肖沁凱

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司橋隧處，武漢 430063)

1 設置列車安全防護措施的必要性

盡管高速鐵路線下基礎設施的穩(wěn)定性、線路軌道設備的平順性以及列車裝備的安全性較普速鐵路大為提高,理論上高速鐵路列車脫軌的概率遠小于普速鐵路。但由于軌道、車輛及控制系統(tǒng)等存在的缺陷和地震等自然災害因素的影響,高速鐵路列車仍然存在脫軌風險。

相對于普速列車而言,高速列車發(fā)生脫軌事故,勢必將給乘客人身安全和鐵路運輸設備造成更為嚴重的危害。例如,1998年德國高速鐵路出現因車輪輪轂斷裂導致列車脫軌,造成數百人傷亡和數節(jié)車輛損毀；2004年日本上越新干線因地震導致的列車脫軌,造成40軸中22軸脫軌和1號車廂翻入排水溝。

相對于路基地段而言,列車通過橋梁時將引起橋梁結構的振動,橋梁的振動又反過來影響車輛的振動,高速鐵路列車與橋梁之間的動力耦合作用加劇,車體的橫向沖擊力也明顯提高,一旦發(fā)生脫軌,列車會撞擊橋梁甚至沖入橋下,后果十分嚴重。因此,在高速鐵路橋梁上,研究設置合理、可靠的列車安全防護措施是非常必要的。

2 列車安全防護措施的常用方式

2.1 列車脫軌工況及防護目的

列車運行的安全性主要是考慮運營過程中列車是否存在脫軌問題。世界各國對于列車運行安全性進行了長期、系統(tǒng)的理論研究和工程實踐,取得了令人滿意的成果和經驗。從受力狀況分析,列車脫軌可以分為兩類：一類是豎向輪重減載導致的脫軌；另一類是輪軌間的橫向力過大而引起的脫軌。前者多發(fā)生于列車低速運行于小曲線半徑的情況,而后者則多發(fā)生于列車高速運行時。

列車脫軌情況下,車體將偏離軌道中心,列車豎向荷載偏向線路中心外側。如果列車偏離軌道中心幅度較大,有可能撞擊到橋梁或其附屬設施,進而沖出橋面甚至造成次生災害。設置橋上安全防護措施的目的,是對脫軌列車進行導向和限位,避免其在橫向有超出允許的位移。由于高速鐵路列車的橫向沖擊力加大,需要防護措施具備足夠的抗撞擊能力。

2.2 我國普速鐵路橋梁上的安全防護措施

我國普速鐵路橋梁采用在基本軌內側鋪設護軌的方式,將脫軌車輪限制在基本軌和護軌之間的輪緣槽。護軌的設置區(qū)段為：特大橋及大中橋；曲線半徑≤600 m或橋高>6 m,長度≥10 m的小橋；跨越鐵路、重要公路、城市交通要道的立交橋。護軌的鋪設方式為：雙線橋各線均應鋪設護軌；三線及以上的橋,當各線的橋面分別設于分離式的橋跨結構上時,各線均應鋪設護軌；當各線鋪于同一橋跨結構上時,可僅對兩外側線鋪設護軌；護軌頂面不應高出基本軌頂面5 mm,也不應低于基本軌頂面25 mm。同時,護軌伸出橋臺一定長度,使脫軌車輪在進入橋梁前便導入輪緣槽內。運營實踐證明,護軌能夠發(fā)揮一定的防護作用。

2.3 國外鐵路橋梁上的安全防護措施

2.3.1 德國

德國相關標準規(guī)定,當橋上或橋前曲線半徑<300 m,或軌面以上承力構件距線路中心≤3.2 m、橋長>20 m的下承式結構時,應設置安全措施；不設置安全措施的應進行脫軌檢算。

對于采用無砟軌道的高速鐵路,以電纜槽墻體作為列車安全防護措施(圖1)；在脫軌事故發(fā)生后,在軌道間增設了混凝土擋塊(圖2),防止列車脫軌后偏離軌道中心過遠。

圖1 電纜槽防護

圖2 軌道間混凝土擋塊防護

2.3.2 法國

法國鐵路為有砟軌道,橋上的安全防護措施采用護軌方式。單線橋上鋪設2條護軌,多線橋上在每條線路內側各鋪設1條護軌。

2.3.3 日本

日本新干線除明橋面上鋪設護軌外,其他區(qū)段橋梁不采用任何安全防護措施。近年來,針對提高地震條件下列車運行安全性需求,對于廠修的列車,在轉向架軸箱下方安裝反L型車輛導向裝置,保證列車脫軌后導向裝置鉤住鋼軌(圖3),防止車輛偏離軌道中心線過遠。

