通常情况下,我们把高速铁路建设分为线上设施和线下设施。高速铁路线下设施有几点:线间距、曲线半径、缓和曲线、隧道净空。这些参数一旦建成是不可调整的。而线上参数一般是可以调整的,一般有:超高、列控等级、供电系统、接触网悬挂方式等等,这些均可以进行后期调整。所以说,一条高速铁路的线下标准决定了这条高速铁路的运营时速。
线间距和隧道净空
国内目前线间距参数为:
4.2m 160km/h(纯动车组线路200)
4.4m 200km/h
4.6m 250km/h
4.8m 300km/h
5.0m 350km/h
4.6m 台北-高雄(时速300km 车体宽约3.38m)
国外线间距相关参数为:
运营时速285的东海道新干线线间距为4.2m(车体宽约3.38m)
运营时速320的东北新干线线间距为4.3m(车体宽约3.38m)
设计时速360的LGV东线线间距为4.5m(车体宽约2.8m)
运营时速300的LGV东南线线间距为4.2m(车体宽约2.8m)
运营时速300的科隆-法兰克福线线间距为4.5m(车体宽约2.9m)
综上,相对来说国内的线间距标准较为宽松。
国内目前隧道净空参数为:
92㎡ 双层集装箱线路
81㎡ 时速200非双集线路
88/92㎡ 时速250线路
100㎡ 时速300/350线路
90㎡ 台北-高雄(时速300 车辆横截面积12.6㎡)
国外隧道净空相关参数为:
82㎡ 曼海姆-斯图加特(时速280km,车辆横截面积10.3㎡)
82㎡ 汉诺威-维尔茨堡(时速280km,车辆横截面积10.3㎡)
100㎡ 科隆-法兰克福(时速300km,车辆横截面积10.3㎡)
100㎡ LGV北线(时速300km,车辆横截面积10㎡)
71㎡ LGV东南线 (时速300km,车辆横截面积10㎡)
64㎡ 东海道新干线 (时速270km,车辆横截面积12.6㎡)
107㎡ 汉城-釜山(时速300km,车辆横截面积10㎡)
75㎡ 马德里-塞维利亚(时速300km,车辆横截面积10㎡)
综上,国内的隧道净空标准也较为宽松。
关于线间距和隧道净空方面的试验可以参考2015年赣瑞龙线间距适应性试验上面得到的数据。
参考《线间距和阻塞比对动车组空气动力学性能影响的分析》
(1)对车体强度和旅客乘坐舒适度影响
试验结果显示,与5m线间距、100m²隧道截面积工况相比,4.4m线间距、81.37m²隧道截面积工况下的压力波分布、压力波随隧道长度和速度等变化的规律基本一致,只是数值上增大。动车组以不高于310km/h通过4.4m线间距、81.37m²截面积隧道试验过程中 ,车内压力变化1s最大值为279Pa,车内压力变化3s最大值为557Pa ,车内外压差最大值为3844Pa ,满足气动舒适度和车体强度安全性相关标准要求;两列动车组在隧道内以不高于310km/h与310km/h交会试验过程中,车内压力变化1s最大值为346Pa,车内压力变化3s最大值为593Pa,车内外压差最大值为5755Pa;两列动车组在明线交会试验过程中,车内压力变化1s最大值为53Pa,车内压力变化3s最大值为57Pa,车内外压差最大值为684Pa,满足旅客乘坐舒适度(车内压力变化小于0.5kPa/1s和0.8kPa/3s)和车体强度安全性(车内外压差不大于±6000Pa)标准要求。
(2)对动车组动力学性能的影响
在310km/h及以下速度级单列通过及两列交会时,随车速提高,通过测力轮对技术监测到的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等列车运营安全性指标测试值基本呈增大趋势,各指标均符合要求。因两列交会对车辆影响时间很短暂(约在0.2~0.3s之间),且受力方向会发生两次改变,导致仅有车体横向加速度受交会影响明显。同时相比隧道内交会(约0.8m/s²),明线交会(约1.2m/s²)对车体横向加速度的影响更大。其他指标在交会时未见明显变化。试验结果表明,动车组以不高于310km/h的速度通过隧道和在隧道内交会过程中的隧道气动效应不影响动车所的运行安全性。
