2020城市轨道交通创新推广项目|宁和城际轨道交通搭载国铁大胜关大桥过长江综合关键技术

       为加速城市轨道交通领域科技成果转化和推广应用，推选中国土木工程詹天佑大奖，轨道交通分会在中国土木工程学会的指导下，在行业内征集城市轨道交通技术创新项目。经专家评审，决定授予“市域线快慢车运营模式综合技术研究应用与推广”等20项技术类项目和“广州市轨道交通二十一号线工程”等7项工程类项目为城市轨道交通技术创新推广项目，在全国轨道交通建设中予以推广。

宁和城际轨道交通搭载国铁大胜关大桥过    长江综合关键技术

       城市轨道交通车辆是低污染、大运能、快速准时、舒适安全的轨道交通的载体，随着国家农村城镇化进程的加快及大城市一小时都市圈的相继规划，城市轨道交通得到了飞速的发展，北京、上海、广州、南京、杭州、武汉等地均已开通了多条线路。

       因此，针对轨道交通运营环境，进行桥梁、车辆等的风参数研究、风荷载参数风洞模型试验研究、挡风结构措施研究、强风作用下对铁线路接触网的影响研究及风-车-桥耦合振动分析，研究保证桥上列车运行安全性和平稳性的风速-车速关系曲线，提出挡风结构措施、桥上列车安全行车的预报风速与封闭风速，对轨道交通运营管理与安全都具有重要意义。

       1）线路采用长大坡道

       大胜关大桥已预留宁和城际线位，线路方案的重难点主要为长江南岸左线绕行段线路方案。

       宁和城际线路出刘村站后，左右线绕行接入大胜关大桥。其中线路左线绕行段存在穿越京沪高铁大胜关长江引桥桥墩、红太阳装饰原料城、南京舒曼钢琴制造有限公司、规划汽车城及220kV热双1#，2#线、500kV汊东5295线高压电线走廊等众多控制因素。

       线路采用如下方案：左线出刘村站后，沿龙藏大道向西走行，下穿220kv热双1#、2#线、上跨规划凤舞北路、线路中心距离京沪高铁桥墩边缘9.7m（承台净距4.6m）下穿京沪高铁桥梁，线路以R=350半径下穿500kv汊东线拐至舒曼钢琴厂边缘，距离围墙5m向北走行，再次下穿500kv汊东线、上跨板桥河，后接入大胜关大桥合建段。

       受下穿500KV高压线控制，区间线路采用507.818m长、34.8‰坡度长大坡度与大胜关大桥衔接。34.8‰坡度为本线采用最大坡度。

左线绕行区间平面示意图

左线绕行区间纵断面示意图

大胜关大桥示意图

下穿京沪高铁桥梁平面图

       2）极端天气下（含强风、强降雨）地铁列车的运营安全性研究

研究总体方案如下：

       针对各部分研究内容，采用理论分析与风洞模型试验相结合的方法进行研究,主要如下：

      根据风-雨耦合作用场资料进行数据准确处理、提取及分析，获得风、雨、及其耦合作用相关参数，通过对参数的归纳、统计、分析，找出相应的规律，与既有模型进行比较或修正，进行而建议风-雨耦合作用的数学模型。其关键技术点为：风－雨耦合作用场特性和模型，雨对大跨度桥梁结构的作用效应和机理；风－雨耦合场作用下大跨度桥梁结构的气动力和气动参数及风致动力效应分析方法。风-雨耦合作用主要与风参数、降雨参数及风-雨耦合作用参数有关，风参数包括：风速、风向、脉动风速、湍流强度、风剖面、风谱、风积分尺度、风的空间相关性及强风作用时间；降雨参数包括：雨速、雨强、雨量、雨量雨滴谱、雨滴大小的分布、雨参数的空间相关性和降雨持续时间等；风-雨耦合作用参数包括：风驱雨导致相关风、雨参数的改变、空气中雨量变化对空气密度的改变等。研究特大型桥梁风-雨耦合作用模拟需要确定上述各参数各自及其联合的数学模型。

技术方案具体如下：

       ①风速与雨量（强）联合分布模型

风速与雨量（强）分布函数均为多变量的随机分布函数，Copula函数是将多维分布函数的多个边缘分布函数作为自变量连接在一起的一种函数，它也是多元随机变量分布函数，由于其对边缘分布没有限制，能将任意形式的分布通过特定的多元分布函数进行连接，因此，通过Copula法可以从连缘分布处连接它们得出风速与雨量（强）联合概率分布函数。

       ②降雨特性相关模型

       降雨特性包括：雨滴粒径、雨向、雨速、雨滴谱、降雨量及持续时间等，可根据气象站资料进行统计回归分析，确定雨滴粒径分布概率、雨向、雨速、雨滴谱、降雨量谱、持续时间及其与风速的关系。

