王鵬飛，吳 平，蔡 偉，劉俊生

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027)

1 工程背景

巴基斯坦某集裝箱堆場(chǎng)與房建二期工程(簡(jiǎn)稱“本工程”)位于巴基斯坦卡拉奇港，是南亞地區(qū)首個(gè)自動(dòng)化專業(yè)集裝箱深水碼頭堆場(chǎng)工程。工程陸域總面積約32萬m2，二期擴(kuò)建完成后碼頭的總體年設(shè)計(jì)吞吐量將達(dá)到310萬TEU。碼頭堆場(chǎng)后方設(shè)有港口鐵路，主要由1條連接線、3條裝卸線、1條機(jī)修線和1條機(jī)待線組成，線路總長(zhǎng)3.71 km，包含獨(dú)立的通信、信號(hào)(采用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)系統(tǒng)，而鐵路供電、排水依托碼頭管網(wǎng)配套系統(tǒng)。港口工程平面位置見圖1，鐵路平面布置見圖2。

圖1 工程平面位置

圖2 鐵路平面布置

2 中巴標(biāo)準(zhǔn)融合的設(shè)計(jì)原則

巴基斯坦現(xiàn)有鐵路網(wǎng)基本沿襲英國殖民時(shí)期遺留的鐵路線，新建或改建工程主要依照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、做法并參考英標(biāo)及其他國際標(biāo)準(zhǔn)，自身標(biāo)準(zhǔn)體系并不完善。為避免標(biāo)準(zhǔn)混雜，同時(shí)考慮到國家干線ML-1線及卡西姆站(Bin-Qasim Station)通號(hào)系統(tǒng)升級(jí)等工程均已采用中國標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品，確定了以中國標(biāo)準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱“中標(biāo)”)為主進(jìn)行站前設(shè)計(jì)、按照巴基斯坦標(biāo)準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱“巴標(biāo)”)進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的融合原則，見表1。

表1 中巴融合的設(shè)計(jì)原則和標(biāo)準(zhǔn)

由于巴基斯坦沒有港口鐵路及整體道床無砟軌道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，引入中標(biāo)進(jìn)行平面布置和道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以最大限度發(fā)揮中標(biāo)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使鐵路設(shè)計(jì)更加符合港口運(yùn)營需求；同時(shí)在軌距、鐵路限界、曲線段、道岔、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上融合巴標(biāo)，確保設(shè)計(jì)滿足巴當(dāng)?shù)罔F路技術(shù)要求和運(yùn)營習(xí)慣。

3 鐵路平面布置

鐵路平面需要基于港口整體總平面布置，合理考慮港口集疏運(yùn)要求，并兼顧近期及遠(yuǎn)期需求，留有發(fā)展余地，選線上避免貨物的迂回和折返運(yùn)輸，并應(yīng)減少鐵路、道路的相互干擾。

鐵路規(guī)劃有3條裝卸線，裝卸線一側(cè)設(shè)有集卡通道，鐵路區(qū)通過輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)(RTG)和正面吊進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè)。RTG沿跑道梁行駛，按外邊線計(jì)跨度為25 m，裝卸線的線間距為4.72 m，集卡雙通道總寬7.34 m(圖3)。

圖3 鐵路裝卸平面示意

對(duì)于裝卸線長(zhǎng)度要求每條線須容納至少40車廂長(zhǎng)火車進(jìn)站進(jìn)行裝卸，并不小于685 m(2 250′)。根據(jù)碼頭平面布置，以及警沖標(biāo)和脫軌道岔(脫軌道岔處不作為裝卸線)位置，實(shí)際3條裝卸線的有效長(zhǎng)度為711、685、711 m，可容納45車廂長(zhǎng)火車進(jìn)站(機(jī)車長(zhǎng)度為20 m，火車全長(zhǎng)650 m左右)。

3.1 年貨運(yùn)量及RTG布置

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]鐵路裝卸作業(yè)段最小長(zhǎng)度Lt的計(jì)算公式(7.10.13)，推導(dǎo)出港口鐵路年貨運(yùn)量Qt：

(1)

式中：Lt為鐵路裝作業(yè)段長(zhǎng)度，取685 m；Tyt為年?duì)I運(yùn)天數(shù)，取360 d；Gt為車廂平均裝載量，取2 TEU；C為鐵路晝夜送車次數(shù)，取2～3次(單條裝卸線)；KL為裝卸線利用次數(shù)，取0.8次；KBT為火車到港不平衡系數(shù)，取1.15；L為車輛平均長(zhǎng)度，取14 m。計(jì)算單條裝卸線年貨運(yùn)量為4.9萬～7.4萬TEU，港口鐵路整體年貨運(yùn)量為14.7萬～22.2萬TEU。

