李慶生 桑翠江

（1鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司 教授級高級工程師，天津300142;2鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院 高級工程師,北京 100038）

0 引言

重載運輸技術(shù)是國際公認(rèn)的鐵路貨運發(fā)展方向，其對煤炭、礦石等大宗貨物運輸能力的提高及綜合經(jīng)濟效益已由實際運輸業(yè)績所證實。我國重載鐵路運輸發(fā)展大致經(jīng)歷了改造既有線開行重載列車，新建大秦鐵路、開行重載單元列車，改造繁忙干線開行5 000 t重載混編列車，大秦鐵路開行20 000 t列車四個階段[1]。

我國《鐵路主要技術(shù)政策》明確了重載鐵路為滿足列車牽引質(zhì)量8 000 t及以上，軸重為270 kN及以上，在至少150 km線路區(qū)段上年運量大于40 Mt三項條件中兩項的鐵路[2]。這一定義與國際重載運輸協(xié)會的定義相一致。由于我國目前尚沒有一套系統(tǒng)的重載鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為適應(yīng)鐵路建設(shè)和發(fā)展的需要，結(jié)合《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》編制工作，現(xiàn)對重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析研究。

1 重載鐵路設(shè)計的主要影響因素

根據(jù)重載鐵路的特點，其設(shè)計影響因素主要為機車車輛軸重、活載圖式、牽引質(zhì)量、車站到發(fā)線有效長度、正線數(shù)目、牽引種類、機車類型、限制坡度、最小曲線半徑、閉塞類型、行車指揮方式等。

上述因素除對設(shè)計線路的工程造價、運輸能力、運輸效率、運行安全和經(jīng)濟效益有直接影響外，彼此之間也存在密切聯(lián)系，設(shè)計中需綜合考慮，達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理、標(biāo)準(zhǔn)間能夠互相協(xié)調(diào)。

2 重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)分析

2.1 活載圖式

鐵路列車活載圖式是設(shè)計各類鐵路工程結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心參數(shù)。影響活載圖式的因素很多，除與機車車輛參數(shù)、運輸模式、速度指標(biāo)和不同結(jié)構(gòu)體系加載方式等有關(guān)外，還需考慮機車車輛的發(fā)展。

1951年，鐵道部以鐵設(shè)橋（51）字第117號令發(fā)布的《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)程》，首次明確了我國鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載，簡稱“中-Z活載”。1958年，鐵道部以鐵基總技武（58）字第402號令發(fā)布的《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》，對活載等級Z值略作調(diào)整，仍沿用“中-Z活載”叫法。1974年，鐵道部以（1974）交鐵基字2960號發(fā)布的《鐵路工程技術(shù)規(guī)范·第二篇·橋涵》，修訂了活載圖式，簡稱改為“中-活載”，一直沿用至今。

隨著鐵路機車牽引動力從蒸汽向內(nèi)燃、電力的改變，以及貨車軸重和載重量的逐年提高，現(xiàn)行規(guī)范使用的“中-活載”圖式已經(jīng)不能很好地反映當(dāng)前和今后鐵路列車活載的運營特征和發(fā)展需求。

大秦線采用“中-活載”進(jìn)行設(shè)計，能夠適應(yīng)230 kN及以下軸重車輛運行[3]。隨著運量的增加和250 kN軸重機車車輛的開行，設(shè)備病害發(fā)生和發(fā)展速度加快，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)確定的設(shè)計措施不能適應(yīng)250 kN及以上軸重的機車車輛運行的需要。為適應(yīng)新時期重載鐵路運輸發(fā)展，在分析現(xiàn)行“中-活載”圖式工程實踐效果和鐵路運輸發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，需要研究符合我國重載鐵路特征的新活載圖式。

確定新活載圖式時，對比分析“中-活載”圖式與UIC圖式在彎矩、剪力效應(yīng)方面的差異，雖然兩種圖式均考慮80 kN/m的車輛荷載，但由于圖式差異，按“中-活載”圖式設(shè)計的橋梁跨中彎矩和梁端剪力效應(yīng)分別比UIC圖式低4.6%和高1.8%；對于常用中等跨度橋梁，按“中-活載”圖式設(shè)計的橋梁跨中彎矩和梁端剪力效應(yīng)分別約低5%和高5%[2]。

