160 km/h 城軌快線限界關鍵技術研究

劉昕銘，王 建，王佳慶

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 研究背景

隨著我國城市化進程的快速發展，各大城市的中心城區人口持續聚集，現有中心城區較難提供與之負荷相匹配的資源。因此，發展城市外圍組團或周邊轄屬城鎮，疏導中心區人口，成為目前一些城市的主要發展方向。

為滿足中心城區與城市外圍組團間的交通需求，一種介于城市軌道交通與城際、干線鐵路之間的新型軌道交通系統開始興起，其設計速度為120～160 km/h，國內較為主流的有城軌快線和市域(郊)鐵路[1]。

對設計速度120～160 km/h 的軌道交通系統，有兩種車輛選型思路。一是采用成熟的CRH 系列車型或同平臺的市域D 型車，典型的工程有北京大興機場線、溫州S1 線、廣州地鐵14 號線、廣州地鐵18 號線等；二是采用基于地鐵A 型車升級改造的市域A 型車，典型的工程有成都軌道交通18 號線、19 號線，市域(郊)鐵路成德、成眉、成資線等。

與CRH 車輛相比，市域A 型車具備與常規軌道交通融合互通、資源共享的條件；在相同速度等級下工程規模較小，可節約工程投資；多車門的設計為乘客快速上下客提供便利條件。軌道交通系統與車輛選型關系見圖1。

圖1 軌道交通系統與車輛選型關系Figure 1 Relationship between rail transit system and vehicle

成都軌道交通18 號線工程是國內首次采用市域A 型車的城軌快線，設計最高速度160 km/h。該類型的車輛同樣應用于成都的市域(郊)鐵路項目中。在成都軌道交通線網規劃(2021 版)中[2](見表1)，城軌快線和市域(郊)鐵路達到線網總里程的46%，是未來成都軌道交通的重點發展方向[3]。

表1 成都軌道交通線網規劃(2021 版)線路規模統計Table 1 Network planning for Chengdu rail transit

160 km/h 城軌快線工程由于設計時速的提升及車輛構造的改變，突破了現行《地鐵設計規范》[4]、《地鐵限界標準》[5]中的適用范圍，目前我國該領域的限界研究尚處于空白狀態，需進行全方位的研究。

2 國內外限界體系

自軌道交通誕生以來，限界制定和校核方法經歷了一個由簡單到復雜、由低級向高級發展的過程，計算方法和理論日趨完善、合理[6]，國內外學者已經進行了研究。倪昌對我國與德國限界標準之間進行了對比和分析，確立了基于隨機與非隨機因素為原則的計算方法[7]；朱劍月等針對城軌車輛的特點，圍繞限界計算方法做了大量分析、研究，詳細給出了車輛限界的計算公式[8]。

2.1 歐洲限界標準

2.1.1 國際鐵路聯盟限界標準(UIC505)

UIC505 是跨國鐵路限界標準，考慮了歐洲新建鐵路與既有鐵路的貫通運營。其限界計算方法基于確定的基準輪廓，考慮影響限界計算邊界條件為非隨機因素，將各因素產生的偏移量疊加，再制定安全距離，計算得到的結果包絡范圍廣、可靠性高、安全余量大，更適用于鐵路限界體系[9]。

2.1.2 德國限界規定(BOStrab)

BOStrab 是德國頒布的適用于城市輕軌的限界標準。它在計算中引入了車輛速度、加速度參數，將考慮影響限界計算的所有參數分為隨機因素和非隨機因素。與UIC505 相比，BOStrab 更適用于城市軌道交通限界體系[7]。

2.2 國內限界標準

2.2.1 國內鐵路限界

國鐵采用“二限界”體系(見圖2)，包含車輛限界、建筑限界。設計依據主要為《標準軌距鐵路機車車輛限界》、《高速鐵路設計規范》，國鐵限界需滿足同一線路運行不同車輛的條件，且不針對站臺、站臺門、疏散平臺等臨近軌行區的構件做精細的限界要求。

