高速铁路接触网无交叉线岔优化设计探讨

刘再民，张宝奇

(1.中国国家铁路集团公司 工电部， 北京 100860；2.中国铁路郑州局集团公司 工电检测所，河南 郑州 450052)

无交叉线岔是高速铁路接触网最复杂、技术要求最高的单元，其设计的基本理念是通过接触网的拉出值、高度布置。正线通过线岔的受电弓仅接触正线接触线，不与侧线接触线接触，从而使高速通过的动车组受电弓在线岔处获得与区间正线一样的弓网关系，满足高速运行要求。当然，高速铁路无交叉线岔还要满足动车组受电弓以较低速度从正线到侧线以及从侧线到正线通过时的安全要求。

目前我国高速铁路正线除京津城际铁路采用交叉线岔外，其他高铁均采用无交叉线岔。无交叉线岔有2种：①正线18#道岔广泛采用的2支接触悬挂组成无交叉线岔型式(我国仅石太客专正线18#道岔采用了带辅助悬挂的无交叉线岔)；②高铁联络线接入车站正线的38#及以上道岔处3支接触悬挂组成的带辅助悬挂的无交叉线岔。本文主要分析我国高铁速度为350 km/h线路，2支接触悬挂组成的正线无交叉线岔接触网大拉出值布置方案运行中存在的问题，结合国外高铁无交叉线岔技术，探讨设计优化方案，更好地满足高铁弓网安全运行要求。

1 国内外高铁无交叉线岔的主要形式

1.1 中国高铁无交叉线岔

早在20世纪90年代，我国在京广、广深线等普速铁路电气化改造或提速改造中已有无交叉线岔的研究和实践应用[1-2]，但数量不多。中国开始大规模高速铁路建设后，为消除交叉线岔自身结构缺陷，无交叉线岔在我国高铁正线开始广泛采用。本文研究的两支接触悬挂组成的正线无交叉线岔在侧线布置方式上，有侧线接触网在运行受电弓包络线正上方以外的布置方式(亦称大拉出值布置方式)，也有侧线接触网在受电弓包络线正上方，侧线接触网抬高不与受电弓接触的布置方式(亦称小拉出值布置)。小拉出值布置方式的无交叉线岔的正线和侧线的列车运行速度相对较低。

1.1.1 大拉出值布置

(1)郑西、武广高铁。郑西、武广高铁正线无交叉线岔布置见图1。主要特点： A1柱(图中CA0柱，下同)位于道岔区线间距≥1 320 mm处，B1柱(图中CB0柱，下同)位于在线间距150 mm处；B1柱处，侧线接触线高度比正线抬高120 mm；C1柱(图中CC0柱，下同)处，侧线接触线高度比正线抬高500 mm。

图1 郑西、武广高铁正线无交叉线岔立面、平面布置示意图(单位：mm)

郑西、武广正线道岔无交叉线岔定位支柱在正线侧时，B1支柱安装见图2。

图2 B1支柱安装图(单位：mm)

2016年10月，原中国铁路总公司基于郑西、武广等大多数高铁采用的无交叉线岔设计，改进后发布了时速350 km高速铁路接触悬挂安装图(隧道外)-18#道岔无交叉线岔设计通用图[3](以下简称时速350 km通用图)，图号为通化(2016)1302-Ⅸ。时速250 km高速铁路18#道岔无交叉线岔设计通用图于2013年发布，图号为通化(2013)1206[4](以下简称时速250 km通用图)。

(2)京沪高铁。京沪高铁无交叉线岔布置见图3。主要特点： C柱设在线间距600 mm处(18号道岔，距离理论岔心5.8 m)；C柱处，侧线接触线高度比正线抬高60～80 mm；B柱处，侧线接触线高度比正线抬高500 mm。

图3 京沪高铁正线18#道岔处接触网无交叉线岔平面示意图(单位：mm)

