高速鐵路接觸網無交叉線岔優化設計探討

劉再民，張寶奇

(1.中國國家鐵路集團公司 工電部， 北京 100860；2.中國鐵路鄭州局集團公司 工電檢測所，河南 鄭州 450052)

無交叉線岔是高速鐵路接觸網最復雜、技術要求最高的單元，其設計的基本理念是通過接觸網的拉出值、高度布置。正線通過線岔的受電弓僅接觸正線接觸線，不與側線接觸線接觸，從而使高速通過的動車組受電弓在線岔處獲得與區間正線一樣的弓網關系，滿足高速運行要求。當然，高速鐵路無交叉線岔還要滿足動車組受電弓以較低速度從正線到側線以及從側線到正線通過時的安全要求。

目前我國高速鐵路正線除京津城際鐵路采用交叉線岔外，其他高鐵均采用無交叉線岔。無交叉線岔有2種：①正線18#道岔廣泛采用的2支接觸懸掛組成無交叉線岔型式(我國僅石太客專正線18#道岔采用了帶輔助懸掛的無交叉線岔)；②高鐵聯絡線接入車站正線的38#及以上道岔處3支接觸懸掛組成的帶輔助懸掛的無交叉線岔。本文主要分析我國高鐵速度為350 km/h線路，2支接觸懸掛組成的正線無交叉線岔接觸網大拉出值布置方案運行中存在的問題，結合國外高鐵無交叉線岔技術，探討設計優化方案，更好地滿足高鐵弓網安全運行要求。

1 國內外高鐵無交叉線岔的主要形式

1.1 中國高鐵無交叉線岔

早在20世紀90年代，我國在京廣、廣深線等普速鐵路電氣化改造或提速改造中已有無交叉線岔的研究和實踐應用[1-2]，但數量不多。中國開始大規模高速鐵路建設后，為消除交叉線岔自身結構缺陷，無交叉線岔在我國高鐵正線開始廣泛采用。本文研究的兩支接觸懸掛組成的正線無交叉線岔在側線布置方式上，有側線接觸網在運行受電弓包絡線正上方以外的布置方式(亦稱大拉出值布置方式)，也有側線接觸網在受電弓包絡線正上方，側線接觸網抬高不與受電弓接觸的布置方式(亦稱小拉出值布置)。小拉出值布置方式的無交叉線岔的正線和側線的列車運行速度相對較低。

1.1.1 大拉出值布置

(1)鄭西、武廣高鐵。鄭西、武廣高鐵正線無交叉線岔布置見圖1。主要特點： A1柱(圖中CA0柱，下同)位于道岔區線間距≥1 320 mm處，B1柱(圖中CB0柱，下同)位于在線間距150 mm處；B1柱處，側線接觸線高度比正線抬高120 mm；C1柱(圖中CC0柱，下同)處，側線接觸線高度比正線抬高500 mm。

圖1 鄭西、武廣高鐵正線無交叉線岔立面、平面布置示意圖(單位：mm)

鄭西、武廣正線道岔無交叉線岔定位支柱在正線側時，B1支柱安裝見圖2。

圖2 B1支柱安裝圖(單位：mm)

2016年10月，原中國鐵路總公司基于鄭西、武廣等大多數高鐵采用的無交叉線岔設計，改進后發布了時速350 km高速鐵路接觸懸掛安裝圖(隧道外)-18#道岔無交叉線岔設計通用圖[3](以下簡稱時速350 km通用圖)，圖號為通化(2016)1302-Ⅸ。時速250 km高速鐵路18#道岔無交叉線岔設計通用圖于2013年發布，圖號為通化(2013)1206[4](以下簡稱時速250 km通用圖)。

(2)京滬高鐵。京滬高鐵無交叉線岔布置見圖3。主要特點： C柱設在線間距600 mm處(18號道岔，距離理論岔心5.8 m)；C柱處，側線接觸線高度比正線抬高60～80 mm；B柱處，側線接觸線高度比正線抬高500 mm。

圖3 京滬高鐵正線18#道岔處接觸網無交叉線岔平面示意圖(單位：mm)

