高速铁路异物侵限监测网设置范围计算公式的完善

石先明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063)

1 概述

高速铁路列车运行速度高，受自然灾害(如风、雨、雪、地震等)的影响比较大；另外，侵入铁路建筑限界范围内的异物对高速运行的列车也会产生极大的安全危害。因此，高速铁路应配套建设自然灾害及异物侵限监测系统，对铁路沿线风、雨、雪、地震及异物侵限进行实时监测、预警、报警及联动安全监控等[1-9]。其中，上跨铁路的道路桥梁(一般是指公路桥，以下简称为公跨铁立交桥)的异物侵限监测是高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统的重要组成部分，当公跨铁立交桥上有异物坠落到铁路建筑限界范围内时，监测系统要进行实时报警，并通过信号系统控制接近此处的列车立即制动停车，从而有效防止或减少异物侵限灾害对高速列车运行安全的影响[5-10]。

文献[10]规定：“设计速度大于160 km/h区段内上跨铁路的道路桥梁处应设置异物侵限现场采集设备”；“异物侵限现场监测装置宜采用双电网传感器，设置于上跨铁路的道路桥梁两侧”；“双电网传感器的设置范围应结合工程特点及现场的实际情况，根据上跨铁路的道路桥梁防撞护栏的防撞性能、铁路轨面至上跨铁路的道路桥梁桥面的高度、铁路线路与上跨铁路的道路桥梁的交叉角度、上跨铁路的道路桥梁上机动车的走向等因素计算确定”。

2 高速铁路异物侵限监测网设置范围的既有算法存在的缺陷

目前，真正指导大家开展高速铁路异物侵限监测系统工程设计的重要文件是原铁道部运输局2010年颁布的文献[11](以下称“739号文”)，该文献细化了高速铁路公跨铁立交桥异物侵限监测方案，并给出了监测电网设置范围的计算公式。其相关内容摘录如下。

“2.异物侵限监测装置长度的计算

公跨铁立交桥与高速铁路线路的关系如图1～图3所示。

图1 公跨铁立交桥与高速铁路线路正交(单位：m)

图2 公跨铁立交桥与高速铁路线路斜交(锐角)

图3 公跨铁立交桥与高速铁路线路斜交(钝角)

异物侵限监测电网的长度(L)，按以下公式计算

式中，H为从钢轨轨面至公跨铁立交桥桥面的高度，m；g为重力加速度，m/s2；10.9为经过计算得出的大型汽车超速并冲出公跨铁立交桥护栏后的初始速度，m/s。

图2～图4中，Dp和LT的计算公式如下

施工图中，应标注出“L、LT值以及钢轨轨面至公跨铁立交桥桥面的高度。”

以上为“739号文”关于监测电网设置范围的完整表述。

由上可以看出，公跨铁立交桥上坠落物以大型汽车冲出桥梁作为最不利异物侵限事件，其冲出桥梁的剩余速度为10.9 m/s；汽车冲出桥梁后，其水平方向的运行轨迹与桥梁侧面的夹角为20°；另外，还忽略了空气阻力和汽车加减速等因素，因此汽车冲出桥梁后的运动轨迹可视为物理学所谓的平抛运动。

按照以上算法，可以得出如下计算结果：

(1)当α≥160°时，Dp≤0；

(2)当进一步增大α值时，LT也有可能为负值。

“739号文”没有对α、Dp、LT等代号给出定义，但可通过图2～图4推测出其含义，即α可理解为公跨铁立交桥上的汽车运行方向与邻近铁路线路的列车运行方向的夹角，Dp可理解为沿着公跨铁立交桥上落物的运行轨迹，落物起点(也是监测电网的始端)与临近的铁路建筑限界(投影)交点之间的距离，LT可理解为沿着公跨铁立交桥上落物的运行轨迹，落物起点至临近铁路线的中心线(投影)的距离。

很显然，上述计算结果出现负值是错误的。也就是说，739号文关于监测电网设置范围的算法是有缺陷的，至少是不全面的，当夹角较大时，其算法需要补充完善。

需要指出的是，当α>70°时，按照“739号文”的算法计算确定的异物侵限监测电网设置范围偏小，不利于高速铁路运营安全。

3 高速铁路异物侵限监测网设置范围的新算法

经分析，出现上述问题的根本原因，是错误地将桥上以大型汽车为典型代表的坠落物冲出桥梁后的水平方向运行轨迹与桥梁侧面的夹角固定为定值20°。实际上，“739号文”的原意应该是该夹角不应大于20°，即汽车冲出桥梁后的水平方向运行轨迹与桥梁侧面的夹角为0～20°，因此，汽车冲出桥梁后运行轨迹在水平面上是一个与桥梁侧面呈20°的扇形区域。据此，Dp的计算值应该根据α值的大小分3种情形分别列出算式，如下所示。