1.1.2 小拉出值布置

支柱位于侧线侧的时速250 km正线和所有高铁线线18#道岔无交叉线岔设计主要特点：定位支柱位置同时速350 km通用图的正线无交叉线岔；E柱处，侧线接触线高度比正线抬高80 mm；B柱处，侧线接触线高度比正线抬高500 mm。

1.2 国外高铁无交叉线岔

法国、日本高铁广泛采用无交叉线岔。

1.2.1 法国

法国无交叉线岔设计[6]接触网布置见图4。WM为理论岔心，P为支柱B可以偏离理论岔心的距离，定位支柱一般位于线间距500～600 mm处，其具体确定与道岔号大小有关，18#道岔P为4 m左右。

图4 法国无交叉线岔设计接触网布置图(单位：mm)

1.2.2 日本

日本无交叉线岔是为了适应新干线的高速化(时速210 km以上)而研发的[7]。也就是说日本新干线用的也是交叉线岔，为了满足高速要求，改造成了无交叉线岔。

日本无交叉线岔接触网布置根据支柱B的位置现场主要有2种形式：正线侧线平行布置与八字形布置，见图5。2种布置方式采用的原则是每个定位点处接触线高度和拉出值是依据现场道岔型号和支柱位置数据，按照满足受电弓正线通过不接触侧线接触线以及受电弓从侧线进、出直线，2支接触线安全转换的要求进行计算选取。由于是基于既有接触网提速改造，用于支柱A、B位置不能改变。当支柱B的侧线接触线位于正线通过的受电弓动态包络线限界以内时(岔心方向)采用正线侧线平行布置，否则采用八字形布置。

图5 日本无交叉线岔接触网正线侧线平行布置、八字形布置

2 我国高铁无交叉线岔存在的主要问题

目前我国时速300～350 km高铁接触网正线无交叉线岔存在的主要问题是受电弓从正线到侧线和从侧线到正线运行时在过渡处拉出值偏大，存在安全隐患。即使是时速350 km通用图设计，拉出值也能达到600 mm左右。拉出值超过了我国TG/GD 124—2015《高铁接触网运行维修规则》[8]要求的动态拉出值不超过450 mm的规定，且道岔区2支接触线过渡处，接触线均在受电弓边缘影响弓网运行安全。若考虑风偏影响，弓网关系安全可靠性会更差。

按比例显示接触网正线无交叉线岔定位布置关系，时速350 km通用图设计的岔前15 m、岔后25 m支柱定位时接触网平面布置见图6。图中蓝色和淡红色线条为组成无交叉线岔的2支接触线。由图6可见，受电弓在过渡区拉出值偏大。

图6 时速300～350 km高铁道岔区接触网正线无交叉线岔定位布置

工程实践中，因定位支柱不在设计要求的位置或接触线拉出值调整不到位，过渡区(点)拉出值更大，危及弓网安全。运营部门高铁运营初期就发现了该问题。原中国铁路总公司在制定TG/GD 124—2015《高铁接触网运行维修规则》[8]时，不得已增加了“在线路中心间距为720 mm处，正线与侧线接触线间距应小于1 200 mm”作为维修控制标准。

下面简要分析时速250 km通用图侧线小拉出值设计无交叉线岔的情况。等比例显示的18#道岔的局部无交叉线岔侧线小拉出值设计(时速250 km通用图数据)平面图见图7。图7中道岔正线的红色线为正线接触线，侧线中红色虚线为侧线线路中心，黑色虚线为侧线接触线。

图7 时速250 km通用图侧残小拉出值设计接触网无交叉线岔布置

显然，对比图6，其与正线无交叉线岔(时速350 km通用图数据)的主要差异在于B(E)柱定位拉出值。图7中侧线小拉出值设计无交叉线岔E柱正线和侧线拉出值分别为100、150 mm，而图6中正线无交叉线岔B柱正线和侧线拉出值分别为400、1 100 mm。由图7可见，这种侧线小拉出值设计无交叉线岔布置方式有2个特点：①受电弓正线通过时侧线接触线在受电弓上方，对侧线接触线进入受电弓动态包络线上方的位置要求高；②道岔区2支接触线的工作转换处间距小，受电弓从侧线进、出正线时工作支拉出值较易满足不超过450 mm的要求。