       雨滴在降落过程主要是受其自身的重力、空气阻力、风气动力等的作用，其粒径大小、速度、方向等均会受到风的影响，目前国内外对雨滴粒径大小及其下降终点速度研究主要仍是在静风环境下进行的，还没有考虑强风的影响。

       通过风-雨联合作用下风洞试验，获得雨滴粒径大小、雨速、雨向与风速的相关关系，进而确定降雨特性随高程变化规律、空间相关性、雨滴谱、降雨持续时间等等的统计计算式。

       ③雨滴对结构的冲击作用模型

雨滴自身有质量，当其以某速度撞击结构物表面，必然会产生撞击力，基于粘性碰撞理论，建立雨滴粒径、雨向、雨速、雨量、雨滴谱等对结构表面的冲击力计算式。

       雨滴速度在与结构碰撞的极短时间内变为零，这是一个动量变化过程，雨滴与结构之间的相互作用过程遵循牛顿第二定律，在实际应用中，对于结构，建议降雨的冲击力可表示为2个方向的作用力，即竖直方向与顺风向；根据动量守恒定理可确定单个雨滴的冲击力，对于强降雨状态，则可认为其均匀分布。

       ④空气密度变化模型

       由于空气的散射特性和迁移特性，风-雨天气空气湿度大，另外，雨滴撞击结构物表面会产生的粘附、弹跳和飞溅现象，因而结构物周边空气中的水汽质量与干空气质量比值发生改变，空气密度必然与无雨天气会有所不同，而风对结构的气动作用力与空气密度密切相关，因而，需建立空气密度随风速、雨量等的变化规律模型，该模型可供风洞模型试验、CFD计算提供修正依据。

       从气象站实测数据中分离出水汽输送量、比湿、风速值、温度及压力值，依据状态方程计算相应的空气密度。

       对不同时刻、不同风-雨状态数据及分析，采用最小二乘法原理，建立空气密度与雨量、比湿、风速值、温度及压力值等的关系曲线与方程。

       ⑤风特性相关模型

       风特性包括：风速、风向、脉动风速、湍流强度、风剖面、风谱、风积分尺度、风的空间相关性等。

       通过对气象站数据的分析，确定风-雨天气条件下风特性相关模型，如风速剖面、脉动风速、湍流强度及其剖面、风谱及风速相关性等。

       从各气象站实测数据中提取出风速、风向时程，进行统计计算分析和谱分析，计算出平均风速、脉动风速的统计量和风速谱，同时计算出其湍流强度及剖面曲线与规律。

       ⑥风、雨两相流等效为一相流的等效模型与准则

       风雨天气的空气中夹带雨滴，两者形成更复杂的分布状态，其有气、液两相流动的特征，对其进行研究或模拟可有两条途径，一是基于前面分析结果将风、雨特性进行分别模拟与实现的技术，其特点是针对两相特性，忽略其界面相关特征，分别建立相似准则。另外一种是将两相流等效为一相流，进而进行综合模拟与实现的技术，其特点是需要建立等效模型和等效准则。

       根据流体力学理论，两相流的特征方程与单向流一样，其由场方程中的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，以及连接三者的NS-Stokes方程组成。

       两相流较为复杂，其基本方程仍处于研究阶段，特别是气液两相流，由于其界面本身不稳定，其流型在流动过程中会发生变化，导致其参数与特征发生改变，因而采用概率平均法则，进行加权平均，并对场方程中的特征参数进行分析修正，使两相流成为均匀的流场特征，将其等效为一相流，是目前较为可行的模拟方法。

       3）钢桥面轨道结构

       大胜关桥过江段采用大跨度钢梁结构，钢桥的施工误差，会导致承载轨道交通的纵梁及横梁产生高低、左右不平的状况，这些结构的不平顺会影响轨道施工，如不处理，则会使轨道产生不平顺，影响行车安全。因此，在轨枕及扣件的设计阶段，应充分考虑钢桥施工误差对轨枕及扣件的影响，必须对轨道结构对钢桥施工误差适应性进行系统深入的研究，分析轨道结构在各种工况下的稳定性及安全性。

       总技术路线：分析最不利工况→轨道系统对钢桥施工误差的静态适应性研究→轨道系统对钢桥施工误差的动态适应性研究→型钢翼缘的疲劳研究。

       技术内容：

       ①  轨枕及扣件对钢桥施工误差的静态适应性研究

在钢桥施工误差积累过程中，在特定条件下会产生最不利状况。对最不利状况进行分析，分别按照轨枕处于最不利状况、扣件处于最不利状况及两者同时处于最不利状况下，采用有限元方法，分析轨枕及扣件各部分的受力状况，检算其稳定性及安全性。

