蔡君君
(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津300142)
近年來(lái),隨著鐵路運(yùn)輸越來(lái)越體現(xiàn)出運(yùn)量大、運(yùn)輸穩(wěn)定等優(yōu)越性,客、貨運(yùn)量的急劇膨脹,既有鐵路能力越來(lái)越難以滿(mǎn)足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,這就給我國(guó)鐵路運(yùn)能提出了更高的要求。為了解決運(yùn)輸能力不足的問(wèn)題,大部分鐵路擴(kuò)能改造主要是通過(guò)對(duì)既有線的改造或者增建二線的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著鐵路修建技術(shù)的日益進(jìn)步,我國(guó)新設(shè)計(jì)的鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求更高,這就使得對(duì)既有線的擴(kuò)能提速改造也是非常必要的。
既有線鐵路提速擴(kuò)能改造主要有改建限速的小半徑曲線,改善平面的連接狀況,改建線路的坡度,繞避或整治地質(zhì)病害路段,車(chē)站的設(shè)置等方法。結(jié)合“哈爾濱至漠河鐵路擴(kuò)能改造工程”加格達(dá)奇至塔河段的方案研究,討論關(guān)于既有線提速改造中小半徑曲線平面改造方法的相關(guān)問(wèn)題。
加格達(dá)奇到塔河段鐵路隸屬于嫩林線的中段,嫩林線貫穿黑龍江省西北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)東北隅,該線從嫩江站起,向北經(jīng)大楊樹(shù)、加格達(dá)奇、林海、塔河、樟嶺,至漠河縣站。線路所經(jīng)地區(qū)為大興安嶺原始森林地帶,是國(guó)家主要木材產(chǎn)地之一,嫩林鐵路于1972年完成修建。對(duì)本線路進(jìn)行擴(kuò)能改造有助于黑龍江省西北部地區(qū)煤炭、木材等資源的利用,促進(jìn)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,并保障我國(guó)對(duì)俄口岸集疏運(yùn)通道的暢達(dá)。
該段線路長(zhǎng)為259.515 km,既有線為單線,共有曲線214個(gè),共計(jì)約119.21 km,占線路長(zhǎng)的45.94%。此段既有線小半徑曲線較多,最小曲線半徑為395 m,線路平面條件較差,平面需要進(jìn)行改造。
在進(jìn)行提速改造工程設(shè)計(jì)工作之前,必須全面系統(tǒng)地研究和制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)改造原則、相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)及主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),這是進(jìn)行提速工程設(shè)計(jì)的前提條件和技術(shù)保證。制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)符合安全適用、技術(shù)先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)、經(jīng)濟(jì)合理的要求,綜合考慮站前、站后各專(zhuān)業(yè)的要求。
既有線提速改造的主要原則為[1-2]:在保證運(yùn)輸安全、滿(mǎn)足運(yùn)輸需要的前提下,盡量利用既有條件,防止大拆大改;對(duì)于危及行車(chē)安全的病害地段及受平面、縱斷面限制而不能滿(mǎn)足運(yùn)輸要求的地段,必須改建;困難條件下,為減少改建工程,可采用《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)改建既有線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),不必強(qiáng)求與新建鐵路標(biāo)準(zhǔn)一致,但改線地段一般采用新建鐵路標(biāo)準(zhǔn)。困難條件下,如按規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改建來(lái)改大半徑曲線引起巨大工程時(shí),可經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選合理的改建方案,以節(jié)約工程投資。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要,必須根據(jù)線路具體的技術(shù)條件和客流量大小合理確定全線的提速區(qū)段以及速度目標(biāo)值。速度目標(biāo)值應(yīng)根據(jù)線路在路網(wǎng)中的地位、既有線的條件、沿線地形地質(zhì)條件、改建工程量、與其他運(yùn)輸方式的競(jìng)爭(zhēng)力以及投資效益等因素進(jìn)行綜合考慮[3]。
根據(jù)本區(qū)段運(yùn)量水平及在路網(wǎng)中的地位和作用,加格達(dá)奇至漠河段按國(guó)鐵II級(jí)進(jìn)行擴(kuò)能改造設(shè)計(jì),加格達(dá)奇至塔河區(qū)段單線擴(kuò)能改造后可以滿(mǎn)足運(yùn)量需求,提速至120 km/h,其他局部由于隧道改建困難等原因保持現(xiàn)狀90 km/h。
