适应列车高速度、高密度运行的线路特征

一、高平顺性

　　轮轨相互作用的理论研究指出，轨道不平顺所引起的轮轨动力响应及其对行车安全性、平稳性和乘车舒适性的影响，均随行车速度的提高而显著增大。

　　高速铁路的理论研究和实践表明，在平顺的轨道上，车辆处于稳态运行状态，列车速度低于临界速度时，即使速度很高，轮轨动力附加荷载也很小。反之，即使轨道、路基和桥梁结构在强度方面完全满足要求，而平顺性不良时，列车运行虽未接近临界速度，但由线路引起的车辆振动和轮轨动作用力将大幅度增加。例如，幅值为10mm、波长为40m的连续高低不平顺，在常规速度下引起的车体振动和轮轨动力附加荷载都很小，可以容许大量存在；但在速度达300km/h时，可使车体产生频率为2 Hz、半幅值为0.18g(有效值rms为0.13g)的持续振动加速度。根据IS02631国际振动环境控制标准中有关“保障健康限度”的规定，人体承受这种加速度的持续时间只能5 h。否则，会导致乘客血压、脉搏、消化等生理现象不正常。又如，幅值5mm、波长40m的方向不平顺，在常规速度下同样不用管理；而在300km/h速度下，车体将产生约2 Hz、半振幅约0.066g(rms值为0.045g)的横向振动加速度。根据IS02631有关“工作能力减退”限度标准，乘务人员在此种振动环境下仅能工作3h，否则将会疲劳、工作能力下降，司的判断、应急能力将减退。而IS02631的“舒适度减退”限度仅为“工作能力减退”限度的1/3。在振动频率为1～2Hz、累计时间4h的车体振动环境下，保持舒适感不减退的振动加速度，横向为O.017g(rms值为0.011 8g)，垂向为0.035～0.05g(rms值为0.0250.035g)。对于数量较少，而幅值较大的局部轨道不平顺，为保障旅客阅读、书写、餐饮等不受干扰，不受到惊吓，不产生反感，日、法、德等国规定，局部轨道不平顺引起的瞬时作用的垂向加速度不得大于0.12—0.15g，横向加速度不大于0.10～O.12g。再如，一个微小的0.2mm的迎轮台阶形焊缝不平顺，在300km/h行车速度下，引起的冲击性轮轨高频动作用力P1达720kN，低频轮轨附加力P₂达320kN，可导致轨道破坏，路基产生不均匀沉陷。各种微小的短波不平顺，都是恶化轨道几何状态的根源，可能引发轮、轨、轴断裂，也是产生噪声的根源之一。

　　因此，高速铁路要求高平顺性的轨道。而高平顺性的轨道是依托在高平顺性的线路空间曲线、路基、桥梁等基础之上的。显然，不从线形、路基、道床、钢轨、桥梁等各方面采取保证措施，是达不到高平顺性要求的。

　　二、高稳定性

　　稳定、沉降小且沉降均匀的平顺路基是高平顺性轨道的基础。稳定性好的路基，主要是靠控制路基工后沉降和不均匀沉降，以及控制路基顶面的初始不平顺来保证。这正是高速铁路路基设计、施工与普速铁路的主要区别。即高速铁路主要是以“变形”控制路基的设计、施工，而普速铁路则主要是以“强度”控制路基的设计与施工。因为，路基的工后沉降大或沉降不均匀，就要求经常维修线路，而经常处于维修的线路，其稳定性、平顺性肯定是差的，这就影响了高速行车。同时，路基的不均匀沉降过大，或其顶面初始不平顺大，将导致道床厚度不一致，道床的残余变形积累不均匀。这在日、法等国高速铁路上是有教训的。当行车速度在160km/h以下时，对波长为56、70、83、97 m的中长波高低不平顺可不予管理，但分别在200、250、300、350 km/h速度下，其激扰频率与日、法高速车辆的车体垂向自振频率1Hz相当，导致车体产生一度称为“不明原因的强烈振动”，轨检车测不出，养路机械修不了，较晚时间才认识到此道理，从而重视了路基的不均匀沉降和初始不平顺问题。法国高速铁路规定，路基铺轨后，5年内最大允许沉降量5cm，韩国高速铁路规定为7cm。日、法等国对路基顶面不平顺规定为：20m弦长范围内任意测点高差不得大于±25mm。

　　高稳定性特征反映在桥梁上，表现为对桥梁结构要求有足够大的刚度。因为高速列车对桥梁的动力作用远大于普速列车对桥梁的作用。桥梁出现较大挠度会直接影响桥上轨道的平顺性，造成结构物承受很大的冲击力，旅客舒适度受到严重影响，轨道状态不能保持稳定，甚至影响列车的运行安全。此外，为保证轨道的平顺性，还必须限制桥梁预应力徐变上拱和不均匀温差引起的结构变形。这些都对高速铁路桥梁结构刚度和整体性提出很高的要求，对桥梁挠度、梁端转角、扭转变形、横向变形、结构自振频率和车辆竖向加速度方面作出严格的限定。所以，高速铁路桥梁设计主要由刚度控制。尽管高速铁路桥梁实际承受的活载小于普通铁路，但实际应用的高速铁路桥梁，在梁高、梁重上，均超过普速铁路桥梁。

　　此外，无缝线路钢轨在桥上的受力状态与在路基上不同。桥梁结构的温度变化、列车制动、桥梁挠曲等，使桥梁在纵向产生一定的位移，引起桥上钢轨产生附加应力。过大的附加应力会造成桥上无缝线路失稳，影响行车安全。因此，墩台基础要有足够的纵向刚度，以尽量减小钢轨附加应力和梁轨间的相对位移。各国在修建高速铁路时，除了对墩顶纵向刚度有严格要求外，并对如何避免结构物出现较大的纵向位移进行了深入研究，提出多种控制方法和构造措施，以供高墩桥梁选择。