叶 勇,赵凯华,田祥龙
(中铁工程设计咨询集团有限公司线路站场设计研究院,北京 100055)
经调查，国内外尚未见利用已建成无砟轨道城际铁路运营线路运输轨料的实施案例。由于运输轨料车车轮的圆顺度和车轮踏面的平滑度都会对既有轨道产生冲击，从而加重轨道不平顺性；
且天窗时间较短，运营线对轨道平顺度要求高，目前国内尚无此类工况下轨道状态的实验资料及研究资料。按TB/T 3466—2016《铁路列车荷载图示》，铁路列车荷载图示分为4种类型，分别为：适用于高速铁路的ZK活载，适用于城际铁路的ZC活载，适用于客货共线铁路的ZKH活载，适用于重载铁路的ZH活载。珠三角城际铁路网采用适用于城际铁路的ZC活载，仅适用动车组上线运行，原则上不允许牵引机车上线运行。
珠三角城际铁路网中2020年开通的广州至清远城际铁路广州北至清远段(以下简称“广清城际”)按ZC活载无砟轨道设计(设计速度200 km/h)，在狮岭站设置铺轨基地并与京广线设置联络线。能否利用既有无砟轨道城际线路为相邻在建线路运输轨料，目前国内尚无实施先例，且缺少理论依据及实验数据。因此，为解决既有广清城际线路(无砟轨道)为相邻在建线路运输轨料问题，需研究利用既有无砟轨道城际铁路运输轨料的可行性和安全性。
2.1 研究内容和拟解决的问题
为确保牵引机车在以ZC活载设计的城际铁路无砟轨道上安全运行，成为国内外首例利用既有无砟轨道城际铁路运营线路运输轨料的成功案例和示范工程，拟研究解决以下四大重点问题。
(1)轨料运输车对城际铁路最大坡度的适应性分析
广清城际铁路最大坡度为30‰，轨料运输车能否适应大坡度是轨料运输面临的主要问题。
(2)桥梁结构对轨料运输车上线的适应性分析
由于轨料运输车的荷载图示与桥梁ZC活载存在差异，以ZC活载设计的桥梁结构能否适应轨料运输车上线运行是面临的主要问题，需在轨料车运行前后对桥梁状态进行实验测评，确保桥梁结构安全的前提下允许轨料运输车上线。
(3)轨道结构对轨料运输车上线的适应性分析
由于轨料运输车与动车组列车在上线运行过程中轮轨对轨道结构纵、横向力差异较大，轨道结构能否适应轨料运输车上线运行亦是面临的主要问题，需要对轨道状态进行实验测评，确保轨道结构安全的前提下允许轨料运输车上线。
(4)轨料运输对城际铁路通过能力的影响分析
轨料运输需与既有城际运输组织和综合维修作业组织相协调，分析轨料运输对通过能力的影响。
2.2 研究思路和方法
(1)第一步：通过牵引计算模拟仿真实验测评，分析并解决轨料运输车能否适应城际铁路最大坡度的问题。
(2)第二步：基于轨料运输车上线实验数据，分析轨料运输车上线对桥梁、轨道结构安全性影响，解决轨料运输车上线的安全性、可靠性问题。
(3)第三步：基于广清城际现状客车开行计划和天窗类型，分析并解决轨料运输与旅客运输的适应性问题。
3.1 轨料运输车对城际铁路最大坡度的适应性分析
3.1.1 线路坡度分布概况
2020年开通的广清城际正线长度38 km，新设广州北(花都)、石陂(乐同)、狮岭、银盏、龙塘、清远(清城)等6个车站，狮岭铺轨基地设于狮岭站东北侧；
对广清城际铁路轨料运输重车方向，最大上坡为30‰，最大下坡为22.5‰。
3.1.2 研究思路
坡度适应性分析，其本质是牵引质量检算和制动检算。首先要确定轨料运输方式和车组参数，计算不同类型机车在最大上坡道上能够正常起动和以持续速度运行的轨料装载量，最后检算轨料运输车在长大下坡道上的制动情况。
3.1.3 轨料运输方式及车组参数
经广清城际铁路运输的轨料主要为60 kg/m的500 m长钢轨，运输长钢轨的铁路车辆可以分为两类。
一类是共用平车组成的车组[1-2]，如NX17A型(也可采用N17、NX70、NX70A型)，车组由36辆NX17A平车上加装运输支架组成，结构如下：首车+16辆装载车+2辆锁轨车+16辆装载车+尾车。其中装载车由普通铁路平车和运轨支架组成；
