高原鐵路鋪設跨區間無縫線路可行性研究與試驗方案

王樹國, 高原, 楊東升

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所, 北京 100081）

0 引言

與一般跨區間無縫線路相比, 高原鐵路面臨陽光輻射強、日軌溫差和時變率大等問題。因此, 現階段青藏鐵路格拉段、拉林鐵路、拉日鐵路均采用區間無縫線路, 岔區設置普通接頭。由于岔區接頭在服役過程中病害突出、維修工作量大, 影響運行品質, 因此在高原鐵路應用岔區無縫化技術, 真正實現跨區間無縫線路具有強烈的現實需求。

針對鋪設跨區間無縫線路的可行性問題, 國內外學者對跨區間無縫線路受力特性和溫度力傳遞規律進行了大量研究。王樹國等[1-3］基于有限單元法構建了無縫道岔模型, 選取切合實際的計算參數對秦沈鐵路18號和38號無縫道岔溫度力和受力特性進行了詳細計算；王平等[4-5］結合有限單元法分析對比了3種不同結構轍叉和2種轍跟形式下無縫道岔的縱向力傳遞機理及其對結構部件受力變形的影響。高亮等[6-7］建立了無縫線路結構系統相互作用機理, 構建了軌道結構-下部基礎空間耦合精細化靜力分析模型和車輛-無縫線路-道床-下部基礎耦合動力學協同仿真分析模型, 率先對高速鐵路無縫線路關鍵設計參數進行了系統理論與試驗研究；國外三浦重等[8］進行了溫度力作用下的道岔縱向力試驗, 并提出無縫道岔溫度力與位移的計算模型和計算方法。但有關研究目標均未考慮高原地區獨特的環境條件, 對于高原鐵路的研究相對較少。

為了探索高原地區鋪設跨區間無縫線路的可行性, 中國鐵路青藏集團有限公司（簡稱青藏集團公司）于玉珠峰站采用膠接方式進行了岔區直股無縫化試驗, 但該道岔側股內外均不焊聯, 還不算完全意義上的無縫道岔。另外, 該無縫化試驗僅限于單組道岔, 未能實現車站咽喉區無縫化?？傮w而言, 海拔4 000 m以上高原鐵路跨區間無縫化在技術和工程實現上均存在較大難度, 國內外尚無工程先例, 有必要開展系統的理論和試驗研究。

1 我國大溫差地區軌溫預測與評估

高原鐵路面臨著獨特的環境氣候條件, 這些環境因素對軌道幾何狀態穩定性、轉換系統適應性和結構部件耐候性的影響較為顯著。為分析高日軌溫差、強陽光輻射對跨區間無縫線路的影響, 利用氣象站實測氣溫數據和BP神經網絡預測方法, 計算和評估高原、西北（毗鄰沙漠）、東北（高寒）等大溫差地區的軌溫差值, 論證青藏高原地區鋪設跨區間無縫線路的技術可行性。

1.1 基于BP神經網絡的最高軌溫預測方法

《鐵路無縫線路設計規范》規定年最高軌溫等于年最高氣溫加20℃[9］, 然而高原鐵路受海拔等因素影響, 其最高氣溫相對較低, 規范中的年最高軌溫和最高氣溫間的關系可能對其不適用, 因此針對高原鐵路, 擬采用BP神經網絡進行軌溫預測。

BP神經網絡是基于誤差逆向傳播算法來進行訓練的多層前饋神經網絡模型, 是最為經典的模型之一。BP神經網絡基于最速下降法, 利用逆向傳播對網絡閾值及權值進行調整, 進而實現網絡誤差平方和的最小化。BP神經網絡基本結果包含3層, 分別為輸入層、隱含層和輸出層。BP神經網絡首先通過輸入變量（海拔、氣溫和緯度等）計算輸出變量（軌溫）, 隨后利用實際輸出變量及其誤差修正網絡權值, 直至兩者之間誤差達到設定值, 該誤差平方和可表示為：

