白寶英

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

適應國民經(jīng)濟發(fā)展需要是鐵路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的根本依據(jù),我國鐵路建設(shè)從以客貨共線為主,到20世紀80年代初修建貨運專線、90年代初規(guī)劃高速客運專線、繁忙運輸通道修建多線實行客貨分線,都充分體現(xiàn)了鐵路規(guī)劃建設(shè)與國家發(fā)展規(guī)劃的息息相關(guān)。目前我國已制訂了布局合理、適應國家經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃、滿足區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展要求、體現(xiàn)國家技術(shù)經(jīng)濟綜合實力水平的中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃。我國幅員遼闊,地形地貌及地質(zhì)條件復雜多變,在實施路網(wǎng)規(guī)劃的線路設(shè)計過程中,對于標準的選擇及應用存在著較大的靈活性。選擇適宜的設(shè)計標準以使設(shè)計方案安全可靠、經(jīng)濟合理、系統(tǒng)最優(yōu)、為基礎(chǔ)設(shè)施使用留有一定的發(fā)展空間,是線路專業(yè)設(shè)計技術(shù)應遵循的基本原則。本文擬從曲線半徑、緩和曲線長度、坡段長度及同心圓設(shè)計等方面,就如何應用參數(shù)化設(shè)計的相關(guān)問題做一分析探討,以實現(xiàn)線路總體設(shè)計及系統(tǒng)設(shè)計最優(yōu)的目標。

2 現(xiàn)行有關(guān)線路設(shè)計規(guī)程規(guī)范

我國鐵路線路設(shè)計標準體系根據(jù)線路運輸性質(zhì)分為客貨共線標準、客運專線標準兩大系列,在各自系列中按照設(shè)計行車速度分別規(guī)定相應的設(shè)計標準。旅客列車設(shè)計速度160 km/h及以下、貨車設(shè)計速度120 km/h及以下的客貨共線鐵路線路設(shè)計執(zhí)行的規(guī)范是《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》(GB50090—2006)(簡稱《線規(guī)》)；旅客列車設(shè)計速度200 km/h及以下、貨車設(shè)計速度120 km/h及以下的客貨共線鐵路線路設(shè)計執(zhí)行的規(guī)范是《時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函[2005]285號)(簡稱《200客貨混》)；旅客列車設(shè)計速度200 km/h(含)～250 km/h(不含)客運專線的線路設(shè)計執(zhí)行的設(shè)計規(guī)范是《時速200～250 km客運專線設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2005]140號)(簡稱《200～250客運專線》)；旅客列車設(shè)計速度250 km/h及以上客運專線的線路設(shè)計執(zhí)行的設(shè)計規(guī)范是《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)(簡稱《高速規(guī)范》)。

3 現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范標準規(guī)定分析

現(xiàn)行線路有關(guān)設(shè)計規(guī)范對于線路主要設(shè)計標準如平面曲線半徑、緩和曲線長度、坡段長度、豎曲線半徑等均給出了規(guī)定值,這種標準形式便于設(shè)計人員使用,在一般情況下采用規(guī)范給定的數(shù)值可提高設(shè)計工作效率。但是,在實際工程設(shè)計中存在著一些情況,需要靈活應用設(shè)計規(guī)范,如為躲避重要障礙物、為節(jié)省工程或滿足平縱斷面匹配設(shè)計要求等需要采用非標準數(shù)值的半徑、緩和曲線長度、豎曲線半徑及坡段長度等,另外在線路引入樞紐或既有鐵路接軌的減加速地段,在現(xiàn)行規(guī)范中給出的設(shè)計數(shù)據(jù)不適于工程設(shè)計的直接選用。

如何依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范確定線路設(shè)計標準,結(jié)合工程技術(shù)經(jīng)濟條件要求,科學合理地解決線路設(shè)計標準選擇問題,是我們工程設(shè)計人員必須思考的事情。通過對現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范標準的研究和工程設(shè)計實踐經(jīng)驗總結(jié),筆者認為建立基于參數(shù)化設(shè)計的理念是十分必要的,設(shè)計者在遵從現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范基本要求的前提下,深刻理解設(shè)計標準與計算參數(shù)的物理意義,靈活運用設(shè)計規(guī)范標準進行線路設(shè)計,對于提高工程設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟合理性是非常必要的。

4 參數(shù)化設(shè)計的幾點建議

4.1 關(guān)于平面曲線半徑選擇

表1 平面曲線半徑計算超高參數(shù) mm

對于計算結(jié)果的采用應注意平縱條件的匹配關(guān)系及V-S曲線要求,在滿足運營要求的前提下實現(xiàn)線路的舒適性要求,提高工程設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟合理性。

