輕軌線路采用正常線間距單渡線的研究

摘　要　分析了正常線間距單渡線在中國未被采用的原因, 依據列車通過單渡線夾直線時穩定性及乘客舒適性條件,舉例說明了采用正常線間距單渡線是能夠滿足行車穩定性和乘客舒適性條件的。提出了正常間距單渡線實施過程中需要采取的具體措施,包括其夾直線處短軌及其絕緣接頭的處理問題。
關鍵詞　輕軌線路,線路設計,線間距,單渡線
　　在輕軌線路中,有些中間站設置了單渡線,以滿足故障列車臨時待避以及有小運轉列車折返作業的需要。為了使單渡線中夾直線的長度大于一個車體長度,我國輕軌線路所鋪設的單渡線的線間距一般都大于區間線路的線間距。由于單渡線與正線區間線路的間距不同,在單渡線的外端就必須采用反向曲線與正線連接,因此惡化了線路的平面狀態和列車運行條件,致使列車進出站時車體搖擺,不僅影響行車平穩性和乘客的舒適度,還增加線路的養護維修工作量。
另一方案是采用與區間線路間距一致的單渡線。因其間距比一般單渡線的間距小,因此也稱為正常線間距單渡線。鋪設正常線間距渡線時,渡線外端不必設置反向曲線,不僅優化線路平面、改善列車運行條件、提高列車平穩性及乘客舒適度,而且在高架線路上還可減小橋面寬度、減少車站建筑面積, 從而降低橋梁造價。因此采用正常線間距單渡線具有無可比擬的優越性。
1 　正常線間距單渡線未被采用原因
正常線間距單渡線雖具備上述諸多優點,但未被采用和推廣。其主要原因有以下3 方面:
(1) 正常線間距單渡線的夾直線長度較短,達不到《地下鐵道設計規范》[1 ] (以下簡稱《舊設規》) 第
3. 2. 6 條以及《地鐵設計規范》[2 ] (以下簡稱《新設規》) 第5. 2. 6 條的要求;
(2) 正常線間距單渡線中部插入短軌太短,不符合《舊設規》第3. 4. 6 條及《新設規》) 第6. 4. 2 條的規定;
(3) 根據《舊設規》第3. 4. 6 條及《新設規》第6. 4. 2 條規定,在單渡線中部應設鋼軌絕緣接頭,而在一般單渡線中,兩轍叉跟端因結構原因,不能設置絕緣接頭, 因正常線間距單渡線中的短軌長度已經很短,若在短軌中間再設置絕緣接頭比較困難。由于采用正常線間距單渡線不能符合有關規范相關條款的規定,縱然正常線間距單渡線具有不少優點,因此至今在我國尚未被考慮采用。
2 　列車通過單渡線夾直線時穩定性及乘客舒適性條件
　　在《舊設規》及《新設規》中,對于正線及輔助線的兩相鄰曲線間的夾直線最小長度所作的規定,是在保證行車平穩及乘客舒適的基礎上提出的。當曲線半徑等于或小于某一數值(例如2 000 m) 時,則應在圓曲線與直線之間根據曲線半徑及行車速度設置緩和曲線及外軌超高,以消除或減少車體的離心力。但是,由于道岔的構造及限界等原因,在道岔的導曲線中都不設緩和曲線及超高。通過導曲線時車輛的平穩性及乘客的舒適度,是通過控制未被平衡的離心加速度、限制未被平衡的離心加速度時變率等得到保障的。
2. 1 　控制未被平衡的離心加速度
1) 若列車以速度v 行駛于半徑為R、外軌超高為h 的曲線線路上,當列車速度與外軌設置的超高不適應時,車輛則產生未被平衡的離心加速度;此未被平衡的離心加速度不能過大,否則車輛走行不平穩, 使乘客感覺不適,甚至站立或行走的乘客有被晃倒的可能。為此,對未被平衡的離心加速度的大小應加以限制。當列車以行駛速度為v 、重力加速度為g、在超高值為h 及軌道兩鋼軌軌頭中心距為S 的軌道上行駛時,車輛產生的未被平衡離心加速度為α,則: α = 3. 6v 2 R-gh (1)S 設通過曲線線路時,列車允許的未被平衡的離心加速度為αy,則列車最高行車速度為vmax : vmax = 3. 6 R(αy+ gh) (2)S 　　
