铁路安全线空间线形设计方案研究

高纯敏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

铁路安全线空间线形设计方案研究

高纯敏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

现行的铁路安全线设计方案，无论是直线型安全线还是曲线型安全线，均存在安全隐患，随着我国铁路运行速度的不断提高，这一问题愈显突出。为了避免列车进入安全线发生侧翻或脱轨时朝向正线侧，采用侧倾式设计方案对安全线系统进行优化，改进线路轨面高程设计和车挡外形设计，设置轨面高差，调整车挡撞击面与线路的夹角。侧倾式设计方案可以确保在列车进入安全线后，避免向正线一侧脱轨或侧翻。提出修改设计规范的建议，改进今后的设计，并对既有安全线进行改造，从而保证正线列车的运行安全。

铁路;侧倾式；安全线；设计方案

安全线是为防止列车或机车车辆从一进路进入另一列车或机车车辆占用的进路而发生冲突的一种安全隔开设备[1]。安全线的设置是保证列车行车安全、提高车站接发列车能力的重要措施，尤其是在保证正线运营安全上起着不可替代的作用。按照现行铁路设计规范中有关邻靠正线的安全线的设计要求设置安全线，仍然存在危及正线运营安全的隐患。随着我国高速铁路建设及列车速度的提高，这类问题越来越突出。主要探讨邻靠正线安全线的设计中，如何保证进入安全线的列车脱轨或倾覆时不侵入正线限界，确保正线上列车的安全，避免发生重大恶性事故。

1 安全线现状分析

1.1 安全线的设置要求

现行《铁路技术管理规程》对安全线基本设置处所做了明确规定，并强调安全线的设置应符合有关设计规范的规定。

目前在安全线设计中执行的《铁路车站及枢纽设计规范》(GB50091—2006)第3.1.12条对安全线的设计提出下列要求：

(1)安全线的有效长度不应小于50 m；

(2)安全线的纵坡应设计为平道或面向车挡的上坡道；

(3)安全线上均应设置缓冲装置；

(4)邻靠正线的安全线均应设置双侧护轮轨和止轮土基，有条件时，邻靠正线的安全线应采用曲线型布置；

(5)安全线不应设在桥上和隧道内[2]。

1.2 安全线系统组成及作用

安全线系统由尽头线、车挡、联接尽头线和正线的道岔及信号等设施组成，可以提供安全的列车进路并防止发生冲撞事故。安全线的设置目的是为满足列车运行信号延续进路的要求和满足车站平行作业需要，最终保障列车不发生冲突性运营事故[3]。

当列车意外进入安全线时，安全线的作用包括两个方面：1、降低动能：相关措施包括设置50 m安全距离、线路为面向车挡的上坡、设置缓冲装置和止轮土基等，起到降低进入安全线的列车动能的作用，减少损失。2、保证防护线路的安全：相关措施包括双侧护轮轨、曲线型布置等，预防列车脱轨或侧翻，减少对防护线路的影响。

2 现有安全线系统存在的问题

现行规范执行前(即2006年之前)采用的安全线均为直线型，安全线与正线的线间距按5 m控制。由于直线型安全线不能避免列车前部的侧翻车辆倒向正线时对正线行车安全的威胁，最新设计规范《铁路车站及枢纽设计规范》(GB5009—2006)要求：“有条件时，邻靠正线的安全线应采用曲线型布置。”执行新规范后，设计的邻靠正线的安全线既有曲线型也有直线型。将现有直线型安全线改造为曲线型，需要加宽既有路基，因毗邻正线而对既有线运营干扰较大，可能引起较大工程量，运营部门未对既有安全线进行改造。

实际采用曲线型布置时，若进入安全线的机车车辆以较高速度撞击车挡后，倒向曲线外侧的相邻正线一侧的概率远大于直线型布置。列车脱轨或侧翻的情况复杂，现行《铁路车站及枢纽设计规范》仅做原则性解释“安全线曲线地段与相邻线的线间距是根据安全线的布置形式、车辆高度等条件确定的，其值应能保证机车、车辆侧翻时不影响相邻线的行车安全”。未明确这种情况下安全线至正线的线间距，设计人员也无法计算确定。

以设置曲线型安全线的某线路所为例，如图1所示：设计中，道岔采用标准图号为SC330，道岔后长21.054 m，道岔跟端至末根岔枕距离为11.100 m，岔后至圆曲线最小长度采用7.5 m；安全线有效长50 m；曲线半径采用推荐值200 m[4]。安全线终点至正线距离为13.73 m，向回退后两节货车(车长按14 m计)的距离，安全线至正线的距离分别为10.11 m和7.44 m。

