時速160 km市域（郊）鐵路明線地段的最小線間距

劉清華

中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063

市域（郊）鐵路是一種介于城際鐵路與城市軌道交通之間新型快捷的軌道交通系統(tǒng)，主要承擔通勤、通學、通商等客流［1］，設計速度100～160 km/h。

對于設計行車速度160 km/h 的市域（郊）鐵路區(qū)間最小線間距，相關研究成果、團體標準、行業(yè)標準存在一定差異。馮慧淼［2］研究認為，行車速度160 km/h的市域（郊）鐵路會車風壓較小，會車風壓不是線間距的控制因素，建議選用市域A 型、D 型車線路最小線間距分別采用3.8、4.0 m，而T/CCES 2—2017《市域快速軌道交通設計規(guī)范》中規(guī)定：最高設計速度160 km/h的市域快軌，選用市域A、B、D 型車線路區(qū)間正線最小線間距分別采用 4.0、4.0、4.2 m。TB 10624—2020《市域（郊）鐵路設計規(guī)范》規(guī)定：最高設計速度160 km/h的市域（郊）鐵路，選用市域A、B、C、D型車線路區(qū)間正線最小線間距分別采用3.8、3.6 ～ 3.8、4.0、4.0 m。

截至2021 年，國內已建或在建設計行車速度160 km/h 的市域（郊）鐵路最小線間距均未按照TB 10624—2020 推薦的最小線間距設置，見表1。其中：平谷線、新機場線、資陽線線路中間設置疏散平臺，拉大了線間距；寧揚線在該規(guī)范推薦的最小線間距上增加了0.2 m。

表1 時速160 km市域（郊）鐵路最小線間距

本文通過數(shù)值模擬計算列車交會時風壓和橫向振動加速度，對列車交會時的平穩(wěn)性進行評價，之后分析市域（郊）鐵路會車頻率及線間距變化對工程投資的影響，最后給出最小線間距建議值。

市域（郊）鐵路的敷設特點是以地面或高架方式為主［3］，因此本文僅分析明線地段會車風壓對列車平穩(wěn)性的影響。

1 車型參數(shù)及車凈距

我國市域列車主要分為A、B、C、D 四種車型。對于速度等級160 km/h 的市域（郊）鐵路，四種車型的主要參數(shù)見表2。其中，Δ為司機室的長度，m。

表2 市域車型主要參數(shù) m

定義兩交會列車側壁凈距為車凈距d。其計算公式為

式中：D為線間距，m；b1、b2分別為兩交會列車車體的基本寬度，m。

式（1）中兩交會列車車體的基本寬度一定時，車凈距與線間距完全正相關。

2 會車風壓計算

2.1 數(shù)值計算方法及模型

兩列車交會過程中列車間的相對位置時刻在變化，屬于瞬態(tài)過程。采用流體計算軟件FLUENT 對明線地段列車交會過程進行仿真模擬。選取工程上應用較廣的標準k-ε兩方程紊流模型［4］，按三維、可壓縮、非定常N-S方程［5］獲得列車交會時風壓值。介質選用可壓縮空氣，空氣密度取1.22 kg/m3。

兩交會列車均選取市域A 型車，采用4輛編組，車體長度95 m，按1∶1 的比例建立列車模型，對車頭形狀、受電弓、車鉤等進行簡化。明線地段列車交會時計算區(qū)域選取長500 m、寬200 m、高100 m 的矩形空間，兩列車初始相距100 m。

2.2 計算工況

在明線地段兩列車以最高速度等速交會時產生的壓力波最大［6］。因此，按照最不利原則對兩列車以最高速度等速交會進行模擬。考慮到市域（郊）鐵路列車實際開行速度存在10%的瞬間超速情況［7］，兩交會列車速度均取176 km/h。車凈距選取0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 m 六種，不考慮車體形狀不同引起的會車壓力波差別。不同車凈距下各車型對應的線間距見表3。

表3 不同車凈距下各車型對應的線間距 m

2.3 測點布置

兩列車交會均從車頭起，沿線路方向在車身表面交會側布置42個風壓監(jiān)測點，見圖1。

圖1 車體表面風壓監(jiān)測點布置

2.4 模型驗證

在明線地段車凈距0.8 m 條件下，兩列市域A 型車以176 km/h 的速度等速交會，兩列車所受風壓基本一致。交會時車體表面所受的風壓見圖2。車體表面風壓最大值沿測點的分布見圖3。

圖2 兩列車交會時車體表面所受風壓（單位：Pa）

圖3 車體表面風壓最大值沿測點的分布

由圖2、圖3可知：①列車在明線地段交會時，測點2（位于車頭前端）風壓最大，該風壓由沿行車方向的風壓和車體交會側風壓疊加引起；②車體交會側表面風壓最大值出現(xiàn)在車體前端9 號測點處；③14—27號測點（前部和中部車廂）風壓比較均勻。這些規(guī)律與高速鐵路、城際鐵路會車風壓數(shù)值模擬成果［8-11］一致，說明模型比較可靠。

