高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)置范圍計(jì)算公式的完善

石先明

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063)

1 概述

高速鐵路列車運(yùn)行速度高，受自然災(zāi)害(如風(fēng)、雨、雪、地震等)的影響比較大；另外，侵入鐵路建筑限界范圍內(nèi)的異物對(duì)高速運(yùn)行的列車也會(huì)產(chǎn)生極大的安全危害。因此，高速鐵路應(yīng)配套建設(shè)自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鐵路沿線風(fēng)、雨、雪、地震及異物侵限進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、報(bào)警及聯(lián)動(dòng)安全監(jiān)控等[1-9]。其中，上跨鐵路的道路橋梁(一般是指公路橋，以下簡(jiǎn)稱為公跨鐵立交橋)的異物侵限監(jiān)測(cè)是高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)公跨鐵立交橋上有異物墜落到鐵路建筑限界范圍內(nèi)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，并通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)控制接近此處的列車立即制動(dòng)停車，從而有效防止或減少異物侵限災(zāi)害對(duì)高速列車運(yùn)行安全的影響[5-10]。

文獻(xiàn)[10]規(guī)定：“設(shè)計(jì)速度大于160 km/h區(qū)段內(nèi)上跨鐵路的道路橋梁處應(yīng)設(shè)置異物侵限現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備”；“異物侵限現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置宜采用雙電網(wǎng)傳感器，設(shè)置于上跨鐵路的道路橋梁兩側(cè)”；“雙電網(wǎng)傳感器的設(shè)置范圍應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，根據(jù)上跨鐵路的道路橋梁防撞護(hù)欄的防撞性能、鐵路軌面至上跨鐵路的道路橋梁橋面的高度、鐵路線路與上跨鐵路的道路橋梁的交叉角度、上跨鐵路的道路橋梁上機(jī)動(dòng)車的走向等因素計(jì)算確定”。

2 高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)置范圍的既有算法存在的缺陷

目前，真正指導(dǎo)大家開(kāi)展高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的重要文件是原鐵道部運(yùn)輸局2010年頒布的文獻(xiàn)[11](以下稱“739號(hào)文”)，該文獻(xiàn)細(xì)化了高速鐵路公跨鐵立交橋異物侵限監(jiān)測(cè)方案，并給出了監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)置范圍的計(jì)算公式。其相關(guān)內(nèi)容摘錄如下。

“2.異物侵限監(jiān)測(cè)裝置長(zhǎng)度的計(jì)算

公跨鐵立交橋與高速鐵路線路的關(guān)系如圖1～圖3所示。

圖1 公跨鐵立交橋與高速鐵路線路正交(單位：m)

圖2 公跨鐵立交橋與高速鐵路線路斜交(銳角)

圖3 公跨鐵立交橋與高速鐵路線路斜交(鈍角)

異物侵限監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的長(zhǎng)度(L)，按以下公式計(jì)算

式中，H為從鋼軌軌面至公跨鐵立交橋橋面的高度，m；g為重力加速度，m/s2；10.9為經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的大型汽車超速并沖出公跨鐵立交橋護(hù)欄后的初始速度，m/s。

圖2～圖4中，Dp和LT的計(jì)算公式如下

施工圖中，應(yīng)標(biāo)注出“L、LT值以及鋼軌軌面至公跨鐵立交橋橋面的高度。”

以上為“739號(hào)文”關(guān)于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)置范圍的完整表述。

由上可以看出，公跨鐵立交橋上墜落物以大型汽車沖出橋梁作為最不利異物侵限事件，其沖出橋梁的剩余速度為10.9 m/s；汽車沖出橋梁后，其水平方向的運(yùn)行軌跡與橋梁側(cè)面的夾角為20°；另外，還忽略了空氣阻力和汽車加減速等因素，因此汽車沖出橋梁后的運(yùn)動(dòng)軌跡可視為物理學(xué)所謂的平拋運(yùn)動(dòng)。

按照以上算法，可以得出如下計(jì)算結(jié)果：

(1)當(dāng)α≥160°時(shí)，Dp≤0；

(2)當(dāng)進(jìn)一步增大α值時(shí)，LT也有可能為負(fù)值。

“739號(hào)文”沒(méi)有對(duì)α、Dp、LT等代號(hào)給出定義，但可通過(guò)圖2～圖4推測(cè)出其含義，即α可理解為公跨鐵立交橋上的汽車運(yùn)行方向與鄰近鐵路線路的列車運(yùn)行方向的夾角，Dp可理解為沿著公跨鐵立交橋上落物的運(yùn)行軌跡，落物起點(diǎn)(也是監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的始端)與臨近的鐵路建筑限界(投影)交點(diǎn)之間的距離，LT可理解為沿著公跨鐵立交橋上落物的運(yùn)行軌跡，落物起點(diǎn)至臨近鐵路線的中心線(投影)的距離。

很顯然，上述計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值是錯(cuò)誤的。也就是說(shuō)，739號(hào)文關(guān)于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)置范圍的算法是有缺陷的，至少是不全面的，當(dāng)夾角較大時(shí)，其算法需要補(bǔ)充完善。

需要指出的是，當(dāng)α>70°時(shí)，按照“739號(hào)文”的算法計(jì)算確定的異物侵限監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)置范圍偏小，不利于高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

