轨道几何状态稳定性、转换系统适应性和结构部件耐候性的影响较为显著。为分析高日轨温差、强阳光辐射对跨区间无缝线路的影响, 利用气象站实测气温数据和BP神经网络预测方法, 计算和评估高原、西北（毗邻沙漠）、东北（高寒）等大温差地区的轨温差值, 论证青藏高原地区铺设跨区间无缝线路的技术可行性。

1.1 基于BP神经网络的最高轨温预测方法

《铁路无缝线路设计规范》规定年最高轨温等于年最高气温加20℃[9］, 然而高原铁路受海拔等因素影响, 其最高气温相对较低, 规范中的年最高轨温和最高气温间的关系可能对其不适用, 因此针对高原铁路, 拟采用BP神经网络进行轨温预测。

BP神经网络是基于误差逆向传播算法来进行训练的多层前馈神经网络模型, 是最为经典的模型之一。BP神经网络基于最速下降法, 利用逆向传播对网络阈值及权值进行调整, 进而实现网络误差平方和的最小化。BP神经网络基本结果包含3层, 分别为输入层、隐含层和输出层。BP神经网络首先通过输入变量（海拔、气温和纬度等）计算输出变量（轨温）, 随后利用实际输出变量及其误差修正网络权值, 直至两者之间误差达到设定值, 该误差平方和可表示为：

式中：ΔE为拟合误差；Zrs为实际输出变量；Zs为输出变量；n3为输入变量数。获得拟合误差后, 需要对连接权值进行初始化, 并计算每层神经元的输出值：

式中：fk为连接权值的初始化函数；f1和f2分别为线性或sigmoid等激活函数；w1kj、w2ik分别为每层连接权值；xj为输入变量。随后利用梯度下降法修正连接权值, 每层连接权值的修正公式可表示为：

式中：η为学习速度；f′1和f′2分别为激活函数f1和f2的导数。然后将权值初始值和调整值之和作为新的权值进一步循环, 直至误差平方和达到一定容许范围即可。将不同高原地区铁路轨温数据作为BP神经网络训练样本, 样本包括热当（见图1）、秀水河、沱沱河、望昆和雁石坪等车站的实时轨温监测数据[10］。将海拔、气温和纬度等影响轨温的因素提前定义为三维列向量, 将轨温作为输出向量进行训练生成BP神经网络（见图2）, 进而完成海拔、气温和纬度等复杂条件下的轨温预测。

图1 热当气温和轨温监测

图2 BP神经网络应用结构

1.2 高原铁路年、日轨温差计算与评估

根据全国昼夜温差分布相关文献和气象站资料调研, 选取温差较大的青藏铁路（高海拔）、兰新铁路（沙漠戈壁）、滨洲铁路（高纬度）, 计算和分析我国高寒和高海拔铁路线年、日轨温差现状, 其中, 兰新铁路和滨洲铁路均已铺设跨区间无缝线路。青藏铁路年、日轨温通过BP神经网络算法获得, 而兰新铁路、滨洲铁路年轨温基于《铁路无缝线路设计规范》获得；气温数据通过当地15个气象站实测得到, 数据时间跨度为1980—2021年, 利用基于统计学的数值方法, 在224 475个样本中获得精确的气温值及分布规律。

3条铁路年气温、日气温实测数据见表1、表2, 基于实测数据计算的年轨温和日轨温数据见表3、表4。从1980—2021年, 兰新铁路年轨温差最大值为101.3℃, 位于阿勒泰；滨洲铁路年轨温差最大值为105.6℃, 位于呼伦贝尔；青藏铁路年轨温差最大值为87.0℃, 位于沱沱河。兰新铁路日轨温差最大值为45.6℃, 位于吐鲁番；滨洲铁路日轨温差最大值为46.5℃, 位于呼伦贝尔；青藏铁路日轨温差最大值为47.9℃, 位于日喀则。从年轨温差考虑, 青藏铁路铺设跨区间无缝线路环境较优；从日温差考虑, 青藏铁路日轨温差大于其他线路, 环境更恶劣, 但差异不大, 说明铺设跨区间无缝线路具有可行性。