因此，新活載圖式在選型上與UIC圖式接軌，即在基本活載圖式定位方面考慮采用UIC圖式的模式。同時，考慮到與既有“中-活載”圖式的匹配性及我國新型重載車輛車長短、載荷密度大的特點，經(jīng)綜合研究對比，將標(biāo)準(zhǔn)活載圖式中的均布荷載由UIC活載圖式兩端的80 kN/m調(diào)整為100 kN/m，作為適用于我國重載線路特征的ZH標(biāo)準(zhǔn)活載圖式方案（見圖 1）。

圖1 ZH標(biāo)準(zhǔn)活載圖式方案

根據(jù)我國橋梁采用 “中-活載”圖式的設(shè)計經(jīng)驗，受軸重加載控制，采用ZH標(biāo)準(zhǔn)活載圖式對小跨度梁設(shè)計儲備較中大跨度明顯偏低，需通過確定特種活載圖式進(jìn)行加強。經(jīng)綜合考慮特種荷載圖式對局部構(gòu)件的影響，采用如圖2所示的ZH特種活載圖式方案。

圖2 ZH特種活載圖式方案

圖1和圖2中的z為重載等級系數(shù)。

不同軸重的機車車輛對結(jié)構(gòu)物加載的作用力大小不同。我國《鐵路主要技術(shù)政策》明確提出貨車軸重研究推廣250 kN，研究發(fā)展270 kN。美國、加拿大、澳大利亞軸重采用354 kN，巴西、瑞典軸重采用300 kN，俄羅斯重載列車軸重采用270 kN。為合理、科學(xué)地確定結(jié)構(gòu)物的受力狀況，使活載圖式更加具有較廣的適用性、經(jīng)濟性和針對性，在ZH標(biāo)準(zhǔn)活載和特種活載圖式中均納入重載等級系數(shù)z，以便根據(jù)機車車輛軸重的大小調(diào)整活載數(shù)值。通過分析研究確定，重載等級系數(shù)z在設(shè)計軸重為250 kN、270 kN、300 kN、350 kN 時，分別取 1.0、1.1、1.2和1.4[2]。

2.2 牽引質(zhì)量

根據(jù)我國《鐵路主要技術(shù)政策》給出的重載鐵路定義，列車牽引質(zhì)量是重載鐵路主要指標(biāo)之一。

我國于1992年建成的第一條雙線重載運煤專線大秦鐵路，至2005年底已開行1萬t和2萬t（試開行）列車。京滬線、京哈線等六大繁忙干線普遍開行5 000 t列車，部分線路達(dá)到5 500~6 500 t[1]。

1984年，北京鐵路局在大同—秦皇島間進(jìn)行了雙機牽引7 400 t的重載組合列車的試驗。1986年4月1日正式納入運行圖，每天開行6對[1]。

1986年4月，山海關(guān)至沈陽間下行方向正式開行7 000 t重載組合列車，每日開行5列[1]。

1985年10月，在石太、石德、津浦線（大郭村—濟南西）開行了非固定式的重載組合列車，每天開行1列；在平頂山至武漢間，隔日開行1列雙機牽引6 500 t的重載組合列車；徐州北至南京東間每日開行1對雙機牽引7 000～8 000 t的重載組合列車[1]。

結(jié)合我國線路縱斷面和到發(fā)線有效長度的設(shè)置，我國重載鐵路到發(fā)線有效長度為1 700 m、2 800 m[1]系列，到發(fā)線有效長度1 700 m可滿足牽引10 000 t[1]列車需要，到發(fā)線有效長度2 800 m可滿足牽引20 000 t[1]列車需要。目前，大秦線、大準(zhǔn)線、朔黃線以及在建的準(zhǔn)朔、北同蒲、山西中南部等鐵路，其列車牽引質(zhì)量均在10 000 t及以上，因此，建議我國重載鐵路列車牽引質(zhì)量可為不小于10 000 t。

2.3 線路平面曲線半徑

曲線半徑不僅與行車安全有關(guān)，而且影響行車速度、運行時間等技術(shù)指標(biāo)和工程費、運營費等經(jīng)濟指標(biāo)。曲線半徑的選用應(yīng)考慮輪軌磨耗、減少線路養(yǎng)護維修工作量，為運營創(chuàng)造較好的條件。

2.3.1 影響曲線半徑選取的因素

2.3.1.1 線路的運輸性質(zhì)

重載鐵路軸重大、年通過總重大，鋼軌磨耗較常規(guī)鐵路嚴(yán)重，特別是小半徑曲線地段鋼軌磨耗更加明顯。曲線半徑的選擇應(yīng)充分考慮重載鐵路鋼軌磨耗與養(yǎng)護維修的關(guān)系。