2) 在道岔中,因導曲線外軌不設超高( h = 0) , 所以,
2 αy= vmax 3. 62 R(3) 　　這時列車最高行駛速度為: vmax = 3. 6 Rαy(4) 根據設計規范的規定,αy 值不應大于0. 4 m/ s2 。若列車走行于半徑為180 m 、超高值為0. 12 m 、S =1. 5 m 的曲線線路上, g = 9. 81 m/ s2時,則由式(2) 得vmax = 52. 57 km/ h 　　而列車走行于相同半徑,但不設超高的道岔導曲線時,只需將R 及αy 值代入式(4) ,則vmax = 30. 55 km/ h 。通過以上計算不難看出,列車走行于道岔不設超高的導曲線時,列車速度因受允許的未被平衡離心加速度的限制,而以減速運行來保證列車的平穩及乘客的舒適度。
2. 2 　限制未被平衡的離心加速度時變率
1) 當列車由直線進出設有超高的曲線線路時, 車輛突然出現或消失豎向及橫向沖擊力,使車體產生振動及搖晃。為了保持車體平穩,應在曲線兩端設置緩和曲線。由于緩和曲線的曲率是逐漸變化的,走行于緩和曲線上車輛的未被平衡離心加速度也相應在緩和曲線全長范圍內逐漸變化。單位時間內未被平衡離心加速度的變化,稱為未被平衡離心加速度時變率,用β表示。因β= dα/d t 。則:

β= (v 2 )/ ( 3. 6 lh)
v
3. 62 R-gh
S(5)
2
v
=(3. 6v 2 R-g )
3. 6 lh
式中, lh 為緩和曲線長度。
β過大,同樣影響行車的平穩和乘客的舒適度。為此,也應對其加以限制。在新舊設計規范中規定, 允許的未被平衡離心加速度時變率βy=0. 3 m/ s3 。
2) 當車輛走行于道岔導曲線時, 雖然導曲線兩端不設緩和曲線,當車輛第一位輪對進入導曲線時,車體即產生α,且隨著輪對進入導曲線的距離增加而加大,直至車輛末位輪對進入導曲線時增至最大值;當車輛駛離導曲線時,則與上述情況相反。車輛的α 的變化,是在車輛全軸距范圍內逐漸完成的。設導曲線半徑為R 、行車速度為v 、車輛全軸距為lc,則:
23
v
β = (3. 6v 2 R)/ ( 3. 6 lc)= v 3. 63 Rlc (6) 　　
由于列車進出導曲線時受允許β的制約,其最高走行速度為:
vmax = 3. 63 Rlcβy (7) 　　當lc 為18. 2 m 的A 型車輛走行于R 為180 m 的9 號單開道岔側股時,列車受βy 控制的vmax ,可按式(7) 求得為35. 79 km/ h 。
此值大于按式(4) 計算的30. 55 km/ h 。這說明,列車通過導曲線的行駛速度不受β的控制, 而仍然受導曲線部分允許的α 的限制。目前地鐵及輕軌中采用的9 號單開道岔(導曲線半徑R = 180 m) ,側向允許最高通過速度為30 km/ h , 就是用上述方法計算確定的。上述計算說明,在道岔中雖然不設超高及緩和曲線,行車的平穩和乘客的舒適是有保障的。
3 　采用正常線間距單渡線時的行車穩定性和乘客舒適性
