铁道科学研究院 黄建苒
一．客运专线的设计速度及其性质
世界社会与经济的发展，对铁路运输的量与质的需求不断提高，使得世界各国铁路积极研究并采用现代高新技术，加强铁路技术装备和现代化管理，向着客运高速化、快速化，货运重载化、快捷化两个方向发展。在客货运输繁忙地区，实现客货分流。此外，国外经验表明，在客货并重的、中长距离的既有繁忙干线上，试图通过改造提速到160km/h以上实现与航空和公路的竞争，是困难又不经济的，不如修建客运专线。
客运专线的设计速度，从1964年日本建成世界上第一条时速210公里的高速客运专线后，法、德、西、意、韩、中国台湾等国家和地区纷纷修建高速客运专线，设计速度从210km/h到270、300、350km/h。1985年5月欧洲经济委员会(ECE)对铁路最高运行速度的观点是：高速客运专线为300km/h，既有线提速改造为160—200km/h。国际铁路联盟(UIC)高速部，在“速度320—350km/h的新线设计科技发展动态(第一部分)”(2001年10月25日版本)资料中的观点：新建高速铁路的速度目标值是320~350 km/h。随着世界经济和技术的发展，高速客运专线的最高设计速度还会有所改变。
客运专线的性质，日本政府1970年第71号法令中曾有过规定：列车在主要区间能以200km/h以上速度运行的干线铁路为高速铁路。
此外，从对轨道的平顺度要求来看，时速达200公里的铁路实际已属于高速铁路的范畴(见表1)。国外对时速200公里轨道铺设精度的要求与对时速300公里的要求相当接近。
综上所述，可以认为：客运专线的设计速度应在200km/h以上，其性质应该说是属于高速铁路的范畴。此外，笔者认为：在经济最为发达，人口最为稠密，客运量很大的地区，修建中长距离的客运专线，其设计行车速度宜选择在300~350km/h；修建城际间短距离的客运专线，其设计行车速度宜选择在250~300km/h。
为给旅客提供直达运输的条件，新建客运专线还应考虑跨线列车的运行，因此存在本线与跨线列车的速度匹配问题。根据我国目前的研究情况，暂取350/200、250/140和200/120/lOOkm/h的匹配关系。
表l 国外200km/h以上高速轨道的铺设精度标准(动态)
|
不平顺种类 |
瑞典国铁 |
前西德联邦铁路 |
法国国铁 |
西班牙铁路 |
日本铁路 |
|
最高行车速度
(km/h) |
200～210 |
250
(280) |
300
(320) |
300 |
210
(280) |
|
水平(mm) |
2 |
2 |
3 |
4 |
2 |
|
扭曲
(三角坑)(mm) |
2 |
|
1‰(每3米
测量基线) |
1.3‰ |
1.5/2.5m |
|
高低(mm) |
2 |
2/5m |
3 |
3 |
2 |
|
轨向(m) |
2 |
2 |
2 |
3 |
2 |
|
轨距(mm) |
±2 |
|
|
±3 |
|
“最高行车速度”栏中数值为设计速度，括号中数值为提速后速度。
二．客运专线线路的特征
由于客运专线实际已属于高速铁路的范畴，因此客运专线线路的特征也就是高速铁路线路的特征。
1.高平顺性
轮轨相互作用的理论研究指出，轨道不平顺所引起的轮轨动力响应及其对行车安全性、平稳性和乘车舒适性的影响，均随行车速度的提高而显著增大。
高速铁路的理论研究和实践表明，在平顺的轨道上，车辆处于稳态运行状态，列车速度低于临界速度时，即使速度很高，轮轨动力附加荷载也很小。反之，即使轨道、路基和桥梁结构在强度方面完全满足要求，而平顺性不良时，列车运行虽未接近临界速度，但由线路引起的车辆振动和轮轨动作用力将大幅度增加。
