既有福廈鐵路福州南至福清段提速可行性研究

謝帥帥

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

鐵路對發展生產和繁榮經濟建設起著重要作用，在綜合交通運輸體系中具有骨干地位［1-4］。近年來，隨著我國經濟的快速發展以及人們對快捷出行需求的提高，鐵路升級改造的必要性和迫切性日益增強。為更好地研究既有鐵路提速問題，同時避免造成投資浪費，本文在不廢除既有工程的前提下，對福廈鐵路福州南至福清段區間線路開展提速可行性研究。福州南至福清段既有線提速方案見圖1。

圖1 福州南至福清段既有線提速方案示意

2 既有線概況

福廈鐵路設計速度200 km／h，軌道類型既有有砟軌道，也有無砟軌道，線間距4.6 m，2010年通車運營。福州南至福清段區間線路里程為K883+406～K911+050，線路長度16.87 km，其中包含4個曲線地段。具體工點情況見表1。

表1 福州南至福清段曲線及橋隧分布

3 提速方案研究

3.1 邊界條件

本次研究基于維持線間距、隧道斷面以及構筑物限界不變，在純客專運行狀態下，通過調整曲線地段的外軌超高數值和緩和曲線長度實現提速要求。

根據1993年鐵道科學研究院在環行鐵道上的試驗結果，以及《關于新建客運專線鐵路曲線超高設定的指導意見》（鐵集成〔2009〕86號）規定，本次研究按照最大允許欠超高60 mm進行曲線超高計算。

有砟軌道和無砟軌道曲線超高計算結果分別見表2和表3。

表2 有砟軌道曲線超高計算

表3 無砟軌道曲線超高計算

福廈鐵路福州南至福清段區間線路牽引計算模擬結果如圖2所示。

圖2 福州南至福清段既有線牽引計算模擬

福廈鐵路福州南至福清段區間線路曲線外軌實設超高見表4。

表4 福州南至福清段既有線曲線外軌實設超高

3.2 提速方案分析

3.2.1 1#曲線提速分析

1#曲線里程范圍為K896+751.81～K899+637.79。根據牽引計算模擬結果（圖2）可知，本曲線最大模擬運行速度為273 km／h。該曲線半徑為7 000 m，實設超高為75 mm，曲線內的黃晶嶺1#隧道、黃晶嶺2#隧道均設置無砟軌道。根據無砟軌道曲線超高計算表（表3），在現狀條件下，1#曲線通過速度可達到282 km／h，滿足最大模擬運行速度273 km／h要求。

3.2.2 2#曲線提速分析

2#曲線里程范圍為K902+330.27～K904+818.07。根據牽引計算模擬結果（圖2）可知，本曲線最大運行速度為300 km／h。該曲線半徑為6 000 m，實設超高為85 mm，曲線內的黃晶嶺2#隧道設置有無砟軌道。根據無砟軌道曲線超高計算表（表3），在現狀條件下，2#曲線通過速度最高只能達到271 km／h，不滿足最大運行速度300 km／h要求。由于曲線內軌道類型屬于無砟軌道，無法調節外側曲線超高，因此考慮采用增加緩和曲線長度的方案進行提速研究。

根據《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014），按300 km／h標準開展研究。半徑為6 000 m的曲線，配置長度為450 m的緩和曲線，線路最大偏移量為0.878 m，此時與3#曲線間的夾直線長度為143.7 m，不滿足困難條件下180 m最小夾直線長度的規范要求；配置長度為410 m的緩和曲線，線路最大偏移量為0.635 m，與3#曲線間的夾直線長度為163.8 m，不滿足規范要求；配置長度為370 m的緩和曲線，線路最大偏移量為0.415 m，與3#曲線間夾直線長為183.8 m，滿足規范要求。采用不同曲線要素，黃晶嶺2#隧道及作坊1號橋偏移量如表5所示。

表5 黃晶嶺2#隧道及作坊1號橋偏移量

由于黃晶嶺2#隧道平面無法調整，采用增加緩和曲線長度進行提速的方案不可行，因此2#曲線限速271 km／h。

3.2.3 3#曲線提速分析

3#曲線里程范圍為K904+986.60～K905+733.08。按2#曲線限速271 km／h進行牽引模擬計算，3#曲線最大運行速度279 km／h。3#曲線半徑為7 000 m，實設超高為75 mm，該曲線范圍內設置有砟軌道。根據有砟軌道曲線超高計算表（表2），在現狀條件下，最大通過速度為282 km／h，滿足最大模擬運行速度279 km／h要求。

3.2.4 4#曲線提速分析

4#曲線里程范圍為K907+697.85～K909+178.22，曲線半徑為4 500 m，實設超高為105 mm，該曲線范圍內設置有砟軌道。通過牽引模擬計算，最大運行速度為300 km／h。根據有砟軌道曲線超高計算表（表2），將既有曲線超高從105 mm抬升至130 mm，可以將運行速度提升至269 km／h，但仍不滿足300 km／h的運行速度要求。

考慮采用增加緩和曲線長度的方案進行提速研究。當采用4 500 m曲線半徑、460 m緩長時，洪寬二路立交最大偏移量為0.76 m，大北溪橋最大偏移量為0.38 m，此時既有線偏移量大于0.3 m，無法通過頂梁移梁措施滿足改造要求。為了避免廢除既有橋梁工程，采用4 500 m曲線半徑、400 m緩長，計算得到洪寬二路立交最大偏移量為0.28 m，大北溪橋最大偏移量為0.14 m，滿足工程要求。

