莫斯科至喀山高铁轨道设计综述

刘大园 庞 玲 姚 力

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

1 概述

莫斯科至喀山高铁(下称“莫喀高铁”)西起俄罗斯首都莫斯科库尔斯克亚车站，自西向东经莫斯科、弗拉基米尔、下诺夫哥罗德、切博克萨雷至喀山，线路全长767.76 km，设车站15个[1]。莫喀高铁是中俄高铁的一部分，根据规划，将在新疆与中国高铁相连接，形成新欧亚高速运输大通道，是呼应和构建中国“一路一带”的重大基础设施和战略支撑项目。

2 工程特点及轨道工程设计理念

2.1 莫喀高铁工程特点

1)高速：莫喀高铁设计速度为400 km/h，目前世界上正式运营的高铁线路，运营速度最高的是中国高速铁路350 km/h。2)宽轨距：采用俄罗斯铁路的1 520 mm轨距。目前世界上高速铁路均采用1 435 mm的轨距,还未有直接建设1 520 mm轨距高速铁路的先例。3)采用客货混运的运营模式。4)全线位于高纬度严寒地带。极端最高温度40 ℃，极端最低温度48 ℃，温差接近100 ℃，对高铁所有的结构计算和设计提出了苛刻要求。

2.2 莫喀高铁轨道工程设计理念

鉴于上述工程特点，莫喀高铁轨道系统采用的设计理念如下：

1)轨道系统设计应考虑相关工程的接口协调及技术要求，统筹规划，系统设计；2)轨道系统设计应优先采用被工程应用证明是成熟、安全及稳定的技术，同时根据项目环境特点进行适当的优化和创新设计，在确保安全的前提下引入先进的技术及标准；3)轨道系统设计应满足建设过程及运营期间的环保要求，确保可持续发展；4)轨道设计应保持线路方向轨道刚度均匀，且线路平顺度符合要求；5)为提高轨道结构平顺度和稳定性，速度不小于250 km/h地段采用无砟轨道结构；6)无砟轨道结构在技术方案上应适用于严寒地区的特点，具有便捷的施工性、适应大变形及可维护性能，养护工作量应较少且具有较长的使用寿命；7)全线轨道系统机构形式应基本统一，采用具有通用性和可互换性的零部件，应力求构造简单并降低成本；8)尽量利用俄罗斯境内可以利用的资源来进行轨道系统设计。

3 技术难点的处理

3.1 特殊严寒条件下无砟轨道选型

正线主要铺设无砟轨道，将面临极端最低气温低、年温差大、可施工时间短、季节性冻害和雪害等不利条件。根据本线的工程特点，对无砟轨道结构提出了如下特殊要求[1]：1)轨道结构能满足速度400 km/h高速动车和200 km/h快速客车的强度要求。2)轨道结构受力体系能够适应极端低温、大温差等特殊气候。无砟轨道结构和材料在极端低温、大温差等特殊气候条件下具有较好的抗裂性和适应性。3)轨道结构在严寒气候条件下的施工能满足施工进度要求。4)轨道结构应具有良好的可维护性。在冬季漫长、气候寒冷的严寒地区，无砟轨道病害不可避免，严寒气候条件下的可维护性是对无砟轨道的新要求。根据上述无砟轨道环境特点，确定了无砟轨道结构选型的基本原则，即无砟轨道应具备安全可靠性、合理的经济性的同时还应具备良好的低温适应性、低温耐久性、便于施工以及可修复性。

世界上高速铁路大都采用无砟轨道作为主要的轨道结构型式，如日本的板式无砟轨道，德国的Rheda2000型无砟轨道和Bögl板式无砟轨道，中国的CRTS系列无砟轨道等[2]。不同类型的无砟轨道结构、应用情况及主要技术特点对比如表1所示。

通过对比分析不同无砟轨道结构的特点，可见CRTSⅢ型板式无砟轨道最能适用于莫喀高铁的工程特点，采用优化后的CRTSⅢ型板式无砟轨道能满足本线的设计、施工、运营、维护等要求。

表1 不同类型无砟轨道结构的主要特点

3.2 400 km/h高速运行线路轨道结构动力特性研究

针对宽轨距时速400 km无砟轨道结构，运用现代机车车辆—轨道耦合动力学理论，建立了宽轨距高速列车—无砟轨道耦合动力学模型。综合考虑了400 km/h高速动车、200 km/h动货车、200 km/h既有提速客车、200 km/h既有提速机车、160 km/h“三大件式转向架”货车、160 km/h“构架式转向架”货车等不同车辆作用下的轮轨动力作用，研究客货共线时的轮轨动力性能，得到如下关键结论：

