高速铁路震后线形修复方法及参数评估.pdf

年 月第 期（总）铁 道 工 程 学 报 （）收稿日期：基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科技开发计划项目（）作者简介：张明，年出生，男，教授级高级工程师。文章编号：（）高速铁路震后线形修复方法及参数评估张明（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安）摘要：研究目的：高速铁路无砟轨道震后变形错断量大，设计标准控制严格，如何结合震后现状快速恢复线形是高铁发展中遇到的新挑战。本文以兰新高铁大梁隧道至祁连山隧道段线路震后修复为背景，研究线路平、纵断面线形修复方案及参数设置问题，并建立中国标准动车组车辆 线路动力学分析模型，从安全性、舒适性角度评估高铁无砟轨道震后修复方案。研究结论：（）圆曲线半径设置为 ，长度设置为 可较好适应震后线路现状，震后线路修复可适当突破 和 规范规定的圆曲线半径和长度限值要求；（）欠超高时变率影响旅客乘坐舒适性，超高时变率与运行安全性更加密切，在满足超高时变率条件下可适当突破欠超高时变率，有利于灵活选配灾后线路线形参数；（）圆曲线及夹直线长度均对行车性能有一定影响，夹直线长度对车辆安全性和舒适性影响更为显著，线路方案比选中应优先考虑满足夹直线长度要求；（）本研究成果对高铁灾后抢修具有参考价值。关键词：高速铁路；无砟轨道；线形修复；夹直线；超高时变率中图分类号：文献标识码：（，）：，：（），（），（），（）：；研究背景合理的平、纵断面是高速动车组安全舒适运行的前提条件，目前我国已初步建成“四纵四横”高速铁路整体布局，其中“三纵两横”位于高烈度地震区范围，高速铁路面临着严重的地震威胁。特大地质灾害发生后，线路整体条件劣化将会显著降低运营的安全性，部分破坏严重区段地表形变明显，线路角度和方向产生极大变形。如何快速有效修复灾后线形是高速铁路工程遇到的新问题。广大学者针对既有铁路线形线位变化问题，开展了一系列研究，一般先对既有铁路线形数据进行精确分段，再通过设置约束条件完成线形重构计算，部分学者还基于“点线一致”理念迭代求解最优线形，并结合智能算法提高求解效率和准确度，但这些方法往往适用于线形线位变化较小的情况，高铁无砟轨道震后变形错断量大、设计控制标准严格，对这类问题还需进一步研究。本文以兰新高铁门源震后典型区段线路修复为背景，对线路平、纵断面线形修复方案及参数设置问题开展研究，以期为高速铁路无砟轨道地震灾后修复提供参考。震后线形变化特点 震后变形概述兰新高铁门源至军马场段线路以桥隧相连走行于祁连山中高山区。门源地震发生后，大梁隧道至祁连山隧道段地表变形严重，线路结构严重破坏、错断，震后现场实际变形如图 所示。经灾后平、纵断面控制点恢复及线形测量，里程段大梁隧道、硫磺沟大桥和祁连山隧道“二桥一隧”不同程度破坏，大梁隧道仰拱拱起处最大约 ，变形严重处错位最大约 ，硫磺沟大桥桥面错位、梁体倾斜，轨道扭曲拉断，破坏极为严重，祁连山隧道局部发育有裂缝，震害主要为衬砌开裂和道床裂缝，整体破坏程度轻微。对震后错断线路各级平面、高程控制网进行恢复测量，结果如图 所示。对比原设计线形，震后在 前后 范围内线路平面和高程均发生（a）地表隆起（b）地面结冰错位错位1 m图 震后现场变形图张掖距离120 m高程沉降150 mm620 mm高程沉降61 mm1 101 mm1 781 mm高程沉降245 mm1 776 mm高程沉降261 mm点位破坏K1971+497K1971+377西宁322 mm376 mm691 mm688 mm图 大梁隧道 处前后 点位变化错台，错台处隧道裂隙量值为 ，震后整体形成南升北降、两端拉升、南右转北左旋的特征。