　　以下著重討論車輛走行于正常線間距單渡線時,能否保證《新設規》規定的行車穩定性及乘客舒適性要求。當車輛通過單渡線中的夾直線時,列車允許的走行速度可根據設計規范所規定的β求得。在計算允許通過速度前,首先應求出夾直線長度。單渡線中夾直線長度,是根據單渡線的線間距及道岔的有關幾何尺寸所決定。列車通過夾直線段時,有以下兩種可能: ① 車輛的全軸距小于或等于夾直線的長度; ② 車輛的全軸距大于夾直線長度。
車輛的全軸距小于或等于夾直線長度時,β可按式(6) 計算, vmax 按式(7) 計算。若車輛的全軸距大于夾直線長度時,因為車輛剛走出第一組道岔的導曲線,車體尚未正位接著又進入二組道岔的導曲線,車輛的運行狀態與第一種情況不同,這時β應按以下方法計算:
設列車走行于夾直線時的最高時速為vmax 、導曲線半徑為R、夾直線長為lz 、車輛的全軸距為lc, 則允許的未被平衡離心加速度時變率為: 2 v 3max (8)βy = 3.63 R(lc + lz )
　　通過夾直線時,列車最高走行速度為:(9)vmax = 3.63 R(lc + lz)βy 現將列車通過夾直線段時,上述兩種情況的列車最高走行速度的計算分別舉例如下。例1 　lc 為18. 2 m 的列車,通過9 號道岔4. 5 m 間距單渡線中的夾直線時,求列車的vmax 。若單渡線中的道岔采用《60 kg/m 鋼軌9 號單開道岔》設計圖(圖號為專線9950) ,則:9 號單開道20′岔轍叉角θ =6°25″,道岔中心至轍叉理論尖端距b0= 12. 955 m , 導曲線終點至轍叉理論尖端的直線段K=2. 985 m , 轍叉理論尖端至轍叉跟距m = 3. 108 m , 導曲線半徑R = 180 m 。因為已知D = 4. 5 m , 令單渡線的兩道岔中心距為lx 、夾直線長度為lz,參照圖1 可知:
Dlx = sinθ (10)
　　兩導曲線間的夾直線長度為: lz =lx -2 (b0 -K) (11) 由式(10) 、(11) 可得, lx=45. 276 m ; lz=25. 336 m 。因為lc=18.2 m , 小于夾直線的長度lz
(20. 809 m) ,屬上述的第一種情況,則列車的vmax 應按式(7) 計算,故vmax= 35. 79 km/ h 。
　　例2 若車輛與道岔的狀態與上例相同,列車通過3. 7 m 間距單渡線中的夾直線時, 求列車的
vmax 。
20′　　將線間距D = 3. 7 m 及角θ= 6°25″代入式
(10) 得: lx = 36. 221 m 。

圖1 　9 號單開道岔示意圖
　　將lx 、b0 及K各值代入式(11) ,得lz = 16. 281 m。因為16. 281 m 的夾直線長度短于18. 2 m 的車輛全軸距,屬上述第二種情況,列車的vmax 應按式(9) 計算,得vmax=35. 15 km/ h 。
通過以上計算可知,列車通過5m 間距單渡線時,因夾直線長度大于車輛的全軸距,列車的vmax 可達35. 79 km/ h 。而列車通過4 m 間距單渡線時, 由于夾直線長度小于車輛的全軸距,車輛跨越于兩反向的導曲線上,車體繞縱軸方向產生側滾振動,車輛的運行狀態不如前者,所以列車允許走行速度為35. 15 km/ h , 低于前者。但是,列車通過夾直線時走行速度卻都受兩端導曲線的限制,仍然不得超過30 km/ h(即9 號道岔的側向允許通過速度) 。這說明正常線間距單渡線中的夾直線長度雖短,但它并不一定是限制列車通過速度的決定因素。通過以上兩例的計算和對比, 表明列車通過5 m 或4 m 間距單渡線時允許的α,及允許的β都在設計規范所規定范圍之內,允許的走行速度是相同的。因此,列車走行于兩種不同間距的單渡線時其安全性、穩定性都是有保障的,舒適度也是可以被乘客接受的。
