贵广铁路提速至300 km／h基础设施适应性分析

李霞明 刘博诗 郭晓毅

（1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 630031；2.国家铁路局安全技术中心，北京 100106）

随着客货运量的不断增大，既有线运输能力不能满足实际运输需求，对既有线进行提质改造逐渐成为铁路提升运能的重要手段。

国内外相关学者针对既有线提质改造的研究积累了较为丰富的经验。德国铁路公司于2004年在柏林至汉堡的线路上采用设备、设施改造实现了将运营速度从200 km／h提升至230 km／h；日本东海道新干线自1964年建成以来经历过数次升级改造，2015年通过更换轨道、更新信号系统、改造既有车站等措施实现了将运营速度从210 km／h提升至270 km／h［1］。我国铁路经过6次既有线提速改造，从1997年将运营速度提升至140 km／h，至2007年逐步提升至200 km／h，部分区段已至250 km／h［2］。胡叙洪［3］以胶济铁路提速改造为例，提出以工程投资与节时比来综合评判提速后经济效益及社会效益，确定全线提速140～ 160 km／h方案。周士林［4］研究得出既有线改造中分批次建设线路复线可做到初期少投资，但比一次性建设投资高、周期长，对既有线运营干扰大。林海 波［5］对太锡铁路从既有120 km／h全线提速至160 km／h、分段提速160 km／h等方案进行比选，分别从既有线能力适应性、主要工程投资等方面进行综合分析，确定分段提速160 km／h方案为推荐方案。杨佳［6］以将既有300 km／h高速铁路升级改造为350 km／h的成渝客运专线为案例，提出提速改造全过程中接触网提升需求及应对策略，形成高速铁路接触网提质改造技术路线。

相关学者对既有线提速改造的研究大多集中在普速铁路提速改造方面，系统性阐述高速铁路提质改造的相对甚少。目前运营高速铁路提速改造的规范、标准尚不完善，若完全按照现行规范要求提速必然引起线下基础设施、部分站后设备的大拆大改，造成工程投资浪费，严重干扰既有线运营。本文以国内首次对运营高速铁路实施全面提质改造的贵广铁路提质改造工程为背景，从宏观到微观分专业对提速适应性进行系统研究，科学论证在现状设施条件下提速提质改造的可行性。多项研究工作和创新成果在国内均为首次，形成了可推广、可复制的成熟经验，对后续高速铁路提速提质改造项目具有较好的指导和借鉴意义。

1 既有线概况

贵广铁路横跨贵州、广西、广东3省，线路起于贵阳北站，经都匀、桂林、贺州、肇庆等市县后引入广州南站，是西南、华南地区间联系最顺直、最便捷、最重要的铁路通道，国家综合立体交通网规划6条主轴通道和高速铁路“八纵八横”兰（西）广通道的重要组成部分。

贵广铁路线路全长857 km，设车站21座，桥隧比80.8%，按照250 km／h速度设计、基础设施预留进一步提速条件，最小曲线半径4 500 m，正线线间距4.8 m，隧道净空面积92 m2，采用CTCS-2级列控系统。

2 提速改造适应性分析

考虑到龙里北（K 48+630）以西为贵阳枢纽范围，列控系统统一采用CTCS-2级，三水南（K 806+000）往东为原批复的200 km／h运营速度段落，对贵广铁路龙里北至三水南段（K 48+630～ K 806+000）进行提速改造。其中，龙里北至肇庆东段线路长733.949 km提速至300 km／h，肇庆东至三水南段线路长23.421 km提速至250 km／h。

既有贵广铁路按照《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》等规范完成设计工作。2014年 开通以来，TB 10621-2014《高速铁路设计规范》等新规范相继发布。因规范变化且已运营多年，贵广铁路实施提速改造存在既有基础设施适应性方面的问题，为充分利用既有条件以较小代价提升线路技术标准及运营品质，需对既有基础设施适应性开展系统研究分析，以确保提速目标的实现。

本文重点对龙里北至肇庆东段既有线路、轨道、路基、桥梁、隧道、信号、通信、牵引供电、电力、环保等主要基础设施在提速至300 km／h的适应性方面进行研究分析。

2.1 线路

对照既有现状及现行TB 10621-2014《高速铁路设计规范》，龙里北至肇庆东段既有线路平、纵断面设计参数适应性分析情况如表1所示。

表1 线路设计参数提速至300 km／h适应性分析表

由表1可知，线路平、纵断面设计参数中区间正线线间距、最小平面曲线半径、最小夹直线、最大坡度、最小坡段长度、最小竖曲线半径均满足提速要求。

经梳理，缓和曲线有11处、圆曲线长度有1处、缓和曲线与道岔间最小直线长度有1处不满足现行规范要求。提速改造设计中，对11处缓和曲线长度不满足现行规范要求的，根据规范采用的缓和曲线长度计算方法，结合轨道欠超高和过超高允许值、超高时变率和欠超高时变率等检算成果，统筹考虑限速。对1处圆曲线长度不满足现行规范要求的，根据规范制定的理论基础，采用0.6 v进行反算，确定运营顶棚速度295 km／h。对2处道岔前夹直线长度不满足规范要求0.5 v的地段，参照规范采用的理论依据，反算最高速度限速运行。