震前线路布置根据震前线路原始设计坐标计算，大梁隧道进口端设有半径 的曲线（曲长 ），在断裂带范围内为直线；硫磺沟大桥部分为直线，部分位于缓和曲线上；祁连山隧道进口端设有半径 的曲线（曲长 ）。大梁隧道内设坡度为（）、（）的人字坡，两端连接坡度分别为（）和（）。祁连山隧道位于大梁隧道北侧，洞内纵坡为 的单面下坡。震后线路状况震后严重变形区段 附近平面形变如图 所示，整合变形前后轨面高差数据绘制线路沉降第 期张 明：高速铁路震后线形修复方法及参数评估形变如图 所示，可见震后线路变化主要体现在如下几个方面：平面变化以 断裂附近 为界，南北向整体拉伸位移，形成约 的相对错位。错位以北约 范围呈现不均匀收敛，位移 ，而后基本呈线性收敛，至祁连山隧道出口位移逐渐收敛至 ；错位以南在大梁隧道内 范围内由 快速收敛至约 ，之后在 范围内呈现较均匀缓慢收敛趋势。图 兰新高铁大梁隧道地面平面形变示意图图 兰新高铁大梁隧道地面竖向形变示意图 高程变化以 断裂附近 为界，线形整体呈北降南升趋势变化，断层处形成高差约 的错台。错台以北约 范围内沉降逐渐收敛，呈较均匀的线形变化；错台以南沉降呈复杂变化，隧道破坏严重段以不均匀错落抬升为主，在大梁隧道内最大抬升，之后向南由急向缓至隧道中部平复至约，之后较均匀收敛。线间距变化在 断裂带前后 的范围内，左右线路中心线线间距小于，最小线间距 ；其他段落线间距保持良好。修复范围确定在逐级恢复精密测量控制网及精确推算震后损毁线路变形量基础上确定线路修复范围。线路形变数据分析表明，地震损害较为严重的“两隧一桥”范围有，其中大梁隧道 ，硫磺沟大桥 ，祁连山隧道进口段约 。大梁隧道断裂带错台处约 隧道破坏严重段，需集中改建，其他段落隧道破坏相对较轻，内轮廓线与原设计维持较好，适当整治后应尽量利用。硫磺沟大桥梁体变形，悬空于墩台上修复困难，整体按原位重建。祁连山隧道随地壳板块整体移动，内轮廓线变化不大，整治后尽量利用。震后线形修复方案研究 修复思路为尽量减小改建工程量，本次修复充分利用既有结构以原位修复，小里程端采用大梁隧道长直线边，大里程端采用硫磺沟大桥拟合直线边进行拟合。铁 道 工 程 学 报 年 月线路参数无法满足原设计 标准，故按照震后线路实际变形情况采用 和 速度标准确定修复方案选取的线形参数，预期修复后满足兰新高铁达速运营条件。平面拟合方案研究有效降低修复工程造价，采用“”形反向曲线将左右侧错位线路顺接，总体设计方案如图 所示，在工程量合理的条件下，设置合理的线形参数使设计速度分别达到 和 。参考 设计速度相关标准和运营维护要求，最大曲线半径为 ，夹直线长度为（），圆曲线长度为（）。大梁隧道变形后隧道进口直线边F5断层影响范围，隧道严重破坏拆换段落350 m原大梁隧道中线变形后隧道出口直线边圆曲线长Ly祁连山隧道硫磺沟大桥施工揭示断层280 m门源地震后初步判定断层K1971+341K1971+691夹直线长Lj圆曲线长间距2.36 m改线起点K1971+270损毁长度120 mK1970+870隧道进口K1965+525K1971+400K1971+508K1971+658K1971+680150 m改线终点里程K1971+782图 大梁隧道病害整治方案示意图结合国内运营经验，由于两直线边距离狭窄仅 ，考虑夹直线长度为影响运行安全的重要因素，故首先按照夹直线长度满足 基础上，对修复方案按照采用较大曲线半径匹配适宜缓和曲线长度（满足超高顺坡率要求，适当考虑欠超高时变率舒适度指标），尽量满足圆曲线长度标准的思路展开研究。