影響既有線提速的線路因素[4-6]主要有平面條件(曲線半徑、緩和曲線長(zhǎng)度、夾直線及圓曲線長(zhǎng)度和復(fù)線間線間距)、縱斷面條件(限制坡度、坡段長(zhǎng)度及豎曲線等)、車(chē)站的設(shè)置及軌道、路基和橋梁等線路設(shè)備。其中,受工程投資、既有線路狀況等影響,一般提速改造中少動(dòng)線路縱斷面,因此,既有線提速,主要從平面線形條件及線路設(shè)備等方面入手,在進(jìn)行平面線形改造時(shí),主要探討曲線改造。
根據(jù)本區(qū)段速度目標(biāo)值的推薦研究意見(jiàn),參照線路規(guī)范本路段旅客列車(chē)速度對(duì)應(yīng)的最小曲線半徑為800 m,個(gè)別地段由于涉及隧道改建困難保留既有的600 m半徑曲線。因此,本段需要改造的小半徑曲線個(gè)數(shù)為87個(gè),約49.9 km,占本段線路長(zhǎng)度的19.2%,改造工程量較大。
在既有線的改造過(guò)程中,由于中斷行車(chē)、列車(chē)慢行以及施工運(yùn)料的運(yùn)輸?shù)龋绊懥司€路的通過(guò)能力和行車(chē)速度,造成了施工改造對(duì)運(yùn)營(yíng)的干擾。因此,在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)充分考慮施工與運(yùn)營(yíng)的干擾問(wèn)題并采取必要的措施。首先應(yīng)當(dāng)考慮施工的難易程度,盡量減少改建線與既有線的交叉,增建第二線時(shí)宜盡量減少與既有線的換側(cè)。改建線與既有線平面連接時(shí),連接處的設(shè)計(jì)高程應(yīng)盡量稍稍大于既有線的高程,以便能盡快接通正線,減少有干擾的作業(yè)時(shí)間。此外,施工時(shí)應(yīng)盡量做好施工組織設(shè)計(jì),一般情況下,盡量先施工新建線,再改建既有線,既有線的改建工作安排在新建線接通后進(jìn)行。
在既有線提速工程線路改造中,曲線改造是一個(gè)很重要的組成部分。因?yàn)榍€限制了行車(chē)速度,只有增大曲線半徑,才能提高列車(chē)速度。而在提速曲線改造中,涉及較多的是小半徑曲線和反向曲線,并且反向曲線兩端的切線還常常不平行,這也是曲線改造的一個(gè)難點(diǎn)。
既有線提速技術(shù)改造工程采用什么樣的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)措施,直接影響改造工程規(guī)模、工程投資、施工過(guò)渡難易、對(duì)既有線行車(chē)干擾的大小以及提速技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,根據(jù)以往提速工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析[7-10],既有線提速改造技術(shù)措施主要有以下幾種,并在本區(qū)段提速改造研究中得到了很好的利用。
對(duì)于既有線的改造,小半徑曲線改造情況是最常見(jiàn)的,也是山區(qū)鐵路改造最多的項(xiàng)目。既有曲線半徑和緩和曲線不再適應(yīng)提速改造后所在區(qū)(路)段速度目標(biāo)值,在保證兩線線間距滿(mǎn)足要求的條件下,一般情況下只是一個(gè)曲線的改動(dòng),曲線改造通常采取增大曲線半徑或增加緩和曲線長(zhǎng)度(如圖1所示,實(shí)線為既有線,虛線為改建線,下同)。
加格達(dá)奇至塔河段改造單個(gè)小半徑曲線約有11處,例如K193+200~K196+100段、K329+400~K330+300段、K339+500~K340+100段、K425+100~K428+000段等,主要采用圖1中的方法來(lái)改善平面條件。
設(shè)計(jì)時(shí),雖然采用較長(zhǎng)的緩和曲線可以減小超高順坡率,能夠增加旅客舒適度,但在既有線曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),必須同時(shí)考慮緩和曲線和圓曲線的長(zhǎng)度,緩和曲線不能太長(zhǎng),否則將減小圓曲線的長(zhǎng)度,使客車(chē)同時(shí)跨越圓弧兩端的緩和曲線,影響行車(chē)平穩(wěn)。
在曲線半徑改造的過(guò)程中,往往還會(huì)遇到橋隧、涵洞等既有建筑物,為了不引起大的拆遷以節(jié)約投資,設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮充分利用既有建筑物。此時(shí)可采用如圖2所示改造方式,增大曲線半徑的同時(shí),保持曲線部分不動(dòng),而是使兩端切線側(cè)移。
圖1 增大曲線半徑改造單個(gè)小半徑曲線
圖2 固定曲線部分改造單個(gè)小半徑曲線
此外,對(duì)于單個(gè)曲線,當(dāng)條件允許時(shí),還可采取將小半徑曲線改為一對(duì)反向曲線(如圖3)或一對(duì)同向曲線的方式來(lái)進(jìn)行改造,在本段工程的改造設(shè)計(jì)時(shí),K281+800~K282+700段就采用了該方法來(lái)進(jìn)行,但是要注意留有足夠的夾直線長(zhǎng)度。
圖3 設(shè)置反向曲線改造單個(gè)小半徑曲線
對(duì)于同向曲線,在既有線提速改造時(shí),往往將相鄰的兩個(gè)小半徑曲線采用一個(gè)大半徑曲線進(jìn)行連接(圖4),例如K396+300~K397+600段和K407+200~K408+200段;或者是通過(guò)平移切線來(lái)增加曲線半徑和夾直線的長(zhǎng)度(圖5),根據(jù)地形條件合理選擇宜向內(nèi)側(cè)或者向外側(cè)進(jìn)行改建。上述方法雖然改建工程量要稍大,但能較好地改善平面條件。