表2表明了不同列车速度对轨道不平顺动态响应的比较，从中可以看出为什么高速线路需要具有高平顺性。
对于数量较少，而幅值较大的局部轨道不平顺，为保障旅客阅读、书写、餐饮等不受干扰，不受到，惊吓，不产生反感，日、法、德等国规定，局部轨道不平顺引起的瞬时作用的垂向加速度不得大于0.12-0.15g，横向加速度不大于0.10-0.12g。再如，一个微小的0.2mm的迎轮台阶形焊缝不平顺，在300km/h行车速度下，引起的冲击性轮轨高频动作用力P1达720kN，低频轮轨附加力P2达320kN，可导致轨道破坏，路基产生不均匀沉陷。各种微小的短波不平顺，都是恶化轨道几何状态的根源，可能引发轮、轨、轴断裂，也是产生噪音的根源之一。
因此，高速铁路要求高平顺性的轨道。而高平顺性的轨道是依托在高平/顷性的线路空间曲线、路基、桥梁等基础之上的。高平顺性是设计、建设高速铁路的控制性条件，也是高速铁路有别于中、低速铁路的最主要之点。必须从线形、路基、道床、钢轨、桥梁等各方面采取保证措施，才能达到高平顺性要求。
表2 不同行车速度对轨道不平顺的动态响应比较
|
轨道不平顺 |
动态响应及管理 |
IS02631国际振动
环境控制标准 |
|
普速 |
300km/h |
|
连续高低不
平顺
波长40m、
幅值10mm |
不予管理 |
产生频率2Hz、半幅
有效值0.13g的持续
振动加速度 |
“保障健康限度”：人体可承
受5小时，否则人体血压、脉
搏等生理现象会不正常 |
|
连续高低不
平顺
波长40m、
幅值10mm |
不予管理 |
产生频率2Hz、半幅
有效值0.045g的持
续横向振动加速度 |
“工作能力减退限度”：可连
续工作3小时，否则司机工作
能力下降，判断、应急能力减
退 |
|
|
不予管理 |
频率1—2Hz、半幅有
效值横向0.0118g垂
向0.025—0.035的持
续振动加速度 |
“舒适度减退限度”：累计4
小时，否则舒适度减退 |
2.高稳定性
稳定、沉降小且沉降均匀的平顺路基是高平顺性轨道的基础。稳定性好的路基，主要是靠控制路基工后沉降和不均匀沉降，以及控制路基顶面的初始不平顺保证。这正是高速铁路路基设计、施工与普速铁路的主要区别。即高速铁路主要是以“变形”控制路基的设计、施工，而普速铁路则主要是以“强度”控制路基的设计与施工。因为，路基的工后沉降大或沉降不均匀，就要求经常维修线路，而经常处于维修的线路，其稳定性、平顺性肯定是差的，这就影响了高速行车。同时，路基的不均匀沉降过大，或其顶面初始不平顺大，将导致道床厚度不一致，道床的残余变形积累不
均匀。这在日、法等国高速铁路上是有教训的。当行车速度在160km/h以下时，对波长为56、70、83、97m的中长波高低不平顺可不予管理，但分别在200、250、300、350km/h速度下，其激扰频率与日、法高速车辆的车体垂向自振频率1Hz相当，导致车体产生一度称为“不明原因的强烈振动”，轨检车测不出，养路机械修不了，较晚时间才认识到此道理，从而重视了路基的不均匀沉降和初始不平顺问题。法国高速铁路规定，路基铺轨后，五年内最大允许沉降量5cm，韩国高速铁路规定为7cm，日、法等国对路基顶面不平顺规定为：每20m测点不得大于±25mm。
高稳定性特征反映在桥梁上，表现为对桥梁结构要求有足够大的刚度。因为高速列车对桥梁的动力作用远大于普速列车对桥梁的作用。桥梁出现较大挠度会直接影响桥上轨道的平顺性，造成结构物承受很大的冲击力，旅客舒适度受到严重影响，轨道状态不能保持稳定，甚至影响列车的运行安全。此外，为保证轨道的平顺性，还必须限制桥梁预应力徐变上拱和不均匀温差引起的结构变形。这些都对高速铁路桥梁结构刚度和整体性提出很高的要求，对桥梁挠度、梁端转角、扭转变形、横向变形、结构自振频率和车辆竖向加速度方面作出严格的限定。所以，高速铁路桥梁设计主要由刚度控制。尽管高速铁路桥梁活载小于普通铁路，但实际应用的高速铁路桥梁，在梁高、梁重上，均超过普速铁路桥梁。