1.1.2 小拉出值布置

支柱位于側線側的時速250 km正線和所有高鐵線線18#道岔無交叉線岔設計主要特點：定位支柱位置同時速350 km通用圖的正線無交叉線岔；E柱處，側線接觸線高度比正線抬高80 mm；B柱處，側線接觸線高度比正線抬高500 mm。

1.2 國外高鐵無交叉線岔

法國、日本高鐵廣泛采用無交叉線岔。

1.2.1 法國

法國無交叉線岔設計[6]接觸網布置見圖4。WM為理論岔心，P為支柱B可以偏離理論岔心的距離，定位支柱一般位于線間距500～600 mm處，其具體確定與道岔號大小有關，18#道岔P為4 m左右。

圖4 法國無交叉線岔設計接觸網布置圖(單位：mm)

1.2.2 日本

日本無交叉線岔是為了適應新干線的高速化(時速210 km以上)而研發的[7]。也就是說日本新干線用的也是交叉線岔，為了滿足高速要求，改造成了無交叉線岔。

日本無交叉線岔接觸網布置根據支柱B的位置現場主要有2種形式：正線側線平行布置與八字形布置，見圖5。2種布置方式采用的原則是每個定位點處接觸線高度和拉出值是依據現場道岔型號和支柱位置數據，按照滿足受電弓正線通過不接觸側線接觸線以及受電弓從側線進、出直線，2支接觸線安全轉換的要求進行計算選取。由于是基于既有接觸網提速改造，用于支柱A、B位置不能改變。當支柱B的側線接觸線位于正線通過的受電弓動態包絡線限界以內時(岔心方向)采用正線側線平行布置，否則采用八字形布置。

圖5 日本無交叉線岔接觸網正線側線平行布置、八字形布置

2 我國高鐵無交叉線岔存在的主要問題

目前我國時速300～350 km高鐵接觸網正線無交叉線岔存在的主要問題是受電弓從正線到側線和從側線到正線運行時在過渡處拉出值偏大，存在安全隱患。即使是時速350 km通用圖設計，拉出值也能達到600 mm左右。拉出值超過了我國TG/GD 124—2015《高鐵接觸網運行維修規則》[8]要求的動態拉出值不超過450 mm的規定，且道岔區2支接觸線過渡處，接觸線均在受電弓邊緣影響弓網運行安全。若考慮風偏影響，弓網關系安全可靠性會更差。

按比例顯示接觸網正線無交叉線岔定位布置關系，時速350 km通用圖設計的岔前15 m、岔后25 m支柱定位時接觸網平面布置見圖6。圖中藍色和淡紅色線條為組成無交叉線岔的2支接觸線。由圖6可見，受電弓在過渡區拉出值偏大。

圖6 時速300～350 km高鐵道岔區接觸網正線無交叉線岔定位布置

工程實踐中，因定位支柱不在設計要求的位置或接觸線拉出值調整不到位，過渡區(點)拉出值更大，危及弓網安全。運營部門高鐵運營初期就發現了該問題。原中國鐵路總公司在制定TG/GD 124—2015《高鐵接觸網運行維修規則》[8]時，不得已增加了“在線路中心間距為720 mm處，正線與側線接觸線間距應小于1 200 mm”作為維修控制標準。

下面簡要分析時速250 km通用圖側線小拉出值設計無交叉線岔的情況。等比例顯示的18#道岔的局部無交叉線岔側線小拉出值設計(時速250 km通用圖數據)平面圖見圖7。圖7中道岔正線的紅色線為正線接觸線，側線中紅色虛線為側線線路中心，黑色虛線為側線接觸線。

圖7 時速250 km通用圖側殘小拉出值設計接觸網無交叉線岔布置

顯然，對比圖6，其與正線無交叉線岔(時速350 km通用圖數據)的主要差異在于B(E)柱定位拉出值。圖7中側線小拉出值設計無交叉線岔E柱正線和側線拉出值分別為100、150 mm，而圖6中正線無交叉線岔B柱正線和側線拉出值分別為400、1 100 mm。由圖7可見，這種側線小拉出值設計無交叉線岔布置方式有2個特點：①受電弓正線通過時側線接觸線在受電弓上方，對側線接觸線進入受電弓動態包絡線上方的位置要求高；②道岔區2支接觸線的工作轉換處間距小，受電弓從側線進、出正線時工作支拉出值較易滿足不超過450 mm的要求。