4.2 關(guān)于同心圓設(shè)計

在客運專線鐵路設(shè)計中,同心圓的設(shè)計是一種近似的設(shè)計,即右線曲線半徑與左線曲線半徑差值為直線地段線間距,右線與左線配置相同長度的緩和曲線,據(jù)此確定出右線設(shè)計中線。此時,左右線的設(shè)計線間距在圓曲線范圍內(nèi)并非是恒定值,即從線形幾何關(guān)系上看不是嚴格意義上的同心圓。在一般情況下這種線形設(shè)計能滿足工程要求,設(shè)計資料簡單。如果個別工點對于線間距的要求比較嚴格時,則需要設(shè)計完全意義上的同心圓,如盾構(gòu)法施工的隧道斷面,要求線間距盡可能為某一要求的不變的定值。此時右線應按照同心圓設(shè)計理論,根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的線間距,設(shè)計右線圓曲線中線,根據(jù)左、右線緩和曲線與線間距的關(guān)系,求得右線緩和曲線長度,按照設(shè)計精度要求確定右線緩和曲線長度取位。這樣通過對右線線形的特殊設(shè)計可以滿足工程上對同心圓線間距不變的要求。

4.3 關(guān)于改變線間距的設(shè)計

當雙線并行地段因工程設(shè)計需要改變線間距時,規(guī)范規(guī)定一般通過鄰近曲線平行側(cè)移來實現(xiàn)線間距改變,當工程設(shè)計要求改變線間距的附近沒有曲線時,則采用直線上設(shè)置一組反向曲線來實現(xiàn)線間距的改變。通過曲線變線間距的方法在整個曲線范圍內(nèi)線間距都是變化的,對于設(shè)計及施工均增加了一定難度；采用直線上設(shè)置一組反向曲線變化線間距的方法則惡化了平面條件,增加施工及養(yǎng)護的難度,并且當線間距變化值較小時，受最小圓曲線長度規(guī)定限制，這種方法還不適用。而采用參數(shù)化設(shè)計的理念可以靈活解決設(shè)計中遇到的需要改變線間距問題。設(shè)計方法類似于上述的同心圓設(shè)計,即根據(jù)線間距變化值計算內(nèi)外側(cè)緩和曲線,一般以左線為基準計算右線的緩和曲線長度,外側(cè)曲線一般配置規(guī)范中的最長緩和曲線,內(nèi)側(cè)根據(jù)線間距變化值計算確定。因此,采用參數(shù)化設(shè)計可以提高線路設(shè)計精確性和準確度,更好地適應工程設(shè)計，為施工及運營養(yǎng)護維修創(chuàng)造較好的條件。

4.4 關(guān)于緩和曲線長度

確定緩和曲線長度的參數(shù)包括設(shè)計超高、超高時變率、欠超高時變率,根據(jù)設(shè)計速度,合理匹配設(shè)計超高、超高時變率、欠超高時變率。當需要根據(jù)設(shè)計參數(shù)計算確定緩和曲線長度時,計算參數(shù)值的選用可采用規(guī)范中規(guī)定的允許值范圍內(nèi)的區(qū)間值?，F(xiàn)行有關(guān)高速鐵路規(guī)范中的參數(shù)見表2。

表2 緩和曲線長度計算參數(shù)

注：V為設(shè)計速度,km/h。

(1)根據(jù)設(shè)計速度計算均衡超高,根據(jù)V-S曲線合理設(shè)計欠、過超高,超高時變率與設(shè)計欠超高的舒適度水平應相匹配,即欠超高較小時應采用較小的超高時變率計算緩和曲線長度；當高低速列車通過曲線的速度差較大時,如果低速車過超高控制了實設(shè)超高取值,此時需要檢算欠超高時變率條件控制的緩和曲線長度。

(2)在選用時應注意的問題：①采用較長緩和曲線后應檢查剩余圓曲線長度,如果緩和曲線采用了最大長度而導致圓曲線長度不滿足0.8V時,應調(diào)整緩和曲線長度,使超高順坡率(超高時變率)的水平與圓曲線長度舒適度水平匹配合理；②當曲線間夾直線長度較短時,如果緩和曲線長度采用了較大值而導致夾直線長度不滿足0.8V,則應調(diào)整緩和曲線長度采用值；③當變坡點必須與圓曲線重疊設(shè)置時,豎曲線宜距離緩圓點或圓緩點盡量遠,如果受緩和曲線長度控制則宜調(diào)整緩和曲線長度,綜合考慮空間曲線的合理匹配。