图1 曲线型安全线平面(单位：m)

由于安全线范围的机车车辆均可能发生侧翻，此间距能否保证正线的安全尚无科学的论证。若后续车辆出现脱轨或侧翻，更无法保证正线的安全。

因此，现行规范建议采用的曲线型安全线系统，即不适应运营实际情况，也不能很好地保证运营安全。由以上分析可以得出结论：

(1)已建成直线型安全线系统不能解除机车车辆脱轨或侧翻车对正线行车安全的威胁，按新规范将直线型安全线改造成曲线型不切实际；

(2)现行规范建议采用的曲线型布置也不能达到预期的效果；

(3)对现有安全线系统优化的关键是控制列车脱轨和侧翻的方向，保证相邻正线的安全。

3 安全线系统的优化

3.1 造成进入安全线列车脱轨或侧翻的影响因素

安全线系统中，影响列车脱轨或侧翻的因素包括内部因素和外部因素。系统外部因素包括机车车辆状况、运行状态、风力；内部因素包括线路、车挡。

各影响因素对列车进入安全线后的状态产生影响分析如下。

(1)机车状况。外部物理形状基本对称，重心居中，对脱轨或侧翻的方向产生随机影响。

(2)车辆状况。车辆本身物理形状是对称的，而且对货物装载重心有严格限制，对脱轨方向影响不大[5]。但在实际工作中是不可控因素，对脱轨或侧翻的方向产生随机影响。

(3)运行状态。车列冲入安全线，其运行速度和横向摆动，受列车性质、运行状况影响，决定列车止停在安全线车挡前，或者撞击车挡停车、脱轨、侧翻，或者撞毁车挡冲出线路。随机性很大，属于偶然因素。

(4)风力。对脱轨方向有影响，但安全线设计的位置主要考虑运营需要，不考虑风向因素，属于不可控因素。

(5)线路。采用曲线型安全线，由于安全线的曲线不设置超高，无法平衡列车在曲线上运行时产生的离心力，脱轨和侧翻朝向曲线外侧，即正线一侧；直线型为随机发生。线路两个轨面的高差决定列车的平衡稳定性，对脱轨和侧翻方向影响很大。

(6)车挡。发生撞击时，车挡撞击面决定对列车反作用力的方向，外部形状对脱轨和侧翻方向影响很大。

3.2 系统优化过程

通过前面分析可以确定，外部因素虽然对进入安全线列车脱轨和侧翻的方向有影响，但对于安全线设计属于不可控制因素；内部因素对脱轨和侧翻的方向影响最大，也是可以控制的因素。因此，对安全线系统优化的重点是对内部因素的优化，优化对象为空间线形和车挡。

3.2.1 空间线形的优化

安全线系统优化的目标是避免列车通过安全线发生侧翻或脱轨时朝向正线侧，对线路空间线形的优化，需考虑线路的平面、纵断面及横断面设计。

平面采用曲线型线路会增大列车向正线一侧脱轨和侧翻的概率，不能达到保障相邻正线安全的目的，因此不宜采用曲线线型。纵断面按规范要求采用平道或面向车挡的上坡道，符合降低列车动能的需要，是合理的。横断面是优化的关键，目前安全线线路两根钢轨轨面高程相同，不能控制机车车辆脱轨和侧翻的方向。

为了控制列车脱轨和侧翻的方向，可以抬高正线一侧钢轨的高度，使进入安全线的机车车辆发生倾斜，对机车车辆产生一个远离正线的分力。一侧钢轨的最终抬高值由线路允许最大抬高值、抬高坡率、轨面顺坡线路长度确定。

(1)线路允许最大抬高值

最大抬高值与线路的运输性质、列车速度和车辆性能有关，受横向倾覆安全条件、轨道横向稳定条件和防止轴油外流条件等因素控制。一侧轨道抬高的取值原则是，列车停入安全线不因为两条钢轨轨面高差发生脱轨或失稳侧翻，不增加损失。

衡量列车安全的3个条件是：稳定系数n、脱轨系数K和轮重减载率。

①稳定系数n

一侧钢轨抬高后，列车受力分析见图2。图中C为列车重心；A、B为轨面；S为轨中心距1 500 mm；Δh为抬高值；E为合力偏心距；H为车体重心至轨顶面高，我国现行《铁路货物装载加固规则》规定限制重车重心高度为2 000 mm[6]，而60 t和70 t轻油罐车重车重心高度接近2 200 mm，因此H取值2 200 mm。