3 高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)置范圍的新算法

經(jīng)分析，出現(xiàn)上述問(wèn)題的根本原因，是錯(cuò)誤地將橋上以大型汽車為典型代表的墜落物沖出橋梁后的水平方向運(yùn)行軌跡與橋梁側(cè)面的夾角固定為定值20°。實(shí)際上，“739號(hào)文”的原意應(yīng)該是該夾角不應(yīng)大于20°，即汽車沖出橋梁后的水平方向運(yùn)行軌跡與橋梁側(cè)面的夾角為0～20°，因此，汽車沖出橋梁后運(yùn)行軌跡在水平面上是一個(gè)與橋梁側(cè)面呈20°的扇形區(qū)域。據(jù)此，Dp的計(jì)算值應(yīng)該根據(jù)α值的大小分3種情形分別列出算式，如下所示。

注：以上算式仍依據(jù)汽車沖出公跨鐵立交橋護(hù)欄后的剩余初始速度值10.9 m/s進(jìn)行表述，本文也不準(zhǔn)備對(duì)汽車沖出公跨鐵立交橋護(hù)欄后的剩余初始速度值10.9 m/s和沖出橋梁后的水平方向運(yùn)行軌跡與橋梁側(cè)面的夾角不大于20°的合理性進(jìn)行研究。

其實(shí)，Dp的取值還可以用一般表達(dá)式來(lái)表述。如果用v0來(lái)表示墜落物沖出公跨鐵立交橋護(hù)欄后的剩余初始速度值，用β代表墜落物沖出橋梁后的水平方向運(yùn)行軌跡與橋梁側(cè)面的夾角的最大值(顯然β≤90°)，則Dp的一般表達(dá)式如下

Dp的計(jì)算公式作上述修正后，異物侵限監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的總長(zhǎng)度L的計(jì)算公式也需要作相應(yīng)修正(注：LT的計(jì)算公式不需要修正)，其一般表達(dá)式為

式中，Lx為兩個(gè)最外側(cè)鐵路線的線間距(單線鐵路為0)，m。

根據(jù)以上算式，“739號(hào)文”的表1～表4重新修訂如下。

表1 軌面至橋面10 m，線間距4.6 m，不同夾角

表2 軌面至橋面15 m，線間距4.6 m，不同夾角條件下

表3 軌面至橋面10 m，線間距5.0 m，不同夾角條件下

表4 軌面至橋面15 m，線間距5.0 m，不同夾角條件下

4 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是高速鐵路重要的基礎(chǔ)設(shè)施，能否準(zhǔn)確、可靠地監(jiān)測(cè)到侵入高速鐵路的異物并及時(shí)報(bào)警，將直接關(guān)系到高速鐵路的運(yùn)輸安全，首當(dāng)其沖的關(guān)鍵點(diǎn)是要正確、合理地確定監(jiān)測(cè)網(wǎng)的安裝范圍，原鐵道部運(yùn)輸局2010年頒布的《高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)-公跨鐵立交橋異物侵限監(jiān)測(cè)方案》(運(yùn)技基礎(chǔ)[2010]739號(hào))雖然提供了公跨鐵立交橋異物侵限監(jiān)測(cè)方案和監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)置范圍的計(jì)算公式，但該公式存在一定缺陷，當(dāng)公跨鐵立交橋與鐵路線的夾角α>70°時(shí)，其計(jì)算值偏小，縮小了監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的設(shè)置范圍，不利于高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。因此，完善739號(hào)文關(guān)于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)置范圍的算法既十分必要，也十分緊迫，本文提供了新的計(jì)算公式能很好地修正這一缺陷。但需要說(shuō)明的是，以上分析和研究成果均是基于公跨鐵立交橋橋面為水平無(wú)坡度且沿直線跨越鐵路線的情況，如果橋面有一定坡度、或水平方向?yàn)榍€形式跨越鐵路線，則以上計(jì)算公式還需作適當(dāng)修正。因篇幅所限，本文不再探討。

[1] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10621—2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[2] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10623—2014 城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2015.

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)[2010]28號(hào) 關(guān)于印發(fā)高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)管理辦法(暫行)的通知[S].北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2010.

[4] 中國(guó)鐵路總公司.鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[5] 石先明.信號(hào)、通信及信息系統(tǒng)工程[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2015：170-187.

[6] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.武漢至廣州鐵路客運(yùn)專線防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)資料[Z].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2007.

[7] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.南京至上海鐵路客運(yùn)專線防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)資料[Z].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2008.

[8] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.向塘至莆田鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)資料[Z].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011.

[9] 鐵道部運(yùn)輸局.運(yùn)基信號(hào)[2009]719號(hào) 關(guān)于印發(fā)《信號(hào)系統(tǒng)與異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)接口技術(shù)條件》的通知[S].北京：鐵道部運(yùn)輸局，2009.

[10] 中國(guó)鐵路總公司.鐵總建設(shè)[2013]86號(hào) 中國(guó)鐵路總公司關(guān)于印發(fā)《鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的通知[S].北京：中國(guó)鐵路總公司，2013.

[11] 鐵道部運(yùn)輸局.運(yùn)技基礎(chǔ)[2010]739號(hào) 關(guān)于印發(fā)《高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)-公跨鐵立交橋異物侵限監(jiān)測(cè)方案》的通知[S].北京：鐵道部運(yùn)輸局，2010.