3 我國高鐵無交叉線岔優化方案及建議

從上文分析中不難看到，盡量減小無交叉線岔2支接觸線等高點過渡處拉出值的具體做法是在滿足接觸網線索及裝置不侵入受電弓動態包絡線安全要求前提下，正線和側線接觸線在A、B柱處應盡可能接近。

3.1 受電弓動態包絡線分析

受電弓弓角外形設計的主要目的是滿足受電弓在通過線岔和錨段關節處所時，另一支接觸線能安全順利滑上或滑出受電弓表面。受電弓動態包絡線范圍是無交叉線岔設計的核心和基礎。要優化無交叉線岔布置就要嚴格控制和利用受電弓動態包絡線安全裕量。

TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設計規范》[9]第5.1.10條規定了受電弓動態包絡線范圍。設計速度為120～200 km/h時，上下抬升量為120 mm，左右擺動量250～300 mm；設計速度250～350 km/h時，上下抬升量為150 mm，左右擺動量250～350 mm。這些數據是根據弓網關系仿真模擬結果及現場實測數據并考慮了一定裕量確定。實際上這些數據包含了定位點和跨中2個部位。

3.1.1 定位點抬升量

根據近年來中國鐵道科學研究院集團有限公司在國內部分新開通線路動態驗收中現場檢測定位點抬升量檢測數據和西南交通大學2011、2018年分別在京滬高鐵、京津城際鐵路監測數據，我國設計速度350 km/h及以下的高鐵接觸網定位點最大抬升量不會超過100 mm，且該數據已有一定余量。

3.1.2 左右晃動量

根據TB/T 3271—2011《軌道交通受流系統受電弓與接觸網相互作用準則》[10]中受電弓動態包絡線寬度的計算，道岔區定位點處受電弓最大晃動量156 mm。另外京津城際鐵路設計時，德國專家給出的道岔區定位點處受電弓動態包絡線左右最大晃動量為158 mm。而中國接觸網設計選用的350 km/h正線、側線曲線(最高速度80 km/h，按200 km/h以下區段計)均為250 mm[9]。說明直線正線和側線曲線在定位點處受電弓動態包絡線左右最大晃動量可按照160 mm選用，相比我國目前設計規范[9]，裕量均為90 mm。

3.1.3 受電弓動態包絡線安全裕量計算

我國高鐵接觸網維規[8]和普鐵接觸網維規[11]中受電弓弓頭外形輪廓和尺寸見圖8。線夾Q是指接觸線上安裝的線夾，這里主要指定位線夾。不考慮受電弓抬升量，線夾Q距離受電弓中心的距離X大于725+160 =885 mm(160 mm為最大晃動量)時，若線夾Q不侵入受電弓動態包絡線，則距離受電弓頂面最大值為Y，則

圖8 接觸網《高鐵維規》和《普鐵維規》中受電弓弓頭外形輪廓和尺寸(單位：mm)

Y=50+(X-885)tan40°

(1)

根據X、Y值校核、確定無交叉線岔A(D)柱非工作支、B(E)柱另一支懸掛拉出值和抬高值。

3.2 無交叉線岔定位拉出值優化方案

利用式(1)可以對時速350 km通用圖無交叉線岔定位拉出值優化。

3.2.1 無交叉線岔定位B(E)柱

以正線道岔正線側支柱ZB0安裝圖為例，見圖9。

圖9 正線道岔正線側支柱ZB0安裝(單位：mm)

圖9中顯示，若受電弓在正線通過B柱時，受電弓抬升量按100 mm、水平晃動量160 mm(按3.1節結論)計算，現在計算側線接觸線拉出值余量。側線接觸線抬高仍按120 mm計算。

