试论高速铁路速度与高速轨道3.docx
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试论高速铁路速度与高速轨道3
试论高铁速度与高速轨道问题
（为中铁一院线运处处庆10周年而作）
西南交通大学土木工程学院王其昌
（二〇一二年三月四川•成都）
一直以来，人们对高速铁路的运输速度和轨道结构两大问题议论纷纷，争论不休，今天，也想就这两个问题与各位作一次交流。
第一个问题关于高速铁路运输速度问题
一般说，铁路运输速度有极限速度、最高设计速度、最高试验速度、最高运营速度、旅行速度、最佳速度等区分。
1.1铁路运输速度的时间性与相对性
铁路运输速度的高低是一个具有时间性和相对性的概念。
不同的历史时期，具有不同的科学技术水平，这就形成了与该时期相应的速度标准。
与当时的速度水平相比较，就产生了高速或低速的概念。
1.2轮轨粘着铁路速度
（1）所谓极限速度
借助轮轨间的粘着作用而产生牵引力的铁路，可能实现的最高速度称为极限速度。
靠轮轨摩擦产生牵引力的粘着铁路，可能达到的极限速度究竟是多少呢？
曾经是一个很有争议的问题。
问题的实质是，速度的极限是由空气阻力和粘着条件决定的。
（2）空气阻力与牵引力的关系
列车的空气阻力与列车流线型的程度有关，并与列车速度的平方成正比，速度越高空气阻力越大。
法德的试验研究表明，速度达到300km/h时，90~95%的功率要消耗于克服空气阻力。
轮轨粘着铁路，牵引力受轮轨粘着的限制。
而粘着力等于动轮荷载与轮轨间粘着系数的乘积。
粘着系数随行车速度的提高而降低，并与轮轨材质、表面状况、维修质量及动轮转动特征等一系列因素有关。
国外实测表明，当速度V≤160km/h时，电力机车（或动车组）的粘着系数约为0.20~0.25；而当V=250~300km/h时，粘着系数将降低到0.05~0.03，也就是说，机车（或动车组）能产生的最大牵引力，仅为其本身重量的5%~3%。
（3）轮轨粘着极限速度
由图1.2可见，随着行车速度的提高，一方面，空气阻力急剧增大，走行总阻力亦随之增大；另一方面，粘着系数降低，粘着力亦随之降低，牵引力必将随粘着力的降低而降低。
据此，走行阻力曲线与牵引力曲线的交点，即表示走行阻力与牵引力相等，当两者相等时，速度就不能再提高了，此时与交点相对应的速度即极限速度。
图1.2极限速度示意图
以往的研究，一般认为粘着铁路的极限速度约为350km/h。
但是，随着机车（或动车组）转向架构造的改善，交流电机驱动的使用，以及轨道结构的强化和轮轨材质的提高，粘着系数可以增大；又随着高速列车流线型程度的提高，空气阻力也可相应减小，如是，极限速度也会随着科学技术的进步而有所增大。
法国铁路TGV动车最高试验速度突破时速500km就是一个明显地例证。
1.3铁路运输高速化的历程—最高试验速度与最高运营速度
（1）第一代高速
上世纪60年代，1964年10月1日，一条时速210km的日本东海道新干线投入运营，开创了世界高速铁路的先驱，有人称之为第一代高速。
（2）第二代高速
上世纪80年代，法国、日本、德国、意大利、西班牙等国铁路已实现250~300km/h的最高运营速度，被称为第二代高速。
（3）第三代高速
上世纪80年代以来，法国铁路于1981年2月和1989年12月用TGV动车在有砟轨道上分别跑出380km/h和482.4km/h的最高试验速度；日本铁路300X系高速试验列车于1995年9月和1996年3月在板式轨道上也跑出了350km/h和443km/h的最高试验速度。
中国铁路于2008年8月在京津城际铁路上实现了350km/h的最高运营速度、392km/h的最高试验速度。
CRH380A高速动车组于2010年7月在京沪高速铁路先导段试验线上跑出了496.2km/h的最高试验速度。