3 我国高铁无交叉线岔优化方案及建议

从上文分析中不难看到，尽量减小无交叉线岔2支接触线等高点过渡处拉出值的具体做法是在满足接触网线索及装置不侵入受电弓动态包络线安全要求前提下，正线和侧线接触线在A、B柱处应尽可能接近。

3.1 受电弓动态包络线分析

受电弓弓角外形设计的主要目的是满足受电弓在通过线岔和锚段关节处所时，另一支接触线能安全顺利滑上或滑出受电弓表面。受电弓动态包络线范围是无交叉线岔设计的核心和基础。要优化无交叉线岔布置就要严格控制和利用受电弓动态包络线安全裕量。

TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》[9]第5.1.10条规定了受电弓动态包络线范围。设计速度为120～200 km/h时，上下抬升量为120 mm，左右摆动量250～300 mm；设计速度250～350 km/h时，上下抬升量为150 mm，左右摆动量250～350 mm。这些数据是根据弓网关系仿真模拟结果及现场实测数据并考虑了一定裕量确定。实际上这些数据包含了定位点和跨中2个部位。

3.1.1 定位点抬升量

根据近年来中国铁道科学研究院集团有限公司在国内部分新开通线路动态验收中现场检测定位点抬升量检测数据和西南交通大学2011、2018年分别在京沪高铁、京津城际铁路监测数据，我国设计速度350 km/h及以下的高铁接触网定位点最大抬升量不会超过100 mm，且该数据已有一定余量。

3.1.2 左右晃动量

根据TB/T 3271—2011《轨道交通受流系统受电弓与接触网相互作用准则》[10]中受电弓动态包络线宽度的计算，道岔区定位点处受电弓最大晃动量156 mm。另外京津城际铁路设计时，德国专家给出的道岔区定位点处受电弓动态包络线左右最大晃动量为158 mm。而中国接触网设计选用的350 km/h正线、侧线曲线(最高速度80 km/h，按200 km/h以下区段计)均为250 mm[9]。说明直线正线和侧线曲线在定位点处受电弓动态包络线左右最大晃动量可按照160 mm选用，相比我国目前设计规范[9]，裕量均为90 mm。

3.1.3 受电弓动态包络线安全裕量计算

我国高铁接触网维规[8]和普铁接触网维规[11]中受电弓弓头外形轮廓和尺寸见图8。线夹Q是指接触线上安装的线夹，这里主要指定位线夹。不考虑受电弓抬升量，线夹Q距离受电弓中心的距离X大于725+160 =885 mm(160 mm为最大晃动量)时，若线夹Q不侵入受电弓动态包络线，则距离受电弓顶面最大值为Y，则

图8 接触网《高铁维规》和《普铁维规》中受电弓弓头外形轮廓和尺寸(单位：mm)

Y=50+(X-885)tan40°

(1)

根据X、Y值校核、确定无交叉线岔A(D)柱非工作支、B(E)柱另一支悬挂拉出值和抬高值。

3.2 无交叉线岔定位拉出值优化方案

利用式(1)可以对时速350 km通用图无交叉线岔定位拉出值优化。

3.2.1 无交叉线岔定位B(E)柱

以正线道岔正线侧支柱ZB0安装图为例，见图9。

图9 正线道岔正线侧支柱ZB0安装(单位：mm)

图9中显示，若受电弓在正线通过B柱时，受电弓抬升量按100 mm、水平晃动量160 mm(按3.1节结论)计算，现在计算侧线接触线拉出值余量。侧线接触线抬高仍按120 mm计算。