4.5 坡段長度

坡段長度選擇遵循的基本原則是：在滿足工程技術(shù)經(jīng)濟條件要求前提下,盡可能采用較長的坡度,以減少變坡點的設(shè)置,提高舒適性。在地形復雜的地區(qū),坡段長度標準對于工程經(jīng)濟合理性的影響較大。從理論上講,只要豎曲線半徑足夠大、豎曲線間夾坡長度足夠長,則列車通過變坡點產(chǎn)生的振動對于舒適度的影響即可控制在規(guī)定的水平。

確定最小坡段長度的參數(shù)是豎向加速度及其相應的豎曲線半徑標準,我國客運專線上規(guī)定的最大豎向加速度允許值為0.4 m/s2。據(jù)此確定一定設(shè)計速度對應的最小豎曲線半徑標準,另外考慮車輛通過豎曲線產(chǎn)生的振動不疊加要求,應留有一定的夾坡長度,一般取設(shè)計速度的0.4～0.8倍,最小坡段長度的計算公式為

lp=(Δi1+Δi2)/2×Rsh+(0.4～0.8)V

式中，Δi1、Δi2為坡段兩端相鄰坡段坡度差；Rsh為對應設(shè)計速度的豎曲線半徑,一般取最大值。

高速規(guī)范中給出的最小坡段長度在一般條件下是適宜的,但當遇到特殊工程情況或技術(shù)條件控制時,如困難地形地質(zhì)條件下工程設(shè)計有要求時、車站兩端受咽喉區(qū)布置控制時等情況,最小坡段長度可按照上述公式計算,在滿足夾坡長度不小于0.8V要求的前提下,可采用較規(guī)范短的坡段長度,但一般不宜短于600 m。

5 關(guān)于線間距計算的案例分析(表3)

表3 線間距計算

表3中序號1～3給出了某條線左右線按照《高速規(guī)范》中(1)欄標準配置相同長度緩和曲線時的計算線間距,可以看出計算線間距與設(shè)計線間距的誤差值與曲線半徑及偏角大小有關(guān),半徑越大、線間距誤差值越小；由于緩和曲線長度與理論上要求的有差異,故加設(shè)緩和曲線產(chǎn)生的內(nèi)移距[圓曲線范圍內(nèi)移距p的計算近似公式為p={l2/(24R)-l4/(2 688R3)},l為緩和曲線長度,R為圓曲線半徑]與理論上的內(nèi)移距存在差異,導致圓曲線范圍內(nèi)線間距有微小變化,小偏角大半徑曲線在圓曲線范圍內(nèi)計算線間距相同,一般情況下曲中線間距較緩圓點及圓緩點線間距略大；相同半徑偏角越大、線間距誤值越大；表中帶★號的數(shù)據(jù),為緩和曲線長度采用《高速規(guī)范》中(2)欄標準時的計算結(jié)果,與采用(1)欄的計算結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)緩和曲線長度取值越大線間距誤差值越大。

表中序號4為某條線變線間距的設(shè)計,背景情況是：曲線前直線段布置有渡線,線間距為5 m,渡線后直線段較短,圓曲線范圍部分段落隧道施工擬采用盾構(gòu)法,要求線間距較直線段縮小且為等值。如果采用一般設(shè)計方法,是在渡線后較短的直線段右線上設(shè)置1組反向曲線,該設(shè)計可滿足設(shè)計速度80 km/h標準要求。為改善線形條件采用了右線曲線兩端設(shè)置不等長緩和曲線長度的設(shè)計,借助計算機輔助設(shè)計手段擬合出右線中線,確保圓曲線部分為4.4 m等間距,解決了工程設(shè)計需要,降低了隧道施工難度并節(jié)省了工程投資。

6 結(jié)語

線路設(shè)計質(zhì)量關(guān)系著其他工程設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟合理性,是一個建設(shè)項目總體性和系統(tǒng)性優(yōu)劣的基礎(chǔ)。針對我國幅員遼闊,地形地貌及地質(zhì)條件復雜多變的實際,通過建立參數(shù)化設(shè)計理念,從系統(tǒng)優(yōu)化角度出發(fā),緊密結(jié)合項目工程實際靈活運用設(shè)計規(guī)范,可以解決線路設(shè)計中的諸多難題,科學合理地改進機械地套用設(shè)計規(guī)范的常規(guī)做法,針對工程設(shè)計具體要求,合理選擇線路設(shè)計標準,使設(shè)計成果既滿足設(shè)計規(guī)范要求又符合工程實際需要,通過實踐經(jīng)驗積累不斷提升對于設(shè)計規(guī)范的應用水平,充分體現(xiàn)“以人為本、服務運

輸、強本簡末、系統(tǒng)優(yōu)化、著眼發(fā)展”的鐵路建設(shè)理念。

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