首车、尾车是在装载车的基础上加挡轨装置和升降支架；
锁轨车是在装载车的基础上增加锁轨装置。
另一类是专门的固定编组长轨运输车组，如T11BK型长钢轨车组[3-4]，车组由13种车型共43辆车组成，包括1辆发电车、2辆安全车、35辆运轨车(其中4辆带有锁定装置的锁定车)、1辆作业首车、3辆作业中车、1辆作业尾车。
长钢轨运输车组最多装运56根长500 m、60 kg/m的长钢轨，不同满载情况下运输车组总质量见表1。
表1 不同满载情况时运输车组总质量 t
3.1.4 轨料运输坡度适应性分析
轨料运输车牵引机车类型通常采用内燃机车，当利用已开通运营的电气化铁路线路运输时，也有采用电力机车的条件。因此，对内燃机车和电力机车两种类型机车分别进行轨料运输坡度适应性分析。根据广铁集团机车配属货机型情况，对DF4D、HXN3、HXD1型牵引轨料运输车组时的坡度适应性进行分析，计算最大坡度下各类机车的牵引质量，并进行起动检算和制动检算，分析不同类型机车、车辆、满载率组合的坡度适应性。
(1)牵引检算
不同机车在30‰坡度上以持续速度运行的牵引质量和正常起动的牵引质量见表2。
表2 不同机车在30‰坡度上的牵引质量 t
选取NX17A型和T11BK型长轨运输车组，分析不同满载率时各类型机车在30‰坡度坡道上的适应情况[5-6]，见表3。“1”代表机车在该牵引模式下能以持续速度运行并且能正常起动；
“0”代表不能以持续速度运行或不能正常启动，二者至少有一。
表3 不同满载率时各类型机车在30‰坡度上的适应情况
在30‰坡度线路上，对于NX17A型车组，HXN3、HXD1双机牵引模式下，在列车满载时，可以正常起动并以持续速度运行；
DF4D双机牵引模式下，在满载率为43%及以下时，可以正常起动并以持续速度运行。
在30‰坡度线路上，对于T11BK型车组，HXN3双机牵引模式下，在列车满载时，可以正常起动并以持续速度运行；
HXD1双机牵引模式下，在满载率为75%及以下时，可以正常起动并以持续速度运行；
DF4D双机牵引模式下，在满载率为25%及以下时，可以正常起动并以持续速度运行。
(2)制动检算
根据上述30%坡度上列车牵引适应情况分析，选取以下3个机车、车辆、满载率典型组合：2台DF4D+36辆NX17A+24根长钢轨(组合1)；
2台HXN3+43辆T11BK+56根长钢轨(组合2)；
2台HXD1_25+43辆T11BK+42根长钢轨(组合3)。根据表3，这3个典型组合满足30‰坡道上正常起动和持续速度运行的要求。对其进行长大下坡制动检算[7-8]，当列车制动初速度采用70 km/h、末速度采用30 km/h，减压量采用60 kPa，长大下坡道区间的列车再充风分析见表4。
表4 典型组合下坡道制动周期检算(减压量60 kPa)
对广清城际铁路轨料运输重车方向，最大下坡段在狮岭—银盏区间，最大坡度-22.5‰，长2 850 m。对于以上典型组合，可满足22.5‰的长大下坡道周期制动要求。
3.1.5 小结
经广清城际铁路运输的轨料主要是60 kg/m、500 m长钢轨，采用的轨料运输方式为2台DF4D+36辆NX17A，装运2层共24根60 kg/m、500 m的长钢轨(满载率43%)。根据以上计算分析得出：广清轨料运输列车满足30‰坡道上正常起动和持续速度运行的要求；
采用60 kPa减压量，仅用空气制动可满足22.5‰的长大下坡道周期制动要求。
本研究结论除可以用于广清城际外，还可推广到其他类似项目。其他典型的轨料运输方式对坡度的适应情况如下。
在30‰坡道上，2台HXN3+43辆T11BK，在列车满载时，可以正常起动并以持续速度运行。机车动力制动力使用系数0.5的情况下，采用60 kPa减压量，可满足30‰的长大下坡道周期制动要求。
