山西中南部铁路30 t轴重重载技术方案设计研究

杨文东，韩　皓

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



山西中南部铁路30 t轴重重载技术方案设计研究

杨文东，韩皓

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要：在介绍国内外重载铁路轴重现状和发展方向的基础上，结合新建山西中南部铁路通道建设，对30 t轴重重载铁路线路、轨道、路基、桥梁及隧道工程技术方案设计进行全面的分析、总结，为开行30 t轴重重载列车提供技术保障。

关键词：重载铁路；技术方案；轴重；设计

1概述

1.1山西中南部铁路概述

山西中南部铁路通道地处华北南部，西起山西吕梁，东至山东日照港，衔接南北向主要铁路干线，形成一条新的“西煤东运”的能源运输通道，也是我国东西向路网干线铁路之一，对我国国民经济发展具有重要的能源安全保障作用。线路先后翻越吕梁山、太岳山、太行山及沂蒙山，途经山西、河南、山东3省11市。正线全长1 260 km，配套建设与太焦、京广、京九、京沪线的联络线。全线设27座车站。本线是我国第一条采用30 t轴重建设的重载铁路。

1.2国内外重载发展现状

基于既有线的重载扩能改造主要以压缩行车时间和追踪间隔、组织开行重载编组列车、加大牵引力、加固线桥设施、采用重型车辆等方面，而新建铁路除上述措施外，重点在增加线桥等基础设施荷载，即机车车辆轴重的增加，从而增加单位列车长度的载重量，降低每吨公里净重单位消耗。

采用大轴重和大编组的重载单元列车，组织大宗货物直达运输，具有非常好的经济性。增大轴重能够显著提高运输效率，从国际重载铁路的发展趋势看，重载铁路定义的三大要素为列车牵引质量、轴重和年运量，而提高轴重是重载运输的重要标志。

美国、加拿大、澳大利亚向35 t轴重及以上发展；巴西、澳大利亚普遍采用30 t轴重；南非、东澳大利亚窄轨铁路已采用28 t(26 t)轴重，美国、澳大利亚进行40 t轴重的运行试验。详见表1。

我国铁路货车技术经过近60年的发展，轴重由11 t逐步提高到23 t(通用货车)、25 t(专用货车)，载重从30 t逐步提高到60、70 t以及80 t，并通过向澳大利亚、委内瑞拉等国出口30、40 t轴重货车，提高了我国重载货车的设计、制造的技术水平。通过大秦线消化吸收与技术创新，解决了开行2万t列车的制动、通信、信号、电气化、机车车辆检查维修等相关技术难题。另有朔黄铁路、包西铁路包头至神木段、张唐铁路等多条营运或在建万吨以上干线铁路，轴重标准均为25 t及以下。

表1　国外重载铁路主要技术指标

1.3发展重载铁路运输的优势

轴重是铁路车辆的一个标志性指标，随着货车轴重的增加，轮轨间的相互作用力不断增强，车辆与轨道相互的破坏作用增强、轨道对轨道下部线路结构的冲击增大，从而导致列车和线路基础设施建设及维修费用增加。因此，合理的选取轴重，实现运营收入与车辆、线路维修费用比值的最大化。

美国1980年～2000年发展重载运输20年间，虽然路网优化后减少了40%，货车数量减少了50%(淘汰旧车型)，运行成本下降65%，运价下降到2.5美分/吨英里，事故率降低，但市场份额却增加了35%～41%。

根据公布的统计数据，在大秦铁路通过发展重载铁路，在企业效益上，2007年与2003年相比，运量增长了149.6%，主营业务收入增长了305.8%，运输成本增长了329.6%，利润增长了284%，总税收增长了241%；在社会效益上，每年增运5 000万t煤炭，相当于增加1个华北电网，17个装机容量百万千瓦小时的中型发电厂1年的耗煤量，可为国家增加工业产值1 200亿元；在技术水平上，显著提升了我国重载铁路运输的技术装备水平，推动了技术进步，取得了一系列技术创新的重要成果。

230 t轴重重载技术方案设计

根据原铁道部、山西省、河南省关于《山西中南部铁路通道汤阴东至日照南段初步设计及瓦塘至汤阴东段桥梁活载标准调整补充初步设计的批复》(铁鉴函[2010]844号)意见，明确本项目活载标准采用ZH重载铁路活载，Z值取1.2，即30 t轴重荷载的重载铁路。结合本项目实际情况，重点对30 t轴重重载铁路站前土建工程相关技术方案设计进行分析、总结。

2.1线路标准

改善线路的基本参数，特别是减缓线路的限制坡度、加大最小曲率半径，是各国改造重载运输线路、适应列车轴重提高的重要方面。从北美、澳大利亚、巴西、南非等国的重载铁路来看，线路技术标准的制定都是为了满足重载运输要求和利于重载运输。

山西中南部铁路采用主要线路技术标准为双线电气化铁路，线路限制坡度，结合地形条件和相邻路网，限制坡度洪洞北—汤阴东段采用6/13‰，汤阴东—日照南段采用6‰；最小曲率半径一般为1 200 m，困难800 m；车站到发线有效长1 700 m、部分1 050 m。与重载铁路规范(报批稿)对比分析，线路有关技术标准满足重载铁路的有关要求。