因此说，实现350~500km/h的速度被认为是第三代高速。
（4）第四代高速
至于大于500km/h的靠轮轨粘着运输的第四代高速，已被法国铁路TGV动车于1990年5月和2007年6月，分别在有砟轨道上，实现了最高试验速度515.3km/h和574.8km/h。
（5）小结
总之，铁路运输速度是一个具有时间性和相对性的概念，是由科学技术水平决定的。
它综合反映了铁路技术装备、工程标准和管理质量。
需要机车车辆、线路标准、轨道结构、诊断维护和行车指挥的现代化。
1.4铁路运输速度提高的目的与目标—旅行速度
铁路运输速度提高的目的，主要有三：
（1）缩短旅行时间；
（2）提高与其它交通工具的竞争能力；
（3）增加铁路收入。
在缩短旅行时间中，提高速度是一个重要手段。
毫无疑问，最高速度是表征铁路运输形象非常重要的标志，但与缩短旅行时间有直接关系的是旅行速度（亦即平均速度）。
提高旅行速度才是提高列车速度的真正目的，也只有提高旅行速度才能对旅客有吸引力，经济效益才会显著。
我国铁路实施的既有线六次大面积提速至200~250km/h，以及大规模修建250~350km/h高速新线的举措，业已显示出速度提高带来的良好综合效应。
这是一项明智之举。
应当指出，提高速度可以节省旅行时间，但速度越高，因停车而增加的加减速附加时分就越长，所能节省的旅行时间相对减少。
如图1.3所示，最高时速每提高50km所能所能节省的旅行时分是逐渐减少的。
图1.3最高速度与旅行时分关系曲线
考虑到速度的提高，会受到经济（商业、供电）、技术（移动设备、固定设备）及环保（振动噪声）等方面的制约，应全面综合考虑。
1.5铁路与公路和航空竞争时需要达到的速度
1.5.1可竞争的旅行时间
火车与汽车和飞机相比较，具有不同的属性，它们之间的竞争关系不能单纯地取决于速度。
但至少可以这样认为，包括等待、换车在内的旅行时间比对方长的话，在竞争中将处于明显的不利地位。
1.5.2三方旅行时间的比较
比较的前提，一般认为：
（1）乘坐飞机时，等待、换机和办理搭乘手续等需要90min，平均飞行速度（包括起飞和着陆时间）为600km/h。
（2）利用汽车时，汽车在高速公路上的平均速度（包括一般公路）为80km/h。
（3）对于铁路，乘火车时等待、换车时间为30min。
1.5.3铁路可竞争的速度分析
图1.5.3给出了各种铁路速度与飞机、汽车的旅行距离和旅行时间的关系，从图中可以看出：
（1）在近距离（200km以内）时，如果铁路的平均速度达不到120km/h，则无法和汽车竞争。
2008年8月1日正式通车运营的京津城际铁路（无砟轨道）和合宁铁路（有砟轨道），最高商业运营速度分别达到350km/h和250km/h，平均旅行速度分别达到250km和200km/h。
特别是京津城际高速铁路创造了世界之最，大大缩短了京津间时空距离，形成了“同城效应”。
使两地区的客流大量流向了铁路，引起公交业界的严重关切。
（2）在中距离（500~600km）和长距离（1000~1500km）时，如果铁路的平均速度达不到250km/h和350km/h及以上，将会输给飞机。
已建成运营的京沪高速铁路，线路全长1300km，旅行时间拟5h内到达，这样，旅行速度和最高速度将分别达到260km/h和350km/h。
如是，将会吸引人们乘坐高铁出行。
图1.5.3三方旅行时间的比较
1.6高速铁路运输的最佳速度—速度目标值
1.6.1速度目标值的重要性
高速铁路速度目标值的确定，是有关将来铁路发展极其重要的技术指标。
因为它涉及到土建工程设计速度和机车车辆构造速度。
就土建工程而言，铁路线路线形（即平纵断面）技术标准必须与其速度目标值相适应。
作为固定设备的铁路轨道的使用期限特别久远，一旦修建完成，如若再行改建，就要花费大量的资金，对于无砟轨道来说尤其如此。