在30‰坡道上，2台HXD1_25+43辆T11BK，在列车满载率75%时，可以正常起动并以持续速度运行。机车动力制动力使用系数0.5的情况下，采用60 kPa减压量，可满足30‰的长大下坡道周期制动要求。
3.2 轨料运输车上线对桥梁结构安全性影响研究
3.2.1 桥梁工程概况
广清城际铁路采用的简支箱梁为珠三角时速200 km城际轨道交通简支箱梁通用图(专桥(2014)2226系列)[9]，全线均为无砟轨道。
3.2.2 研究思路
轨料运输车计算荷载较广清城际铁路所采用的ZC荷载不同，因此需要结合轨料运输车的荷载分析对既有广清城际简支梁的影响，保证既有结构的安全性。根据广清城际相关资料，确定轨料运输车的类型，提炼轨料运输车荷载图示并与设计采用的ZC荷载图示进行对比，计算轨料运输车荷载作用下各种梁型的受力，对比分析各项设计指标是否满足规范要求。
3.2.3 轨料运输车计算荷载图示
运输车辆车头采用DF4D型内燃机车，长20.9 m，自重142.14 t。车头带动36辆NX17A平板车，每节平板车车底架长13 m，自重23 t，最大载重60 t。依据资料轨料运输车荷载可提炼为车头荷载及平板车荷载组合形式，荷载图示如图1所示。东风机车荷载可等效为6个212 kN的集中力，平板车荷载按照最大载重可等效为4个235 kN集中力。
图1 轨料运输车荷载图示(单位：m)
3.2.4 轨料运输车计算荷载与ZC荷载对比分析
广清城际铁路采用ZC荷载如图2所示。列车竖向活载纵向计算采用一般荷载图示，4个集中力分别为150 kN，间距为1.6 m，均布力为48 kN/m向两侧无线延伸；
列车竖向活载桥面横向计算采用特种荷载图示，4个集中力分别为190 kN，间距为1.6 m。
图2 ZC荷载图示(单位：m)
轨料运输车均为集中荷载，机车车头等效为集中荷载212 kN，最小间距为1.25 m，最大载重下平板车等效为集中荷载235 kN，最小间距为1.5 m。ZC一般荷载集中力为150 kN，间距为1.6 m，均布荷载为45 kN/m、ZC特种荷载集中力为190 kN，间距为1.6 m[10]。由此可见，轨料运输车集中荷载较ZC荷载大，但荷载间距较大。
3.2.5 轨料运输车荷载与ZC荷载对桥梁影响
针对各梁型的两种二期恒载，进行纵向总体计算，建立平面杆系单元模型，计算轨料运输车荷载作用下截面的强度、应力等[11]。轨料运输车荷载作用下箱梁纵向计算主要成果见表5，ZC荷载作用下箱梁纵向计算主要成果见表6。
表5 轨料运输车荷载作用下各梁型主要指标
表6 ZC荷载作用下各梁型主要指标
经对比，在轨道运料车荷载作用下简支梁跨中强度安全系数、跨中抗裂安全系数[12]有所增加，跨中下缘混凝土压应力有所降低，各项指标满足规范要求。静活载作用支座反力降低，因此既有支座可以满足需求，无需更换。
3.2.6 小结
综上所述，依据广清轨料运输单位提供资料，提炼出轨料运输车荷载图示，并且与广清城际设计用ZC荷载进行对比，对比后发现轨料运输车集中荷载较ZC荷载大但荷载间距较大。广清城际采用珠三角时速200 km城际轨道交通简支箱梁通用图(专桥(2020)2226系列)，综合考虑桥面附属设施以及轨道运料车荷载的作用，经分析检算，箱梁承载能力能够满足要求。
3.3 轨料运输车对既有轨道结构及无缝线路的适应性研究
3.3.1 轨道工程概况
珠三角城际线路均铺设CRTS双块式无砟轨道，速度为160～200 km/h，铺设跨区间无缝线路。
3.3.2 研究思路
研究轨料运输车运行在无砟轨道上的运行状态，可行性分析主要分为两个部分：第一，建立静力学模型，检算轨料运输车作用下轨道结构的受力情况，对既有轨道结构进行力学检算，判断轨道结构的承载能力；