此外，无缝线路钢轨在桥上的受力状态与在路基上不同。桥梁结构的温度变化、列车制动、桥梁挠曲等，使桥梁在纵向产生一定的位移，引起桥上钢轨产生附加应力。过大的附加应力会造成桥上无缝线路失稳，影响行车安全。因此，墩台基础要有足够的纵向刚度，以尽量减小钢轨附加应力和梁轨间的相对位移。各国在修建高速铁路时，除了对墩顶纵向刚度有严格要求外，并对如何避免结构物出现较大的纵向位移进行了深入研究，提出多种控制方法和构造措施，以供高墩桥梁选择。
3.高精度、小残变、少维修
严格控制轨道铺设精度是实现轨道初始高平J顷的保证。轨道铺设的初始不平顺，是运营后不平顺发生、发展、恶化的根源。初始状态好的轨道，维修周期长，可长期保持轨道的良好水平；而初期状态不好的轨道，不仅维修周期短，即使增加维修次数，也难改变“先天不良”的痼疾。
严格控制轨道的铺设精度，首先是提高线路的测量精度。日、法等国在建设高速铁路时，线路放线测量要求每10m设一基桩，基桩的定位允许误差在x、Y、z方向各为lmm。二是严格控制钢轨的的平直性和焊接接头的平顺性。我国原生产的60kg/m钢轨，其断面形状和尺寸与UIC60轨相似，但轨面平直度、尺寸公差、轨面缺陷以及焊接接头尺寸公差与UIC标准及国外高速铁路钢轨标准的差距很大，不能用于高速铁路。现已制订了满足速度200、300km/h的钢轨技术条件(见表3)。三是在完成铺轨后、开通运营前，打磨钢轨，去掉钢轨在轧制和施工过程中造成的轨面微小不平顺，提高焊接接头平顺性。这已被国外证明是一项技术经济效益显著的成功经验，既保证了高速铁路在开通运营之日列车即按设计速度运行，并降低了轮轨噪声，又延长了钢轨和道碴的使用寿命，大大减少了维修工作量，延长了维修周期。
严格控制轨道铺设精度，仅是实现高平顺性轨道的第一步。由于铁路轨道是由多种部件组成，特别是有碴轨道，轨排位于碎石道碴散粒体之上，在高速列车荷载的作用下，这些部件会发生变形，当变形的量值或其变形发展的速度超过一定限值时，将失去轨道的高平顺性。因此，对高速铁路
轨道各部件的设计，不仅要保证强度，更重要的是保证小的残余变形，既保证了高平顺性，又保证了少维修的要求
表3 我国钢轨标准与国外钢轨标准比较
|
部位 |
项 目 |
UIC860 |
TGV |
EN(A) |
EN (B) |
TB/T2344 |
200km/h
技术条件 |
300km/h
技术条件 |
|
轨端
(mm/m) |
垂
直
平
直
度 |
向上 |
0.7/1.5 |
0.4/2
0.3/1 |
0.4/2
0.3/1 |
0.5/1.5 |
0.5/1 |
0.5/1.5 |
0.3/1
0.4/2 |
|
向下 |
0 |
0.2/2 |
0.2/2 |
0.2/1.5 |
0.2/1 |
0.2/1.5 |
0.2/2 |
|
水平
平直度 |
0.7/1.5 |
0.5/2
0.4/1 |
0.6/2
0.4/1 |
0.7/1.5 |
0.5/1 |
0.7/1.5 |
0.4/1
0.6/2 |
|
轨身
(mm/m) |
垂直
平直度 |
|
0.3/3
0.2/1 |
0.3/3
0.2/1 |
0.4/3
0.3/1 |
|
0.4/3
0.3/l |
0.3/3
0.2/1 |
|
水平
平直度 |
