套轨技术在非洲米轨改造工程中的运用

2020-03-30周榕生

铁道建筑 2020年2期

周榕生

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

铁路轨距是指钢轨头部踏面下16 mm 范围内两股钢轨工作边之间的最小距离［1］，一般将轨距类型分为窄轨距、标准轨距和宽轨距，国际铁路协会在1937年制定1 435 mm 为标准轨距。非洲铁路轨距主要为1 000 mm和1 067 mm两种。

非洲铁路技术装备水平较低，线路条件差，机车车辆型号杂，通信信号设备也不可靠。虽然存在一些困难，但非洲国家仍采取一些措施，致力于铁路改造。套轨铁路作为一种过渡形式的铁路，既能实现不同轨距列车共线运营功能，满足不断增长客货运输需求，又能节约土地和建设资金，减少环境污染。在既有米轨铁路不中断运营情况下，进行标准轨-米轨套轨形式的铁路改造也是非洲铁路在过渡阶段的必然选择。

1 基本布置

国内外比较常见的套轨铁路形式有宽轨-米轨（1 676 mm-1 000 mm）、标准轨-米轨（1 435 mm-1 000 mm）和宽轨-标准轨（1 520 mm-1 435 mm）3 种套轨形式。非洲铁路绝大部分为米轨铁路，应重点研究标准轨-米轨形式的套轨铁路，如图1所示。

图1 标准轨-米轨三线套轨示意

2 主要技术标准

从运输组织角度考虑，套轨铁路主要技术标准的选择在设计行车速度、牵引质量、到发线有效长和机车车辆选型等方面与普通铁路存在一定差异。

2.1 设计行车速度

设计行车速度是铁路技术标准的核心，其内涵决定了基础设施、设备及各项配套设施标准的选择，直接关系项目建设投资、运营成本和运营效益等，并影响铁路在区域内运输市场的竞争力。

套轨铁路设计行车速度应根据不同轨距线路在铁路网中作用、运输需求和工程条件等因素，综合比选确定。

2.2 牵引质量

货物列车牵引质量与牵引种类、机车类型、车站分布和线路平纵断面条件等因素密切相关，直接影响铁路输送能力，并对工程投资和运输成本等经济指标有较大影响。

套轨铁路牵引质量应根据不同轨距线路运输需求，综合考虑相应机车车辆性能及参数，经技术经济比选后确定，并宜与相邻线牵引质量相协调。

2.3 到发线有效长

到发线有效长度是车站到发线能停放列车而不影响相邻股道列车作业的长度，一般是出站信号机到警冲标的距离。

2.3.1 货物列车

货物列车到发线有效长的确定应综合考虑输送能力、牵引质量、地形条件和相邻区段统一牵引等因素确定，其计算公式为

式中：L货效为货物列车到发线有效长，m；∑L机为机车长度，m；Q为重车方向货物列车牵引质量，t；W为列车每单位长度质量，t/m；L附为列车停车时附加距离，m。

∑L机+Q/W为列车长度，受设计路段限制坡度和不同轨距线路所采用的牵引机车类型、车辆类型等因素影响。L附与列车牵引质量有关，牵引质量越大，其长度越大，一般取30 m。

2.3.2 旅客列车

旅客列车到发线有效长主要根据旅客列车长度确定，其计算公式为

式中：L客效为旅客列车到发线有效长，m；L车辆为编挂旅客列车车辆长度，m。

综上所述，对于套轨铁路，其到发线有效长应综合考虑不同轨距线路客货列车所需到发线有效长确定。

2.4 机车车辆选型

我国出口机车车辆较多［2］，常见宽轨、标准轨和窄轨机车车辆参数与轨距没有必然联系，套轨铁路不同轨距线路机车车辆选型可结合具体项目要求，综合考虑牵引种类、牵引质量和设计速度等运输需求，按照与线路条件相协调的原则，结合车站分布，经技术经济比选分别确定。

3 标准断面形式

根据非洲铁路既有情况，路基地段和桥梁地段均采用单层碎石道床，厚度为300 mm。道床顶面宽度为3 200 mm，砟肩宽度为350 mm，砟肩堆高为150 mm，道床边坡坡率为1∶1.50。改造后，一般路基地段和桥梁地段线路横断面如图2和图3所示。

