幾內亞重載鐵路曲線設計

趙俊軍

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

中國(香港)國際基金有限公司委托中鐵二院工程集團有限責任公司對幾內亞共和國福瑞卡利亞至馬塔康港礦石鐵路專用線進行全面可行性研究。

中基公司要求，該鐵路除運輸卡利亞和福瑞卡利亞地區鐵礦外，還應考慮其他礦區的礦石運輸。要求的年輸送能力為近期1×108t，遠期3×108t。近、遠期均不考慮客車。

要求鐵路技術標準采用目前世界最先進的重載技術進行設計，設計軸重為40 t。現將本項目有關曲線設計的情況作一介紹。

1 項目概況

1.1 線路概況

鐵路從擬建的馬塔康港起，設本線的港口前方站馬塔康站，向東北跨福瑞卡利河后，設福瑞卡利站。出站后繼續向東，至姆薩亞，設姆薩亞站。出站后折向東北，跨卡利西河至卡巴利，并以線路緊坡而上，至馬瑞拉站，線路繼續向卡利亞礦區延伸，設本線的礦區裝車站卡利亞站。在馬瑞拉站預留延伸至西芒渡鐵路的條件。線路全長292 km(圖1)。

圖1 幾內亞共和國馬塔康至卡利亞重載鐵路地理位置

1.2 鐵路主要技術參數

鐵路性質：鐵礦石專用重載鐵路；鐵路軌距：1 435 mm；正線數目：單線；貨車車輛軸重：40 t；最小曲線半徑：一般1 200 m、困難800 m；限制坡度：重車4‰、輕車9‰；牽引種類：內燃；牽引質量：11 700 t；機車類型：DF8DJ；到發線有效長度：1 100 m；閉塞類型：半自動閉塞。

1.3 車站分布

本線設置馬塔康、馬瑞拉等9個車站，除馬塔康、馬瑞拉車站有列車技術作業，卡利亞為列車始發終到車站，其余車站均為越行站。本段運營長度286 km，最長站間距離47.4 m(馬塔康～福瑞卡利)，最短站間距離18.0 km(馬瑞拉～卡利亞)，平均站間距離36 km。

1.4 線路能力

根據業主要求本線鐵礦石運量1×108t，按照年運營310天計算，日開行對數33對/日。

雙線鐵路采用垂直型天窗，平行運行圖通過能力見表1。

表1 鐵路能力計算 對/日

由表1可知，運輸能力可以滿足需求，且留有一定的富余。

區段貨流密度見表2。

表2 幾內亞鐵路區段貨流密度 104 t

2 鐵路曲線設計

2.1 列車速度選擇

平面最小曲線半徑作為重載鐵路最重要的曲線要數，其值大小對于重載鐵路的工程投資、行車速度、行車安全、運營維護關系極大。從理論上看，鐵路的平面曲線半徑越大，行車速度、行車安全、運營維護越好，但工程投資費用越大，反之亦然。根據世界各國的重載鐵路列車速度一般在40～80 km/h之間，不超過120 km/h，本項目經技術方案論證列車最高速度定為120 km/h(表3)。

大秦線重車方向運營最高速度為80 km/h，輕車方向為90 km/h。

表3 各國部分重載鐵路現狀

2.2 曲線半徑選擇

根據理論計算和實際經驗最小曲線半徑400 m即可滿足行車要求；采用小曲線半徑，鐵路能更好適應地形、地貌和地質條件的變化，將有利于節省項目的工程投資；但太小曲線半徑也會降低列車速度，影響行車安全，增加運營維護費用，增大運營成本；故本次考慮重載鐵路運輸的特點，根據澳大利亞重載鐵路的實際考察，借鑒國外重載鐵路的成功經驗；結合項目工程具體情況，對項目平面曲線最小半徑進行了綜合分析和研究，對1 600 m、1 200 m、800 m和600 m的最小曲線半徑進行工程數量和投資比較(表4)。

表4 主要工程數量及投資估算表

2.2.1 從工程投資上比較

由上表可知，相應于600 m方案，800 m投資增加較少，而相應于最小曲線半徑1 200 m和1 600 m方案有一定的節約，故從工程投資上分析800 m的最小曲線半徑能與本段地形較好的適應。