2.3.1.2 行車安全

為保證機車車輛在曲線上的運行安全，保證輪軌間的正常接觸，車輛上所受的力應(yīng)保持在安全范圍內(nèi)。最小曲線半徑應(yīng)保證車輛通過曲線時的安全性、穩(wěn)定性。

2.3.1.3 地形條件

在保證運營安全的前提下，曲線半徑應(yīng)與沿線的地形條件相適應(yīng)。

2.3.1.4 經(jīng)濟因素

小半徑曲線可更大程度地適應(yīng)地形，從而減少工程數(shù)量，節(jié)省建設(shè)投資；還可避免破壞山體、影響環(huán)境。在一定的地形條件和運輸功能需求下，選用經(jīng)濟合理的最小曲線半徑是必要的。

2.3.2 最大曲線半徑

曲線半徑較大時，雖然有利于提高行車速度和改善運行狀況，但過大也存在著不利因素。一是曲線半徑過大，曲線過長，不利于養(yǎng)護維修。當(dāng)R=10 000 m時，偏角20°[4]的切線和曲線長度分別達(dá)到1 763 m和3 491 m；20 m[4]弦中點正矢為5 mm，10 m弦中點正矢為1.25 mm。二是曲線過大也不便于測設(shè)。當(dāng)R=10 000 m 時，20 m 弦長的偏角僅為3′26″；20 m長的切線支距僅為0.02 m。

此外，曲線半徑上限的確定也要考慮利用反向曲線加寬線間距的需要。

設(shè)緩和曲線時，滿足圓曲線長度不小于20 m[4]的要求；不設(shè)緩和曲線時，滿足圓曲線長度不小于規(guī)定的圓曲線長度的要求。

根據(jù)上述分析，建議重載鐵路最大曲線半徑上限采用10 000 m較為合適。

2.3.3 最小曲線半徑

最小曲線半徑既應(yīng)滿足設(shè)計行車速度要求，也應(yīng)滿足鋪設(shè)無縫線路及減少鋼軌磨耗、改善運營條件、提高運營效率的需求，并根據(jù)重載鐵路條件經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟分析后確定。

目前，既有重載鐵路小半徑地段鋼軌使用壽命不高的原因比較復(fù)雜，除了線路平面條件這一重要因素外，其他如鋼軌材質(zhì)、養(yǎng)護維修技術(shù)水平等也是不可忽視的重要因素。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在采用相同曲線半徑的同一條線上，其鋼軌磨耗也有很大的離散性。隨著鋼軌技術(shù)和維修技術(shù)水平的提高，可以預(yù)期小半徑曲線地段鋼軌的使用壽命會不斷提高，其技術(shù)經(jīng)濟合理性會不斷得到改善。

綜上分析，從技術(shù)經(jīng)濟性方面考慮，最小曲線半徑一般不宜小于1 200 m，困難條件下不宜小于800 m[2]。

2.4 限制坡度

限制坡度是重載鐵路的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，它不僅影響線路的走向和長度、車站分布及工程費用，對線路運輸能力、行車安全、運營費用也產(chǎn)生直接影響。

2.4.1 影響限制坡度選擇的主要因素

2.4.1.1 牽引種類和機車類型

牽引類型不同，牽引力的大小也不相同，電力牽引比內(nèi)燃牽引的計算牽引力大、計算速度高、牽引定數(shù)大，滿足相同運能要求時的限制坡度比內(nèi)燃牽引大。大功率機車的牽引力大、牽引定數(shù)大，滿足相同運能要求的限制坡度比小功率機車大。

2.4.1.2 地形條件

線路所經(jīng)地區(qū)的地形起伏程度，直接影響限制坡度的選擇。限制坡度適應(yīng)地形時，線路長度短、工程投資?。环駝t，需要增加展線、增加橋隧長度，從而增大工程費。

2.4.1.3 牽引質(zhì)量

限制坡度的大小與牽引質(zhì)量密切相關(guān)，限制坡度的選擇要滿足牽引質(zhì)量的要求，達(dá)到牽引質(zhì)量、牽引類型和限制坡度的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.4.1.4 線路在路網(wǎng)中的作用

限制坡度在線路建成后不易改動，除根據(jù)地形類別、牽引種類、牽引質(zhì)量要求比選確定外，還應(yīng)研究本線在路網(wǎng)中的作用、運輸組織形式、與相鄰路網(wǎng)鐵路牽引質(zhì)量相協(xié)調(diào)等因素。