图2 路基地段线路横断面（单位：mm）

图3 桥梁地段线路横断面（单位：mm）

4 关键技术研究

4.1 轨枕

轨枕设计主要按照机车轴重参数选择、道床支承反力计算模式、轨枕承载能力影响因素分析、轨枕设计目标函数建立和套轨轨枕初步设计方案等步骤进行。在我国现行设计方法中，轨枕设计的关键截面主要分为轨下截面和中间截面，弯矩计算参照我国标准轨距轨枕对称设计方法。但窄轨荷载弯矩计算方法暂无规定，且存在荷载和结构不对称情况，需要对轨下和轨中支承情况进行假设及分析，计算其轨下和轨中弯矩，确定道床支承方案。

本文假设2 种方案共7 种工况。第1 种是中间不支承、两边支承方案，适用于计算轨下截面最不利荷载情况，该方案是在假定支承长度确定的情况下，计算米轨轨下和标准轨轨下最大正弯矩。第2种是两边支承、中间部分支承方案，适用于计算枕中截面和米轨中部最不利荷载情况，该方案在假定支承长度确定的情况下，计算枕中和米轨轨中最大负弯矩。本文仅举例米轨机车通过时米轨轨下和轨中轨枕截面弯矩的计算。

4.1.1 米轨轨下截面弯矩计算

设轨枕长度L，标准轨距钢轨中心线至枕端距离a1，a2，轨底宽b'，米轨机车通过时，左侧道床支承长度为e1，右侧道床支承长度为e2，钢轨动压力Rd，道床支承反力q1，q2不同，如图4所示。

图4 米轨轨下截面弯矩道床支承方案［3］

根据米轨轨下截面正弯矩的道床支承方案计算模型列出支承反力平衡方程：

对①轨取弯矩，列出弯矩平衡方程。根据支撑反力平衡方程和弯矩平衡方程可以分别求出道床支承反力和①，②，③轨轨下截面弯矩。

4.1.2 米轨中间截面弯矩计算

在轨枕长度为2 500 mm 的前提下，共用轨轨下支承长度为e1=950.0 mm，e2=1 137.5 mm，b=412.5 mm，道床支承反力q1，q2不相同，中部荷载为3q1/4，如图5所示。

图5 米轨中间截面弯矩道床支承方案［3］

根据米轨中间截面弯矩的道床支承方案计算模型列出支承反力平衡方程：

对①轨取弯矩，列出弯矩平衡方程。根据支撑反力平衡方程和弯矩平衡方程可以分别求出道床支承反力、标准轨枕中间截面弯矩和米轨中间截面弯矩。

4.1.3 套轨轨枕选择

通过选择米轨轨距机车和标准轨距机车参数，确定三线套轨轨枕适应的承载能力，计算标准轨距和米轨轨距机车分别作用下道床支承反力，通过对比选出最不利工况，并以此为目标对轨枕承载能力进行设计。最后对标准轨距和米轨轨距进行协调布置，确定设计为无挡肩套轨轨枕。

4.2 道岔

为满足两种不同轨距车辆通过道岔，可将两组不同轨距的同向单开道岔套合在一起，构成套线道岔。在套线道岔中，三轨套线道岔是最常用的形式，其中一股轨道为共用轨道，另一股轨道根据车辆轮对参数设置。当列车过岔时，根据不同的轨距选择不同的轨道。套轨道岔主要分为套轨道岔平面线形设计、结构选型与设计、轮轨关系设计和轨道刚度设计。

套轨道岔结构复杂，道岔区存在车轮与多根钢轨接触及轮载过渡情形，其轮轨关系远比普通道岔区间线路复杂，是影响行车安全和限制运行速度的薄弱点。因此，要保证列车以规定的容许速度顺利通过套轨道岔，并有足够的安全性、稳定性和必要的旅客舒适度。套轨道岔设计时，必须结合机车车辆的轮对尺寸、固定轴距等对各部轮缘槽宽度、咽喉宽度、查照间隔、护背距离等间隔尺寸进行计算，保证尖轨、心轨开口量等间隔在容许限度内，不发生车轮撞击轨件等事故；其次要合理设计道岔平面线形，控制尖轨、护轨和翼轨缓冲段冲击角大小，使车轮撞击的动能损失不超过容许值。