图2 列车受力分析

其稳定程度可采用稳定系数n来表示，即

当n=1，即E=S/2时，Q1指向低位轨断面中心线，属于临界状态；

当n<1，即E>S/2时，车辆丧失稳定而倾覆；

当n>1，即E

n值愈大，稳定性愈好。根据中国铁路运营经验，为保证行车安全，n值不应小于3。

n=3时，E=S/2n=250 mm

由以上分析计算得出结论：基于稳定系数确定的安全线一侧钢轨最大抬高值为169.3mm。

②脱轨系数

评定防止车轮脱轨稳定性的指标用“脱轨系数”，由Nadal给出计算公式

Q/P值越小，越易脱轨。力学分析表明，当抬高值大时，低位轨承受的导向力P增加，但低位轨承受的轮重Q也相应加大，因而其比值Q/P变化不大。英国铁路曾在超高值高达225 mm，260 mm和300 mm情况下测定了Q/P值，结果表明，Q/P值始终未超过规定的限值。因此，脱轨系数不是确定超高允许值的控制因素[7]。

③轮重减载率

超高可使高位轨减载，从而也威胁行车安全。当有超高时，低位与高位钢轨将增、减载ΔQ，ΔQ与超高Δh的关系可用下式表示

根据减载率的安全标准，ΔQ/Q=0.65时为危险限界，ΔQ/Q=0.60时为允许限界。相应的超高值分别为325 mm和300 mm，均大于稳定系数限定的抬高值。因此，安全线钢轨的抬高值不受轮重减载率限制[8]。

最大抬高值的确定：保证列车安全的3个条件(稳定系数n、脱轨系数K和轮重减载率)确定的最大抬高值为169.3 mm。我国《铁路线路设计规范》和《铁路线路维修规则》综合考虑了轨道横向稳定条件和防止轴油外流条件，规定双线铁路最大超高150 mm和单线铁路最大超高125 mm[9]。对于单线地段降低最大超高值，是为了避免低速时两股钢轨受力过分悬殊，不利于线路维修养护。由于安全线特殊性，很少会有列车进入，为了加强线路强度，可以采取增设轨距杆的措施。因此安全线最大抬高值采用150 mm，可以满足列车稳定的要求，也可以满足规范对轨道和车辆的要求，最大限度地避免列车向正线脱轨或倾覆。

(2)抬高顺坡率

临界抬高顺坡率与车辆构造、状态、轮缘高度、行车速度、钢轨平顺状态及磨耗等众多因素有关，需从轮轨动力学角度分析确定，理论上不易界定，可根据运营实践确定[10]。我国《铁路线路维修规则》规定最大超高顺坡采用2‰，安全线轨道抬高顺坡率可以参照采用2‰。

(3)轨面顺坡线路长度

轨面顺坡线路长度与安全线布置形式、道岔号数、有效长等因素有关，可根据实际抬高值和抬高顺坡率确定

安全线岔后至车挡间的线路长度满足75 m的顺坡长度要求。

优化后的安全线线路，平面采用直线布置，纵断面执行原规范规定采用平坡或面向车挡的上坡，横断面设置轨面超高，在道岔后75 m内将正线一侧的钢轨以抬高顺坡率2‰逐渐抬高150 mm，使进入安全线的列车脱轨和侧翻的方向朝向远离正线一侧，可以保证正线的安全。

3.2.2 车挡的优化

现行安全线采用的车挡分为土堆式及浆砌片石式车挡，车挡与列车的撞击面与线路垂直，列车进入安全线与车挡正面冲撞，发生脱轨或侧翻的方向为随机。列车碰撞后发生脱轨的判断标准仍处于研究阶段[11]。

参考列车冲撞浆砌片石式线路终端车挡的动态仿真分析研究结论，该研究以某次溜车事故为例，事故中列车为8辆车编组列车，总质量为451 t，平均每辆车质量为56.375 t，列车冲撞浆砌片石式终端车挡时的速度为4.3 m/s。(1)冲撞后列车的运行速度为3.96 m/s，浆砌片石式终端车挡吸收的能量为569.07 kJ，占总初始动能的13.65%，说明浆砌片石式终端车挡吸收能量较少，无法阻止车辆继续运行，导致列车冲出轨道。(2)浆砌片石式终端车挡消耗能量、最大冲击力和列车末速度都随着冲撞初速增大而增大。计算出该 车挡最大允许冲撞速度为0.65 m/s，车速低于该速度时，浆砌片石式终端车挡可以阻止车辆冲出轨道[12]。