因此，速度目标值在规划阶段就应慎重加以研究。
1.6.2最佳速度或经济速度
所谓最佳速度是指铁路运营的既经济合理又能盈利的客运最高速度。
增大最高速度，一方面可以缩短旅行时间，吸引更多客流，增加运营收入；另一方面，由于建筑标准要提高，技术装备要先进，又会使铁路投资增大，同时，在运营中对轨道和机辆的维护质量要提高，并且大量的能量消耗于空气阻力，它又必然使运营费增加，运输成本提高。
显然，这里存在一个最佳速度即经济速度的问题。
最佳速度对各个国家拟定其高速铁路的最高时速有指导作用，一般最高速度都要略高于经济速度。
1.6.3速度目标值
——就客运专线而言
最佳速度目标值，各国根据本国的具体情况，研究结果大体接近。
1）日本270~300km/h
2）法国280~300km/h
3）德国270~300km/h
4）UIC300km/h
5）中国250~350km/h
——就客货共线而言
1）动车组200~250km/h
2）普通机车车辆160~200km/h
——就轮轨系统铁路运输而言
1）新建高速线250~350km/h
2）既有线改造200~250km/h
这里应当指出，最有实际意义的是旅行速度，而不是最高速度。
修建高速新线或改造既有线开行高速列车，最终必须以技术经济指标为依据。
这是日、德、法等国已有高速铁路运输的共同经验，也是我国高速铁路所追求的。
1.7高速铁路运输模式
运输模式的确定非常重要。
因为它对于线路、轨道、最大允许轴重、运营及维修的条件和设备具有直接和根本的后果。
各个国家都在根据各自的具体条件，确定本国高速铁路运输模式。
因此，出现了多种多样的铁路高速运输模式。
1.7.1全高速客运专线
以客运为主的行驶快速（250~350km/h）旅客列车的高速线路。
如日本的新干线，法国和比利时的高速线，德国的科隆~法兰克福和汉诺威~柏林高速线，以及我国已建成或正在修建中的京津、京沪、沪宁、沪杭、京广、哈大、郑西、广珠、广深港等高速线和城际轨道交通均属于客运专线。
1.7.2高中速共线客运专线
以高速（300~350km/h）和传统中速（200~250km/h）客运共线运行的线路。
这一模式包括西班牙、比利时和荷兰，以及我国的某些高中速共线运行的线路。
1.7.3客货混运线路
以客运高速（200~250km/h）、货运低速（120~160km/h）客货混运为主的线路。
如意大利和德国是这种情况，西班牙、法国和英国将来建成的某些线路也是如此，以及我国的合宁、合武、石太、甬台温、温福和福厦等新建铁路（有砟轨道为主），均属于初期兼顾货运的客运专线。
1.7.4客专还是客混
客货混跑运输不仅会造成运能问题，列车调度困难，而且也难以找到一个超高值能同时满足高、低速两方面的要求，欠过超高受限。
同时，线路轨道的破坏主要是由大轴重车辆造成的。
研究表明，钢轨的伤损率和轨道几何形位的变化率分别与轴重的3次方和2次方成比例。
这一结论一再被国内外铁路的运营实践所证实。
修建高速客运专线是明智之举。
这里有一个非常重要的，又常被人们忘记的原因是：
高速客运专线可以节约大量能源。
从动能效应方面来看，“速度可以吃掉重力”。
因为动能与速度的平方成正比，当速度下降时，储存的能量可以发挥作用。
此外，高速还可减少旅行时间、服务旅客的开支，以及相应减少车辆数量及其维护费用。
第二个问题关于高速铁路轨道结构问题
2.1高速轨道四大基本性能
高速铁路究竟应采用哪种轨道结构，是有砟轨道还是无砟轨道？
为适应高速铁路运输的快速、舒适、安全三大要素，无论是选用哪种轨道类型，都应具备高平顺性、高稳定性、高可靠性和高耐久性四大基本性能。
2.1.1所谓高平顺性
就轮轨系统运输而言，高速轨道上存在着几何不平顺和动力不平顺，以及短波不平顺和长波不平顺两大类不平顺问题。