表1 3条铁路年气温汇总

表2 3条铁路日气温汇总

表3 3条铁路年轨温汇总

表4 3条铁路日轨温汇总

2 高原铁路无缝道岔工程实践与理论检算

2.1 青藏铁路玉珠峰站无缝道岔工程实践

2018年6 月, 为探索高原地区铺设跨区间无缝线路的可行性, 青藏集团公司选取玉珠峰站5号岔位12号道岔（海拔4 100 m）, 采用胶接方式进行了岔区直股无缝化试验。经过3年运营实践, 该道岔胶接接头服役状态良好, 无缝道岔稳定, 可初步证明高原地区铺设跨区间无缝线路具有可行性。但该道岔侧股内外均不焊联, 还不算完全意义上的无缝道岔[11］。并且该无缝化试验仅限于单组道岔, 单组道岔仅在直股无缝化, 这与整个咽喉区无缝化相比还存在较大差距, 还需进一步进行理论分析和试验验证。

2.2 拉林铁路热当站无缝道岔工程实践

2021年4 月, 在拉林铁路热当站（海拔3 200 m）采用胶接接头实现该站1、2号岔位共2组12号可动心轨道岔（图号：GLC（08）01）直、侧股及缓冲区所有接头无缝化, 并对轨温、钢轨纵向力和尖轨伸缩进行了长期监测。2021年6—10月监测数据见图3, 尖轨与基本轨纵向相对位移在-5—15 mm, 小于±40 mm的限值。至今, 该2组无缝道岔表现稳定, 服役状态良好, 未发生卡阻问题。

图3 岔区尖轨和基本轨相对位移监测

2.3 尖轨、基本轨伸缩量检算

选取我国高海拔、高寒等典型地区, 收集历年温度数据, 换算为年、日最大轨温变化（即最高、最低轨温与锁定轨温之间的最大差值）, 其结果见表5。

基于表5计算的年、日最大轨温变化, 以我国主型道岔专线4249（青藏铁路格拉段正线道岔）、GLC（08）01（拉林铁路正线道岔）、研线1115和GLC（07）02道岔为研究目标, 对道岔尖轨尖端伸缩量进行了简算。在不同地区年轨温差条件下, 专线4249、GLC（08）01、研线1115等采用外锁闭结构的12号道岔, 尖轨最长为15.45 m, 自由段长度为12.75 m, 尖轨尖端极限伸缩量为16～19 mm。GLC（07）02等采用外锁闭结构的18号道岔, 尖轨长度一般为21.45 m, 自由段长度为18.75 m, 尖轨尖端极限伸缩量为19～22 mm, 均小于外锁闭结构尖轨伸缩量的限值（不超过40 mm）, 且具有较大冗余量。在不同日温差条件下, 12号道岔尖轨伸缩量最大为17 mm, 18号道岔最大为20 mm, 均小于相应限值。由以上分析可知：

表5 我国高原高寒等地区典型区段轨温数据

（1）青藏铁路玉珠峰站（海拔4 100 m）12号道岔直股无缝化试验与实践初步证明海拔4 000 m以上铁路建设跨区间无缝线路具有可行性；拉林铁路热当站（海拔3 200 m）12号道岔直侧股无缝化试验与实践再次说明高海拔地区道岔无缝化的技术可行性。

（2）仿真计算表明, 在较大年轨温差和日温差地区铺设无缝道岔时, 现有主型12号和18号道岔尖轨伸缩量值小于允许限值, 且具有较大冗余量。

3 高原铁路跨区间无缝化试验方案

基于上述分析可知, 青藏铁路面临的特殊环境条件较我国其他已实施跨区间无缝化的地区更为严酷, 但差异性不大, 加之在青藏铁路玉珠峰站和拉林铁路热当站开展的具有一定局限性的岔区无缝化试验, 说明在青藏铁路格拉段试验跨区间无缝线路具有可行性。结合青藏铁路扩能改造工程实施, 考虑不同自然地理环境与线路运营条件的影响, 提出跨区间无缝化试验方案。拟选取望昆站、唐古拉北站、那曲站和昂噶站等进行跨区间无缝化试验（见表6）。选择车站涵盖海拔4 000～5 000 m、纬度30°～36°的地理条件, 并考虑车站内道岔群布置形式, 可一次性验证多重因素对跨区间无缝线路的适应性影响。