港口鐵路按重車方向年貨運(yùn)量可劃分為Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)鐵路，按單條裝卸線年貨運(yùn)量6萬TEU、標(biāo)準(zhǔn)重箱24 t/TEU考慮，單條裝卸線上重車方向年貨運(yùn)量為1.4 Mt，連接線上整體重車方向年貨運(yùn)量為4.3 Mt，均屬于Ⅳ級(jí)。

RTG裝卸效率取20TEU/h，若每條裝卸線的晝夜送車次數(shù)C為2次(總共6列車裝卸)，則需布置2臺(tái)RTG用于裝卸作業(yè)；若每條線的晝夜送車次數(shù)為3次(總共9列車裝卸)，則需布置3臺(tái)RTG用于裝卸作業(yè)。

與規(guī)范中基于鐵路年貨運(yùn)量計(jì)算裝卸作業(yè)段最小長(zhǎng)度Lt的方法不同，實(shí)際工程中由于港口總平面布置及鐵路部門運(yùn)行組織等外部條件限制，港口鐵路的裝卸線長(zhǎng)度以及每條裝卸線上的晝夜送車次數(shù)可能都是相對(duì)確定的，并且可以通過其反推鐵路年貨運(yùn)量。對(duì)本工程港口鐵路而言，后續(xù)增加晝夜送車次數(shù)，鐵路實(shí)際運(yùn)量將會(huì)相應(yīng)增加。

3.2 曲線段設(shè)計(jì)

巴標(biāo)ScheduleofDimensions[2]規(guī)定最大彎曲度(degree of curvature，即轉(zhuǎn)過100 ft所需的角度)不超過10°，相對(duì)應(yīng)的最小圓曲線半徑為174.7 m(573 ft)。本工程各處曲線段圓曲線半徑為300 m，一處為200 m，滿足當(dāng)?shù)匾?guī)范要求。當(dāng)?shù)貓A曲線半徑要求與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表2。

表2 最小圓曲線半徑比較

ScheduleofDimensions規(guī)定了曲線段軌距變化的允許范圍，對(duì)于4°以內(nèi)的圓弧為+13/-3 mm，4°以上的圓弧為+20 mm。

對(duì)曲線外軌，巴規(guī)范允許75 mm的欠超高?？紤]港內(nèi)不超過30 km/h的行車速度，計(jì)算得外軌超高為41 mm，各規(guī)范曲線外軌超高對(duì)比見表3。

表3 曲線外軌超高

巴標(biāo)對(duì)曲線段的設(shè)計(jì)要求低于國標(biāo)。對(duì)圓曲線半徑，巴標(biāo)僅要求不小于174.7 m，而國標(biāo)中對(duì)港口鐵路各類線路基于設(shè)計(jì)行車速度等規(guī)定了不同的圓曲線半徑，本工程中200 m的圓曲線半徑已經(jīng)達(dá)到了國標(biāo)允許的極限。港口鐵路在設(shè)計(jì)時(shí)基于實(shí)際運(yùn)營情況確定設(shè)計(jì)行車速度，減小曲線半徑可以在一定程度上優(yōu)化鐵路平面布置，提升港口陸域土地使用效率。

3.3 道岔、脫軌道岔

根據(jù)尖軌根端結(jié)構(gòu)形式道岔尖軌可分為鉸接式(活接頭式)和固定式(彈性可彎式)，巴當(dāng)?shù)氐啦砭鶠殂q接式，而國內(nèi)主流道岔為固定尖軌。鉸接式可用于9號(hào)以下且直向容許通過速度小于100 km/h的道岔，通常配置單臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行牽引；而固定式尖軌較長(zhǎng)，一般需采用雙轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引。港口鐵路需按照直股通過速度、運(yùn)量、軸重等綜合判斷道岔尖軌選型，通常鉸接式已可滿足列車運(yùn)行需要。在咽喉區(qū)裝卸線合并到連接線或機(jī)待線前需在裝卸線上設(shè)置脫軌道岔(trap point)，確保裝卸線上的列車不會(huì)侵入連接線或機(jī)待線(圖4)。

圖4 脫軌道岔的布置

脫軌道岔是通過撥動(dòng)尖軌將列車強(qiáng)制脫軌的裝置(圖5)，目前國內(nèi)脫軌道岔尚無定型產(chǎn)品。根據(jù)當(dāng)?shù)匾?，采?.5號(hào)道岔直線尖軌和曲基本軌作為脫軌道岔的主體結(jié)構(gòu)，尖軌長(zhǎng)度與8.5號(hào)道岔相同[7]。