这种不平顺反过来对其行车平稳性、舒适性和安全性的影响，均随行车速度的提高而显著增大。
加强对各种轨道不平顺的管理，在高速轨道特别是有砟轨道中尤为重要。
为此，高速轨道必须实现无缝化、平顺化、高精度化和维护管理的现代化。
2.1.2所谓高稳定性
主要是指轨道结构的重型化，轨道部件的高精度化，轨道刚度的合理化与均匀化。
2.1.3所谓高可靠性
主要是指轨道强度足够，轨道弹性合理，轨道部件的长效性和完好性，轨下基础的稳固性和长久性。
2.1.4所谓高耐久性
主要是指轨道结构维护少、寿命长、成本低。
当今世界高速轨道普遍存在的主要问题是：
强化有余而合理不足。
2.2日德法高速轨道铺设业绩
世界高速铁路发展至今已近50年的历程，轨道总延长约7000km（不含中国）。
高速轨道主要有有砟（占75%）和无砟（占25%）两种结构类型，实践表明，两种类型轨道都能适应高速运输的要求。
由于各国的国情、社会、人文、地理、气候、地质、地形等条件各不相同，各有各的选择，无可厚非。
下面简要介绍日本、德国和法国铁路高速轨道的铺设业绩。
2.2.1日本新干线轨道
日本新干线路网如图2.2.1所示。
图2.2.1日本新干线路网
日本新干线轨道铺设业绩见表2.2.1。
1964~1972年，日本新干线轨道总延长约680公里，其中有砟轨道延长672公里，占99%，无砟轨道延长仅8公里，占1%。
而1975~2004年，轨道总延长1514公里，其中有砟轨道延长221公里，占15%，无砟轨道延长1293公里，占85%。
表2.2.1日本新干线轨道铺设业绩
线路名称
区间
开通
日期
线路
全长（km）
桥隧比例（%）
有砟轨道
无砟轨道
延长（km）
比例（%）
延长（km）
比例（%）
东海道
东京～新大阪
1964.10
516
46
516
100
0
0
山阳以东
新大阪～冈山
1972.3
164
93
156
95
8
5
山阳以西
冈山～博多
1975.3
398
85
125
31
273
69
上越
大宫～新泻
1982.11
270
99
15
6
255
94
东北
东京～盛冈
盛冈～八户
1991.6
501
95
48
10
453
90
2002.12
93
2
2
91
98
北陆
高崎～长野
1997.10
124
88
19
15
105
85
九洲
新八代～鹿儿岛
2004.3
128
89
12
9
116
91
合计
1964~
1972
680
672
99
8
1
1975~
2004
1514
221
15
1293
85
2.2.2德国ICE高速轨道
德国ICE高速线路路网如图2.2.2所示。
图2.2.2德国ICE高速线路网
德国高速线轨道铺设业绩见表2.2.2。
1970~1991年修建的汉诺威~维尔茨堡和曼海姆~斯图加特两条高速新线，属于有砟轨道客货共线铁路，无砟轨道仅占2%。
1998~2006年期间修建的汉诺威~柏林（时速250km）、科隆~法兰克福（时速300km）和纽伦堡~英戈尔施塔特（时速350km）三条高速线均属于客运专线，有砟轨道占40%，无砟轨道占60%。
可见，德国铁路真正成区段铺设无砟轨道是在1998年以后，是以修建高速客运专线为契机，目的是为实现轨道少维修和验证无砟轨道的经济性。
表2.2.2德国高速线轨道铺设业绩
线路名称
开通日期
线路
全长（km）
工程比例（％）
有砟轨道
无砟轨道
路基
桥梁
隧道
延长（km）
比例（％）
延长（km）
比例（％）
汉诺威～维尔茨堡
1986.6
327
320
98
7
2
曼海姆～斯图加特
1991
105
103
98
2
2
柏林～汉诺威
1998
264
56
9
35
174
66
90
34
科隆～法兰克福
2002
177
47