4.3 信号

套轨信号系统设计属非常规、非标准设计，除已开通实施的几条边境线路外，没有太多的成熟经验可参考。对于套轨来说，如套轨道岔不纳入车站集中联锁控制，采用人工手扳道岔，则全部由行车人员人工保证行车安全，就不存在信号设计配套问题，因此套轨信号设计方案均基于采用集中联锁方案下的探讨。

套轨铁路信号控制方案研究信号设备采用的是站内联锁方案。根据进路要求，统一控制进路中所有信号设备，即在排列联锁进路时，将标准轨（宽轨）和米轨道岔均同时转换至联锁进路所要求的方向，不区分列车型号，轨道电路（计轴）、电码化和信号机等均采用同一套装置，保证站内联锁系统安全可靠运行。套轨铁路与国内标准轨铁路采用信号系统制式一致，满足该方案主要针对室外道岔控制及轨道占用检查装置进行方案研究设计。

目前套轨在国内暂无信号定型设备和相关设计标准资料，如要将套轨道岔纳入车站计算机联锁系统集中控制，需要解决的问题较多。首先要解决的是道岔转换与控制；其次是轨道占用检查功能的实现条件；为保证列车的安全运行，需进一步解决机车信号，即涉及站内电码化问题。同时上述内容还要结合套轨的具体形式（三线、四线）综合考虑。

4.4 不中断行车施工过渡

不中断行车施工过渡主要涉及路基、桥梁和车站地段，重点研究路基地段施工过渡。

4.4.1 路堤单侧帮宽

路堤单侧帮宽方案是将线中设置于米轨左侧或右侧，线中偏移距离根据抬高高度确定，同一段落以最大高度确定。路基边坡采用植草防护，在既有用地界足够地段直接放坡，既有用地界不足地段坡脚采用挡墙收坡，以免新增铁路征地。

4.4.2 路堤双侧帮宽

路堤双侧帮宽方案，沿两侧既有边坡挖台阶后，再进行夯填土；若既有线路基加宽值较小时，可采用设置护肩墙加宽。若考虑施工时不中断行车外部条件，于米轨左侧或右侧设置便线，便线路肩宽度仅保证道砟不散落至边坡，即道砟坡脚至坡顶宽度约为0.2 m。便线距既有米轨线中的距离根据抬高高度确定，同一段落以最大高度确定。帮宽路基边坡采用植草防护，在既有用地界足够段直接放坡，既有用地界不足段坡脚采用挡墙收坡，以免新增铁路征地。

根据帮宽形式及所考虑的因素，主要研究4 个方案，见表1。

表1 路堤帮宽方案分析比较

5 经济指标分析

5.1 3种套轨形式工程经济指标分析

为了评价3 种套轨形式经济性，按照不考虑既有线利用和考虑既有线利用2 种形式，假定线路长度均为10 km，分别计算轨道、路基和桥梁工程经济指标［4］，见表2—表4。可知，不同套轨形式横向比较，标准轨-米轨最为经济，宽轨-米轨次之，宽轨-标准轨最劣；轨道工程中对不同方案纵向比较，考虑既有线轨道部件利用能有效降低工程费用，不考虑既有线利用，路基段和桥梁段轨道工程费用差别不大；路基工程不同方案纵向比较，单侧帮宽经济性优于双侧帮宽，双侧帮宽中为了减少征地很大程度上需要付出成倍的工程费用，同时为了施工时不中断行车外部条件增设便线也需相应增加费用。

表2 轨道工程经济指标分析万元

表3 路基工程经济指标分析万元

考虑到影响既有线改造的因素繁多，并结合非洲既有铁路特点，对铁路用地、施工便线、施工组织和工程投资等因素进行综合分析，非洲铁路选择标准轨-米轨套轨形式改造方案为最佳选择。

5.2 标准轨-米轨工程与新建标准轨经济指标分析

非洲既有铁路普遍为米轨，运量均较小，改造既有线仅能满足近期运量需求，不能满足远期运量需求，且随着运量逐渐增大，还需新建标准轨。一次新建标准轨则投资较大，且因轨距不同，与相邻线路衔接不便。套轨工程则可以综合这两种形式的优点，综合考虑轨道、路基、桥梁和站场等因素，初步估算标准轨-米轨方案工程投资比新建标准+既有米轨简单修复方案工程投资节省30%左右。