2.5 計算結果分析

不同車凈距下9 號測點所受風壓見表4。可見：9 號測點所受風壓最大值、最小值均隨車凈距減小而增加。在車凈距0.6、0.8 m 時所受風壓最大值分別較車凈距1.0 m 時增加18.6%、10.6%。結合式（1）中車凈距與線間距的對應關系，9 號測點所受風壓最大值也隨線間距減小而增加。

表4 不同車凈距下9號測點所受風壓

3 會車時列車平穩(wěn)性評價

明線地段會車時氣流誘發(fā)的車體振動發(fā)生在極短時間內，屬于瞬時橫向沖擊振動。評價此類振動最直接有效的方法是采用橫向振動加速度最大值［12］。依據(jù)TB/T 2360—1993《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》，采用橫向振動加速度最大值Amax評定列車運行的平穩(wěn)性。列車平穩(wěn)性等級評定標準見表5，其中平穩(wěn)性等級不合格為最低，優(yōu)良為最高。

表5 列車平穩(wěn)性等級評定標準

明線地段兩列車交會時車體橫向振動主要由氣動側向力（即會車壓力）引起，線間距越大，會車橫向振動越小［12］。模擬兩相同車型的市域列車在不同車凈距下進行交會，分別對列車的9號測點（出現(xiàn)交會側車體表面風壓最大值的測點）進行監(jiān)測，獲得該點Amax。列車平穩(wěn)性評價結果見表6。

由表6 可知：橫向振動加速度最大值Amax隨車凈距加大而減小。車凈距為0.6 ～0.8 m時Amax在2.04～2.19 m/s2，列車平穩(wěn)性合格；車凈距為0.9～1.1 m 時Amax在1.85～1.94 m/s2，列車平穩(wěn)性良好。結合式（1）中車凈距與線間距的對應關系，車凈距越大，線間距越大，列車平穩(wěn)性等級也越高，增大線間距則可有效降低會車壓力對列車平穩(wěn)性的影響。

4 會車頻率分析

鐵路會車頻率一般與運輸組織模式、列車全程運行時間、最小行車間隔、跨線車進入、車輛基地所處位置等因素相關。會車頻率高低影響列車平穩(wěn)性。對比寧揚（南京—揚州）市域（郊）鐵路與京滬（北京—上海）高速鐵路（干線鐵路）列車運行圖（圖4）發(fā)現(xiàn)：寧揚市域（郊）鐵路最大會車頻率為34 次/h，會車時間在07：30—8：30；京滬高速鐵路最大會車頻率為19 次/h，會車時間在11：00—12：00。寧揚市域（郊）鐵路最大會車頻率約為京滬高速鐵路的2倍。對比結果驗證了承擔通勤、通學、通商等規(guī)律性客流的市域（郊）鐵路會車頻率要遠大于以承擔中長途客流為主的干線高速鐵路，市域（郊）鐵路會車引起的車體橫向振動更頻繁。考慮到市域（郊）鐵路列車綜合性能比干線高速鐵路低，故市域（郊）鐵路應盡可能提高會車時列車平穩(wěn)性等級。

圖4 兩條鐵路列車運行圖

5 線間距增減對工程投資的影響

市域（郊）鐵路明線地段主要為高架橋梁，簡支箱梁是橋梁的主要梁型。選取常用的跨徑30、35 m 簡支箱梁作投資比較，結果見表7。參考南京都市圈市域（郊）鐵路工程投資情況，區(qū)間橋梁造價按8 500 萬/km計算可知：線間距增減0.2 m，單孔30、35 m 跨箱梁上部結構總造價增減均不大于2%，每公里橋梁造價增減均小于0.75%。區(qū)間橋梁線間距增減0.2 m，一般不會引起市域（郊）鐵路項目投資發(fā)生較大變化。

表7 不同線間距下單孔簡支箱梁上部結構造價

6 結論與建議

1）數(shù)值模擬結果顯示，橫向振動加速度最大值隨車凈距增大而減小；兩列車的車凈距在0.6～0.8 m，以176 km/h 的速度等速會車時，列車平穩(wěn)性合格。即市域（郊）明線地段最小線間距按照TB 10624—2020進行設置，市域A 型車鐵路線間距3.8 m、B 型車鐵路線間距3.6 m、C、D 型車鐵路線間距4.0 m，會車時列車平穩(wěn)性僅合格，增大線間距則可有效降低會車壓力對列車平穩(wěn)性的影響。

2）市域（郊）鐵路列車的綜合性能比干線高速鐵路低，但其會車頻率高，會車引起的車體橫向振動更頻繁，故應盡可能提高會車時列車平穩(wěn)性等級。市域（郊）鐵路明線地段橋梁線間距增減0.2 m 對項目投資影響極小。

綜上，建議市域（郊）鐵路時速160 km 明線地段，在TB 10624—2020 推薦的最小線間距基礎上增大0.2 m。即選用市域A、B、C、D型車的市域（郊）鐵路明線地段，最小線間距分別采用4.0、3.8、4.2、4.2 m。