圖2 國鐵“二限界”體系示意Figure 2 Railway gauge system

2.2.2 國內城市軌道交通限界

城市軌道交通采用“三限界”體系(見圖3)，包含車輛限界、設備限界、建筑限界，設計依據主要為《地鐵限界標準》(CJJ96—2003)及《地鐵設計規范》，適用于120 km/h 及以下的城軌工程。計算方法主要參考了BOStrab 的思路，對隨機因素進行均方根疊加，對非隨機因素進行線性疊加[9]，大量工程實踐表明，該計算方法具有很好的適應性和極高的應用價值。

圖3 城市軌道交通“三限界”體系示意Figure 3 Metro gauge system

2.2.3 城軌快線限界

城軌快線采用160 km/h 的市域A 型車，車輛和工程限制條件單一，約束因素明確，可制定較為嚴格和精準的限界體系。與“二限界”體系相比，“三限界”體系在車站有效站臺范圍用車輛限界控制，在區間地段用設備限界控制，在保證行車安全和乘客安全的基礎上，更有利于控制工程投資，因此“三限界”體系更適合160 km/h 城軌快線工程。

3 160 km/h 城軌快線限界計算

車輛運行在不同線路條件下或運行在不同環境時，限界計算考慮的因素需根據實際邊界條件進行調整。本文僅以最基礎且最具代表性的“隧道內直線段車體橫向偏移量”計算，采用理論計算和動力學仿真進行對比分析，限界計算流程如圖4 所示。

圖4 160 km/h 城軌快線限界計算流程Figure 4 Calculation process for 160 km/h urban rail express gauge

3.1 城軌快線車輛特點

城軌快線車輛與常規地鐵車輛相比，在車輛輪廓、車輛密閉性、車門類型及轉向架等方面有較大區別。

由于采用交流受電，車輛頂部在安裝受電弓位置需預留更大的電氣絕緣間隙，較常規地鐵車輛高出約0.5 m；為滿足乘客舒適性要求，采用了密閉性較好的車體，并使用塞拉門；為避免蛇形運動失穩、保證曲線段優異的導向性、提高乘坐舒適性，在成熟的地鐵動車組轉向架基礎上改進，主要包括構架、一系懸掛、二系懸掛、驅動及制動。

轉向架參數是決定車輛限界計算的核心因素，通過車輛動力學方程分析，根據一系懸掛、二系懸掛對動力學性能指標影響的規律，適用于城軌快線車輛的懸掛參數為：一系縱向定位剛度值取13 MN/m，一系橫向定位剛度取 5.5 MN/m，一系垂向阻尼系數取20 kN·s/m；二系橫向阻尼系數值取40 kN·s/m，二系垂向阻尼系數取20 kN·s/m?？箓葷L扭桿扭轉剛度取1 MN·m/rad[10]。

3.2 理論計算

《地鐵限界標準》(CJJ96—2003)計算辦法中，將輪軌間隙、一系橫向變形、二系橫向靜態變形等定義為非隨機因素；將側風、橫向加速度、二系橫向動態變形等定義為隨機因素。(下文統一對《地鐵限界標準》(03 版)中的公式簡稱為“03 版公式”，對調整后公式簡稱為“新公式”)。

對“03 版公式”進行適應性調整，詳情如下。

1) 新公式增加了設備限界計算公式和相關計算參數，“03 版公式”中設備限界采用在車輛限界基礎上偏移的方法得出。

2) 新公式中車輛限界部分，對于平移量和旋轉量梳理得更加清晰，刪除了“03 版公式”中二者重疊相加計算的內容，新公式的計算結果與“03 版公式”相比，更接近列車運行實際情況，為設備安裝和建筑限界制定帶來了更有利的空間份額。

3) 對計算因素的分類進行了更詳細地甄別，更加準確地確定了各個計算因素的類別，決定了其參與計算的不同方式。

4) 考慮了車速提高工況下，速度對車輛限界的影響。

車體橫向偏移量計算是限界計算的基礎，限于篇幅，本文僅針對該項計算，對比“03 版公式”(式(1))與新公式(式(2))。公式中參數的含義詳見《地鐵限界標準》(CJJ96—2003)。

