陳 波，林 飛，蔡超勛

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)室，北京 100081；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063； 4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

市域鐵路是一種伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展而興起的新型軌道交通系統(tǒng)，其客流強(qiáng)度、設(shè)計(jì)速度都介于城際鐵路與城市軌道交通之間。由于沒有統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)開通運(yùn)營(yíng)及在建的市域鐵路存在交叉采用地鐵及國(guó)鐵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的情況。就限界而言，除廣佛肇(廣州—佛山—肇慶)城際等線路外，大多數(shù)采用地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)速度進(jìn)行計(jì)算，部分線路對(duì)于區(qū)間建筑限界還按照路基、隧道及橋梁分別考慮。市域鐵路與國(guó)鐵或城市軌道交通有貫通運(yùn)營(yíng)要求時(shí)，要考慮限界兼容的可行性，就必須統(tǒng)一限界標(biāo)準(zhǔn)。為此，需要對(duì)市域鐵路運(yùn)用的車輛技術(shù)規(guī)格簡(jiǎn)統(tǒng)化，并根據(jù)車輛技術(shù)參數(shù)，研究制定市域鐵路車輛限界和建筑限界。

1 車輛技術(shù)規(guī)格

車輛類型根據(jù)市域鐵路的功能定位、預(yù)測(cè)客流量、線路條件、運(yùn)輸能力等因素綜合確定。目前確定的市域鐵路車輛類型有市域A型、市域D型和CRH市域型，根據(jù)車體寬度分為窄體車和寬體車。其中，窄體車的技術(shù)規(guī)格與地鐵A型車相近，寬體車的技術(shù)規(guī)格與城際動(dòng)車組相近，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 市域鐵路車輛限界的制定

市域鐵路車輛尺寸較小，窄體車尺寸與地鐵車輛接近，與客運(yùn)專線鐵路機(jī)車車輛限界輪廓之間的間隙

表1 市域鐵路車輛主要技術(shù)參數(shù)

注：Δ為司機(jī)室加長(zhǎng)量。

較大，仍沿用該限界的輪廓尺寸已不合適。另外，市域鐵路運(yùn)營(yíng)車輛單一，依據(jù)市域鐵路車輛的技術(shù)參數(shù)制定車輛限界，更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2.1 車輛上部限界

市域鐵路屬于客運(yùn)專線鐵路，其車輛上部限界參照客運(yùn)專線鐵路機(jī)車車輛上部限界輪廓尺寸，依據(jù)市域鐵路寬體車和窄體車的最大半寬、落弓高度制定。

車輛上部限界的最大高度由車輛空載狀態(tài)下垂直面內(nèi)的最大尺寸所確定，受限于車輛落弓高度。市域鐵路寬體車和窄體車的落弓高度分別小于等于 4 640，4 450 mm，取整確定寬體車和窄體車的車輛限界最大高度分別為 4 700，4 500 mm。車輛上部限界的最大半寬由車體靜態(tài)半寬、最大標(biāo)準(zhǔn)公差和磨耗限度確定。市域鐵路寬體車和窄體車的最大半寬分別為 1 650，1 500 mm，車輛制造公差和磨耗引起的車輛橫向最大靜偏移按25 mm考慮，確定寬體車和窄體車的車輛限界最大半寬分別為 1 675，1 525 mm。

2.2 車輛下部限界

車輛下部限界規(guī)定了車輛下部設(shè)計(jì)制造的垂直尺寸不得突破的界限，該界限計(jì)入了車輛靜載條件下的彈簧靜撓度以及最大磨耗。市域鐵路車輛的懸掛參數(shù)與普速鐵路運(yùn)行的車輛相近，車輛下部限界輪廓尺寸參照TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》[1]中的“客貨共線鐵路機(jī)車車輛限界”制定，除最大半寬改為 1 675 mm(寬體車)和 1 525 mm(窄體車)外，還將底部的(1 260,90)點(diǎn)與(1 675/1 525,350)點(diǎn)改為斜線直接相連。

2.3 車輛限界輪廓及基本尺寸

綜合以上分析，沿用GB 146.1—83《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》[2]中規(guī)定的車輛限界圖式表示方法，根據(jù)采用的車輛類型不同，確定了2種市域鐵路車輛限界輪廓，如圖1—圖4所示。

圖1 市域鐵路寬體車上部限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

圖2 市域鐵路寬體車下部限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

圖3 市域鐵路窄體車上部限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

圖4 市域鐵路窄體車下部限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

3 車輛振動(dòng)偏移量計(jì)算

車輛限界寬度和車輛運(yùn)行中的振動(dòng)偏移量是建筑限界寬度的主要影響因素，車輛限界確定后，還須對(duì)車輛振動(dòng)偏移量進(jìn)行分析。理論計(jì)算和動(dòng)力學(xué)仿真是分析車輛振動(dòng)偏移量的常用手段[3-6]。理論計(jì)算能夠考慮懸掛偏移的極限狀態(tài)，動(dòng)力學(xué)仿真能夠考慮車輛懸掛參數(shù)、運(yùn)行速度、風(fēng)載、線路條件等因素的影響。本文采用2種方法分別計(jì)算了車輛外輪廓的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，從而能夠充分考慮到各種因素對(duì)車輛振動(dòng)偏移量的影響。