(3)结论
①明线交会时,线间距对会车压力波有一定影响,在4.4m线间距下车体表面交会压力波是5.0m线间距下的1.2倍左右,但均远小于车体容许气动载荷;通过隧道及在隧道交会时,线间距对会车压力波影响较小,影响隧道空气动力学性能的主要因素为阻塞比(隧道截面积),气压波与阻塞比的1.3~1.6次方成正比。
②线间距4.4m、隧道净空面积81.37m²线路下,动车组以不高于350km/h通过隧道 和在隧道内交会过程中的隧道气动效应对动车组的运行安全性、车体强度及旅客舒适度的影响均在允许范围内。
参考《雅万高铁技术标准研究》
根据雅万高铁项目的自然特征和运输组织特点,中国铁路总公司组织相关单位对线间距和隧道净空面积进行了实车试验和专题研究,综合不同车型影响分析、动模型试验、仿真计算及实车试验外推结果,设计速度350km/h、线间距4.6m、隧道净空面积 81.37m²的条件下,“通过”和“交会”2种工况,车内空气压力变化小于500Pa/1s和800Pa/3s,满足旅客乘坐气动舒适度要求,车体强度可以承受超过365万次的车内外压差气动荷载,满足车体气密强度要求。因此,雅万高铁设计速度350km/h,可采用线间距4.6m、隧道净空面积81.37m²。
综上所述,线间距和隧道净空不属于影响高速铁路提速的原因。
曲线半径和缓和曲线及超高
什么缓和曲线?
行驶于曲线轨道的机车车辆,出现一些与直线运行显著不同的受力特征。如曲线运行的离心力,外轨超高不连续形成的冲击力等。为使上述诸力不致突然产生和消失,以保持列车曲线运行的平稳性,需要在直线与圆曲线轨道之间设置一段曲率半径和外轨超高度均逐渐变化的曲线,称为缓和曲线。
一条高速铁路设计时速决定最小曲线半径,曲线半径决定需要的缓和曲线和超高,缓和曲线和超高决定超高变化率,超高变化率影响乘坐舒适度。一般来说同样的曲线半径设计时速越高就需要越长的缓和曲线。
根据高速铁路设计规范:R5500情况下,时速350线路的参数为缓长550m,超高175mm,而时速250线路的参数为缓长310m,超高85mm。根据相关规范,国内超高变化率标准为:25mm/s优秀,28mm/s良好,31mm/s困难。国内欠超高标准为:40mm优秀,60mm良好,90mm困难。如果以时速350通过设计时速250线路R5500m曲线,欠超高将会达到178mm,远大于国内要求的欠超高不超过90mm标准。
如果我们进行垫高来提高超高以满足欠超高不超过90mm标准,那么这个曲线的参数为R5500m,缓长310m,超高173mm,那么超高变化率将会达到54mm/s,也远大于超高变化率不大于31mm/s的标准,舒适度将会受到很大影响。
所以说对于部分时速250线路的,虽然曲线半径满足时速350标准,但是因为缓和曲线和超高是250标准,所以当时速350通过的时候欠超高一般会大于90mm,如果要增加超高来满足欠超高标准,那超高变化率一定会增加,要想在增加超高的同时,超高变化率不超过标准,那只能拉长缓和曲线长度,但是缓和曲线是不可后期调整的!所以说在既有规范情况下就无法提速。
综上,缓和曲线长度很可能是限制高速铁路速度进一步提升的关键问题。
标准放宽
参考国外标准:
科隆-法兰克福线允许最大欠超高150mm
LGV东南线允许最大欠超高130mm
东海道新干线允许最大欠超高110mm
新干线允许最大超高变化率45mm/s
国内未来也可以对相关标准进行放宽。例如欠超高放宽至110mm允许超高变化率35mm/s。建议在舒适度不受到较大影响的前提下,让部分曲线半径满足350的250线路适当提速运行,释放运能。