式中：ΔE為擬合誤差；Zrs為實際輸出變量；Zs為輸出變量；n3為輸入變量數。獲得擬合誤差后, 需要對連接權值進行初始化, 并計算每層神經元的輸出值：

式中：fk為連接權值的初始化函數；f1和f2分別為線性或sigmoid等激活函數；w1kj、w2ik分別為每層連接權值；xj為輸入變量。隨后利用梯度下降法修正連接權值, 每層連接權值的修正公式可表示為：

式中：η為學習速度；f′1和f′2分別為激活函數f1和f2的導數。然后將權值初始值和調整值之和作為新的權值進一步循環, 直至誤差平方和達到一定容許范圍即可。將不同高原地區鐵路軌溫數據作為BP神經網絡訓練樣本, 樣本包括熱當（見圖1）、秀水河、沱沱河、望昆和雁石坪等車站的實時軌溫監測數據[10］。將海拔、氣溫和緯度等影響軌溫的因素提前定義為三維列向量, 將軌溫作為輸出向量進行訓練生成BP神經網絡（見圖2）, 進而完成海拔、氣溫和緯度等復雜條件下的軌溫預測。

圖1 熱當氣溫和軌溫監測

圖2 BP神經網絡應用結構

1.2 高原鐵路年、日軌溫差計算與評估

根據全國晝夜溫差分布相關文獻和氣象站資料調研, 選取溫差較大的青藏鐵路（高海拔）、蘭新鐵路（沙漠戈壁）、濱洲鐵路（高緯度）, 計算和分析我國高寒和高海拔鐵路線年、日軌溫差現狀, 其中, 蘭新鐵路和濱洲鐵路均已鋪設跨區間無縫線路。青藏鐵路年、日軌溫通過BP神經網絡算法獲得, 而蘭新鐵路、濱洲鐵路年軌溫基于《鐵路無縫線路設計規范》獲得；氣溫數據通過當地15個氣象站實測得到, 數據時間跨度為1980—2021年, 利用基于統計學的數值方法, 在224 475個樣本中獲得精確的氣溫值及分布規律。

3條鐵路年氣溫、日氣溫實測數據見表1、表2, 基于實測數據計算的年軌溫和日軌溫數據見表3、表4。從1980—2021年, 蘭新鐵路年軌溫差最大值為101.3℃, 位于阿勒泰；濱洲鐵路年軌溫差最大值為105.6℃, 位于呼倫貝爾；青藏鐵路年軌溫差最大值為87.0℃, 位于沱沱河。蘭新鐵路日軌溫差最大值為45.6℃, 位于吐魯番；濱洲鐵路日軌溫差最大值為46.5℃, 位于呼倫貝爾；青藏鐵路日軌溫差最大值為47.9℃, 位于日喀則。從年軌溫差考慮, 青藏鐵路鋪設跨區間無縫線路環境較優；從日溫差考慮, 青藏鐵路日軌溫差大于其他線路, 環境更惡劣, 但差異不大, 說明鋪設跨區間無縫線路具有可行性。

表1 3條鐵路年氣溫匯總

表2 3條鐵路日氣溫匯總

表3 3條鐵路年軌溫匯總

表4 3條鐵路日軌溫匯總

2 高原鐵路無縫道岔工程實踐與理論檢算

2.1 青藏鐵路玉珠峰站無縫道岔工程實踐

2018年6 月, 為探索高原地區鋪設跨區間無縫線路的可行性, 青藏集團公司選取玉珠峰站5號岔位12號道岔（海拔4 100 m）, 采用膠接方式進行了岔區直股無縫化試驗。經過3年運營實踐, 該道岔膠接接頭服役狀態良好, 無縫道岔穩定, 可初步證明高原地區鋪設跨區間無縫線路具有可行性。但該道岔側股內外均不焊聯, 還不算完全意義上的無縫道岔[11］。并且該無縫化試驗僅限于單組道岔, 單組道岔僅在直股無縫化, 這與整個咽喉區無縫化相比還存在較大差距, 還需進一步進行理論分析和試驗驗證。