6
47
22
12
155
88
纽伦堡～
英戈尔施塔特
2006
89
14
16
75
84
合计
1986~1991
432
423
98
9
2
1998~2006
530
210
40
320
60
2002~2006
266
36
14
230
86
德国高速客运专线铺设无砟轨道至今不过10年光景。
它是基于对公路工程的认识，把有砟轨道的灵活性和无砟轨道的少维修性结合起来作为基本理念。
运营实践表明，无砟轨道变形小，稳定性高，维修工作少。
但混凝土道床和水硬性混凝土支承层出现裂缝是其不可避免的一种客观现象，主要是由于结构连续、温度力作用所致。
至于其经济性，除隧道以外，尚未被确认。
2.2.3法国TGV高速线轨道
法国TGV高速线路网如图2.2.3所示。
东部线TGV
2007
图2.2.3法国TGV高速线路网
法国高速线建设已有30年历史，经过不断的发展和创新，已基本建成世界上最先进的高速铁路网。
就运营速度而言，无论是最高试验速度还是长距离的旅行速度都名列世界前茅。
法国TGV路网截至2008年已达1900公里，至2020年还拟新建约2000公里，以使路网规模达到4000公里的水平。
与日本、德国两国铁路不同，法铁认为有砟轨道也能适应200km/h及以上的高速运行。
众所周知，法国铁路于2007年在东部线土路基上有砟轨道用TGV高速动车组跑出574.8km/h的世界最高试验速度。
而无砟轨道不仅建设费用高，噪声也大，况且，由于法国的地势较为平坦，桥隧所占比例较少，仅在长大隧道内铺设STEDEF型双块式无砟轨道，也只有几十公里。
故TGV高速客运专线以土路基上有砟轨道为主，其铺设业绩见表2.2.3。
表2.2.3法国高速线有砟轨道铺设业绩
线路名称
区间
开通日期
线路全长
（公里）
最高运营速度（km/h）
东南线
巴黎~里昂
1981~1983
418.5
230~270
大西洋线
巴黎~勒芒/图尔
1989~1990
287.5
300
北部~欧洲线
巴黎~里尔/加莱
1993
346.3
300
巴黎联络线
连接以上三线
1994~1998
104.2
270~300
地中海线
瓦朗斯~马赛
1999~2001
250
300（320）
东部~欧洲线
巴黎~斯特拉斯堡
2007.6
300
320（360）
为保证有砟轨道的高平顺性和碎石道床的稳定性，以及减少其养护维修工作量，法铁的运营经验表明，他们十分注重构建长期稳固的路基基床和提高道床的道砟材质与颗粒级配的技术标准。
2.3我国高速轨道铺设业绩
2.3.1中长期铁路网规划
（1）规划“四纵四横”铁路快速客运通道（图2.3.1.-1）和”九个城际”快速客运系统（图2.3.1-2）。
路网规划目标到2020年，全国铁路营业里程达到12万公里以上，其中高速铁路1.6万公里以上，规划重点内容是加大客运专线、区际干线，以及加快既有铁路技术改造。
图2.3.1-1“四纵四横”铁路网规划图
图2.3.1-2“九个城际”客运系统
（2）以“四纵四横”客运专线为基础骨架网，进一步加大繁忙干线客货分线力度，延伸并扩大客运专线覆盖面，加强客运专线之间相互连通和衔接，发挥整体优势。
（3）客运专线及城际铁路建设目标为1.6万公里以上。
这一快速客运网，连接所有省会及50万人口以上的大城市，覆盖全国90%以上人口，大大缩短城市间时空距离。
（4）在建设环渤海、长三角、珠三角地区城际铁路的同时，规划建设长株潭、成渝、中原、武汉、关中、海峡西岸城镇群等经济发达和人口稠密地区城际铁路，覆盖沿线各中心城市和主要城镇，实现小编组、高密度公交化运输，有效满足地区大容量客运需求。
2.3.2路网建设概况
截止2011年底，中国高速铁路运营里程已达9000km，其中既有线提速至200～250kmh线路已达3200km，新建高速铁路运营里程约5000km，今年还将开通哈大、京石、石武等铁路。