表6 青藏铁路铺设跨区间无缝线路试验方案

为了保证高原铁路跨区间无缝线路试验能够顺利进行实施, 研究并拟定具体的工程化实施方案如下：

（1）正线采用60 kg/m钢轨跨区间无缝线路, 站线保留50 kg/m钢轨有缝线路。

（2）考虑到现场不具备运输长定尺钢轨的条件, 道岔区前后配轨仍按照原缓冲区轨件长度配置, 现场焊接为长轨条。道岔外设置的绝缘接头里程不变, 如与配置钢轨接头与绝缘接头里程不重合, 则就近截断钢轨, 设置绝缘接头。

（3）唐古拉北站、昂噶站采用接头全焊接无缝化方案。望昆站、那曲站采用部分接头（尖轨跟端接头和辙叉趾、跟端接头）冻结、其他接头焊接的无缝化方案；道岔外连接轨先采用移动式气压焊焊接为长轨条, 再上线铺设, 并通过铝热焊或冻结与道岔、区间线路钢轨连接。

（4）道岔铺设采用移位法, 即先在线下组装, 并完成岔内接头焊接或冻结, 再将道岔整组移位至岔位。道岔区锁定轨温应与区间线路保持一致。

（5）道岔尖轨跟端成型段长度由450 mm延长至1 050 mm, 在焊接失败时, 可锯掉焊头重新焊接。辙叉趾端和跟端加长可便于冻结接头组装和首次焊接失败后再次焊接。

（6）岔后侧股连接到发线或夹直线大于100 m时, 岔后配置2×25 m定尺60 kg/m钢轨, 通过冻结组成侧股伸缩区。伸缩区后设置异型钢轨过渡至50 kg/m钢轨, 异型钢轨两端采用普通接头联接。

（7）无缝线路锁定应选取夜间温度处于锁定轨温范围的时间施工, 避免白天日照对轨温的影响。如施工时锁定轨温不满足要求, 可在低温状态下锁定, 待轨温合适时进行应力放散或应力调整。低温锁定、放散、调整等作业按照《无缝道岔应力放散和应力调整指导意见》执行[12］, 不得在高于施工锁定轨温范围内作业。

（8）道岔铺设当日, 如果无法完成焊接, 钢轨接头处应采用无损加固, 其中胶接绝缘、焊接接头按照8 mm设置轨缝, 冻结接头不设置轨缝, 做好连接轨长度调整, 并于第2天完成锁定。

4 结论

基于实测气象站数据和BP神经网络, 梳理和总结了高原铁路及高温差地区气温、轨温分布规律, 结合高原铁路跨区间无缝化工程实践和理论简算, 对高原地区铺设跨区间无缝线路可行性进行了研究, 提出了跨区间无缝化试验方案, 所得结论如下：

（1）从1980—2021年, 基于神经网络算法得到的青藏铁路年轨温差最大值为87.0℃, 小于兰新铁路和滨洲铁路。从年轨温差考虑, 青藏铁路铺设跨区间无缝线路的环境较优；青藏铁路、兰新铁路、滨洲铁路最大日轨温差分别为47.9、45.6、46.5℃, 青藏铁路日轨温差大于其他线路, 环境更为恶劣, 但差异不大, 说明铺设跨区间无缝线路具有可行性。

（2）在海拔4 100 m的玉珠峰站进行了道岔直股无缝化实践, 无缝道岔总体状态良好, 3年多的运营实践初步证明了在海拔4 000 m以上实现道岔无缝化的可行性。

（3）实测和理论计算的高原铁路道岔尖轨伸缩量小于±40 mm的限值, 且具有较大冗余量, 说明道岔工电设备基本适应高原铁路跨区无缝线路的运营环境。