3.3 動力學仿真驗證及對比

使用SIMPACK 動力學仿真軟件，對車輛進行動力學仿真分析，并得到車輛動態包絡線，將動態包絡線與新公式、“03 版公式”計算結果進行對比，如圖5 所示。

圖5 車輛限界計算結果對比Figure 5 Comparison of vehicle-gauge calculation results

從圖5 中可以看出，動力學仿真計算得到的限界結果最小，調整后的新公式計算結果稍大，“03 版公式”計算結果偏大，原因如下：

1) 采用限界計算公式中主要考慮車輛零部件間隙、制造誤差、橫向振動加速度、車輛處于最不利位置等因素的影響，這些都是SIMPACK 動力學仿真計算較難模擬的因素，因此仿真計算結果最??；

2)“03 版公式”考慮的因素全面，但有些參數取值保守，且存在重復計算的因素，因此計算結果偏大。新公式理論計算結果得到優化，既考慮了仿真計算不能納入的因素，又優化了不必要的疊加因素，計算結果與列車運行實際更加接近。

因此，新公式的計算更為科學，是限界計算所需的最為接近的計算方法。

4 影響建筑限界的關鍵因素

城軌快線工程與常規地鐵工程相比，設計速度目標值更高、站間距更大、線路更長。為匹配快線工程特點，運營模式、軌道、供電、環控等影響建筑限界的專業均有較大變化。

4.1 運營模式

常規地鐵采用站站停的運營模式，最高運行速度不超過120 km/h，列車進站端的速度低于75 km/h，通過站臺的速度一般都低于60 km/h。

城軌快線采用“站站停+大站快車”的快慢車混跑運營模式，最高運行速度達到160 km/h，在越行站以100 km/h 的速度通過站臺。以上兩項速度指標在國內城軌中尚屬首次。

4.2 軌道

常規地鐵的最大軌道超高為120 mm，城軌快線的最大軌道超高為150 mm。

4.3 供電

常規地鐵通常采用直流供電、剛性接觸網，接觸導線高度為4 050 mm，接觸網結構高度為450 mm。

根據城軌快線工程特點，對交流、直流供電方案進行比較，從變電所數量、運營維護工作量、列車供電質量等方面考慮，選擇25 kV 交流供電，接觸網結構選擇較靈活，可選剛性、柔性，接觸導線高度為5 m。剛性接觸網結構高度為700 mm，柔性接觸網結構高度為950 mm，需考慮300 mm 絕緣距離，對于不同形狀的隧道，考慮支架安裝點位，接觸網占用的高度空間略有不同，需用作圖法確定。

4.4 環控

常規地鐵運行速度較慢，不考慮隧道內壓力波對乘客舒適性產生的影響。

城軌快線基于車輛氣密性指標(客室3 s，司機室6 s)，經過空氣動力學計算，在保證乘客舒適性的前提下，隧道最小凈面積為35.4 m2，阻塞比不大于0.29。

5 城軌快線建筑限界

建筑限界是在設備限界的基礎上，考慮軌旁設備安裝后的有效斷面?；谇拔乃?，在計算得出設備限界和明確軌旁設備的要求后，制定最優的建筑限界。

5.1 隧道建筑限界

在城市軌道交通工程中，盾構法修建隧道有安全、快捷、節約投資等優勢，故本文主要分析圓形隧道斷面，其余形狀斷面同理，不再贅述。

建筑限界制定的思路：用作圖法將軌道結構高度、接觸導線高度、接觸網安裝空間3 項疊加，擬定限界圓；再結合施工誤差及結構綜合變形后確定隧道結構內徑；最終計算阻塞比，復核是否滿足空氣動力學要求。

經過作圖制定的隧道斷面如圖6 所示，限界圓直徑7.2 m?？紤]150 mm 的施工誤差及結構變形，隧道結構內徑為7.5 m，此時隧道軌面以上有效面積約40.6 m2＞35.4 m2，阻塞比為0.26＜0.29，滿足要求。