2.2 拉林鐵路熱當站無縫道岔工程實踐

2021年4 月, 在拉林鐵路熱當站（海拔3 200 m）采用膠接接頭實現該站1、2號岔位共2組12號可動心軌道岔（圖號：GLC（08）01）直、側股及緩沖區所有接頭無縫化, 并對軌溫、鋼軌縱向力和尖軌伸縮進行了長期監測。2021年6—10月監測數據見圖3, 尖軌與基本軌縱向相對位移在-5—15 mm, 小于±40 mm的限值。至今, 該2組無縫道岔表現穩定, 服役狀態良好, 未發生卡阻問題。

圖3 岔區尖軌和基本軌相對位移監測

2.3 尖軌、基本軌伸縮量檢算

選取我國高海拔、高寒等典型地區, 收集歷年溫度數據, 換算為年、日最大軌溫變化（即最高、最低軌溫與鎖定軌溫之間的最大差值）, 其結果見表5。

基于表5計算的年、日最大軌溫變化, 以我國主型道岔專線4249（青藏鐵路格拉段正線道岔）、GLC（08）01（拉林鐵路正線道岔）、研線1115和GLC（07）02道岔為研究目標, 對道岔尖軌尖端伸縮量進行了簡算。在不同地區年軌溫差條件下, 專線4249、GLC（08）01、研線1115等采用外鎖閉結構的12號道岔, 尖軌最長為15.45 m, 自由段長度為12.75 m, 尖軌尖端極限伸縮量為16～19 mm。GLC（07）02等采用外鎖閉結構的18號道岔, 尖軌長度一般為21.45 m, 自由段長度為18.75 m, 尖軌尖端極限伸縮量為19～22 mm, 均小于外鎖閉結構尖軌伸縮量的限值（不超過40 mm）, 且具有較大冗余量。在不同日溫差條件下, 12號道岔尖軌伸縮量最大為17 mm, 18號道岔最大為20 mm, 均小于相應限值。由以上分析可知：

表5 我國高原高寒等地區典型區段軌溫數據

（1）青藏鐵路玉珠峰站（海拔4 100 m）12號道岔直股無縫化試驗與實踐初步證明海拔4 000 m以上鐵路建設跨區間無縫線路具有可行性；拉林鐵路熱當站（海拔3 200 m）12號道岔直側股無縫化試驗與實踐再次說明高海拔地區道岔無縫化的技術可行性。

（2）仿真計算表明, 在較大年軌溫差和日溫差地區鋪設無縫道岔時, 現有主型12號和18號道岔尖軌伸縮量值小于允許限值, 且具有較大冗余量。

3 高原鐵路跨區間無縫化試驗方案

基于上述分析可知, 青藏鐵路面臨的特殊環境條件較我國其他已實施跨區間無縫化的地區更為嚴酷, 但差異性不大, 加之在青藏鐵路玉珠峰站和拉林鐵路熱當站開展的具有一定局限性的岔區無縫化試驗, 說明在青藏鐵路格拉段試驗跨區間無縫線路具有可行性。結合青藏鐵路擴能改造工程實施, 考慮不同自然地理環境與線路運營條件的影響, 提出跨區間無縫化試驗方案。擬選取望昆站、唐古拉北站、那曲站和昂噶站等進行跨區間無縫化試驗（見表6）。選擇車站涵蓋海拔4 000～5 000 m、緯度30°～36°的地理條件, 并考慮車站內道岔群布置形式, 可一次性驗證多重因素對跨區間無縫線路的適應性影響。