|
0.45/1.5 |
0.45/1.5 |
0.6/1.5 |
|
0.6/1.5 |
0.45/1.5 |
|
重叠部
位(mm/m) |
垂直
平直度 |
|
|
0.3/2 |
0.4/1.5 |
|
0.4/1.5 |
0.3/2 |
|
水平
平直度 |
|
|
0.6/2 |
0.6/1.5 |
|
0。6/1.5 |
0.6/2 |
|
全长 |
上弯曲和下弯曲 |
|
≤5mm |
≤5mm |
≤5mm |
0.5％ |
≤5mm |
≤5mm |
|
侧弯曲 |
|
R>1000m |
R>1500m |
R>1500m |
R>1500m |
R>1500m |
|
端部
(mm/m) |
扭曲 |
0.4/1 |
|
0.455/1 |
0.455/1 |
|
0.45/1 |
0.45/1 |
|
全长 |
扭曲 |
|
|
2.5mm |
2.5mm |
0.1‰ |
2.5mm |
2.5mm |
4．宽大、独行的线路空间
列车沿地面高速运行时，将带动列车周围的空气随之运动，形成一种特定的非定常流场，称为“列车绕流”，俗称“列车风”。这种列车风形成的列车气动力将威胁沿线工作人员和站台旅客的安全，对沿线建筑物也有破坏作用。列车风卷起的杂物也可能危及行车安全。相邻线路两列车相向高速运行交会时，产生的空气压力冲击波易震碎车窗玻璃，使旅客耳朵感到不适，甚至影响列车运行的平稳性。所以高速铁路要求有一个宽大的行车空间，即增大两线间的距离和加宽站台上旅客的安全退避距离。在有高速列车通过的车站站台上，除加宽临近站台的安全退避距离外，还需在安全线上设置手扶安全护栏，留出可供旅客上下车的活门。
此外，由于高速列车动能和惯性力很大，一旦与其他物体发生碰撞，其后果不堪设想。故高速线路要求一个独行的空间，即采用全封闭形式，沿线路两侧设全长护栏。同时，在高速铁路与道路或既有铁路相交时，一律采用立体交叉。这样可避免列车在平交道口与汽车等物体相撞的可能，也避免出现列车频繁加减速的可能。
5．高标准的环境保护
高速铁路作为重要的现代化交通运输工具，必须强调重视现代化的文明，各种设施应与周围环境协调，重视环境保护。如桥梁的造型设计，要注重结构外观和色彩。法国高速铁路的桥梁造型设计甚至要请建筑师和环保师参与或请他们审查。
防止噪声污染是环境保护的一项重要内容，当列车速度超过250km／h后，气动噪声的声功率强度与列车速度的6~8次方成正比增长。因此，建设高速铁路时，应重视降低噪声的措施。法国规定，高速铁路通过地区，若原来噪声低于65dB，则需保持原噪声水平，若原来噪声大于65dB，则需控制在70dB以内。因此，沿线通过居民区，甚至通过公园附近，均设有隔音墙、明洞或隔音土堆。
此外，还应重视减少列车振动以及防止电磁干扰等措施。
6．开通运营之日，列车即以设计速度运行
目前世界上所建成的高速铁路，除日本东海道新干线外，其后修建的所有高速铁路，均在通车之日列车即按设计最高速度运营。东海道新干线因是第一条高速铁路，没有修建经验，开通运营第一年因路基问题列车未能达到设计速度目标值，经过一年多的整修后，最高运营速度才达到210km/h。法国高速铁路在铺轨完成后，一般经过5~6个月的调试后验交，列车即以最高速度运行。
我国以往新建铁路通车一年后还不一定能达到设计速度。这对于高速铁路来说是绝不允许的。因为，由于线路初始状态达不到设计标准而限速运行，列车虽以低速通过这些不合格地段，线路将产生 “记忆”性病害或不平顺，其后果将是花数倍的物力去整修才可能达到高速运行的目标。这正是高速铁路与普速铁路在工程验交时的重要差别。
