劉大園 龐 玲 姚 力

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 概述

莫斯科至喀山高鐵(下稱“莫喀高鐵”)西起俄羅斯首都莫斯科庫(kù)爾斯克亞車站，自西向東經(jīng)莫斯科、弗拉基米爾、下諾夫哥羅德、切博克薩雷至喀山，線路全長(zhǎng)767.76 km，設(shè)車站15個(gè)[1]。莫喀高鐵是中俄高鐵的一部分，根據(jù)規(guī)劃，將在新疆與中國(guó)高鐵相連接，形成新歐亞高速運(yùn)輸大通道，是呼應(yīng)和構(gòu)建中國(guó)“一路一帶”的重大基礎(chǔ)設(shè)施和戰(zhàn)略支撐項(xiàng)目。

2 工程特點(diǎn)及軌道工程設(shè)計(jì)理念

2.1 莫喀高鐵工程特點(diǎn)

1)高速：莫喀高鐵設(shè)計(jì)速度為400 km/h，目前世界上正式運(yùn)營(yíng)的高鐵線路，運(yùn)營(yíng)速度最高的是中國(guó)高速鐵路350 km/h。2)寬軌距：采用俄羅斯鐵路的1 520 mm軌距。目前世界上高速鐵路均采用1 435 mm的軌距,還未有直接建設(shè)1 520 mm軌距高速鐵路的先例。3)采用客貨混運(yùn)的運(yùn)營(yíng)模式。4)全線位于高緯度嚴(yán)寒地帶。極端最高溫度40 ℃，極端最低溫度48 ℃，溫差接近100 ℃，對(duì)高鐵所有的結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)提出了苛刻要求。

2.2 莫喀高鐵軌道工程設(shè)計(jì)理念

鑒于上述工程特點(diǎn)，莫喀高鐵軌道系統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)理念如下：

1)軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮相關(guān)工程的接口協(xié)調(diào)及技術(shù)要求，統(tǒng)籌規(guī)劃，系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2)軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先采用被工程應(yīng)用證明是成熟、安全及穩(wěn)定的技術(shù)，同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在確保安全的前提下引入先進(jìn)的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)；3)軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足建設(shè)過(guò)程及運(yùn)營(yíng)期間的環(huán)保要求，確保可持續(xù)發(fā)展；4)軌道設(shè)計(jì)應(yīng)保持線路方向軌道剛度均勻，且線路平順度符合要求；5)為提高軌道結(jié)構(gòu)平順度和穩(wěn)定性，速度不小于250 km/h地段采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)；6)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在技術(shù)方案上應(yīng)適用于嚴(yán)寒地區(qū)的特點(diǎn)，具有便捷的施工性、適應(yīng)大變形及可維護(hù)性能，養(yǎng)護(hù)工作量應(yīng)較少且具有較長(zhǎng)的使用壽命；7)全線軌道系統(tǒng)機(jī)構(gòu)形式應(yīng)基本統(tǒng)一，采用具有通用性和可互換性的零部件，應(yīng)力求構(gòu)造簡(jiǎn)單并降低成本；8)盡量利用俄羅斯境內(nèi)可以利用的資源來(lái)進(jìn)行軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 技術(shù)難點(diǎn)的處理

3.1 特殊嚴(yán)寒條件下無(wú)砟軌道選型

正線主要鋪設(shè)無(wú)砟軌道，將面臨極端最低氣溫低、年溫差大、可施工時(shí)間短、季節(jié)性凍害和雪害等不利條件。根據(jù)本線的工程特點(diǎn)，對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)提出了如下特殊要求[1]：1)軌道結(jié)構(gòu)能滿足速度400 km/h高速動(dòng)車和200 km/h快速客車的強(qiáng)度要求。2)軌道結(jié)構(gòu)受力體系能夠適應(yīng)極端低溫、大溫差等特殊氣候。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)和材料在極端低溫、大溫差等特殊氣候條件下具有較好的抗裂性和適應(yīng)性。3)軌道結(jié)構(gòu)在嚴(yán)寒氣候條件下的施工能滿足施工進(jìn)度要求。4)軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的可維護(hù)性。在冬季漫長(zhǎng)、氣候寒冷的嚴(yán)寒地區(qū)，無(wú)砟軌道病害不可避免，嚴(yán)寒氣候條件下的可維護(hù)性是對(duì)無(wú)砟軌道的新要求。根據(jù)上述無(wú)砟軌道環(huán)境特點(diǎn)，確定了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選型的基本原則，即無(wú)砟軌道應(yīng)具備安全可靠性、合理的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)還應(yīng)具備良好的低溫適應(yīng)性、低溫耐久性、便于施工以及可修復(fù)性。