3.1 計(jì)算條件

采用UM(Universal Mechanism)軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，計(jì)算模型應(yīng)采用車輛實(shí)際技術(shù)參數(shù)建立，非線性單元如止擋力特性、減振器阻尼特性、輪軌接觸關(guān)系等都不作線性化處理。理論計(jì)算公式見CJJ 96—2003《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》[7]的規(guī)定。

動(dòng)力學(xué)仿真和理論計(jì)算的最高速度按設(shè)計(jì)速度的110%取值，即寬體車取176 km/h，窄體車取154 km/h。根據(jù)TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》[8]對(duì)動(dòng)車組在風(fēng)區(qū)運(yùn)行和通過站臺(tái)的規(guī)定，側(cè)風(fēng)工況的最大風(fēng)速取30 m/s，列車通過側(cè)線站臺(tái)時(shí)考慮最大側(cè)風(fēng)風(fēng)速取15 m/s。

車輛計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)見表2，其中Y0，Z0分別表示計(jì)算點(diǎn)的橫向和垂向坐標(biāo)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

按2種方法計(jì)算得到的車輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線見圖5和圖6。由于2種方法考慮的因素不盡相同，計(jì)算結(jié)果有一定的差別。在車體和轉(zhuǎn)向架部位包絡(luò)線的橫向間隙，寬體車為17 mm，動(dòng)力學(xué)仿真的輪廓較大;窄體車為47 mm，理論計(jì)算的輪廓較大。由于動(dòng)力學(xué)仿真模型中考慮了受電弓與車體的彈性連接，因此在受電弓外側(cè)包絡(luò)線的橫向間隙都是動(dòng)力學(xué)仿真的輪廓較大，其中寬體車為137 mm，窄體車為115 mm。2種方法計(jì)算的主要控制點(diǎn)最大偏移位置見表3，確定建筑限界基本尺寸時(shí)以較大的包絡(luò)線輪廓作為參考依據(jù)。

表2 車輛計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo) mm

圖5 寬體車動(dòng)態(tài)包絡(luò)線圖6 窄體車動(dòng)態(tài)包絡(luò)線

表3 2種方法計(jì)算的主要控制點(diǎn)最大偏移位置 mm

4 市域鐵路建筑限界的制定

與市域鐵路車輛限界對(duì)應(yīng)，根據(jù)采用的車輛類型不同，市域鐵路建筑限界分寬體車建筑限界和窄體車建筑限界。

4.1 建筑限界的寬度

4.1.1 建筑限界的最大寬度

寬體車動(dòng)態(tài)包絡(luò)線最大半寬為 1 734 mm，參考GB 50517—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]的設(shè)置原則，以300 mm作為建筑限界與車輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線之間的橫向安全間隙，計(jì)算得到建筑限界最大半寬為 2 034 mm，取整為 2 100 mm。根據(jù)隧道專業(yè)的研究結(jié)果，限界寬度由 2 100 mm 增大到 2 200 mm 并不會(huì)增加工程量，因此，將最大寬度與城際鐵路建筑限界統(tǒng)一，仍為 2 200 mm。窄體車動(dòng)態(tài)包絡(luò)線最大半寬為 1 622 mm，仍以300 mm作為建筑限界與車輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線之間的橫向安全間隙，計(jì)算得到建筑限界最大半寬為 1 922 mm，取整為 2 000 mm。

4.1.2 受電弓工作區(qū)域的寬度

寬體車受電弓垂向工作高度為 5 150～5 300 mm，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，受電弓 5 300 mm 工作高度外邊緣處橫向最大偏移位置為 1 257 mm，考慮 300 mm 的安全裕量，計(jì)算得到受電弓工作區(qū)域?qū)挾葹?1 557 mm，取整為 1 600 mm。由于受電弓工作區(qū)域的寬度由 1 600 mm 增大到 1 700 mm 對(duì)隧道斷面沒有影響，因此，將該尺寸取為 1 700 mm，可進(jìn)一步增加安全裕量。窄體車受電弓垂向工作高度為 5 000～5 150 mm，受電弓 5 150 mm 工作高度外邊緣處橫向最大偏移位置為 1 222 mm，考慮300 mm的安全裕量，計(jì)算得到受電弓工作區(qū)域的寬度為 1 522 mm，取整為 1 600 mm。

4.2 建筑限界的高度

建筑限界的最大高度考慮因素包括接觸導(dǎo)線高度(寬體車為 5 300 mm，窄體車為 5 150 mm)、對(duì)地絕緣距離(300 mm)、施工誤差和抬道影響(50 mm)，以及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度Y。對(duì)于不同的懸掛方式，Y的值不同，采用剛性懸掛時(shí)，Y為接觸網(wǎng)安裝高度。因此，寬體車建筑限界最大高度表示為 5 650+Y，窄體車建筑限界最大高度表示為 5 500+Y。