       ②轨枕及扣件对钢桥施工误差的动态适应性研究
由于轨道交通为周期性动态荷载，因此在静态分析的基础上，考虑周期性荷载作用下的轨道系统的稳定性及安全性。采用试验方法，分别按照轨枕处于最不利状况、扣件处于最不利状况及两者同时处于最不利状况下，施加动态荷载作用，模拟在运营状态下，检算轨道结构的稳定性及安全性。

       ③钢桥型钢翼缘的疲劳研究

采用有限元模拟方法，研究型钢翼缘在疲劳荷载作用下的应力分布状态，找出容易疲劳破坏的关键部位，提出具体的保护措施。

       4)感应电压吸收装置

      为解决高铁单相交流供电系统对地铁直流1500V系统产生的电磁感应和静电感应，同时保障地铁运营检修人员的人身安全，刘村站及三个区间所内增加了感应电压吸收装置；

       5）通信、信号系统的电磁兼容技术

       本项目对大胜关长江大桥通信信号系统的电磁兼容性进行测试和深入研究。重点研究专用无线通信设备、信号CBTC系统设备、车地无线系统设备等主要设施的电磁兼容性方案，确定通信信号关键设备的电磁兼容性能够满足工程上的要求。研究主要是以信号的波导自由无线、通信及信号的无线天线作为研究对象，选择市场上成熟供货商的标准产品进行在桥测试，分析计算各无线设备的电磁兼容性，通过研究成果制定方案，并在工程中付诸实施。

       6）长大坡道制动黏着技术研究

      宁和城际在大胜关桥区段有一段露天的下坡道，其长度为508m，坡度为34.8‰，坡道末尾接正向R500+反向R500小半径“S”形曲线。大坡道后接长371m、坡度13.546‰的下坡道，其后接R350小半径曲线上坡。

      车辆进入34.8‰长大下坡道前的运营限速为88km/h，为使车辆行驶到小半径曲线时不会超速（在R500曲线运行时速度不得超过80km/h，在R350曲线运行时速度不得超过70km/h），在进入34.8‰长大下坡道后车辆需施加制动。由于该区段是露天线路，在雨、雪等恶劣天气下车辆可能会出现滑行，且在长大下坡道上受车辆自身重力影响会导致车辆加速下滑，超速及滑行风险较大。鉴于该项目不能采用撒砂方式来提高轨道黏着，宁和城际车辆采用下坡小级位制动方案，制动过程中维持较小的制动力不变，并通过在司控台上增设“下大坡道按钮”来实现此特定功能。“下大坡道按钮”的控制电路见下图。

“下大坡道按钮”控制电路

       在手动驾驶模式下，车辆进入34.8‰长大下坡道后，按下“下大坡道按钮RPPB”（自锁式），车辆将切除牵引并触发小级位制动,该制动力恰好克服列车自重产生的下滑力，使列车能够在长大坡道上保持匀速行驶。经验证，这种小制动力在试验所能模拟的最差轨道黏着条件下（0.05左右）也不会使列车产生严重滑行，使列车可安全通过长大坡道区。

       制动控制单元设有下大坡道列车线硬线接口，当网络系统故障时，车辆将启用紧急牵引驾驶模式，电制动将被禁止，小级位制动为制动系统施加的纯空气制动。离开坡道后，复位“下大坡道按钮”，车辆恢复正常运行，按线路限速正常手动驾驶。

       另外为了尽量减少电制动故障时正常动车对轨道黏着的需求，降低滑行风险，修改了宁和城际车辆TCMS数据流：在TCMS和牵引的端口中增加新的级位信息。即在端口0x020中添加发给4个牵引单独的级位信号。牵引不再接收公共端口（0x001）中汇总的级位信号，而是每个牵引从端口0x020中接收发给自己的单独级位信号，以便根据电制动故障的情况进行级位动态分配。具体控制策略为：

       通过此控制策略的应用，可实现车辆在通过长大下坡道时，即使车辆存在电制动故障，其他正常动车的电制动力值也不增加，对轨道的黏着需求也不增加，从而有效降低滑行风险，使车辆安全顺利地通过长大下坡道。