从上例可以看出，列车一旦进入安全线，车挡的阻止作用非常有限。列车冲出线路，发生倾覆，倒向正线一侧的概率为50%，对正线列车的安全运行威胁极大。

将车挡改进为倾斜向线路外侧，当列车与车挡斜向冲撞时，车挡对列车产生一个向外的推力和向外的扭矩，使列车向外侧脱轨或侧翻。经列车模型冲撞试验，优化后的车挡与线路呈60°夹角，列车以较高速度进入安全线撞击车挡时，可使列车不向正线一侧脱轨或侧翻，保证正线上列车的安全。

4 系统优化结果

4.1 优化前(传统式)

安全线两条钢轨等高，车挡撞击面与线路垂直。对于直线型安全线，列车脱轨或侧翻方向随机。对于曲线型车挡，列车脱轨或侧翻方向不利。现行的车挡不能很好保证正线行车安全。见图3。

4.2 优化后(侧倾式)

安全线两条钢轨不等高，内侧钢轨比外侧钢轨高150 mm，车挡撞击面与线路呈60°夹角，线路采用直线型。优化后的安全线使得列车脱轨或侧翻方向可控，能确保正线行车安全。见图4。

图3 优化前的安全线

图4 优化后的安全线

4.3 侧倾式安全线的优点

首先，侧倾式安全线比传统式安全线更安全。其次，侧倾式安全线不设曲线，不需要加宽线间距，节省了工程投资。最后，在线路养护过程中即可将传统式的安全线改造为侧倾式安全线，对线路不需增加投资，仅对车挡进行简单改造。

5 结语

在全面分析列车冲入安全线后发生脱轨或侧翻的各影响因素基础之上，对当前采用的安全线系统进行了改进，提出一种新型的安全线设计方案——侧倾式安全线。侧倾式安全线可有效控制列车脱轨或侧翻的方向，从而保证防护线路的安全。建议将现行规范中有关邻靠正线的安全线的规定“邻靠正线的安全线均应设置双侧护轮轨和止轮土基，有条件时，邻靠正线的安全线应采用曲线型布置”修改为“邻靠正线的安全线均应设置双侧护轮轨和止轮土基，采用有利于保证正线行车安全的倾斜式布置”。在当前我国列车速度不断提高的情况下，对于保证运营安全，有现实意义。

[1] 中国铁路总公司.TG/01—2014铁路技术管理规程[S].北京：中国铁道出版社，2014．

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50091—2006铁路车站及枢纽设计规范[S].北京：中国计划出版社，2006．

[3] 吴学全.铁路安全线的设计研究[J].高速铁路技术，2012(3)：36-39．

[4] 刘华.推荐曲线半径纳入铁路线路设计系列标准的意义及其建议值[J].铁道标准设计，2013(3)：14-16.

[5] 陈超，韩梅，王艳玲.基于脱轨系数安全标准的铁路货物重心横向容许偏移量的研究[J].铁道学报，2008(4)：12-16．

[6] 中华人民共和国铁道部.铁路货物装载加固规则[S].北京：中国铁道出版社，2006．

[7] 喻涛.曲线未被平衡超高引起的横向力分析[D].成都：西南交通大学，2006．

[8] 刘文彬.市郊铁路线路车辆动力响应及线形参数研究[D].北京：北京交通大学，2014．

[9] 中华人民共和国铁道部.铁运[2006]146号铁路线路修理规则[S].北京:中国铁道出版社，2006．

[10]陈菊.城市轨道交通线路设计中的调线调坡技术研究[J].铁道标准设计，2014(3)：33-37．

[11]雷成，肖守讷，罗世辉，张志新.轨道车辆耐碰撞性研究进展[J]. 铁道学报，2013(1)：31-40．

[12]高浩，戴焕云.列车冲撞浆砌片石式线路终端车挡的动态仿真分析[J].中国铁道科学，2012(5)：61-66．

Study on the Design Scheme of Railway Safety Siding Spatial Alignment

GAO Chun-min

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd.， Xi’an 710043， China)

The existing design scheme for either a straight safety siding or a curve one is not perfect to ensure safety. With continuous improvement of train speed， the issue is becoming increasingly prominent. To avoid a train turning over towards the trunk line while it is coming into the safety sidding or derailing， a tilting design is employed to optimize the safety life system， rail surface elevation design and bumper post design are improved， rail surface elevation difference is set and the angle between the impact surface of bumper post and the line is adjusted. The tilting design can protect the train from derailing and turning over towards to main line while it comes into the safety line. This paper also puts forward suggestions to modify design specifications to ensure safe train operation on the trunk line．

Railway; Tilting; Safety siding; Design scheme

2015-05-30；

2015-06-08

高纯敏(1965—)，男，高级工程师，E-mail:gaochunmin@foxmail.com。

1004-2954(2015)10-0049-05

U212.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.012