第二，建立动力学模型，对既有轨道结构在轨料车运行下轨道动力学指标进行分析与评估，进而判断轨道结构动力学表现。
3.3.3 静力学分析
静力学分析采取极限状态法，对既有无砟轨道结构运行轨料运输车进行力学分析[13]。轨道静力学计算结果如表7所示。
表7 轨道静力学计算
将上述有限元分析模型的计算结果输入钢筋混凝土结构分析软件，对道床板或底座板的钢筋应力、混凝土应力状态及混凝土裂缝宽度进行检算，均满足混凝土结构设计规范或桥规要求[14]。既有结构满足轨料运输车行驶要求。
按照Q/CR 9130—2015《铁路轨道极限状态法设计暂行规范》和GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中承载能力极限状态法对道床板和底座板进行配筋计算，并按照正常使用极限状态法进行相应裂缝宽度检算。实际配筋率满足计算要求，裂缝宽度检算满足容许裂缝宽度。
3.3.4 动力学分析
动力学指标限值及计算数据[15-18]汇总见表8。
表8 动力学指标测试数据与计算结果对比
由动力学分析可知，轨料车运行在既有轨道结构时，轨道的动力学响应(含钢轨垂向位移、垂向加速度、钢轨横向位移、横向加速度、道床垂向位移、垂向加速度、道床横向位移、横向加速度、钢轨动弯应力等指标)均低于规范限制，行车安全性指标(含轮轨垂向及横向力、脱轨系数及轮重减载率等指标)也在规范要求范围内[18-19]，满足行车安全要求。
3.3.5 小结
综上所述，改变既有轨道结构设计荷载，采用有限元模型进行分析，静力分析采用极限状态法和容许应力法，并对轨道结构在轨料车作用下的结构安全进行检算，通过检算混凝土、钢筋及结构裂缝与允许值，得出了既有结构满足行车要求的结论。通过建立车辆轮对、轨道结构及下部基础的模型，采用动力分析并提取了轨道结构动力学及行车安全各项指标，既有结构在行车条件下动力学性能满足规范要求。
3.4 轨料运输需求及其对城际铁路通过能力的影响分析研究
轨料运输需与既有城际运输组织和综合维修作业组织相协调，基于广清城际现状客车开行计划和天窗类型，分析轨料运输对通过能力的影响。
3.4.1 轨料运输需求分析
针对典型的轨料运输组合(机车、车辆、满载率组合)，其每列轨料运输车能够运输的长钢轨长度如表9所示。
表9 典型轨料运输组合运输的长钢轨长度 km
目前，我国500 m长钢轨铺轨机日铺轨线路1.5～3 km[17]，若不考虑珠三角城际各在建线路同时铺轨的情况，上述典型组合1列车运输的长钢轨即可满足1条线每日铺轨需要。考虑到运输车回空，每日最多需开行1对轨料运输车。
3.4.2 综合维修天窗内的轨料运输能力分析
广清城际采用垂直天窗[18]，天窗时间为0:00—4:00，天窗内综合维修作业实际占用210 min以上，天窗内可供轨料运输的正线通行时间较少。因此，采用天窗内时段开行轨料运输列车[18-19]的方案不可行。
根据我国动车组与货物列车混行的政策规定，对于200 km/h客货共线铁路，运营原则是：如动、货不分时段混行，则动车组限速160 km/h；
如动、货分时段运行，则动车组可按200 km/h速度运行。因此，在天窗外非客运时段进行轨料运输在政策上是可行的。
3.4.3 综合维修天窗外非客运时段轨料运输能力分析
(1)广清城际客车开行计划
目前，广清城际营业动车组开行对数为42对/d，平均行车间隔为22 min，最小行车间隔为10 min，最大行车间隔为35 min，新增清城—花都13对直达列车，广州与清远两城间实现了最快16 min直达。
(2)综合维修天窗外可供利用的非客运时段
为保证行车安全，天窗开始前，轨料运输车需在该区段最后一列载客列车结束运营或非载客车底入库后开行；
天窗结束后，轨料运输车需在动检车运行前结束运行。根据广清铁路现状运行图，各轨料运输区段天窗外可利用的非客运时段如表10所示。