圖5 脫軌道岔設(shè)計(jì)(單位：mm)

表4為各國標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)脫軌設(shè)備設(shè)置條件的規(guī)定：通常僅在特定主線交匯點(diǎn)或在坡道下，或主線設(shè)計(jì)速度高，或主線上有乘客等的情況下，即在主線極具重要性、侵入主線可能造成較大損失時(shí)，才需要在支線處設(shè)置脫軌設(shè)備，而港口鐵路通常不具備上述設(shè)置條件。巴基斯坦鐵路安全事故頻發(fā)，當(dāng)?shù)爻鲇诎踩蛩乜紤]對(duì)脫軌道岔的要求具有很強(qiáng)的特殊性，開展設(shè)計(jì)時(shí)須額外關(guān)注。

表4 各國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脫軌設(shè)備設(shè)置條件的規(guī)定

4 斷面設(shè)計(jì)

港口鐵路大多采用碎石道床，《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》《Ⅲ、Ⅳ級(jí)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)正線和站線碎石道床的頂面寬度、道床厚度等均做了詳細(xì)規(guī)定。而根據(jù)港口運(yùn)營要求，鐵路線布置在碼頭前方直接利用岸橋或門機(jī)進(jìn)行港鐵聯(lián)運(yùn)(圖5)時(shí)，或因堆場(chǎng)面積有限需在港口鐵路段考慮一定量的堆箱需求時(shí)，正面吊、集卡等裝卸車輛將會(huì)在鐵路線上頻繁橫穿。以上情況可以通過在碎石道床上鋪設(shè)橡膠板、混凝土板(圖6)或澆筑瀝青混凝土面層，或直接采用整體道床結(jié)構(gòu)，以滿足車輛通行以及裝卸作業(yè)需要。

圖5 某多用途碼頭在碼頭前方設(shè)置鐵路裝卸線

圖6 碎石道床上鋪設(shè)的材料

本工程采用混凝土澆筑整體道床形式，為軌枕埋入式無砟軌道。設(shè)計(jì)時(shí)除正常計(jì)算鐵路荷載，還需要考慮RTG、正面吊、集卡橫穿鐵路時(shí)的情況。各類港口鐵路道床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用性對(duì)比見表5。

表5 港口鐵路道床結(jié)構(gòu)

港口鐵路整體道床結(jié)構(gòu)宜采用軌枕埋入式無砟軌道形式，并在其上澆筑表層混凝土。道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮鐵路列車荷載，表層混凝土計(jì)算類似于港口鋪面，基于橫穿鐵路裝卸設(shè)備荷載、設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)通過次數(shù)等確定表層混凝土強(qiáng)度和配筋。為便于扣件、鋼軌維護(hù)，整體道床結(jié)構(gòu)通常設(shè)有軌道槽，槽內(nèi)可填筑瀝青砂、橡膠條等。

對(duì)整體道床結(jié)構(gòu)，鐵路排水可通過設(shè)計(jì)微高程將雨水排入港口排水主網(wǎng)中，而不用單獨(dú)設(shè)計(jì)橫截溝等排水設(shè)施。鋼軌軌槽需要單獨(dú)設(shè)計(jì)排水管，避免槽內(nèi)長(zhǎng)期積水腐蝕鋼軌。

5 信號(hào)、道口設(shè)計(jì)

信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用巴基斯坦當(dāng)?shù)刂剖剑緝?nèi)采用集中聯(lián)鎖形式，區(qū)間采用半自動(dòng)閉塞(人工辦理閉塞手續(xù))。站內(nèi)信號(hào)主要由外部信號(hào)(OHS)、進(jìn)站信號(hào)(HS)、出站信號(hào)(SS)、總出站信號(hào)(ASS)和調(diào)車信號(hào)構(gòu)成。信號(hào)機(jī)詳細(xì)布置見圖7，其中U1為OHS，U3為HS，D4、D6、D8為SS，D12為ASS。由于海港鐵路臨海難以滿足軌道電路的絕緣條件，軌道占用檢查一般采用計(jì)軸系統(tǒng)。

圖7 站內(nèi)信號(hào)機(jī)布置

通常外部信號(hào)(OHS)不需要設(shè)置紅燈，由于站內(nèi)已經(jīng)布置有進(jìn)站信號(hào)(HS)，列車可直接駛過OHS，位于港口邊界線上的OHS需在默認(rèn)狀態(tài)下保持關(guān)閉狀態(tài)，不允許外部列車進(jìn)港。