4.3 站臺(tái)建筑限界

4.3.1 站臺(tái)建筑限界的高度

市域鐵路站臺(tái)建筑限界高度應(yīng)與車輛的地板面高度相適應(yīng)，以保證旅客上下車的安全。根據(jù)車輛技術(shù)參數(shù)，寬體車站臺(tái)限界高度確定為 1 250 mm，窄體車站臺(tái)限界高度確定為 1 080 mm。

4.3.2 站臺(tái)建筑限界的寬度

為保證車輛安全通過站臺(tái)，車輛地板面高度處的最大偏移位置與站臺(tái)邊緣之間的水平間隙不宜太??；另一方面，為保證旅客上下車安全，車輛地板面高度處的輪廓線與站臺(tái)邊緣之間的水平間隙不宜過大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，寬體車、窄體車站臺(tái)高度處的橫向最大偏移位置分別為 1 720 mm 和 1 573 mm，綜合考慮將站臺(tái)建筑限界寬度分別設(shè)為 1 750 mm 和 1 600 mm。車輛地板面高度處的最大偏移位置與站臺(tái)邊緣之間的水平間隙，寬體車為30 mm，窄體車為27 mm；車輛地板面高度處的輪廓線與站臺(tái)邊緣之間的水平間隙，寬體車為107 mm，窄體車為112 mm?？梢员ＷC站臺(tái)區(qū)域的行車安全和旅客人身安全。

4.3.3 站臺(tái)門建筑限界

站臺(tái)門的設(shè)置須考慮在車輛限界以外保留一定的安全距離，同時(shí)盡量減小站臺(tái)門與停站車輛之間的間隙。參考地鐵的經(jīng)驗(yàn)，分別以寬體車和窄體車的車輛限界半寬 1 650 mm 和 1 500 mm，加上130 mm的凈距，即 1 780 mm 和 1 630 mm 作為寬體車和窄體車的站臺(tái)門建筑限界。

4.4 建筑限界輪廓及基本尺寸

綜合以上分析，沿襲高速鐵路和城際鐵路的建筑限界圖式[10-11]，根據(jù)采用的車輛類型不同，確定了2種市域鐵路建筑限界輪廓，如圖7和圖8所示。

圖7 市域鐵路寬體車建筑限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

圖8 市域鐵路窄體車建筑限界輪廓及基本尺寸(單位：mm)

4.5 曲線地段建筑限界加寬辦法

出于經(jīng)濟(jì)性考慮，市域鐵路建筑限界的曲線加寬公式不按GB 146.1—83定義的計(jì)算車輛來計(jì)算，而是根據(jù)本線采用的最長(zhǎng)車輛的車體長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)向架中心距來計(jì)算。在曲線上，車輛中間部分向曲線內(nèi)側(cè)的幾何偏移量為l2/(8R)(單位為m)，單位轉(zhuǎn)化為mm則表示為125l2/R，由超高引起的車輛偏移量為Hh/1 500(單位為mm)，向曲線內(nèi)側(cè)的總偏移量為二者相加，即125l2/R+Hh/1 500(單位為mm)。車輛兩端向曲線外側(cè)的幾何偏移量為(L2-l2)/(8R)(單位為m)，單位轉(zhuǎn)化為mm則表示為125(L2-l2)/R。因此曲線內(nèi)側(cè)加寬量W1=125l2/R+Hh/1 500(單位為mm)，曲線外側(cè)加寬量W2=125(L2-l2)/R(單位為mm)。其中：l為本線采用的最長(zhǎng)車輛的轉(zhuǎn)向架中心距，m；R為曲線半徑，m；H為計(jì)算點(diǎn)自軌面算起的高度，mm；h為外軌超高，mm；L為本線采用的最長(zhǎng)車輛的車體長(zhǎng)度，m。

圖9 曲線地段建筑限界加寬示意

曲線地段的加寬方法可采用圖9所示的階梯形方式，或采用曲線圓順方式。其中，圓曲線的全部、緩和曲線緩圓點(diǎn)(圓緩點(diǎn))至緩和曲線中點(diǎn)并向直線方向延長(zhǎng)0.5L的部分，曲線內(nèi)外側(cè)分別加寬W1和W2；緩和曲線其余部分以及直緩點(diǎn)(緩直點(diǎn))向直線方向延長(zhǎng)0.5(L+l)的部分，曲線內(nèi)外側(cè)分別加寬0.5W1和0.5W2。

5 結(jié)論

1)采用GB 146.1—83中的標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界模式，研究制定市域鐵路限界，避免了一線一算，實(shí)現(xiàn)了市域鐵路限界輪廓的簡(jiǎn)統(tǒng)化。

2)結(jié)合市域鐵路運(yùn)營(yíng)車輛的特點(diǎn)制定了市域鐵路車輛限界，豐富了我國(guó)鐵路機(jī)車車輛限界的種類。

3)市域鐵路限界分窄體車和寬體車2種，根據(jù)設(shè)計(jì)需求選用，可在保證安全的前提下盡量減小限界輪廓尺寸。

4)研究提出的市域鐵路限界與既有的高速鐵路限界、城際鐵路限界共同構(gòu)建了我國(guó)客運(yùn)專線鐵路限界標(biāo)準(zhǔn)體系。