高速铁路桥梁安全防护措施分析

2010-01-27肖沁凯

铁道标准设计 2010年6期

肖沁凯

(中铁第四勘察设计院集团有限公司桥隧处，武汉 430063)

1 设置列车安全防护措施的必要性

尽管高速铁路线下基础设施的稳定性、线路轨道设备的平顺性以及列车装备的安全性较普速铁路大为提高,理论上高速铁路列车脱轨的概率远小于普速铁路。但由于轨道、车辆及控制系统等存在的缺陷和地震等自然灾害因素的影响,高速铁路列车仍然存在脱轨风险。

相对于普速列车而言,高速列车发生脱轨事故,势必将给乘客人身安全和铁路运输设备造成更为严重的危害。例如,1998年德国高速铁路出现因车轮轮毂断裂导致列车脱轨,造成数百人伤亡和数节车辆损毁；2004年日本上越新干线因地震导致的列车脱轨,造成40轴中22轴脱轨和1号车厢翻入排水沟。

相对于路基地段而言,列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动,桥梁的振动又反过来影响车辆的振动,高速铁路列车与桥梁之间的动力耦合作用加剧,车体的横向冲击力也明显提高,一旦发生脱轨,列车会撞击桥梁甚至冲入桥下,后果十分严重。因此,在高速铁路桥梁上,研究设置合理、可靠的列车安全防护措施是非常必要的。

2 列车安全防护措施的常用方式

2.1 列车脱轨工况及防护目的

列车运行的安全性主要是考虑运营过程中列车是否存在脱轨问题。世界各国对于列车运行安全性进行了长期、系统的理论研究和工程实践,取得了令人满意的成果和经验。从受力状况分析,列车脱轨可以分为两类：一类是竖向轮重减载导致的脱轨；另一类是轮轨间的横向力过大而引起的脱轨。前者多发生于列车低速运行于小曲线半径的情况,而后者则多发生于列车高速运行时。

列车脱轨情况下,车体将偏离轨道中心,列车竖向荷载偏向线路中心外侧。如果列车偏离轨道中心幅度较大,有可能撞击到桥梁或其附属设施,进而冲出桥面甚至造成次生灾害。设置桥上安全防护措施的目的,是对脱轨列车进行导向和限位,避免其在横向有超出允许的位移。由于高速铁路列车的横向冲击力加大,需要防护措施具备足够的抗撞击能力。

2.2 我国普速铁路桥梁上的安全防护措施

我国普速铁路桥梁采用在基本轨内侧铺设护轨的方式,将脱轨车轮限制在基本轨和护轨之间的轮缘槽。护轨的设置区段为：特大桥及大中桥；曲线半径≤600 m或桥高>6 m,长度≥10 m的小桥；跨越铁路、重要公路、城市交通要道的立交桥。护轨的铺设方式为：双线桥各线均应铺设护轨；三线及以上的桥,当各线的桥面分别设于分离式的桥跨结构上时,各线均应铺设护轨；当各线铺于同一桥跨结构上时,可仅对两外侧线铺设护轨；护轨顶面不应高出基本轨顶面5 mm,也不应低于基本轨顶面25 mm。同时,护轨伸出桥台一定长度,使脱轨车轮在进入桥梁前便导入轮缘槽内。运营实践证明,护轨能够发挥一定的防护作用。

2.3 国外铁路桥梁上的安全防护措施

2.3.1 德国

德国相关标准规定,当桥上或桥前曲线半径<300 m,或轨面以上承力构件距线路中心≤3.2 m、桥长>20 m的下承式结构时,应设置安全措施；不设置安全措施的应进行脱轨检算。