世界上高速鐵路大都采用無(wú)砟軌道作為主要的軌道結(jié)構(gòu)型式，如日本的板式無(wú)砟軌道，德國(guó)的Rheda2000型無(wú)砟軌道和B?gl板式無(wú)砟軌道，中國(guó)的CRTS系列無(wú)砟軌道等[2]。不同類型的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)、應(yīng)用情況及主要技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

通過(guò)對(duì)比分析不同無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可見CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道最能適用于莫喀高鐵的工程特點(diǎn)，采用優(yōu)化后的CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道能滿足本線的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等要求。

表1 不同類型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)

3.2 400 km/h高速運(yùn)行線路軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究

針對(duì)寬軌距時(shí)速400 km無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)車車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，建立了寬軌距高速列車—無(wú)砟軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型。綜合考慮了400 km/h高速動(dòng)車、200 km/h動(dòng)貨車、200 km/h既有提速客車、200 km/h既有提速機(jī)車、160 km/h“三大件式轉(zhuǎn)向架”貨車、160 km/h“構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架”貨車等不同車輛作用下的輪軌動(dòng)力作用，研究客貨共線時(shí)的輪軌動(dòng)力性能，得到如下關(guān)鍵結(jié)論：

1)在300 km/h～400 km/h速度范圍內(nèi)，高速列車作用下的各輪對(duì)動(dòng)力作用指標(biāo)隨速度的增加逐漸增加，但均滿足安全限值需求。2)在波磨條件下，高速動(dòng)車作用下的輪軌垂向力為206.48 kN，輪重減載率為1.0，均超出安全限值，得出140 mm波長(zhǎng)的鋼軌波磨波深不應(yīng)超過(guò)0.07 mm。3)綜合考慮軌下膠墊垂向動(dòng)剛度對(duì)400 km/h高速動(dòng)車作用下的各敏感的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，建議軌下膠墊垂向動(dòng)剛度合理匹配范圍為38 MN/m～45 MN/m。4)為了降低由于橋臺(tái)與路基連接處差異沉降引起的輪軌動(dòng)力作用，宜設(shè)置鋼筋混凝土搭板，其合理長(zhǎng)度為10 m～15 m。

3.3 正線高速道岔研究

綜合考慮莫喀高鐵速度高、寬軌距、高寒環(huán)境、客貨共線運(yùn)營(yíng)等特點(diǎn)，基于行車安全舒適性、道岔低動(dòng)力設(shè)計(jì)、高平順性和轉(zhuǎn)換鎖閉可靠性的要求，通過(guò)輪軌關(guān)系、無(wú)縫化和轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)研究，得到以下主要成果：

1)形成了25號(hào)道岔平面線型方案(如表2所示的推薦方案)，其始轉(zhuǎn)轍角較小，軌距線交點(diǎn)距轍叉跟端距離較長(zhǎng)，能滿足行車舒適性、減緩構(gòu)件磨耗速率、電務(wù)設(shè)置和經(jīng)濟(jì)性等要求。

表2 寬軌距25號(hào)單開道岔平面線型參數(shù)對(duì)比

2)結(jié)合二次序列優(yōu)化法(SQP)，基于接觸跡線外移的新型輪軌關(guān)系設(shè)計(jì)理念，提出了直基本軌頂面加工廓形方案，顯著提高了行車平穩(wěn)性，轉(zhuǎn)轍器范圍內(nèi)輪對(duì)橫移量和車體橫向振動(dòng)加速度分別降低了56.2%和50%。為減小轍叉垂向結(jié)構(gòu)不平順，開展了翼軌垂向抬高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，車輛直逆向和側(cè)逆向過(guò)岔時(shí)長(zhǎng)心軌處輪軌垂向力最大值分別降低了14.60 kN和16.85 kN；且輪載過(guò)渡位置后移，減緩了心軌磨耗等傷損。考慮道岔鋼軌間支撐和約束條件差異，提出了彈性均勻的岔區(qū)軌道剛度技術(shù)，如圖1所示。以上輪軌關(guān)系設(shè)計(jì)顯著降低了道岔動(dòng)力作用。