我国业已成为世界上高速铁路运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。
我国高速铁路路网建设概况如下：
（1）路网在建铁路（2005.7～2015.2）
线路总延长13224.4km
其中，桥隧占66.8％
有砟轨道占49％
无砟轨道占51％
（2）高速客专铁路（250～350km/h）
线路延长7022.8km，占线路总延长的53％
其中，桥隧占72.3％
有砟轨道占19.2％
无砟轨道占80.8％
可见，高速客专铁路以无砟轨道为主。
（3）I级铁路（200～250km/h）
线路延长6201.6km，占线路总延长47％
其中，桥隧占60.5％
有砟轨道占82.7％
无砟轨道占17.3％
可见，I级铁路以有砟轨道为主。
2.4高速轨道结构选型
2.4.1有砟与无砟之争
有关高速铁路究竟是采用传统有砟轨道还是新型无砟轨道，长期以来，国内外铁路业者一直存在着看法不一，观点不同，几乎形成了某些成见，甚至政治介入。
那么，争论的焦点是什么，概况起来说，主要是在有关高速轨道的稳定性和经济性两大问题上。
2.4.2关于高速轨道的稳定性
在评价轨道结构的质量时，最重要的一点是在新线建设中所建造的高精度轨道几何质量，在高速运营荷载反复作用下能否长久保持。
有砟轨道弹性好，成本低，便于维修、调整和更新，通过强化和改进能够适应速度提高到300km/h及以上的运营要求。
但有砟轨道在新建时达到的高质量几何状态，往往随着高速列车荷载（特别是客货共线货运大轴重）的反复作用下，其高低和轨向等几何形位会迅速恶化，难以持久地保持其经常处于良好状态。
为此，不得不靠定期进行轨道维修才能得以恢复。
如此反复，轨道几何形位的持久性则一次次下降，影响轨道质量和行车品质。
而无砟轨道在这方面却具有决定性的优势。
它能持久地保持轨道几何形位，稳定性高，维修很少。
但它的建设成本高，振动噪声大，弹性差，一经建成改建很难，一旦线下基础发生变形整治也很难。
2.4.3关于高速轨道的经济性
所谓轨道的经济性问题，原则上应根据有砟与无砟两种轨道结构的工程投资和维修费用，在使用寿命期限内，通过经济计算综合比较后才能得出结论。
但遗憾的是，目前在世界范围内尚无此结论，缺少有根有据的分析。
现有的经验表明，从工程投资上来看，目前，日本板式轨道的建设成本为有砟轨道的1.3~1.5倍；德国无砟轨道为有砟轨道的1.5~1.75倍；西班牙估算为2倍。
而从维修成本上来看，大都认为是有砟轨道的1/2~1/3。
但如果据此就下结论说无砟轨道的寿命成本大大低于有砟轨道，还为时尚早，毕竟假定60年（或100年）使用寿命尚未被高速运营实践所证实。
此外，有砟与无砟轨道的经济性问题，不仅仅局限于对轨道寿命周期成本的评估，还应对诸如轨道设备、减振降噪对策、线路运输效率、维修对正常运营的干扰、可能的施工缺陷，以及水灾、冻害、震灾、脱轨等灾害对寿命周期成本的影响，这些不确定因素，难以定量化。
2.4.4高速轨道结构组成
世界有代表性的高速轨道结构组成见表2.4.4。
表2.4.4高速轨道结构的组成
国别
轨道类型
钢轨
轨枕
道床
扣件
日本
有砟轨道
初50kg/m
后60kg/m
3H、3TPC整体式
长2.4m
重325kg
配置1600根/km
级配碎石19/63
厚度先250mm
后300mm
102型弹片式
扣压力6kN
轨下垫板厚度10mm
刚度60kN/mm
无砟轨道
轨道板
CA砂浆
混凝土底座
直结4型、8型弹片有螺栓
分开式
扣压力3kN
轨下垫板厚度10mm
刚
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