为保证曲线其余要素长度，进一步研究缩短夹直线长度按突破规范长度标准 控制的修复方案。经论证在充分保证夹直线长度而调整平面设计参数时，圆曲线长度均难以完全满足 标准，故适度降低规范推荐标准，按照 控制圆曲线长度。共研究了 个震后线形修复方案，具体如下：按 配置夹直线、调整圆曲线半径从经济性出发，调整硫磺沟切线边带来的改建工程量较大，故在夹直线长度满足要求（）、不调整大梁隧道两侧切线边的思路下，按照 提出方案，具体如下：方案一：曲线半径 ，圆曲线 （），夹直线 （）；方案二：曲线半径 ，圆曲线 （），夹直线 （）；方案三：曲线半径 ，圆曲线 （），夹直线 （）。按设计速度 提出方案五，即圆曲线 （）、夹直线 （）。按 配置夹直线、调整圆曲线长度在适当降低规范限值条件下，按 配置夹直线与圆曲线长度，得到方案四，即曲线半径 ，圆曲线 （），夹直线 （）。各设计方案选配线形参数如表 所示。表 线路平面拟合设计方案参数表方案速度（）平面曲线设计参数半径 偏角缓长 夹直线长 控制标准 反向曲线长 圆曲线长 控制标准 一二三四 五 曲线超高及限速各设计方案超高、限速检算结果如表、表 所示，由表可知：时速 条件下，各方案均满足超高顺坡率规范（）和超高时变率规范（）要求，但欠超高时变率不同程度超过规范限值（），相较而言方案三超限较小；时速 条件下，设计方案各指标均不超限，但设计速度过低将制约兰新高铁全线高速运行；各个方案反向曲线长度相当，主要差异在缓和曲线长度变化，引起不同的超高设置值、超高时变率和欠超高时变率。综上所述，方案三（、）同时满足超高时变率和欠超高时变率要求的第 期张 明：高速铁路震后线形修复方法及参数评估曲线限速为 ，如适当考虑欠超高时变率指标超限，则曲线限速为 与原始设计速度 相差最小。夹直线长符合规范要求（），圆曲线长可满足 即 标准，且设计速度下超高时变率满足规范值，欠超高时变率略高于规范值，整体工程改建长度与圆曲线半径 方案相差不大。圆曲线长度和曲线半径对养护维修影响均可控，故推荐该方案。表 线路平面拟合设计方案曲线参数及超高验算表方案速度（）曲线参数超高设置超高顺坡率半径 缓长 夹直线长 圆曲线长 反向曲线长 设计超高 欠超高 计算值 限值 超高时变率（）欠超高时变率（）一二三四 五 表 不同曲线半径、缓和曲线长度及设计超高值参数下的拟合曲线参数与限速情况表序号曲线半径 缓和曲线长度 圆曲线长度 超高均衡值 设计值 欠超高值 超高顺坡率计算值 限值 超高时变率（）欠超高时变率（）曲线限速（）纵断面拟合方案研究根据原设计纵断面，考虑结构物净空和无砟轨道可调整量，按照工程最省原则对震后线路纵断面按坡长不短于 进行拟合，拟合后采用 坡段三处，其余坡段均大于 ，最大抬道量 （错台处），位于轨道拆除重建范围内，其余段落最大抬落道量 。震后线形参数动力学评估运用车线动力学模型对修复方案开展评估。动车组通过不同方案“”形反向曲线时，计算得到的车体横向加速度与车体侧滚角时程曲线如图、图 所示。由图可知：在设计速度 和 条件下，个方案车体横向加速度均小于规范安全限值；缓和曲线长度对车体侧滚角影响显著，满足夹直线和圆曲线长度要求条件下选配较长的缓和曲线可以有效减小车体的侧滚运动趋势。图、图 为各方案运行平稳性指标和舒适性指0注：0.30.20.10-0.1-0.2-0.3车体横向加速度/（ms-2）里程/m2004006008001 0001 2001 400方案一；方案二；方案三；方案四；方案五图 车体横向加速度时程曲线标。