按照巴基斯坦信號(hào)制式，OHS的燈光配列為黃、紅、黃。雙黃表示HS允許列車進(jìn)入裝卸線，列車可通過OHS、HS；單黃表示HS不允許列車進(jìn)入裝卸線，列車可通過OHS但需在HS前停下；紅燈表示不允許進(jìn)港，列車須在OHS前停下。

考慮到當(dāng)?shù)罔F路事故頻發(fā)(且主要發(fā)生在道口處)，設(shè)置OHS默認(rèn)狀態(tài)關(guān)閉可以保護(hù)港內(nèi)2處道口的安全[11]。通常情況下，道口處鐵路相較于道路具有更高優(yōu)先級(jí)。而對(duì)于港口鐵路，鐵路和道路間的優(yōu)先級(jí)需要結(jié)合港口集疏運(yùn)要求、總平面布置等專門分析。本工程設(shè)有2處道口，其中道口1位于港口進(jìn)出主通道，車流量大且經(jīng)常會(huì)有堵車現(xiàn)象，且由于港外連接線弧度較大和港內(nèi)建筑、集裝箱等的遮擋，導(dǎo)致道口瞭望視距不足，按要求應(yīng)設(shè)看守或道口自動(dòng)信號(hào)。

由于OHS開放(單黃)條件為道口1關(guān)閉，若道口1采用自動(dòng)信號(hào)(列車接近自動(dòng)觸發(fā)道口關(guān)閉)，則意味著OHS將隨道口關(guān)閉而開放，其阻攔功能失效，不符合當(dāng)?shù)匦盘?hào)控制要求。同時(shí)，考慮到港內(nèi)交通繁忙，擁堵頻繁，列車不受阻攔直接進(jìn)港會(huì)造成極大的安全隱患。最終，通過設(shè)置看守手動(dòng)操控的方式代替道口自動(dòng)控制，在進(jìn)出口通道出清車輛后再關(guān)閉道口、開放OHS以確保通道安全，并滿足當(dāng)?shù)貙?duì)OHS作為港區(qū)第一道關(guān)卡的管理要求。

巴基斯坦當(dāng)?shù)匦盘?hào)制式與做法見表6。

表6 巴基斯坦標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制式與做法

6 結(jié)論

1)通過融合標(biāo)準(zhǔn)因地制宜地開展港口鐵路設(shè)計(jì)，堅(jiān)持以中國標(biāo)準(zhǔn)為主進(jìn)行站前設(shè)計(jì)、根據(jù)巴基斯坦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的融合原則，可以最大限度地發(fā)揮中標(biāo)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使鐵路設(shè)計(jì)更加符合港口運(yùn)營需求，并滿足巴當(dāng)?shù)罔F路技術(shù)要求和運(yùn)營習(xí)慣。

2)基于中標(biāo)開展港口總平面布置、集疏運(yùn)等鐵路平面設(shè)計(jì)，并確定港口鐵路年貨運(yùn)量及裝卸設(shè)備的種類和數(shù)量，基于巴標(biāo)及港口總平面條件進(jìn)行曲線段設(shè)計(jì)。巴標(biāo)對(duì)曲線段的設(shè)計(jì)要求低于國標(biāo)，減小圓曲線半徑可在一定程度上優(yōu)化鐵路平面布置。

3)對(duì)于港口鐵路，巴當(dāng)?shù)夭捎?.5號(hào)鉸接式道岔，與國內(nèi)9號(hào)道岔不同。港口鐵路一般不需設(shè)置安全隔開設(shè)備，而巴當(dāng)?shù)匾笫褂妹撥壍啦恚_展設(shè)計(jì)時(shí)須額外關(guān)注。

4)港口鐵路大多采用碎石道床結(jié)構(gòu)，對(duì)于有裝卸車輛通行需求的鐵路線，可以采用在碎石道床上鋪設(shè)橡膠板、混凝土板或澆筑瀝青混凝土面層的方式，或直接采用整體道床結(jié)構(gòu)。

5)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需采用巴當(dāng)?shù)刂剖?，在港口邊界線上設(shè)外部信號(hào)機(jī)，并默認(rèn)保持關(guān)閉，以阻止外部列車直接進(jìn)港；設(shè)置總出站信號(hào)機(jī)，在站間出清后開放。

6)港口鐵路和道路的優(yōu)先級(jí)需要結(jié)合港口集疏運(yùn)要求、總平面布置等進(jìn)行專門分析，以確保道口處交通安全。