圖4 同向曲線改造為單個(gè)大半徑曲線
圖5 增大曲線半徑改造同向曲線
當(dāng)既有鐵路存在復(fù)曲線時(shí),如果不是在困難條件或者沒(méi)有充分技術(shù)經(jīng)濟(jì)依據(jù)的前提下,一般要將復(fù)曲線進(jìn)行改建。復(fù)曲線的存在增加了勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)維修的困難,降低了列車(chē)平穩(wěn)性和舒適度,因此,改建時(shí)盡量將復(fù)曲線改為單曲線,當(dāng)改建引起巨大工程量時(shí)為了改善運(yùn)營(yíng)條件可采取增加中間緩和曲線等方法,在本段既有線改造工程中沒(méi)有復(fù)曲線。
在既有線提速小半徑曲線改造中,涉及較多的還有S曲線即反向曲線,并且反向曲線兩端的切線還往往不平行,這也是曲線改造中的一個(gè)難點(diǎn)。優(yōu)化反向曲線時(shí),一般要使曲線半徑增大、夾直線長(zhǎng)度增長(zhǎng)并減小曲線偏角,優(yōu)化后設(shè)計(jì)曲線的圓曲線長(zhǎng)度、夾直線長(zhǎng)度需滿(mǎn)足規(guī)范要求。
設(shè)計(jì)反向曲線的半徑,應(yīng)結(jié)合具體條件盡可能進(jìn)行改造。對(duì)于反向曲線兩端無(wú)車(chē)站、橋梁等限制條件的,一般采取以公切線中點(diǎn)(或附近)為中心扭轉(zhuǎn)公切線,選配合適的曲線半徑,改造工程量及線路撥移量最省為宜(圖6),此方法的缺點(diǎn)是對(duì)線路的運(yùn)營(yíng)和施工產(chǎn)生了干擾;對(duì)于反向曲線一端有橋梁或車(chē)站限制時(shí),為保證橋梁或車(chē)站不改動(dòng),或者使改建工程對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)盡可能不產(chǎn)生干擾,可以以其鄰近端為固定端,平移交點(diǎn)并扭轉(zhuǎn)公切線,選配適當(dāng)?shù)那€半徑、緩和曲線、夾直線以及距橋梁、車(chē)站咽喉區(qū)距離等(圖7),例如加格達(dá)奇至塔河段改造設(shè)計(jì)時(shí)K200+100~K201+400段、K229+200~K231+100段、K244+000~K246+500段等多處采用了該方法進(jìn)行改造。
在山區(qū)鐵路中,由于以前投資和技術(shù)條件的限制,為了更好地適應(yīng)地形條件,采用多組小半徑曲線連接,這給運(yùn)營(yíng)、維修以及后期提速改造帶來(lái)了很大的麻煩。在改建過(guò)程中,可以將曲線取直(圖8)或者將幾個(gè)小半徑曲線合并為大半徑曲線,減少曲線個(gè)數(shù)(圖9),雖然這使得改造的工程量加大,但是改建效果明顯。例如本段工程中K218+100~K220+500段、K234+300~K237+400段和K298+700~K300+000段等處都采用了上述方法進(jìn)行改造,在原有的基礎(chǔ)上使平面條件得到了很好的改善,從而適應(yīng)本段提速的速度目標(biāo)值,取得了良好的效果。
圖6 扭轉(zhuǎn)公切線法改造反向曲線
圖7 平移交點(diǎn)法改造反向曲線
圖8 取直法改造多個(gè)小半徑曲線
圖9 減少曲線個(gè)數(shù)改造多個(gè)小半徑曲線
對(duì)于曲線密布、毗連地段,往往曲線半徑、緩和曲線長(zhǎng)、夾直線、圓曲線等平面技術(shù)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)、相互制約和影響,若多個(gè)小半徑曲線路段改造困難時(shí),一般還可以采取繞行的方式,避開(kāi)不良地質(zhì)區(qū),并合理選配曲線線型,以使改造工程量最佳。
上述平面改造方法在哈漠改造工程加格達(dá)奇至塔河段方案研究中得到了充分靈活的運(yùn)用,設(shè)計(jì)改造后線路平面能很好地滿(mǎn)足時(shí)速120 km的要求,運(yùn)量也能達(dá)到遠(yuǎn)期需求。小半徑曲線改造采用多大曲線半徑值和緩和曲線長(zhǎng)度,應(yīng)在滿(mǎn)足提速速度目標(biāo)值條件和安全的前提下,設(shè)計(jì)方案充分體現(xiàn)對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)影響小,工程量小,施工方便,工期短等設(shè)計(jì)原則。
既有線提速改造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,就線路平面而言,在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中,常常遇到的情況很復(fù)雜,不能單一地使用某一種方法進(jìn)行改造,而是要結(jié)合縱斷面改造進(jìn)行綜合運(yùn)用,因此要結(jié)合既有線的現(xiàn)狀,確定合理的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),既要使其滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸安全、便捷、舒適,而且要結(jié)合施工過(guò)渡,不致使工程量過(guò)大,文中各種措施也為今后的提速改造工程提供了可借鑒之處。
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