当α=40°时，由式(1)可以计算出侧线接触线定位线夹距正线受电弓动态包络线中心950 mm处Y值为104 mm。考虑受电弓正线定位点最大抬升量100 mm，也可满足正线受电弓动态包络线范围要求。此时侧线接触线对侧线拉出值为950 -150 =800 mm，与原1 100 mm尚有300 mm余量。所以，可将侧线接触线对侧线拉出值由1 100 mm调整为800 mm。图9中红色部分为利用余量的受电弓动态包络线上部轮廓线。

3.2.2 无交叉线岔定位A(D)柱

无交叉线岔A(D)柱定位见图10。前面“侧线接触线定位线夹距正线受电弓动态包络线中心950 mm处也可满足正线受电弓动态包络线范围要求”结论同样适用无交叉线岔定位A(D)柱。A(D)柱处线间距为1 320 mm。侧线接触线的最大拉出值为370 mm。所以侧线接触线的最大拉出值可从150 mm调整至370 mm，按350 mm选用。此时侧线接触线距受电弓动态包络线剩余高度Y=21 mm，满足安全要求。其中100 mm为定位点处正线受电弓最大抬升量。图10中红色部分为利用了余量的受电弓动态包络线上部轮廓线。

图10 无交叉线岔A(D)柱安装(单位：mm)

按照上述B(E)柱、A(D)柱拉出值可优化调整数据，计算跨中无交叉线岔2支接触线间距可减少300～350 mm。这也就意味着跨中2支接触线动态等高点转换处接触线间距由原来的1 200 mm左右减少至800～900 mm。这将大大提高受电弓过渡处安全。

优化后，侧线接触线布置与日本无交叉线岔的平行布置方式类似(即侧线接触线平行于正线线路中心)。2支接触线间距减少后，受电弓正线高速通过时，从道岔闭口侧向开口侧方向安全性不受影响。受电弓从道岔开口侧向闭口侧方向正线高速通过，即使跨中最大风偏时，由于侧线接触线只是横向摆动，弓网安全性也能保证。

3.3 拉出值优化方案对无交叉线岔定位点定位器受力的影响

目前时速350 km通用图设计的正线18#道岔中的无交叉线岔还存在B柱定位器受力偏小，造成定位器定位钩异常磨损问题。这个问题不论是支柱位于道岔直线侧还是位于侧线侧均存在。(如图1中B1支柱侧线接触线定位器)原因是侧线接触线在C1、B1和A1支柱处对正线拉出值数值接近，造成B1支柱定位处侧线接触线之字力不足。此种情况下，若采用本节优化后拉出值布置方案，则可以消除B柱侧线定位器受力不足的问题。

4 结束语

接触网是受电弓的机械滑道。道岔上方的接触网布置应满足受电弓各个方向的正常运行，且弓网性能指标(如弓网接触力、接触线抬升)控制在允许的范围内。无交叉线岔始触区接触线与弓角接触时，应确保该接触线顺利从弓角滑入滑板上方。因此，无交叉线岔区段接触线的布置，应严格遵循受电弓的弓头轮廓与动态包络线等相关规定。本文在我国高铁时速350 km设计标准图基础上，通过论证受电弓动态包络线范围，利用设计余量，优化侧线接触线拉出值布置，可更好地满足了受电弓通过无交叉线岔侧线时的安全可靠性要求。

无交叉线岔接触网布置是高速铁路接触网设计的核心技术。我国高铁接触网无交叉线岔技术满足了中国高铁建设和时速350 km及以上高速列车安全运行要求。中国电气化铁路工程技术人员在大规模高铁建设中总结了大量无交叉线岔设计和施工经验[13-16]。侧线大拉出值布置方式在时速300～350 km线路，侧线小拉出值布置方式在时速250 km正线和所有高铁侧线线路取得了10年成熟运行经验。从掌握不多的法国和日本高铁无交叉线岔技术资料来看，这2个国家无交叉线岔技术有较大差异。我国高铁动车组受电弓轮廓和宽度与法国和日本也存在差异。加强我国高铁经验总结，深入国外技术和理论研究，不断完善中国版本的高铁接触网无交叉线岔技术方案，能进一步提高安全可靠性，满足中国高铁高质量发展和走出去的要求。