2.4.2 限制坡度標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國重載鐵路牽引質(zhì)量一般分為10 000 t、20 000 t[2]兩種。根據(jù)牽引種類、常用機型、牽引質(zhì)量和機車臺數(shù)，通過牽引計算并適當(dāng)取整，限制坡度最大值可按表1采用。

表1 重載鐵路限制坡度值 ‰

2.5 正線軌道

由于軌道直接承載重載列車運行，因此，重載軌道在滿足運營安全的條件下，還應(yīng)考慮使用壽命和合理的大修周期。

我國普通鐵路的大修周期一般為15～20年。對于重載鐵路，由于其年通過質(zhì)量大，對軌道結(jié)構(gòu)的破壞性也大，應(yīng)盡量提高軌道結(jié)構(gòu)的整體使用壽命，減少養(yǎng)護維修工作量，延長大修周期，滿足安全運營及輸送能力要求。

現(xiàn)行《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定，75 kg/m鋼軌無縫線路的大修周期為通過質(zhì)量900 Mt。近年來開展的延長鋼軌使用壽命相關(guān)研究表明，通過采取高強鋼軌及鋼軌打磨、輪軌潤滑等綜合措施，75 kg/m鋼軌無縫線路的大修周期有望延長至通過質(zhì)量1 500 Mt以上，重載鐵路大修周期將達(dá)到6～10年左右。

因此，重載鐵路軌道應(yīng)在采取鋼軌打磨、輪軌潤滑等提高鋼軌使用壽命措施的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高軌道結(jié)構(gòu)的強度。結(jié)合大秦線、朔黃線等重載鐵路的軌道大修周期情況，建議重載鐵路正線軌道采用75 kg/m[2]鋼軌無縫線路、特級或一級碎石道砟。

2.6 路基填料及壓實標(biāo)準(zhǔn)

2.6.1 路基填料

路基基床是路基上部受列車動力作用和水文、氣象條件變化等影響較大的部位，其狀態(tài)直接影響列車安全、平穩(wěn)運行。

2.6.1.1 基床厚度

已開展的《鐵路路基質(zhì)量控制參數(shù)優(yōu)化及控制體系的研究》、《鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及參數(shù)的研究》等研究成果表明，基床表層厚度應(yīng)主要根據(jù)應(yīng)力和變形兩個方面的控制因素確定。

以作用在基床底層頂面的動應(yīng)力不大于填土允許應(yīng)力為控制條件時，經(jīng)計算，軸重250 kN鐵路路基的動應(yīng)力，深度在0.6 m左右時，其動應(yīng)力與靜應(yīng)力相等，基床表層厚度約需0.6 m。軸重300 kN鐵路路基的動應(yīng)力，深度在0.7 m左右時，其動應(yīng)力與靜應(yīng)力相等，基床表層厚度約需0.7 m。按照變形控制準(zhǔn)則，路基面的最大變形不超過動變形限值時，經(jīng)計算，軸重250 kN基床表層厚度約需0.6 m。

綜合應(yīng)力控制與變形控制兩方面的計算結(jié)果，軸重250 kN、270 kN取基床表層厚度0.6 m，軸重300 kN、350 kN取基床表層厚度0.7 m[2]。

因此，重載鐵路基床厚度可按表2采用。

表2 重載鐵路基床厚度

2.6.1.2 路基填料

基床表層的材料應(yīng)具有較高的強度和彈性模量以及耐磨、反濾等特性。德國、法國、西班牙等國家都采用級配砂礫石作為基床表層材料，日本則采用級配碎石。根據(jù)《鐵路路基填料分類標(biāo)準(zhǔn)深化研究》、《山西中南部鐵路通道工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究——300 kN軸重重載鐵路路基關(guān)鍵技術(shù)研究》有關(guān)研究成果，重載鐵路基床表層可采用A組填料、級配碎石填筑，當(dāng)最大軸重超過300 kN時，基床表層應(yīng)采用級配碎石填筑?；驳讓討?yīng)采用A、B組填料，否則應(yīng)采取土質(zhì)改良或加固措施?；惨韵侣返虘?yīng)采用A、B、C組填料填筑。當(dāng)選用C組填料中的細(xì)粒土填筑時，應(yīng)加強邊坡防護及防排水措施。

