白 樺

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究處,武漢 430063)

1 概述

廣深港客運(yùn)專線位于廣東省中南部,是北京—廣州—深圳—香港客運(yùn)專線的南段,起自武廣客運(yùn)專線廣州南站,向南經(jīng)廣州市番禺區(qū)、東莞市至深圳市接香港段至終點(diǎn)西九龍站,是一條高標(biāo)準(zhǔn)、大能力的客運(yùn)專線,線下基礎(chǔ)設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為350 km/h。線路越珠江方案進(jìn)行了橋梁上跨和隧道下穿兩大系列方案的比較論證,鐵道部經(jīng)專家審查后最終決定釆用隧道下穿方案。線路越珠江位于珠江入海口的獅子洋,該處江面寬闊,江中分布有多處島嶼,線路方案研究時(shí)擬充分利用這些島嶼縮短隧道長(zhǎng)度,但由于島面寬度較小,利用島嶼時(shí)必須采用30‰以上的大縱坡。盡管德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的高速鐵路有采用大縱坡的先例,但在我國(guó)客運(yùn)專線的修建過(guò)程中,大坡度的豎曲線,尤其是在30‰及以上的縱坡曲線,與平面曲線組合成平縱斷面的設(shè)計(jì)方案尚處于摸索和探討階段。為此,本文采用有關(guān)單位研發(fā)的鐵道機(jī)車車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論及其仿真分析系統(tǒng)TTISIM[1～7],對(duì)不同線路平面方案采用不同縱坡時(shí)的安全性與舒適性進(jìn)行分析,并結(jié)合水下隧道工程的特點(diǎn)進(jìn)行多方面綜合比較,提出最優(yōu)的平縱斷面設(shè)計(jì)方案。

2 獅子洋隧道段線路平縱斷面方案

獅子洋隧道下穿珠江，主要有2個(gè)線路平面方案[8],即經(jīng)海鷗島方案和經(jīng)沙仔島方案,2個(gè)平面方案分別研究了2個(gè)縱斷面方案,即長(zhǎng)隧道方案和短隧道橋隧結(jié)合方案,其中短隧道橋隧結(jié)合方案的設(shè)計(jì)最大縱坡分別達(dá)到30‰和34‰,而長(zhǎng)隧道方案的最大坡度僅為20‰,如圖1和圖2所示。

圖1 經(jīng)海鷗島方案線路平縱斷面示意

圖2 經(jīng)沙仔島方案線路平縱斷面示意

3 不同平縱斷面方案的行車安全性、舒適性動(dòng)態(tài)仿真分析與評(píng)估[9]

3.1 安全性與舒適性動(dòng)態(tài)仿真分析原理

將機(jī)車車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)視為一個(gè)相互作用、相互耦合的總體大系統(tǒng),而將輪軌關(guān)系作為連接這2個(gè)子系統(tǒng)的紐帶,綜合考察機(jī)車車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為及輪軌相互作用特性，基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論,運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形可視化技術(shù),西南交通大學(xué)成功研制了機(jī)車車輛與軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)TTISIM(Train/Track Interaction SIMulation)。TTISIM系統(tǒng)所獲得的仿真結(jié)果包括：車體、構(gòu)架和輪對(duì)的位移、速度和加速度隨時(shí)間的變化歷程及由此導(dǎo)出的運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)；鋼軌、軌枕和道床的位移、速度和加速度響應(yīng)；輪軌垂向力與橫向力響應(yīng)及由此導(dǎo)出的脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)；以及鋼軌-軌枕動(dòng)反力和其他各連接部件的動(dòng)作用力響應(yīng)。

3.2 仿真分析條件

3.2.1 列車條件

由于廣深港鐵路客運(yùn)專線獅子洋隧道方案研究階段,我國(guó)尚無(wú)高速列車的實(shí)車參數(shù),因此選取表1所列機(jī)車車輛作為動(dòng)力學(xué)仿真研究之條件。

3.2.2 速度條件

根據(jù)本線總體設(shè)計(jì)方案,行車速度兼顧高中速,高速為300 km/h,中速為200 km/h。因此,研究中考察了300 km/h和200 km/h 2種速度運(yùn)營(yíng)模式的動(dòng)力學(xué)性能,相應(yīng)的仿真計(jì)算工況共計(jì)8種(2種速度×2個(gè)平面方案×2種縱斷面方案)。

表1 高速列車車型

3.2.3 軌道幾何不平順條件

軌道幾何不平順是激起列車振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)軌道動(dòng)力作用的根源,在動(dòng)力仿真中是系統(tǒng)的激擾輸入,因此,選擇軌道不平順對(duì)仿真結(jié)果的合理性有重要影響。在研究高速鐵路的輪軌動(dòng)態(tài)運(yùn)行安全性及舒適性時(shí)則必須引用高速鐵路軌道譜,考慮到本線的最高速度為300 km/h,故采用德國(guó)高速鐵路(低干擾)軌道譜。