當α=40°時，由式(1)可以計算出側線接觸線定位線夾距正線受電弓動態包絡線中心950 mm處Y值為104 mm。考慮受電弓正線定位點最大抬升量100 mm，也可滿足正線受電弓動態包絡線范圍要求。此時側線接觸線對側線拉出值為950 -150 =800 mm，與原1 100 mm尚有300 mm余量。所以，可將側線接觸線對側線拉出值由1 100 mm調整為800 mm。圖9中紅色部分為利用余量的受電弓動態包絡線上部輪廓線。

3.2.2 無交叉線岔定位A(D)柱

無交叉線岔A(D)柱定位見圖10。前面“側線接觸線定位線夾距正線受電弓動態包絡線中心950 mm處也可滿足正線受電弓動態包絡線范圍要求”結論同樣適用無交叉線岔定位A(D)柱。A(D)柱處線間距為1 320 mm。側線接觸線的最大拉出值為370 mm。所以側線接觸線的最大拉出值可從150 mm調整至370 mm，按350 mm選用。此時側線接觸線距受電弓動態包絡線剩余高度Y=21 mm，滿足安全要求。其中100 mm為定位點處正線受電弓最大抬升量。圖10中紅色部分為利用了余量的受電弓動態包絡線上部輪廓線。

圖10 無交叉線岔A(D)柱安裝(單位：mm)

按照上述B(E)柱、A(D)柱拉出值可優化調整數據，計算跨中無交叉線岔2支接觸線間距可減少300～350 mm。這也就意味著跨中2支接觸線動態等高點轉換處接觸線間距由原來的1 200 mm左右減少至800～900 mm。這將大大提高受電弓過渡處安全。

優化后，側線接觸線布置與日本無交叉線岔的平行布置方式類似(即側線接觸線平行于正線線路中心)。2支接觸線間距減少后，受電弓正線高速通過時，從道岔閉口側向開口側方向安全性不受影響。受電弓從道岔開口側向閉口側方向正線高速通過，即使跨中最大風偏時，由于側線接觸線只是橫向擺動，弓網安全性也能保證。

3.3 拉出值優化方案對無交叉線岔定位點定位器受力的影響

目前時速350 km通用圖設計的正線18#道岔中的無交叉線岔還存在B柱定位器受力偏小，造成定位器定位鉤異常磨損問題。這個問題不論是支柱位于道岔直線側還是位于側線側均存在。(如圖1中B1支柱側線接觸線定位器)原因是側線接觸線在C1、B1和A1支柱處對正線拉出值數值接近，造成B1支柱定位處側線接觸線之字力不足。此種情況下，若采用本節優化后拉出值布置方案，則可以消除B柱側線定位器受力不足的問題。

4 結束語

接觸網是受電弓的機械滑道。道岔上方的接觸網布置應滿足受電弓各個方向的正常運行，且弓網性能指標(如弓網接觸力、接觸線抬升)控制在允許的范圍內。無交叉線岔始觸區接觸線與弓角接觸時，應確保該接觸線順利從弓角滑入滑板上方。因此，無交叉線岔區段接觸線的布置，應嚴格遵循受電弓的弓頭輪廓與動態包絡線等相關規定。本文在我國高鐵時速350 km設計標準圖基礎上，通過論證受電弓動態包絡線范圍，利用設計余量，優化側線接觸線拉出值布置，可更好地滿足了受電弓通過無交叉線岔側線時的安全可靠性要求。

無交叉線岔接觸網布置是高速鐵路接觸網設計的核心技術。我國高鐵接觸網無交叉線岔技術滿足了中國高鐵建設和時速350 km及以上高速列車安全運行要求。中國電氣化鐵路工程技術人員在大規模高鐵建設中總結了大量無交叉線岔設計和施工經驗[13-16]。側線大拉出值布置方式在時速300～350 km線路，側線小拉出值布置方式在時速250 km正線和所有高鐵側線線路取得了10年成熟運行經驗。從掌握不多的法國和日本高鐵無交叉線岔技術資料來看，這2個國家無交叉線岔技術有較大差異。我國高鐵動車組受電弓輪廓和寬度與法國和日本也存在差異。加強我國高鐵經驗總結，深入國外技術和理論研究，不斷完善中國版本的高鐵接觸網無交叉線岔技術方案，能進一步提高安全可靠性，滿足中國高鐵高質量發展和走出去的要求。