2.2站场标准

结合运输需求，车站分布应结合装卸车点、集疏运线路及车站之间能力匹配等因素综合考虑。列车牵引质量较大，且客车对数少，区间越行的列车对数少，车站宜采用较大站间距离，减少车站数量，其余车站设计与普通铁路大致相同。

山西中南部铁路按30 t轴重进行配套设计，列车牵引质量采用10 000 t/5 000 t，到发线有效长相应采用1 700 m/1 050 m；万吨列车停靠的中间站和越行站正线道岔采用适合重载的18号道岔，正线间渡线采用12号道岔；其他车站正线道岔采用适合重载的12号道岔；到发线钢轨采用50 kg/m，轨枕采用新Ⅱ型混凝土轨枕，扣件采用弹条I型扣件。

2.3轨道工程

轨道结构直接承载重载列车的荷载，重载轨道结构应重视钢轨及道岔的材质及结构设计，重载混凝土轨枕应提高纵横向阻力，扣件设计应重视扣件的动力性能。

山西中南部铁路按30 t轴重进行配套设计，钢轨采用60 kg/m全新耐磨淬火钢轨。道岔针对本线研制了适用30 t轴重的60 kg/m、18号重载道岔(专线4308)和60 kg/m、12号(专线4307)重载道岔，道岔材质采用合金钢，导曲线半径较普通道岔相应提高。

轨枕采用Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕，扣件采用Ⅲ型轨枕相应的扣件系统。为提高轨道结构的稳定性，在有砟轨道道床顶面设计宽度由3.5 m改为3.6 m；采用特级材质级配(粒径16～63 mm)道砟，厚度为单层0.35 m，双层0.5 m；500 m以上的隧道内采用重载弹性支承块式无砟轨道结构，无砟轨道道床板宽2.8 m，弹性支承块轨枕，轨枕间距采用600 mm，弹性支承块采用C50级普通钢筋混凝土结构，承轨面设1∶40轨底坡，型式尺寸为长680 mm(底部)×宽290 mm(底部)×高230 mm(轨下)；块下垫板采用微孔弹性材料，橡胶套靴采用内侧面开槽方式提供纵、横向弹性。扣件采用弹条Ⅶ型扣件，为弹性不分开式扣件。轨枕内埋设预埋铁座，在预埋铁座上安装T形螺栓紧固弹条，轨下设置弹性垫层进行钢轨高低的调整。

2.4路基工程

2.4.1基床

基床表层(厚度0.6 m)填料由原来的A组填料改为级配碎石。压实标准执行了《重载铁路设计规范》(报批稿)，较《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)有所提高。采用级配碎石时，应符合以下技术要求：与上部道床道砟及与下部填土之间的颗粒级配应满足D15<4d85的要求，不能满足要求时，基床表层可采用颗粒级配不同的双层结构，或在基床底层表面铺设土工合成材料。当下部填料采取化学改良时，可不受限制； 压实标准采用压实系数、地基系数或动态变形模量作为控制指标，其要求应符合表2要求。

表2　基床表层的压实标准

2.4.2路基本体

基床以下路堤填料主要采用沿线A、B、C组土填筑，并充分利用隧道弃渣。当高路堤采用C组土作填料时，要求提高其压实标准，并在边坡中采用土工格栅加筋处理。

基床以下路堤填料压实标准执行了《重载铁路设计规范》(报批稿)，较《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)有所提高，其压实标准见表3。

表3　基床以下路堤填料及压实标准

2.4.3过渡段

路桥、路涵、堤堑过渡段形式原来按国铁I级执行，填料采用A组填料，压实度标准执行基床底层标准。按重载设计后，过渡段填料采用级配碎石掺适量水泥。

2.4.4路肩、路堤式支挡结构

为减小列车动应力对支挡结构的影响，路肩式支挡结构尽量改为路堤式支挡结构，按30 t的换算土柱对支挡结构进行受力检算，满足30 t轴重的结构要求。

2.5桥梁工程

在大轴重作用下桥梁需要强化，一是增加承载能力；二是改善桥梁疲劳性能；三是保持桥上轨道的良好状态。30 t轴重荷载采用“中-活载”(2005)中货运专线ZH活载图式，荷载系数Z=1.2，荷载图式见图1。

图1　荷载图示

2.5.1桥梁设计参数

(1)离心力系数

离心力仍采用《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)中的4.3.6条计算。但离心力的作用位置取轨顶以上由2.0 m处调整为2.2 m。

(2)横向摇摆力

中活载：我国现行铁路标准规范规定横向摇摆力取100 kN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。多线桥梁只计算任一线上的横向摇摆力。ZH(Z=1.2)活载：本次铁路重载横向摇摆力的计算原则仍然沿用我国规范，为偏于安全计，摇摆力暂取120 kN。