3)研制了通過(guò)鎖閉鉤轉(zhuǎn)動(dòng)，適應(yīng)可動(dòng)軌件大伸縮量的新型鉤型鎖閉機(jī)構(gòu)，并通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)轍器跟端兩組限位器的子母塊間隙，使其滿足同步受力要求，保證了無(wú)縫道岔的高平順性，如圖2所示。

4)形成了25號(hào)道岔尖軌設(shè)置5個(gè)牽引點(diǎn)、心軌設(shè)置3個(gè)牽引點(diǎn)、采用多機(jī)多點(diǎn)、牽引點(diǎn)間布置密貼檢查器的牽引方案。

3.4 CRTSⅢR型板式無(wú)砟軌道板的最優(yōu)化配置

對(duì)于預(yù)制板式軌道結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行的一項(xiàng)重要工作是軌道板的配板。莫喀高鐵根據(jù)橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨度及軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定了3種類型的單元板長(zhǎng)度，分別為：主板長(zhǎng)度為4 636 mm，輔助板長(zhǎng)度為5 210 mm及5 184 mm。路基地段軌道板型號(hào)為P4636,P5210及P5184；橋梁上軌道板型號(hào)為M4636,M5210及M5184。

1)橋梁地段軌道板配置方法。根據(jù)簡(jiǎn)支梁的長(zhǎng)度進(jìn)行配置：23.6 m簡(jiǎn)支梁為M4636×5塊；34.2 m簡(jiǎn)支梁為M4636×5塊+M5210×2塊；50 m簡(jiǎn)支梁為M4636×5塊+M5184×5塊。連續(xù)梁及其他特殊梁結(jié)合伸縮調(diào)節(jié)器布置，盡量采用M4636，M5184，M5210三種標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度板進(jìn)行布置，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度板不滿足鋪設(shè)要求時(shí)，可采用其他長(zhǎng)度的異型板進(jìn)行調(diào)整。

2)道岔區(qū)軌道板配置方法。根據(jù)25號(hào)牽引點(diǎn)的布置及轉(zhuǎn)換設(shè)備安裝要求，優(yōu)先布置轉(zhuǎn)轍器區(qū)域及轍叉區(qū)域道岔板；其次布置導(dǎo)曲線部分道岔板，最后布置岔后及渡線間道岔板。

3)路基地段軌道板配置方法。路基地段以鋪設(shè)P4636標(biāo)準(zhǔn)板為主,結(jié)合路基長(zhǎng)度采用P5210，P5180標(biāo)準(zhǔn)板為輔進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

對(duì)于普通路基地段，其長(zhǎng)度不等，為了達(dá)到軌道板最優(yōu)化配置，根據(jù)軌道板配置的特點(diǎn)，建立了基于整數(shù)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，借助計(jì)算機(jī)軟件輔助分析，達(dá)到更快、更合理的配置軌道板的鋪設(shè)方案，軌道板的最優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學(xué)模型[3,4]如下：

其中，x1為主板P4636的塊數(shù)；x2為輔助板P5210的塊數(shù)；x3為輔助板P5184的塊數(shù)；n1為采用100 mm標(biāo)準(zhǔn)板縫的個(gè)數(shù);d1為調(diào)整的板縫寬度；L為待配板軌道區(qū)段的線路長(zhǎng)度。

通過(guò)建立上述模型，利用計(jì)算程序，有效的解決無(wú)砟軌道板的最優(yōu)化配置問(wèn)題[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

莫喀高鐵軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充分總結(jié)了世界上的高鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，特別是中國(guó)高鐵軌道系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。莫喀高鐵軌道工程設(shè)計(jì)采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念，將軌道系統(tǒng)與其他工程統(tǒng)籌考慮，使各方面能相互匹配，協(xié)調(diào)工作，在整個(gè)高鐵系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，保證整個(gè)高鐵系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行，將為世界類似環(huán)境條件下的高速鐵路工程提供成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。