2.2.2 從輪軌磨耗上分析

本線為大軸重鐵礦石專用鐵路，重載鐵路運輸線路十分重視輪軌磨耗均勻(均磨)，指曲線內外股鋼軌的均勻磨耗為優先考慮因素。

內外軌磨耗均勻條件的曲線半徑應符合下列不等式：

式中：Rsj為舒適與均磨半徑(m)；Vh為重載貨物列車最高行車速度(km/h)，與路段設計速度相對應，分別取80 km/h、70 km/h、60 km/h、50 km/h；hgy為允許過超高值(mm)，一般取30 mm，有困難時取50 mm。

按上式計算的最小曲線半徑見下表。最小曲線半徑的取值應根據表5滿足各項條件的計算值確定。

表5 最小曲線半徑的取值依據

注：表中符號Rjj為經濟半徑，Rmin為最小圓曲線半徑；hgy為允許欠超高值(mm)，一般取70 mm，困難取90 mm。Hqy為允許欠超高值(mm)，一般取70 mm，困難取90 mm。Hgy為允許過超高值(mm)，一般取30 mm，困難取50 mm。

綜上所述，根據工程投資比較及輪軌磨耗計算，最小半徑在800～1 200 m選取最為合適

2.2.3 運營維修

大秦重載鐵路采用全年50 d的封閉時間，對大秦線進行鋼軌大修、道床大機清篩、成段更換砼軌枕、成組更換道岔、隧道病害整治、更換橋梁病害支座等項施工維護。經統計大秦重載鐵路重車方向不同曲線地段鋼軌使用周期及破壞情況如下：

大秦鐵路因設計之初技術等級較低，最小半徑為400 m，且曲線半徑R≤1 000 m的地段較多，經檢查，此部分的鋼軌磨耗嚴重，大秦鐵路工務部門建議最小半徑選取在1 000 m以上，以利于運營維護，降低鋼軌磨耗。

澳大利亞Pilbara鐵路所處地形與本項目相似，在平原區采用最小半徑為1 500 m，在山區采用最小半徑1 000 m。

綜上所述，考慮兩條重載鐵路的實際運營情況，結合本線的實際工程情況以及輪軌磨耗的因素，本次研究推薦最小半徑采用1 200 m，個別困難地段采用800 m。

3 軌頂潤滑技術

世界各國重載鐵路為了降低輪軌接觸應力和橫向力，在重載鐵路曲線地段進行軌頂潤滑技術來降低列車的輪軌磨耗。如加拿大QCM鐵路公司有418.4 km線路是曲線，其開行的鐵礦石重載列車經常在曲線區段發生脫軌事故，2003年7月就發生28輛車嚴重脫軌的事故。此后采用軌頂潤滑的技術，沒有再發生曲線脫軌事故。美國采用兩種軌頂潤滑方式，通過試驗，采用道旁潤滑裝置，每1 000輛噴油0.35 L，輪軌橫向力下降32%～38%。采用機車潤滑裝置，2003年7月沒有潤滑時，輪軌橫向力為90 kN，2003年9月采用一個噴嘴潤滑后，輪軌橫向力降至60 kN，2003年12月采用5個噴嘴潤滑，輪軌橫向力降至40 kN。加拿大CP鐵路采用軌頂潤滑管理5年，曲線區段鋼軌磨耗下降43%～58%，輪軌橫向力降低40%～45%，并節省燃油1%～3%。本項目在平面曲線地段推薦采用軌頂潤滑技術降低輪軌接觸應力和橫向力。

4 結束語

世界各國鐵路運輸能力的提高主要靠兩點：一是提高貨物列車的重量，二是增加行車密度。中國重載鐵路提高鐵路運輸能力主要是采用提高行車密度來提高運輸能力；而本次在幾內亞重載鐵路則采用提高列車軸重來提高列車的運輸能力。使列車年輸送能力為近期1×108t，遠期3×108t滿足業主的要求。作為大軸重重載鐵路的曲線設計，是整個重載鐵路設計的基礎，只有將鐵路曲線設計進行全面系統的分析和研究，使重載鐵路曲線達到車軌輪的最佳配合，從而提高列車的行車安全，降低列車和鋼軌的相互磨耗，降低鐵路的運營維護費用。

[1] 耿志修．大秦鐵路重載運輸技術[M].北京：中國鐵道出版社，2009

[2] 武汛．大秦重載鐵路電務技術與應用[M].北京：中國鐵道出版社，2009

[3] 國際重載協會．國際重載鐵路最佳應用指南[M].北京：中國鐵道出版社，2009

[4] 朱穎，易思蓉．高速鐵路曲線參數動力學分析-理論與方法[M].北京：中國鐵道出版社，2011