7．运营中，实行科学的轨道管理及严密的防灾安全监控
高平顺的轨道在列车荷载的不断作用下，是会发生变形和位移的。当轨道及其各部件的变形、位移量值或其变形、位移发展的速度超过一定限值时，将失去轨道的高平顺性，从而恶化轮轨间的相互作用，影响列车运行的舒适性、安全性。因此，对运营中的高速线路要实行严格的轨道状态检测和科学的轨道管理制度，及时掌握铁路运营过程中轨道不平顺的量值及其发展速度，并予以校正，使其恢复到小残变或初始高叫引顷状态，以保证高速列车运行的安全、平稳、舒适。
安全对于任何交通工具都是第一位的技术条件，对于高速铁路来说就更为重要。因此，高速铁路除了保证设备本身安全要求外，对于一些超出设备本身安全限度范围的灾害，如自然灾害——暴雨、强风、地震等，突发性灾害——坍方落石、异物侵入限界等，以及设备的运用状态、故障等要实时监测，并根据这些监测信息，对列车的运行进行严格的管理，如限速、停车等。
综上所述，高速线路的外表结构形式与普速铁路差别不大，但是组成高速线路的每一个分部所采用的技术及其条件，以及各分部的接合，却大大有别于普速线路。自开通运营之日起就能适应高速列车不间断地、高密度运行的线路，其每一个组成部分都是依托在高新技术的应用与开发上的。
三、客运专线线路的关键技术与标准
1．线形变化平缓的线路平纵断面
轨道的高平顺性首先要求赖以存在的空间线路曲线尽可能的平滑，即线路平纵断面的变化尽可能平缓。因为，无论是平面曲线还是立面曲线，曲率变化快的地段，轮轨间的相互作用力都会增加，线形也难于保持，往往是产生轨道不平顺的处所；同时，列车在曲线上运行，产生的离心加速度与列车速度的平方成正比，该值影n向列车运行的舒适、平稳和安全。因此，行车速度越高，平面曲线和竖曲线的半径增，幅越大。此外，列车通过缓和曲线时产生的超高时变率和欠超高时变率，也随列车速度成正比增加，影响乘车的舒适性。因此，直线与曲线间过渡的缓和曲线要有足够的长度，使线形过渡平缓，以保证列车运行平稳和旅客乘坐的舒适。同时，夹直线和圆曲线以及纵断面坡段也要有足够的长度，以免列车通过平面直缓、缓圆、圆缓、缓直以及纵断面坡圆、圆坡各变化点产生的冲击振动发生叠加，影响列车运行的平稳和舒适。世界上高速铁路线路的平纵断面标准见表4。
(1)大幅度捉高线路平面最小圆曲线半径标准
1)最小圆曲线半径计算公式
对客运专线而言，最小圆曲线半径决定于两种情况：一是在速差较小时，满足最高行车速度的要求；二是在速差较大时，满足一定速差的列车共线运行的要求，并取两者中之大值。
满足最高行车速度要求的最小圆曲线半径，主要决定于最高行车速度以及超高与欠超高之和的允许值：
Rmin= (1)
满足一定速差的列车共线运行的最小圆曲线半径，主要决定于最高、最低行车速度以及欠、过超高之和的允许值：
Rmin= （2）
上述两式中 Vmax---列车最高运行速度，km／h；
Vz---列车最低运行速度，km／h；
[h+hq]----实设超高与欠超高之和的允许值，mm
[hq+hg]---欠、过超高之和的允许值，mm；
[h]、[hq]、[ hg]---分别为最大超高、最大欠超高和最大过超高允许值，mm。
2)曲线参数允许值
①最大超高允许值Ih]
[h]决定于列车在曲线上停车时的旅客乘坐舒适度要求。我国铁道科学研究院1980年的试验研究表明，当列车停在超高为200mm的曲线上时，部分旅客感到站立不稳，行走困难且有头晕感觉。日本新干线最大超高用到155～180mm(东海道新干线提速到270～280km/h后用到200mm，实属不得已)。法国TGV线最大超高亦为180mm。故我国客运专线曲线最大超高的允许值取用180mm。
工程机械电商网