2.6.2 路基壓實質(zhì)量

由于重載鐵路軸重大、運量大、車流密度高，路基所受的動載強度及疲勞作用加大，加快了軌道惡化；同時，列車行車間隔減小，不可能有足夠的時間進(jìn)行養(yǎng)護維修。因此，為使列車安全運行，應(yīng)嚴(yán)格控制壓實標(biāo)準(zhǔn)，使路基填筑密實，具有足夠的強度，在列車載荷作用下，路基和軌道不產(chǎn)生過大的沉降變形，防止重載鐵路路基特別是基床病害的產(chǎn)生。

基床底層以下壓實質(zhì)量與路堤沉降關(guān)系密切，為了控制路堤沉降，以大秦線壓實標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，提高了一個等級，壓實系數(shù)采用0.92，并參考現(xiàn)行規(guī)范壓實系數(shù)與地基系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，基床底層以下的壓實質(zhì)量按表3采用為宜。

表3 重載鐵路路基壓實質(zhì)量

2.6.3 路基工后沉降標(biāo)準(zhǔn)

控制路基工后沉降是保持線路穩(wěn)定平順的前提，是列車安全運行的基礎(chǔ)。合理確定路基工后沉降標(biāo)準(zhǔn)，與路堤高度、地基條件、養(yǎng)護維修條件等多方面有關(guān)。我國早期的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對路基的工后沉降無明確規(guī)定。上世紀(jì)80年代初修建大秦線時，為減少后期沉降，參考國外做法，首次規(guī)定了后期沉降量的限制標(biāo)準(zhǔn)，即地基年沉降量不大于10 cm，總沉降量不大于30 cm。

1992年首次對普通鐵路路基規(guī)定了允許工后沉降50 cm，以后隨著研究工作的深入和實踐經(jīng)驗的積累，工后沉降標(biāo)準(zhǔn)逐步提高。目前普通鐵路路基工后沉降標(biāo)準(zhǔn)為20 cm，路橋過渡段為10 cm。

由于重載鐵路軸重大、長大編組和車流密度高，過大的路基工后沉降使軌道惡化加快，導(dǎo)致軌面不平順，從而引起列車與線路結(jié)構(gòu)的相互作用增加，影響線路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，尤其是橋頭地段表現(xiàn)更為明顯。因此需要控制沉降，減少養(yǎng)護維修費用，保證列車安全運行。結(jié)合大秦、朔黃鐵路路基病害現(xiàn)狀，建議重載鐵路工后沉降標(biāo)準(zhǔn)比現(xiàn)行普通鐵路適當(dāng)提高，采用15 cm，路橋過渡段為8 cm[2]。

3 中國重載鐵路今后研究重點方向

隨著我國重載鐵路運輸?shù)牟粩喟l(fā)展，我國已開展了重載運輸橋梁設(shè)計活載圖式與動力系數(shù)、有砟軌道、隧道內(nèi)無砟軌道、路基、鋼軌、牽引與制動等方面的技術(shù)研究與實驗，取得的成果為我國重載鐵路建設(shè)和運營提供了技術(shù)支撐，建議今后對我國重載鐵路的下列內(nèi)容進(jìn)行重點研究。

1）開展輪軌關(guān)系研究，確定匹配良好的輪軌關(guān)系，提高車輪和鋼軌的使用壽命。

2）開展研究適合我國運輸需要的軸重270 kN及以上的重載車輛，并形成系列標(biāo)準(zhǔn)。

3）研究制定重載鋼軌、軌枕、扣件等軌道部件的技術(shù)條件及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及重載鐵路道砟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以提高軌道結(jié)構(gòu)的整體使用壽命，減少養(yǎng)護維修工作量。

4）開展重載列車隧道內(nèi)附加空氣阻力測試等研究試驗，為隧道內(nèi)坡度折減提供技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié)語

重載鐵路因具有牽引質(zhì)量高、軸重大、運量大的特點而有別于普通鐵路，特別是對土建工程有其特殊要求。因此，需要根據(jù)重載鐵路建設(shè)運營實踐經(jīng)驗，不斷加深有關(guān)技術(shù)研究，完善設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，為我國重載鐵路建設(shè)和發(fā)展提供技術(shù)支撐。

[1]大秦鐵路重載運輸技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2009

[2]中華人民共和國鐵路總公司.重載鐵路設(shè)計規(guī)范 （報批稿）[S].北京

[3]周孝文.大秦鐵路集疏運通道能力分析與對策[J].鐵道經(jīng)濟研究，2005(1):39-41

[4]中華人民共和國鐵道部.GB 50090—2006鐵路線路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2006