3.3 仿真結(jié)果與評(píng)估

3.3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于200 km/h及以上速度運(yùn)營(yíng)工況,其客車舒適性及安全性按鐵道部有關(guān)規(guī)范采用,具體如下。

(1)輪軌橫向力

輪軌間橫向力過(guò)大將引起軌距擴(kuò)大、線路嚴(yán)重變形。對(duì)于本研究中采用的機(jī)車車輛,輪軌橫向力允許限度值列于表2和表3。

(2)輪軌垂向力

輪軌間垂向力過(guò)大將對(duì)機(jī)車車輛運(yùn)行平穩(wěn)性與安全性以及輪軌系統(tǒng)各部件的傷損和軌道質(zhì)量狀態(tài)的惡化等均有極其不利的影響。目前暫無(wú)相關(guān)規(guī)范對(duì)該指標(biāo)的限值進(jìn)行規(guī)定,根據(jù)英國(guó)BR標(biāo)準(zhǔn),可取[P]=250 kN。

(3)脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)為瞬時(shí)作用的輪軌橫向力和垂向力之比,用于評(píng)定車輪爬軌的可能性,高速機(jī)車車輛或動(dòng)車組脫軌系數(shù)的合格等級(jí)限界值為0.8。

(4)輪重減載率

輪重減載率為輪重減載量與平均輪重的比值,用于評(píng)定車輪懸浮脫軌的可能性,輪重減載率限值指標(biāo)為

(1)

式中 ΔP——減值；

P——原值。

(5)傾覆系數(shù)

傾覆系數(shù)是用于表示機(jī)車車輛沿軌道運(yùn)行時(shí)受到各種橫向力作用下可能傾覆的程度,其計(jì)算表達(dá)式如(2)式,合格等級(jí)的限界值為0.8。

(2)

式中Pzl——左側(cè)輪軌垂向力；

Pzr——右側(cè)輪軌垂向力。

(6)運(yùn)行舒適性指標(biāo)

客車運(yùn)行平穩(wěn)性(旅客乘坐的舒適性)可根據(jù)Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定,其限值見(jiàn)表2和表3。

表2 行車速度300 km/h隧道段動(dòng)力性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果最大值及限值

表3 行車速度200 km/h隧道段動(dòng)力性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果最大值及限值

3.3.2 評(píng)估結(jié)果

(1)行車速度300 km/h的計(jì)算結(jié)果(表2)

(2)行車速度200 km/h的計(jì)算結(jié)果(表3)

(3)4種平縱斷面方案綜合比較

不管線路平面是經(jīng)海鷗島還是沙仔島,對(duì)于2個(gè)縱斷面設(shè)計(jì)方案,當(dāng)列車以300 km/h通過(guò)時(shí),長(zhǎng)隧道方案的所有安全性指標(biāo)及舒適性指標(biāo)值優(yōu)于橋隧結(jié)合方案,且能滿足高速行車要求,而在橋隧結(jié)合方案中,部分地段(位于7 000 m平曲線與大坡度重合地段)輪軌橫向相互作用出現(xiàn)了異常振動(dòng),導(dǎo)致部分安全性指標(biāo)值超出了安全限值,且舒適性指標(biāo)也接近了合格限值的邊緣。當(dāng)列車以200 km/h通過(guò)時(shí),長(zhǎng)隧道方案的所有安全性指標(biāo)及舒適性指標(biāo)均略小于橋隧結(jié)合方案,但二者大部分屬相同等級(jí)。因此,推薦采用長(zhǎng)隧道方案。

對(duì)比海鷗島和沙仔島的長(zhǎng)隧道方案,當(dāng)列車以300 km/h通過(guò)時(shí),后者的輪軌橫向力、輪軌垂向力及脫軌系數(shù)等安全性指標(biāo)值均要小于前者(主要是后者仍有部分區(qū)段位于30‰坡道上),2個(gè)方案的輪重減載率及傾覆系數(shù)等安全性指標(biāo)非常接近,舒適度指標(biāo)也十分接近,無(wú)明顯差別。當(dāng)列車以200 km/h通過(guò)時(shí),2個(gè)方案的安全性、舒適性指標(biāo)互有優(yōu)劣,均屬相同等級(jí)。因此,推薦采用沙仔島長(zhǎng)隧道方案(此為動(dòng)力性能最優(yōu)方案)。

4 不同平縱斷面方案的其他因素比較

隧道平縱斷面設(shè)計(jì)方案除考慮行車安全性與舒適性外,還應(yīng)綜合考慮施工難度、運(yùn)營(yíng)事故處理難度以及工程造價(jià)、工期等因素。