注：以上算式仍依据汽车冲出公跨铁立交桥护栏后的剩余初始速度值10.9 m/s进行表述，本文也不准备对汽车冲出公跨铁立交桥护栏后的剩余初始速度值10.9 m/s和冲出桥梁后的水平方向运行轨迹与桥梁侧面的夹角不大于20°的合理性进行研究。

其实，Dp的取值还可以用一般表达式来表述。如果用v0来表示坠落物冲出公跨铁立交桥护栏后的剩余初始速度值，用β代表坠落物冲出桥梁后的水平方向运行轨迹与桥梁侧面的夹角的最大值(显然β≤90°)，则Dp的一般表达式如下

Dp的计算公式作上述修正后，异物侵限监测电网的总长度L的计算公式也需要作相应修正(注：LT的计算公式不需要修正)，其一般表达式为

式中，Lx为两个最外侧铁路线的线间距(单线铁路为0)，m。

根据以上算式，“739号文”的表1～表4重新修订如下。

表1 轨面至桥面10 m，线间距4.6 m，不同夹角

表2 轨面至桥面15 m，线间距4.6 m，不同夹角条件下

表3 轨面至桥面10 m，线间距5.0 m，不同夹角条件下

表4 轨面至桥面15 m，线间距5.0 m，不同夹角条件下

4 结语

高速铁路异物侵限监测系统是高速铁路重要的基础设施，能否准确、可靠地监测到侵入高速铁路的异物并及时报警，将直接关系到高速铁路的运输安全，首当其冲的关键点是要正确、合理地确定监测网的安装范围，原铁道部运输局2010年颁布的《高速铁路防灾安全监控系统-公跨铁立交桥异物侵限监测方案》(运技基础[2010]739号)虽然提供了公跨铁立交桥异物侵限监测方案和监测电网设置范围的计算公式，但该公式存在一定缺陷，当公跨铁立交桥与铁路线的夹角α>70°时，其计算值偏小，缩小了监测电网的设置范围，不利于高速铁路运营安全。因此，完善739号文关于监测电网设置范围的算法既十分必要，也十分紧迫，本文提供了新的计算公式能很好地修正这一缺陷。但需要说明的是，以上分析和研究成果均是基于公跨铁立交桥桥面为水平无坡度且沿直线跨越铁路线的情况，如果桥面有一定坡度、或水平方向为曲线形式跨越铁路线，则以上计算公式还需作适当修正。因篇幅所限，本文不再探讨。

[1] 铁道第三勘察设计院集团有限公司，中铁第四勘察设计院集团有限公司.TB10621—2014 高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[2] 铁道第三勘察设计院集团有限公司，中铁第四勘察设计院集团有限公司.TB10623—2014 城际铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2015.

[3] 中华人民共和国铁道部.铁运[2010]28号 关于印发高速铁路防灾安全监控系统管理办法(暂行)的通知[S].北京：中华人民共和国铁道部，2010.

[4] 中国铁路总公司.铁路技术管理规程(高速铁路部分)[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[5] 石先明.信号、通信及信息系统工程[M].武汉：湖北科学技术出版社，2015：170-187.

[6] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.武汉至广州铁路客运专线防灾安全监控系统工程设计资料[Z].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2007.

[7] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.南京至上海铁路客运专线防灾安全监控系统工程设计资料[Z].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2008.

[8] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.向塘至莆田铁路防灾安全监控系统工程设计资料[Z].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2011.

[9] 铁道部运输局.运基信号[2009]719号 关于印发《信号系统与异物侵限监控系统接口技术条件》的通知[S].北京：铁道部运输局，2009.

[10] 中国铁路总公司.铁总建设[2013]86号 中国铁路总公司关于印发《铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程设计暂行规定》的通知[S].北京：中国铁路总公司，2013.

[11] 铁道部运输局.运技基础[2010]739号 关于印发《高速铁路防灾安全监控系统-公跨铁立交桥异物侵限监测方案》的通知[S].北京：铁道部运输局，2010.