圖6 盾構隧道建筑限界Figure 6 Structure gauges of shield tunnel

5.2 橋梁建筑限界

以雙線橋梁為例分析地面段建筑限界，單線橋梁、路基、U 形槽等同理。接觸網立柱設置于雙線之間或雙線外側取決于建設單位的要求，本文以接觸網立柱設于外側進行研究。

橋面寬度由弱電支架、接觸網立柱及基礎、車輛最大超高地段偏移量、疏散平臺等疊加而成。根據《地鐵設計規范》，橋梁雙線間疏散平臺的最小寬度為1.2 m；接觸網立桿距離最大超高地段的設備限界之間預留200 mm 的安全間隙；立桿外側的弱電支架固定于橋側擋板，擋板安裝在橋面上，該部分共需要500 mm的空間。綜上所述，橋面總寬度為10.8 m，與常規地鐵所需高度相同，如圖7 所示。

圖7 雙線橋梁建筑限界Figure 7 Structure gauges of double-track line bridge

5.3 車站建筑限界

受運營模式的影響，城軌快線工程存在以100 km/h越站的工況，車站建筑限界有兩個關鍵問題需要研究，分別是站臺及站臺門的建筑限界。與站站停的站臺相比，越行站臺的特殊性體現如下兩個方面。

1) 在車輛靜態時，站臺與站臺門應盡量靠近車輛輪廓，減少間隙，避免乘客卡在站臺縫隙、身體夾在站臺門與車輛之間，保證乘客安全；在車輛動態時，站臺與站臺門應盡量遠離車輛輪廓，與車輛限界之間留有安全距離，保證行車安全。

2) 根據環控專業的計算，快速過站引起的隧道風壓達到(+3.5 kPa，–1.8 kPa)，約是常規地鐵的3.5倍。通過車輛限界計算，在越行工況下，無需增加1 630 mm 的站臺門限界，但考慮到貼近車輛導致站臺門結構承受額外風壓，可考慮進行適當退距(圖8(b)中的A 值)。

圖8 地下車站建筑限界Figure 8 Structure gauges of underground station

綜上，既要保證乘客上下車的安全，又要保證車輛的運行安全，為解決好這個矛盾的問題，需要準確的車輛限界計算結果。根據前文所述的研究成果，地下車站建筑限界如圖8 所示。

5.4 與常規地鐵建筑限界對比

建筑限界是限界研究成果的工程體現，在保證安全的前提下盡可能優化土建斷面也是限界專業的重要工作目標。與常規地鐵工程相比，城軌快線的特點及建筑限界見表2。

表2 城軌快線與常規地鐵建筑限界對比Table 2 Network planning for Chengdu rail transit

6 結論

1) 對“03 版公式”的車輛限界計算公式進行調整，“新公式”強化了車輛運行速度的影響，對平移量和旋轉量做了更清晰的梳理，取消了“03 版公式”中二者重疊相加計算的內容，使計算結果更加接近車輛的實際偏移狀態。

2) 調整后公式中，增加了設備限界計算公式和相關計算參數，改善了“03 版公式”對于設備限界在車輛限界基礎上簡單偏移的保守做法。

3) 列車以100 km/h 越行過站時，站臺與線路中心線的距離可保持1 600 mm 不變；從限界角度來說，站臺門與線路中心線的距離可保持1 630 mm 不變，但考慮到貼近車輛導致站臺門結構承受額外風壓，可適當加大站臺門與線路中心線的距離。

4) 圓形隧道斷面建前限界取決于設備布置空間需求，不取決于阻塞比，當采用柔性接觸網時最優隧道內徑7.5 m，采用剛性接觸網時最優隧道內徑7.1 m。

5) 在高架橋梁地段，城軌快線與常規地鐵需要的橋梁寬度相同。

6) 研究成果可為采用市域A型車的城軌快線工程限界標準提供理論和實踐依據。