表6 青藏鐵路鋪設跨區間無縫線路試驗方案

為了保證高原鐵路跨區間無縫線路試驗能夠順利進行實施, 研究并擬定具體的工程化實施方案如下：

（1）正線采用60 kg/m鋼軌跨區間無縫線路, 站線保留50 kg/m鋼軌有縫線路。

（2）考慮到現場不具備運輸長定尺鋼軌的條件, 道岔區前后配軌仍按照原緩沖區軌件長度配置, 現場焊接為長軌條。道岔外設置的絕緣接頭里程不變, 如與配置鋼軌接頭與絕緣接頭里程不重合, 則就近截斷鋼軌, 設置絕緣接頭。

（3）唐古拉北站、昂噶站采用接頭全焊接無縫化方案。望昆站、那曲站采用部分接頭（尖軌跟端接頭和轍叉趾、跟端接頭）凍結、其他接頭焊接的無縫化方案；道岔外連接軌先采用移動式氣壓焊焊接為長軌條, 再上線鋪設, 并通過鋁熱焊或凍結與道岔、區間線路鋼軌連接。

（4）道岔鋪設采用移位法, 即先在線下組裝, 并完成岔內接頭焊接或凍結, 再將道岔整組移位至岔位。道岔區鎖定軌溫應與區間線路保持一致。

（5）道岔尖軌跟端成型段長度由450 mm延長至1 050 mm, 在焊接失敗時, 可鋸掉焊頭重新焊接。轍叉趾端和跟端加長可便于凍結接頭組裝和首次焊接失敗后再次焊接。

（6）岔后側股連接到發線或夾直線大于100 m時, 岔后配置2×25 m定尺60 kg/m鋼軌, 通過凍結組成側股伸縮區。伸縮區后設置異型鋼軌過渡至50 kg/m鋼軌, 異型鋼軌兩端采用普通接頭聯接。

（7）無縫線路鎖定應選取夜間溫度處于鎖定軌溫范圍的時間施工, 避免白天日照對軌溫的影響。如施工時鎖定軌溫不滿足要求, 可在低溫狀態下鎖定, 待軌溫合適時進行應力放散或應力調整。低溫鎖定、放散、調整等作業按照《無縫道岔應力放散和應力調整指導意見》執行[12］, 不得在高于施工鎖定軌溫范圍內作業。

（8）道岔鋪設當日, 如果無法完成焊接, 鋼軌接頭處應采用無損加固, 其中膠接絕緣、焊接接頭按照8 mm設置軌縫, 凍結接頭不設置軌縫, 做好連接軌長度調整, 并于第2天完成鎖定。

4 結論

基于實測氣象站數據和BP神經網絡, 梳理和總結了高原鐵路及高溫差地區氣溫、軌溫分布規律, 結合高原鐵路跨區間無縫化工程實踐和理論簡算, 對高原地區鋪設跨區間無縫線路可行性進行了研究, 提出了跨區間無縫化試驗方案, 所得結論如下：

（1）從1980—2021年, 基于神經網絡算法得到的青藏鐵路年軌溫差最大值為87.0℃, 小于蘭新鐵路和濱洲鐵路。從年軌溫差考慮, 青藏鐵路鋪設跨區間無縫線路的環境較優；青藏鐵路、蘭新鐵路、濱洲鐵路最大日軌溫差分別為47.9、45.6、46.5℃, 青藏鐵路日軌溫差大于其他線路, 環境更為惡劣, 但差異不大, 說明鋪設跨區間無縫線路具有可行性。

（2）在海拔4 100 m的玉珠峰站進行了道岔直股無縫化實踐, 無縫道岔總體狀態良好, 3年多的運營實踐初步證明了在海拔4 000 m以上實現道岔無縫化的可行性。

（3）實測和理論計算的高原鐵路道岔尖軌伸縮量小于±40 mm的限值, 且具有較大冗余量, 說明道岔工電設備基本適應高原鐵路跨區無縫線路的運營環境。