1)在300 km/h～400 km/h速度范围内，高速列车作用下的各轮对动力作用指标随速度的增加逐渐增加，但均满足安全限值需求。2)在波磨条件下，高速动车作用下的轮轨垂向力为206.48 kN，轮重减载率为1.0，均超出安全限值，得出140 mm波长的钢轨波磨波深不应超过0.07 mm。3)综合考虑轨下胶垫垂向动刚度对400 km/h高速动车作用下的各敏感的动力学性能指标，建议轨下胶垫垂向动刚度合理匹配范围为38 MN/m～45 MN/m。4)为了降低由于桥台与路基连接处差异沉降引起的轮轨动力作用，宜设置钢筋混凝土搭板，其合理长度为10 m～15 m。

3.3 正线高速道岔研究

综合考虑莫喀高铁速度高、宽轨距、高寒环境、客货共线运营等特点，基于行车安全舒适性、道岔低动力设计、高平顺性和转换锁闭可靠性的要求，通过轮轨关系、无缝化和转换设计等关键技术研究，得到以下主要成果：

1)形成了25号道岔平面线型方案(如表2所示的推荐方案)，其始转辙角较小，轨距线交点距辙叉跟端距离较长，能满足行车舒适性、减缓构件磨耗速率、电务设置和经济性等要求。

表2 宽轨距25号单开道岔平面线型参数对比

2)结合二次序列优化法(SQP)，基于接触迹线外移的新型轮轨关系设计理念，提出了直基本轨顶面加工廓形方案，显著提高了行车平稳性，转辙器范围内轮对横移量和车体横向振动加速度分别降低了56.2%和50%。为减小辙叉垂向结构不平顺，开展了翼轨垂向抬高结构设计，车辆直逆向和侧逆向过岔时长心轨处轮轨垂向力最大值分别降低了14.60 kN和16.85 kN；且轮载过渡位置后移，减缓了心轨磨耗等伤损。考虑道岔钢轨间支撑和约束条件差异，提出了弹性均匀的岔区轨道刚度技术，如图1所示。以上轮轨关系设计显著降低了道岔动力作用。

3)研制了通过锁闭钩转动，适应可动轨件大伸缩量的新型钩型锁闭机构，并通过调整转辙器跟端两组限位器的子母块间隙，使其满足同步受力要求，保证了无缝道岔的高平顺性，如图2所示。

4)形成了25号道岔尖轨设置5个牵引点、心轨设置3个牵引点、采用多机多点、牵引点间布置密贴检查器的牵引方案。

3.4 CRTSⅢR型板式无砟轨道板的最优化配置

对于预制板式轨道结构，需要进行的一项重要工作是轨道板的配板。莫喀高铁根据桥梁标准跨度及轨道技术标准，确定了3种类型的单元板长度，分别为：主板长度为4 636 mm，辅助板长度为5 210 mm及5 184 mm。路基地段轨道板型号为P4636,P5210及P5184；桥梁上轨道板型号为M4636,M5210及M5184。

1)桥梁地段轨道板配置方法。根据简支梁的长度进行配置：23.6 m简支梁为M4636×5块；34.2 m简支梁为M4636×5块+M5210×2块；50 m简支梁为M4636×5块+M5184×5块。连续梁及其他特殊梁结合伸缩调节器布置，尽量采用M4636，M5184，M5210三种标准长度板进行布置，当采用标准长度板不满足铺设要求时，可采用其他长度的异型板进行调整。

2)道岔区轨道板配置方法。根据25号牵引点的布置及转换设备安装要求，优先布置转辙器区域及辙叉区域道岔板；其次布置导曲线部分道岔板，最后布置岔后及渡线间道岔板。

3)路基地段轨道板配置方法。路基地段以铺设P4636标准板为主,结合路基长度采用P5210，P5180标准板为辅进行适当调整。

对于普通路基地段，其长度不等，为了达到轨道板最优化配置，根据轨道板配置的特点，建立了基于整数规划的数学模型，借助计算机软件辅助分析，达到更快、更合理的配置轨道板的铺设方案，轨道板的最优化规划数学模型[3,4]如下：

其中，x1为主板P4636的块数；x2为辅助板P5210的块数；x3为辅助板P5184的块数；n1为采用100 mm标准板缝的个数;d1为调整的板缝宽度；L为待配板轨道区段的线路长度。

通过建立上述模型，利用计算程序，有效的解决无砟轨道板的最优化配置问题[5]。

4 结语

莫喀高铁轨道系统设计中，充分总结了世界上的高铁建设经验，特别是中国高铁轨道系统的建设经验。莫喀高铁轨道工程设计采用系统设计的理念，将轨道系统与其他工程统筹考虑，使各方面能相互匹配，协调工作，在整个高铁系统中起到承上启下的作用，保证整个高铁系统的安全高效运行，将为世界类似环境条件下的高速铁路工程提供成功的应用经验。