4.1 施工難度比較

在兩個(gè)平面線位的長(zhǎng)隧道方案中,隧道洞口均位于獅子洋的主防洪堤之外,施工期的防洪、材料運(yùn)輸、棄砟處理方便,而橋隧結(jié)合方案中有一個(gè)洞口位于島上,施工進(jìn)出不方便,材料運(yùn)輸與棄砟處理困難。此外,長(zhǎng)隧道方案與短隧道橋隧結(jié)合方案均采用盾構(gòu)法施工,隧道基本埋置于基巖中,盾構(gòu)段施工難度相當(dāng)。但短隧道方案由于隧道進(jìn)口的明挖段位于島上,距離河道太近,施工中地下水的處理以及防洪堤保護(hù)難度更大。因此,從施工難度看,不宜采用短隧道橋隧結(jié)合方案。

4.2 運(yùn)營(yíng)事故處理難度比較

運(yùn)營(yíng)期當(dāng)列車在隧道內(nèi)發(fā)生事故時(shí),一般均需要列車自行行駛出隧道后再實(shí)施洞外救災(zāi),因此必須考慮列車喪失部分動(dòng)力在隧道內(nèi)停車后再起動(dòng)的問(wèn)題。以ICE3動(dòng)車為例,其起動(dòng)坡計(jì)算結(jié)果如下。

當(dāng)列車未喪失牽引力時(shí),正常情況下起動(dòng)坡為59‰,雨雪天氣或洞內(nèi)潮濕時(shí)起動(dòng)坡為47.1‰～59‰。當(dāng)列車喪失25%的牽引力時(shí),正常情況下起動(dòng)坡為40.8‰,雨雪天氣或洞內(nèi)潮濕時(shí)起動(dòng)坡為31.9‰～40.8‰。當(dāng)列車喪失50%的牽引力時(shí),正常情況下起動(dòng)坡為22.6‰,雨雪天氣或洞內(nèi)潮濕時(shí)起動(dòng)坡為16.7‰～22.6‰。

可見(jiàn),當(dāng)列車喪失50%的牽引力時(shí),不能在30‰的坡道上起動(dòng)。因此,從事故處理難度看,不宜采用短隧道橋隧結(jié)合方案。

4.3 工程造價(jià)比較

短隧道橋隧結(jié)合方案由于隧道長(zhǎng)度短,隧道工程造價(jià)相對(duì)較低,但由于需修建大跨度橋梁跨越輔助航道,而大跨度橋梁造價(jià)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于隧道,因此,2種不同的縱斷面方案工程造價(jià)基本相當(dāng)。

4.4 施工工期比較

獅子洋隧道采用盾構(gòu)法施工,只能從兩端向江中掘進(jìn)。短隧道橋隧結(jié)合方案隧道長(zhǎng)度短,因而總工期較長(zhǎng)隧道方案短約6個(gè)月。

5 結(jié)論

(1)采用機(jī)車車輛與軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)仿真分析的方法對(duì)鐵路客運(yùn)專線的行車安全性與舒適性進(jìn)行評(píng)估,可以為線路平縱斷面方案的比選提供較好的理論依據(jù)。

(2)根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果,對(duì)于行車速度達(dá)到300 km/h的鐵路客運(yùn)專線,當(dāng)平曲線半徑達(dá)到7 000 m且與30‰及以上的大坡度重合時(shí),輪軌橫向相互作用可能出現(xiàn)異常振動(dòng),從而導(dǎo)致部分安全性指標(biāo)值超出安全限值,且舒適性指標(biāo)也接近合格限值的邊緣,因此大縱坡不宜與平曲線重合。廣深港鐵路客運(yùn)專線獅子洋隧道即基于此推薦采用縱坡較小的長(zhǎng)隧道方案。

(3)對(duì)于設(shè)置凹形縱坡的水下隧道,最大坡度的選擇應(yīng)考慮列車喪失部分動(dòng)力時(shí)的停車再起動(dòng)問(wèn)題,當(dāng)列車喪失50%的牽引力時(shí),不能在30‰的坡道上起動(dòng),因此水下隧道最大縱坡不宜超過(guò)20‰。

[1]翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)(第二版)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2002．

[2]翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)研究的新進(jìn)展[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2002,23(2):1-14．

[3]王開(kāi)云,丁國(guó)富,翟婉明.機(jī)車車輛-軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)性能仿真系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16(6):2737-2740．

[4]王開(kāi)云,翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真軟件TTISIM及其試驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2004,25(6):48-53．

[5]95J01—L,高速試驗(yàn)列車動(dòng)力車強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)性能規(guī)范[S]．

[6]鐵道部科學(xué)研究院,北京鐵路局.京秦客運(yùn)通道提速改造工程第一次實(shí)車運(yùn)行試驗(yàn)研究報(bào)告[R].TY-1487,北京,2000．

[7]鐵道部科學(xué)研究院.環(huán)行線貨物列車直線段脫軌試驗(yàn)研究報(bào)告[R].TY-1408,北京,2000．

[8]鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道初步設(shè)計(jì)文件[Z].武漢：鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院,2005.

[9]西南交通大學(xué).廣深港客運(yùn)專線珠江段設(shè)計(jì)安全性與平穩(wěn)性仿真評(píng)估研究報(bào)告[R].成都：西南交通大學(xué),2005.