对于采用无砟轨道的高速铁路,以电缆槽墙体作为列车安全防护措施(图1)；在脱轨事故发生后,在轨道间增设了混凝土挡块(图2),防止列车脱轨后偏离轨道中心过远。

图1 电缆槽防护

图2 轨道间混凝土挡块防护

2.3.2 法国

法国铁路为有砟轨道,桥上的安全防护措施采用护轨方式。单线桥上铺设2条护轨,多线桥上在每条线路内侧各铺设1条护轨。

2.3.3 日本

日本新干线除明桥面上铺设护轨外,其他区段桥梁不采用任何安全防护措施。近年来,针对提高地震条件下列车运行安全性需求,对于厂修的列车,在转向架轴箱下方安装反L型车辆导向装置,保证列车脱轨后导向装置钩住钢轨(图3),防止车辆偏离轨道中心线过远。

图3 反L型车辆导向装置

2.3.4 瑞典

瑞典高速铁路列车安全防护措施,主要是采用加高挡砟墙的方式。挡砟墙墙顶面高出轨顶面约0.50 m,同时可起到降低轮轨噪声对沿线环境影响的作用。

2.3.5 UIC规范

国际铁路联盟(UIC)规范规定,在有砟钢桥面或有砟钢筋混凝土桥面上铺设线路时,为了控制列车在桥上脱轨的后果,可以设置保护措施；如果挡砟墙比轨枕上缘高,且足够坚固,能起到控制车轮的作用时,亦可不另设防护措施。

3 我国高速铁路桥梁上的列车安全防护措施

3.1 防护措施的形式选择

针对高速铁路桥梁上的列车安全防护措施选型,我国进行大量的前期研究工作。应该说,最有代表性的防护措施是设置护轨。但桥上设置护轨给线路维修养护带来诸多不便,会在一定程度上影响线路质量并增加养护工作量。经综合比选,确定采用加高加强挡砟墙(防护墙)的方案。挡砟墙(防护墙)的高度应根据最小曲线半径时,墙顶高程不低于外轨顶面计算确定,目的在于脱轨情况下可使列车沿挡砟墙(防撞墙)向前滑行,以防止列车倾覆或冲出桥面。有砟轨道桥梁上称作挡砟墙兼具挡砟功能,无砟轨道桥梁上称作防护墙。

3.2 挡砟墙(防护墙)的结构设计

3.2.1 横向脱轨荷载的取值

挡砟墙(防护墙)的结构设计,主要考虑列车脱轨时的横向撞击力。轮对对钢轨的横向冲击力大小取决于轮对横向加速度、车轮对轨道的冲击角和轮对瞬时轴重。对于横向撞击力,各国的取值不尽相同,德国为250 kN/m,法国为42.5 kN/m,日本为47.5 kN/m。

根据物理学动量定律,以轮对在轨道上正常运行的冲击角作为冲击防护墙的角度,则轮对对防护墙的横向冲击力为

Q=m·v·sinα/Δt

式中，m为轮对质量；v为列车运行速度；α为轮对冲击角；Δt为横向冲撞力作用时间。由于列车脱轨时将发生轨排横移、轨距扩大及线路失稳等现象,列车冲击防护墙的冲击角将会产生偏差,同时横向冲撞力的作用时间的大小,对横向撞击力影响较大。因此根据我国的具体情况,从偏于安全考虑,列车脱轨对挡砟墙(防护墙)的撞击力取为100 kN/m,其作用点位置与轨顶面平齐。

3.2.2 挡砟墙(防护墙)的构造与布置

挡砟墙(防护墙)与桥面连为一体。对于有砟轨道桥梁,为保证大型养护机械作业,墙体内侧距离线路中心线最小距离为2.20 m；对于无砟轨道桥梁,在满足建筑限界条件下,以尽量靠近线路为原则,墙体内侧距离线路中心线最小距离为1.9 m。

墙体宽度根据撞击力产生的弯矩进行设置。现行标准设计中,挡砟墙(防护墙)顶面宽度为0.20 m,底面宽度为0.25 m。

标准设计中的挡砟墙(防护墙)的具体布置分别如图4和图5所示。