圖3 反L型車輛導向裝置

2.3.4 瑞典

瑞典高速鐵路列車安全防護措施,主要是采用加高擋砟墻的方式。擋砟墻墻頂面高出軌頂面約0.50 m,同時可起到降低輪軌噪聲對沿線環(huán)境影響的作用。

2.3.5 UIC規(guī)范

國際鐵路聯(lián)盟(UIC)規(guī)范規(guī)定,在有砟鋼橋面或有砟鋼筋混凝土橋面上鋪設線路時,為了控制列車在橋上脫軌的后果,可以設置保護措施；如果擋砟墻比軌枕上緣高,且足夠堅固,能起到控制車輪的作用時,亦可不另設防護措施。

3 我國高速鐵路橋梁上的列車安全防護措施

3.1 防護措施的形式選擇

針對高速鐵路橋梁上的列車安全防護措施選型,我國進行大量的前期研究工作。應該說,最有代表性的防護措施是設置護軌。但橋上設置護軌給線路維修養(yǎng)護帶來諸多不便,會在一定程度上影響線路質量并增加養(yǎng)護工作量。經綜合比選,確定采用加高加強擋砟墻(防護墻)的方案。擋砟墻(防護墻)的高度應根據最小曲線半徑時,墻頂高程不低于外軌頂面計算確定,目的在于脫軌情況下可使列車沿擋砟墻(防撞墻)向前滑行,以防止列車傾覆或沖出橋面。有砟軌道橋梁上稱作擋砟墻兼具擋砟功能,無砟軌道橋梁上稱作防護墻。

3.2 擋砟墻(防護墻)的結構設計

3.2.1 橫向脫軌荷載的取值

擋砟墻(防護墻)的結構設計,主要考慮列車脫軌時的橫向撞擊力。輪對對鋼軌的橫向沖擊力大小取決于輪對橫向加速度、車輪對軌道的沖擊角和輪對瞬時軸重。對于橫向撞擊力,各國的取值不盡相同,德國為250 kN/m,法國為42.5 kN/m,日本為47.5 kN/m。

根據物理學動量定律,以輪對在軌道上正常運行的沖擊角作為沖擊防護墻的角度,則輪對對防護墻的橫向沖擊力為

Q=m·v·sinα/Δt

式中，m為輪對質量；v為列車運行速度；α為輪對沖擊角；Δt為橫向沖撞力作用時間。由于列車脫軌時將發(fā)生軌排橫移、軌距擴大及線路失穩(wěn)等現象,列車沖擊防護墻的沖擊角將會產生偏差,同時橫向沖撞力的作用時間的大小,對橫向撞擊力影響較大。因此根據我國的具體情況,從偏于安全考慮,列車脫軌對擋砟墻(防護墻)的撞擊力取為100 kN/m,其作用點位置與軌頂面平齊。

3.2.2 擋砟墻(防護墻)的構造與布置

擋砟墻(防護墻)與橋面連為一體。對于有砟軌道橋梁,為保證大型養(yǎng)護機械作業(yè),墻體內側距離線路中心線最小距離為2.20 m；對于無砟軌道橋梁,在滿足建筑限界條件下,以盡量靠近線路為原則,墻體內側距離線路中心線最小距離為1.9 m。

墻體寬度根據撞擊力產生的彎矩進行設置。現行標準設計中,擋砟墻(防護墻)頂面寬度為0.20 m,底面寬度為0.25 m。

標準設計中的擋砟墻(防護墻)的具體布置分別如圖4和圖5所示。

圖4 我國高速鐵路(350 km/h)無砟軌道橋梁防護墻示意(單位：cm)

圖5 我國高速鐵路(350 km/h)有砟軌道橋梁擋砟墻示意(單位：cm)

4 結語

(1) 為提高列車運營的安全性,各國鐵路橋梁上采用的列車安全防護措施,都是在列車與軌道動力學和輪軌相互作用分析與研究的基礎上確定的,是行之有效的。主要安全防護措施匯總如表1所示。

(2)考慮軌道、車輛、自然災害等各種情況,高速鐵路列車存在脫軌的可能性,設置列車安全防護措施是必要的。

(3)我國高速鐵路橋梁設置擋砟墻(防護墻)是一種可行方案。

表1 各國鐵路橋梁上采用的列車安全防護措施

(4)繼續(xù)加強對高速鐵路脫軌荷載和安全防護設施使用功能的研究,對現行擋砟墻(防護墻)進行進一步優(yōu)化。

[1]TB 10002.1—2005，鐵路橋涵設計基本規(guī)范[S].

[2]TB 10621—2010，高速鐵路設計規(guī)范[S].

[3]中國鐵道科學研究院.高速鐵路橋梁區(qū)域列車運營安全措施[Z].北京：2008.

[4]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.客運專線擋砟墻(防撞墻)設置分析[Z].北京：2008.