4 　正常線間距單渡線中夾直線處短軌及其絕緣接頭的處理
　　正常線間距單渡線中,夾直線處短軌的長度ld 可參照圖1 中的ld 按下式計算: ld =lx -2 (b0 + m) (12) 求4 m 間距單渡線中夾直線處的短軌長度時, 將相應的值代入式(12) ,得ld= 4. 095 m 。若插入短軌,則軌長僅4. 079 m 。按《新設規》表6. 4. 2 中的規定,短軌中部還需設置一對鋼軌絕緣接頭。這樣,該部位顯得軌條長度太短,接頭太多,線路的穩定性差,養護維修困難;當區間線路發生故障時,對換側行駛列車乘客的舒適度也會有一定的影響。如果按上述表中在輔助線困難地段的規定,兩組道岔跟端可對接,不必插入短軌,那么絕緣接頭就需設在道岔跟端,轍叉跟端接頭處輪軌沖擊力比一般鋼軌接頭大得多;在該處設置絕緣接頭,對其壽命和養護維修都很不利,應盡量避開。為此,針對正常線間距單渡線插入短軌和設置絕緣接頭問題,提出如下措施供參考:
首先,將兩組道岔的側股導軌作適當加長,加長后的導軌見圖1 中的l 1;根據兩道岔跟端距離l d 及導軌長度l1 計算導軌長度lz 。然后再采取膠接的方法將長導軌的后端與短軌膠接成膠接絕緣軌。導軌的加長量應按下列原則確定: ① 使加長后導軌的末端約在兩組單開道岔跟端中央部位; ② 夾直線中部的一對絕緣接頭相互距離不得大于2. 5 m(設置軌道電路的需要); ③ 考慮道岔布置的合理。
在本例中采取導軌的加長量為1. 750 m , 因為已知為4m 間距單渡線中兩組道岔跟端距離l d 為
4. 095 m , 由專線9950 設計圖中得導軌長為13. 688 m , 所以加長后的導軌長l1= 15. 438 m , 由此可計算出短軌長度: lz= 4. 095 m -1. 750 m -2 ×0. 008 m = 2. 329 m 其中0. 008 m 為軌縫寬度。檢算兩絕緣接頭的間距: lj= 4. 095 m -(2. 329 m + 0. 008 m) = 1. 758 m 符合設置軌道電路的要求。
膠接絕緣接頭具有強度高、壽命長、維修方便、絕緣性能優于傳統的絕緣接頭等優點,并且兩段膠接后的鋼軌可視作一根整軌。鐵道部已頒發了鋼軌膠接絕緣的技術標準。圖號為專線9950 《60 kg/m 鋼軌9 號單開道岔》中側股l 1 導軌(見圖1) 前端接頭就是膠接絕緣接頭。采取上述措施,在解決正常線間距單渡線的單渡線問題的同時又解決了絕緣接頭的設置問題,滿足運營的需要。
5 　結　語
通過以上計算,說明正常線間距單渡線完全可以保證行車的安全和乘客的舒適。正常線間距單渡線施工方便,可采用兩組單開道岔進行鋪設, 不需改變道岔主要部件(如尖軌、轍叉及護軌等),僅需改變側股導軌的長度。也可采取增設一對非絕緣膠接接頭,而保持原道岔的側股導軌長度不變的方法。這些方法在我國是否可行尚需經過實踐的檢驗。正常線間距單渡線在國外早已被采用,不久前在伊朗德赫蘭地鐵,曾鋪設了7. 7 號道岔3. 2m 間距單渡線,現已開通運行。希望我國的輕軌線路在不久的將來也采用正常線間距單渡線。

參考文獻
1 　GB 50157 -92 地下鐵道設計規范
2 　GB 50157 -2003 地鐵設計規范