2.2 轨道

（1）超高

采用牵引曲线数据图中曲线地段最大、最小运行速度，对所有正线超高进行提速检算。龙里北至肇庆东段检算结果为上行35处、下行31处曲线轨道超高不满足提速至300 km／h条件，其余曲线均满足。

由于无砟轨道超高调整仅能通过调整扣件来实现，而既有贵广铁路采用的WJ-8扣件最大调高量 +26 mm，且由于施工精度、线下基础变形等因素，部分扣件调高量已接近或超过扣件实际可调整量，即使未超过扣件调高量，留给工务维修的调整余量亦非常少。结合工务部门意见以及规范计算方法，对于部分不满足现行规范300 km／h运营速度要求的轨道超高，采用不调整轨道超高，根据现状超高反算其最高运营速度的方法予以解决［7］。

（2）设计规范对比

原设计采用的主要规范与目前最新规范的对照情况如表2所示。

表2 轨道新旧规范对照表

在上述规范更新中，轨道具体设计内容的对比情况如表3所示。

表3 新旧规范轨道主要内容对照表

由表3可知，新旧规范内容基本一致，原规范对有砟轨距要求更为严格；新规范增加了钢轨廓形要求，既有线钢轨和道岔可通过打磨满足提速至300 km／h的相关要求。

（3）维修规则要求

提速改造除满足设计规范要求外，还需要符合《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》《高速铁路有砟轨道线路维修规则（试行）》等维修规则的要求。经过对照分析，提速改造考查范围如表4所示。

表4 维修规则要求汇总表

（4）既有设备安全质量要求

贵广铁路运营多年，线下基础存在工后变形（沉降、上拱及平面偏差），轨道线形、钢轨轮廓及道床结构等均有不同程度劣化，考虑进行无砟轨道精调、钢轨和道岔打磨等轨道工程整治，以满足动车组以 300 km／h目标速度运行的安全性、平稳性相关要求。

2.3 路基

路基面形状及宽度设计参数、无砟轨道区间路基工后沉降控制标准适应性分析如表5、表6所示。

表5 无砟轨道区间路基面形状及宽度适应性分析表

表6 无砟轨道区间路基工后沉降适应性分析表

综上所述，路基工程路基面形状及宽度设计参数、无砟轨道区间路基工后沉降控制标准适应性等均满足提速至300 km／h现行高速铁路设计规范要求。

2.4 桥梁

既有桥梁按300 km／h设计，桥梁轨道按一次铺设跨区间无缝线路、双块式无砟轨道。经检算，桥梁工程静、动性能满足300 km／h现行高速铁路设计规范要求。

2.5 隧道

（1）隧道净空断面

既有隧道净空面积为92 m2增设钢筋混凝土套衬整治后，局部段落存在87.5 m2、86.8 m2和85.2 m2三种隧道净空断面。按照现行TB 10621-2014《高速铁路设计规范》规定，设计速度为300 km／h时，双线隧道净空有效面积不宜小于100 m2。既有隧道净空断面小于现行规范300 km／h的要求。

结合国内外隧道净空断面相关科研成果，以及气动效应的影响和列车动态密封指数分析，理论上贵广铁路提速后隧道净空断面可维持现状。通过在本项目提质改造工程实施过程中开展现场实车试验，进一步验证了既有隧道净空断面运行300 km／h列车的可行性。因此，贵广铁路提速至300 km／h考虑维持既有隧道净空断面。

（2）隧道洞口微气压波

贵广铁路现状运营速度最高为250 km／h，动车通过隧道洞口时，乘坐舒适度良好，通过隧道气动效应数值仿真分析，隧道洞口20 m处微气压波峰值最大为36.4 Pa，未超过标准允许值50 Pa。通过隧道气动效应数值仿真分析，贵广铁路提速后，双线隧道长度未超过4 000 m时，洞口20 m处微气压波峰值未超过控制标准50 Pa；长度超过4 000 m时，洞口20 m处微气压波峰值将超过控制标准50 Pa。由于贵广铁路提速段隧道洞口50 m范围内无建(构)筑物，洞口微气压波峰值无控制要求，故洞口微气压波峰值加大对列车提速至300 km／h无影响。

（3）隧道防护门隔墙

既有隧道防护门隔墙不满足Q／CR 700-2019《隧道防护门》的要求。考虑对既有防护门隔墙为钢筋混凝土结构的进行补强处理，既有防护门隔墙为复合防爆板结构的进行拆除改为钢筋混凝土隔墙。