(3)脱轨荷载

本线铁路重载关于列车脱轨荷载的计算，在现行规范基础上提高一定的安全储备。按现荷载图式与中-活载图式中均布荷载的比值进行提高，即提高系数为1.2倍。

2.5.2桥梁结构设计

梁部需在通桥(2005)2101客货共线铁路简支T梁的基础上，对结构尺寸及预应力筋进行调整，使结构安全性满足货运专线活载的要求，32 m和24 m梁的梁高增高10 cm，混凝土增加5%左右，普通钢筋增加10%左右，钢绞线增加10%左右；30 t轴重荷载桩基础圬工较“中-活载”需增加5%～20%；其他方面基本不需要调整。设计采用简支结构或框架结构。简支梁采用晋中南桥2103系列标准梁，按照30 t轴重设计。

单双线桥墩的截面尺寸不变，通过调整钢筋布置，在常规力作用下单双线桥墩的设计指标均可满足设计要求，在地震力检算时，个别桥墩在考虑钢筋的作用时，可满足设计要求；由此可见，30 t轴重设计荷载对桥墩的工程数量除钢筋稍微增加外，其余的影响不是很大。

桥台重新调整原空心T形桥台的台身结构尺寸，使台身及下部基础受力更安全、合理，但基本变化不大。

山西中南部铁路通道在初步设计中采用ZH活载对桩基础、扩大基础重新检算，基础类型选取了直曲线和不同震区进行检算，检算结果为桩基圬工增加的幅度在5%～18%，桩基最小配筋面积基本保持不变，随着桩基础的圬工量的增加，桩基根数也发生变化，承台的圬工数量也随之增加。

2.6隧道工程

采用30 t轴重重载铁路后，在隧道轨下断面尺寸不变的情况下，隧道基底(包括仰拱及其填充层)承载力需进一步加强，基底承载力要达到250 kPa以上。

根据本线地质情况，对黄土及强风化软弱围岩及含水率较高的粉质黏土、粉细砂及膨胀土(岩)等隧道基底进行处理。

对于土质地层，采用劈裂注浆的机理，对仰拱下方一定范围内的土体进行加固，注浆孔按梅花形布置，注浆孔与仰拱面垂直，环、纵向间距150 cm×150 cm。注浆孔采用风钻开孔，孔径50 mm。注浆管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的焊管，钢管长5 m，注浆管采用钢花管，注浆管应埋设牢固，并有良好的止浆措施。注浆完毕后，用干稠水泥浆将注浆孔填满捣实。注浆浆液材料采用(0.6～0.8)：1水泥浆液。注浆压力按0.5～1.0 MPa。注浆布置如图2所示。

图2　双线隧道土质地层注浆布置(单位：cm)

对于富水软弱不均、遇水变软的石质地层，采用渗透充填注浆的机理，对仰拱下方一定范围内的岩体进行加固，封堵水流通路。注浆孔按梅花形布置，注浆孔与仰拱面垂直，环、纵向间距200 cm×200 cm。注浆孔采用风钻开孔，孔径50 mm。注浆管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的钢花管，钢管长3.5 m。注浆完毕后，用干稠水泥浆将注浆孔填满捣实。注浆采用(0.6～0.8)：1水泥浆液。注浆压力按0.5～1.0 MPa。注浆布置如图3所示。

图3　双线隧道石质地层注浆布置(单位：cm)

桥隧相连地段，考虑列车动载作用，桥梁与隧道做成分离式结构，避免静、动载受力模式不同，对结构产生不利影响。

3结论

重载铁路到目前还没有颁布的规范可循，通过山西中南部铁路的建设，对30t轴重重载铁路站前土建工程相关技术方案设计进行分析、总结，包括线路、站场平面、纵断面设计，重载铁路无砟轨道、钢轨、道岔及扣件，重载铁路路基基床、过渡段及支挡结构，重载铁路桥梁设计参数、结构设计，重载铁路隧道基底处理、支护措施等。

我国铁路主要干线逐步实施客、货分流，发展以大轴重为主要方向的铁路重载运输，对加速货运能力提升，适应国民经济快速发展有重要意义。山西中南部铁路30 t轴重重载铁路土建工程技术方案设计与应用，为开行30 t大轴重重载列车提供技术保障，对我国重载铁路的设计及建设管理有一定的借鉴意义。

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Approach to Technical Design of 30 t Axle Load Heavy Haul Railway in South Central Shanxi

YANG Wen-dong， HAN Hao

(China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：With reference to the current situations and development of heavy haul railway axle load at home and abroad and in accordance with the newly-built South Central Railway of Shanxi(SCRS)， this paper analyzes the engineering technical schemes in terms of alignment， track， roadbed， bridges and tunnels for 30 t axle load lines， providing technical support to the operation of 30 t axle load heavy haul trains.

Key words：Heavy haul railway; Technical scheme; Axle load; Design

中图分类号：U212.33+4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.001

文章编号：1004-2954(2015)04-0001-04

作者简介：杨文东(1972—)，男，高级工程师，1996年毕业于上海铁道大学，工学学士，E-mail：806734511@qq.com。

基金项目：铁道部科技研究开发计划(2011G028-A，2012G002-1)

收稿日期：2014-08-06； 修回日期：2014-09-10