表10 天窗外可利用的非客运时段 对
(3)综合维修天窗外非客运时段轨料运输能力
轨料运输列车追踪间隔采用7 min，狮岭—广州北运行时间为12 min，狮岭—清远运行时间为27 min。天窗外可利用的非客运时段可开行的轨料运输列车对数如表11所示。
表11 轨料运输车开行对数 对
可以看出，狮岭—广州北区段可利用天窗前非客运时段、天窗后非客运时段进行轨料运输；
狮岭—清远区段只能利用天窗后非客运时段进行轨料运输。
考虑到每日轨料运输列车的开行需求最大只有1对，因此，广清城际天窗外非客运时段轨料运输能力可以满足轨料运输需求。
3.4.4 小结
广清城际现状综合维修天窗内时段不满足轨料运输需求，需在天窗外的非客运时段运输轨料。经分析，狮岭—广州北区段可利用天窗前、后的非客运时段，每日最多开行5对轨料运输列车；
狮岭—清远区段只能利用天窗后非客运时段，每日最多开行1对轨料运输列车。在珠三角城际各在建线路不同时铺轨的情况下，可以满足1条线路每日的铺轨需要。
以上仅考虑了广清城际的既有客车开行计划，若轨料运输列车还需经其他既有线开行，需结合其他既有线的开行计划，对轨料运输车的开行时间进行统筹安排。这种情况下，天窗外非客运时段可能会不满足轨料运输车的开行需要。此时，需对非客运时段和天窗时段统筹调整，尽量将天窗外非客运时段合并，减少三角区的影响。若必要，可对天窗设置方案进行调整，采用“一线维修，一线运行”的模式，以满足轨料运输的需要。
珠三角城际铁路网中，与广清城际互连互通的4个在建(拟建)项目可经广清城际通道运输轨料，分别为新白广城际、广清城际北延线、广清城际南延线、广佛环线佛山西至广州北段[20-21]。下面分别论述利用广清城际运输轨料和不利用广清城际运输轨料两种轨料运输方案。
4.1 利用既有广清城际运输轨料方案
如图3和图4所示，500 m长钢轨由红海焊轨厂供应至现场，经京广线、狮岭联络线、广清城际进入工程线。
图3 广清城际轨料运输线路示意
图4 T11长轨运输车
长轨运输线路为：从红海焊轨厂装轨，采用货运方式将长轨运输至京广线军田站，由广铁集团运输转交由广东城际铁路运营有限公司运输，利用自备机车牵引长轨运输车途经狮岭联络线至铺轨基地，再经广清城际至新白广城际、广清城际北延线、广清城际南延线、广佛环线佛山西至广州北段4个在建(拟建)项目工程线。
经测算，本方案工程费用共约1 385万元。
4.2 不利用既有广清城际运输轨料方案
若不利用广清城际，由于新白广城际、广清城际北延线、广清城际南延线、广佛环线佛山西至广州北段4个在建(拟建)项目沿线不具备与京广线设置联络线(及铺轨基地)条件，因此运输轨料须采用红海焊轨厂汽车装运至4个项目工程线。
经测算，本方案工程费用共约8795万元，邻近项目采用长轨运输方案费用测算如表12所示。
表12 邻近项目采用长轨运输方案费用测算
综上分析，利用广清城际运输轨料可节省工程投资约7 410万元。
首先，从理论上分析利用既有无砟轨道城际铁路运输轨料，轨料运输牵引车列对线路坡度适应性、桥梁和轨道结构对轨料运输车上线的适应性、运营线路运输组织及工务养护维修对轨料运输的适应性四个重点难题，具备了其可行性和安全性。然后，利用已建成广清城际铁路无砟轨道运营线路天窗时间运输轨料进行试验，从实践中成功实现了轨料运输牵引车列可以适应城际铁路最大坡度、桥梁和轨道结构可以适应轨料运输车上线、运营线路运输组织及工务养护维修可以适应轨料运输，验证了其可行性和安全性。
本文首次从理论上和实践分别实现了利用既有无砟轨道城际铁路运输轨料的可行性和安全性，填补国内这方面研究不足，该成果对后续类似项目的开展具有参考和指导价值。
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