表6 調整后的4#曲線有砟軌道曲線超高計算表

根據表6可知，采用400 m緩長，并將曲線超高調整至140 mm后，最大通過速度可提高至276 km／h，但仍然不滿足最大運行速度300 km／h要求。

3.3 站前主要工程適應性分析

既有線提速后，會對既有橋梁、路基、隧道等工程造成影響，因此對上述站前工程進行適應性分析。

3.3.1 橋梁工程適應性分析

在不同運行時速下，既有橋梁受力情況如表7所示。

表7 250 km／h、273 km／h，279 km／h情況下尖山中橋受力情況

可以看出，提速前后橋梁所受離心力變化較小。經檢算，提速后既有橋梁可以滿足受力要求。

3.3.2 路基工程適應性分析

本段路塹地段基床表層挖除換填0.6 m級配碎石；路堤地段基床表層填筑0.6 m級配碎石，基床底層為A、B組填料，基床以下填筑隧道棄渣。地基為弱風化凝灰巖、Q3粉質黏土、碎石土等，地質條件較好，工后沉降滿足提速至300 km／h路基工后沉降要求。路基面半寬小于4.4 m，不滿足現行規范要求，可通過路肩幫寬、設置擋砟墻或將路肩設備移至路肩以外等措施進行處理。當接觸網立柱移至擋墻上時，需要對擋墻進行重新核算，根據計算結果，采取必要的補強措施。

3.3.3 隧道工程適應性分析

世界各國在修建鐵路隧道時，為控制車內瞬變壓力、提高旅客舒適度，基本采用兩種模式:一是以歐洲各國為代表，采用大斷面隧道來降低對列車密封性能的要求，減小運營成本；二是以日本為代表，采用密封性能較高的列車來減小對隧道斷面面積要求，降低工程投資［5］。根據《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）條文說明，我國通過對瞬變壓力的計算和分析，提出了不同速度目標值時與車輛密封性能相適應的隧道凈空斷面面積建議值，即250 km／h雙線隧道凈空斷面面積為90 m2；300 km／h雙線隧道凈空斷面面積為100 m2。

既有福廈線隧道斷面面積為92 m2，與貴廣高鐵相同；線間距為4.6 m，較貴廣高鐵窄0.2 m。貴廣高鐵運行速度已成功由250 km／h提速至280 km／h。借鑒貴廣高鐵提速的相關成功案例，既有福廈線從250 km／h提速至280 km／h也是可行的。但需建立在以下幾個假設前提下:一是列車速度過高，會車時會產生壓力波，影響車輛脫軌系數、傾覆系數、輪重減載率等安全性能，同時可能會對車體框架和車窗等薄弱環節造成傷害，劇烈的壓差變化會對車內環境和風機進出風造成影響，導致旅客耳鳴、不適等癥狀，因而需采用密封性能更高的列車［6］。二是高速列車進入隧道后，由于空氣動力學效應在洞口產生微氣壓波，在有些條件下會產生極大的爆炸聲，嚴重的可使建筑物的玻璃破碎，對環境造成污染［7-8］，采用較大的隧道斷面（如100 m2），基本上可以消除這種爆炸聲。根據國家“八五”科技攻關項目《高速鐵路線橋隧設計參數選擇的研究報告》，當列車速度達到250 km／h以上時，為解決洞口微氣壓波問題需修建洞口緩沖結構。既有黃晶嶺1#、2#隧道未考慮設置開口緩沖結構，需對該段洞門進行改造。三是列車進出隧道時空氣動力學效應影響較為明顯，黃晶嶺1#隧道出口與黃晶嶺2#隧道進口間距僅為85 m，列車進出隧道時間間隔很短，短時間內較大的空氣壓力變化對旅客舒適度影響較大，同時對列車結構安全也不利，采用明洞連接后可消除這種空氣動力學效應影響。四是高速列車進入隧道后產生的空氣動力學效應對隧道內附屬物（接觸網、風機葉片、洞室門、水溝蓋板和安裝件）會產生不利影響。因此需考慮采用附屬設施附加壓強建議值（見表8），對既有黃晶嶺1#、2#隧道附屬物進行加固處理。

表8 隧道內附屬設施附加壓強建議值

3.3.4 線間距適應性分析

既有福廈線區間正線采用4.6 m線間距，滿足250 km／h客運專線線間距要求。《高速鐵路設計規范》規定:時速300 km鐵路最小線間距為4.8 m；時速350 km鐵路最小線間距為5.0 m。國外高速鐵路運營實踐表明:運行速度300 km／h及以下時的線間距小于4.5 m可以滿足安全要求。德國高速鐵路在側壁凈距1.2 m的情況下，列車運行速度已達到350 km／h［9-10］。國內研究也表明:隨著我國機車車輛制造技術的不斷提高或對部分洞門采取減緩隧道壓力波的措施后，4.6 m線間距能夠適應提速至300 km／h的要求［11-12］。

4 研究結論

綜上分析，1#曲線滿足行車模擬提速要求，通過速度為273 km／h；由于2#曲線內存在無砟軌道隧道工程，需限速271 km／h通過；3#曲線滿足279 km／h行車模擬提速要求；4#最大通過速度可提高至276 km／h。本次研究表明，通過調整曲線超高和緩和曲線長度，并補強路基工程、增設隧道洞口緩沖結構等措施，可以在不廢除既有工程的條件下，將既有福廈鐵路福州南至福清段運行速度由200 km／h提高至279 km／h。