由图可知，个方案车体横向、垂向平稳性指标均小于 ，评价结果为优；随着夹直线长度和缓和曲线长度增大，车体平稳性指标呈下降趋势；调整圆曲线长度从 （）增加到 （）时，平稳性指标和舒适性指标没有明显变化；方案一 （），舒适度指标评价计算结果为 ，评价为非常舒适，方案四 （），舒适铁 道 工 程 学 报 年 月0注：0.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4车体侧滚角/（）里程/m2004006008001 0001 2001 400方案一；方案二；方案三；方案四；方案五图 车体侧滚角时程曲线Sperling平稳性指标注：2.82.62.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.2方案五方案四方案三方案二方案一Sperling横向平稳性指标；Sperling垂向平稳性指标优图 各方案 平稳性指标UIC 5132.01.81.61.41.21.00.80.60.40.2方案五方案四方案三方案二方案一舒适非常舒适图 各方案 舒适性指标度超出 级标准，评价为舒适，且车体平稳性指标在所有方案中最不利。对各方案安全性指标数据进行线性拟合，如图、图 所示，可知：夹直线长度较圆曲线长度对于车辆运行安全性的影响更加显著，增大夹直线长度可有效降低列车通过反向曲线的振动叠加效应，改善轮轨之间的相互作用，故震后线形修复方案制定时应优先满足规范要求的夹直线长度值（）。基于上述分析结果，当动车组以 和 的设计速度通过各设计方案拟定线形时，车辆运行安全性和舒适性指标均满足规范标准要求，反向曲线区段夹直线长度较圆曲线长度对车辆动力响应影响更加脱轨系数方案三方案二方案一（方案四）圆曲线y=-2.6710-5x+0.066 R2=0.620；夹直线y=-2.9710-5x+0.069 R2=0.640注：图 圆曲线和夹直线长度对脱轨系数影响分析0.140.12轮重减载率方案二方案三方案一（方案四）圆曲线y=-2.3810-5x+0.074 R2=0.311；夹直线y=-2.8510-5x+0.078 R2=0.398注：图 圆曲线和夹直线长度对轮重减载率影响分析显著。总体而言，方案三（、）动力仿真结果显示安全性和舒适性均最低，采用较大半径反向曲线保证夹直线和圆曲线长度顺接两侧错位线路进行修复是可行的，推荐方案三作为震后修复线形。结论本文以兰新高铁大梁隧道至祁连山隧道段线路震后修复为背景，对线路平、纵断面线形修复方案及参数设置问题开展研究，主要结论如下：（）圆曲线半径设置为 ，长度设置为 可较好适应震后线路现状，震后线路修复可适当突破 和 规范规定的圆曲线半径和长度限值要求。（）欠超高时变率影响旅客乘坐舒适性，超高时变率与运行安全性更加密切，在满足超高时变率条件下可适当突破欠超高时变率，有利于灵活选配震后线路参数。（）圆曲线长度和夹直线长度均对行车性能有一定影响，夹直线长度对车辆安全性和舒适性指标的影响更为显著，线路方案比选中应优先考虑满足夹直线长度要求。（下转第 页 ）第 期张 明：高速铁路震后线形修复方法及参数评估 周继 山区峡谷大跨度铁路桥梁方案设计研究 交通科技，（）：，（）：秦定松 形提篮式钢筋混凝土拱桥劲性骨架安装施工技术 工程建设与设计，（）：，（）：骆龙飞 大跨悬浇钢筋混凝土拱桥施工关键技术解析 交通世界，（）：，（）：（编辑 吕 洁）（上接第 页 ）参考文献：翟婉明，赵春发 现代轨道交通工程科技前沿与挑战 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