       宁和城际轨道交通搭载南京大胜关大桥过江工程，为国内外首个六线并行铁路工程；过江段钢桁拱桥中间为两线沪蓉铁路、两线京沪高速铁路，桥两边桁的外侧各外挑5.2m的悬臂托架，支撑南京市地铁轨道交通，高铁桥上搭设地铁，在国内外也属首次。轨道交通线路在离水面45m以上的高度运营，处于风力较大的地区。首次采用悬挑结构搭载轨道交通，依托该工程，南京地铁研究了极端天气下南京大胜关大桥地铁行车安全性，通过桥梁、车辆等的风参数研究、风荷载参数风洞模型试验研究、挡风结构措施研究、强风作用下对线路接触网的影响研究及风-车-桥耦合振动分析，研究保证桥上列车运行安全性和平稳性的风速-车速关系曲线，提出挡风结构措施、桥上列车安全行车的预报风速与封闭风速，对运营管理与安全都具有重要意义，同时也实现了有效节约社会能源的目标。

       另外，项目研究成功的创新性弹性分开式扣件，为国内轨道交通明桥面首次应用，为大批量使用扫除技术障碍，必将增强区域技术创新能力和创新水平，促进南京市科技事业更好更快发展，同时为我国城市轨道交通建设做出更大贡献，创造更大的社会和经济效益。

主要技术特点如下：

       1）采用采用508m长、34.8‰坡度长大坡道，解决了下穿500kV高压线、衔接大胜关大桥的问题；

       2）建立风雨耦合场的数学模型、雨滴对结构的冲击作用及空气密度变化模型；分析风雨耦合对桥梁静力特性的影响、风雨耦合桥上地铁车辆与主梁的风载参数；分析强风雨天气作用下地铁行车安全性、分析接触网系统抗风安全性。

       考虑风雨荷载作用，根据相应的评价指标结果表明：当桥面风速不大于25 m/s、车速不大于100km/h时，地铁车辆在超员、定员和空载状态下，位于迎风侧和背风侧时，桥梁的动力性能均满足要求，列车的运行安全性有保证，乘坐舒适性均达到优。当桥面风速达到30 m/s时，当车辆以车速60 km/h～100 km/h运行于迎风侧时，动车和拖车轮重减载率和部分轮轴横向力均超出规范限值，车辆应禁止运行，而当车辆位于背风侧时，作用在车辆上的风荷载较小，各项指标均满足限值要求，列车的运行速度可达到100km/h。

       3）研制了适用于轨道交通明桥面的弹性分开式扣件，为国内轨道交通明桥面首次应用，为大批量使用扫除技术障碍。

       4)通过增加感应电压吸收装置，解决高铁单相交流供电系统对地铁直流1500V系统产生的电磁感应和静电感应，同时保障地铁运营检修人员的人身安全；

       5）对大胜关大桥上通信、信号系统的电磁兼容性进行测试和深入研究，用光缆替代电缆，以及漏缆夹具采用高铁专用夹具的措施，解决高铁对轨道交通信号系统、通信系统的辐射干扰，填补国内轨道交通中特殊环境下通信信号系统电磁兼容性技术领域的空白。

       6）针对大胜关桥长大下坡道区段，研究采取多种可靠策略，一方面在司控台上设置特殊按钮，在进入长大坡道时按下该按钮，列车切除牵引并自动触发小级位制动,施加一个小制动力，该制动力恰好克服列车自重产生的下滑力，使列车能够在长大坡道上保持匀速行驶。经验证，这种小制动力在试验所能模拟的最差轨道黏着条件下（0.05左右）也不会使列车产生严重滑行。另一方面通过修改车辆TCMS控制策略，使得车辆即使存在电制动故障，其他正常动车的电制动力值也不增加，对轨道的黏着需求也不增加，从而有效降低滑行风险，使车辆可安全顺利地通过长大下坡道。

       本技术研究可在轨道交通过长江段、与铁路/高铁并行段的运营中得到充分的应用，并可为其他类似轨道交通项目提供参考和借鉴。

       1）论文成果

       本技术研究发表论文一篇：《建筑工程技术与设计》2014年第26期，南京地铁 12 号线搭载大胜关大桥过江段轨道结构设计。

       2）发明专利

       本技术研究取得两项发明专利：

      ①一种明桥面无缝线路的布置结构，专利号：ZL 2013 2 0369001.4）

       ②用于钢梁桥明桥面轨道的扣件结构，专利号：ZL 2013 2 0289619.X

       本项目技术方案主要通过建立风雨耦合场的数学模型、进行风洞试验、仿真计算等分析强风雨天气作用下地铁行车安全性、接触网系统抗风安全性等，提出挡风结构措施、桥上列车安全行车的预报风速与封闭风速，通过技术手段与科学管理以避免公共设施与公民生命财产的损失，保障轨道交通的建设与运营安全，对促进地方交通发展乃至国民经济都具有重要意义。

大胜关大桥鸟瞰图

大胜关大桥桥面

大胜关大桥轨道结构

（消息来源：中国土木工程学会轨道交通分会，涉及版权请联系删除，如有转载请标明出处）