2.6 信号

既有列车控制系统采用CTCS-2，不满足TB 10007-2017《铁路信号设计规范》“250 km／h以上的线路，地面应采用CTCS-3级列控系统”的规定；既有区间应答器组间隔1个闭塞分区设置，车站正线股道出站信号机未布置出站应答器组，股道中间未设定位应答器，不满足科技运〔2010〕21号《CTCS-3级列控系统应答器应用原则（V2.0）》的要求；部分车站轨道电路长度不满足提速后的要求。

针对上述信号设备适应性分析情况，通过将列车控制系统由CTCS-2升级改造为CTCS-3级，并相应改造信号各系统以满足提速至300 km／h的要求。

2.7 通信

无线通信系统在CTCS-3级列控区段需采取冗余无线覆盖设计，既有设备采用单层网覆盖，不满足要求；既有综合视频系统仅在沿线车站两端咽喉区、隧道口、公跨铁立交、通信机械室、信息机房、信号机房、综合值班室、牵引变电所、分区所、电力配电所等处设置标清摄像机，不满足“中国铁路总公司关于发布设计时速200 km及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知”的要求；此外，未设置视频网络安全设备，不满足Q／CR 575-2017《铁路综合视频监控系统技术规范》的要求；部分车站接入路由器仅设置1台，未构建数据网接入层双平面组网，不满足接入节点配置2套接入路由器的要求；传输系统车站接入层为622 M设备，带宽资源紧张，不满足提速后的需求；既有2条32芯干线光缆用于承载传输系统、数据网、信号安全数据网、OTN系统等业务，剩余纤芯不满足新增传输、数据网、综合视频等相关业务升级改造后的需求。

针对上述通信设备适应性分析情况，采取如下改造措施以满足提速至300 km／h的要求：GSM-R系统改为冗余覆盖，并更换既有模拟光纤直放站为与新建数字直放站或分布式基站；对传输、数据网系统进行扩容改造；增设区间线路、长大桥、接触网设施视频监控采集点，并对后台进行扩容；新敷设干线、区间通信线路用于扩容、改造后的传输、数据网、GSM-R、视频系统；配套对通信电源进行改造。

2.8 牵引供电

牵引供电系统能力受牵引设施分布、牵引变压器容量、牵引网载流能力等影响。本线牵引供电设施布点能满足按300 km／h追踪运行需要。结合现场运行情况、行车组织要求，各牵引变电所需对牵引变压器容量增容改造，并对所亭内相关设备，如电流互感器等进行改造后能够满足300 km／h列车运行的需要。

2.9 电力

提速至300 km／h新增负荷主要涉及区间无线通信直放站、基站新增冗余设备及视频监控设备、车站新增信号RBC设备、车辆TADS、TEDS探测机房设备。以上设施负荷容量小且较为分散，可利用既有箱变、变电站设施供电，部分电力设施需进行增容改造。

2.10 环保

提速改造后噪声、振动预测参数变化主要表现为列车对数、行车速度以及列流比的变化。全线共 244处敏感点因新增或因提速后噪声源强增加导致预测噪声超标，考虑对新增噪声敏感点增设声屏障和隔声窗，以满足提速后的降噪要求。

3 结论

本文以贵广铁路提质改造为例，从宏观到微观分专业对提速适应性进行系统研究，科学论证在现状设施条件下提速提质改造的可行性，在最优发挥既有基础设施效能的同时有效控制投资。多项研究工作和创新成果在国内均为首次，形成了可推广、可复制的成熟经验，为后续高速铁路既有线提质达标工作提供经验参考和技术支撑。

（1）既有高速铁路提速改造应按照基于原设计情况及既有运营现状，通过新旧规范对照、科研专题研究、实车试验验证等手段对既有现状设施提速改造可行性论证的思路开展研究，并针对既有设备参数、指标不满足现行规范要求的情况提出解决方案。

（2）贵广铁路利用原预留条件，维持既有线路平纵面、路基、桥涵、隧道等基础设施，通过采取钢轨廓形打磨、四电系统相应升级改造及补强、增设声屏障和隔声窗降噪等措施后，能够满足提速至300 km／h的要求。贵广铁路提速至300 km／h是合理可行的。

（3）结合贵广铁路提速改造工程实践，一方面建议完善运营高速铁路提速改造的设计规范，另一方面需要灵活运用现行设计规范，如针对部分圆曲线、缓和曲线、轨道超高、隧道净空断面等既有设备参数不满足现行规范要求的情况，通过分析规范参数选取的计算方法，采用合理的设计参数以满足提速改造的要求。通过充分利用既有条件，以较小代价提升线路技术标准及运营品质，同时可保障运营线路施工期运营安全及施工安全。