高鐵復興時代(12):鐵路技術基本認識(軌道設計)│脫苦海

 

軌道設計

鐵路顧名思義就是用鋼鐵造的,兩條平衡的鋼軌卡著車輪,一方面提供堅硬而阻力少的線路供列車行駛,以提高行駛的速度;另一方面固定在路基及卡著車輪以避免列車出軌,提高安全性。而隨著行車的速度提高,對軌道質素的要求亦不斷提高。

一般人印像中的火車軌,是在路基上的碎石上面鋪了兩條金屬軌,看得再仔細一點的會看到枕木,更少人看到的是固定路軌的扣件:路基、道砟、軌枕、扣件、路軌,就是一條軌道的構成部份。

路基是軌道結構的基礎,一來要承受列車經過時的荷載,二來要保障軌道平順和穩定,所以提供堅固的結構。一般建在平地上的路基,要經過平整和夯實,並要做足夠的措施防止沉降,以免路軌變形,至於建在橋樑或隧道之上的路基,一樣要保持有足夠的硬度和盡量減少沈降,這就牽涉到土木工程的範疇,例如要往土內打樁直持岩層。

路基上的碎石,業內稱之為道砟,是用來固定軌枕的,好處是容易架設,缺點是日久之後碎石會進一步粉化,影響到穩定性。另一方面,高速列車在破風時形成氣流,列車氣流會把石子濺起,或會對列車構成危險,因而需要建造沒有石子的「無砟軌道」。無砟軌道直接將承托路軌的軌枕鑲嵌在水坭底板上,整段軌道先在工廠內製成預製組件,然後到施工現場預像積木那樣直接砌在路基上,除了施工更方便,結構更經久耐用。

將路軌固定軌枕上的部件稱為扣件,扣件並不是簡簡單單的一粒螺絲加一個扣,而是有一整套的部件,目的就是將路軌死死釘在軌墊上,並要預留可供調較的空間,下圖是一個典型的扣件結構:

無砟軌道上的扣件系統

最後到路軌就更多學問了,在普通鐵路不時聽到「鐙鐙」的金屬碰撞聲,這些聲音源自列車經過兩段路軌之間縫接空隙而發出,原因是金屬會熱脹冷縮,所以兩段路軌之間要預留空隙供路軌膨脹之用,但這對於軌道穩定性要求極高的高鐵並不可行,所以就發明了「無縫路軌」,就是整條線路沒有留下空隙,路軌會在工廠接駁成極長的長度,到工地再用特殊工藝焊接,達至完全沒有縫隙,然後死死的釘在水坭底板上的扣件,所以高鐵是聽不到金屬碰撞聲的。

軌道的學問當然不止於此,其中最為人所知的是軌距(Gauge),即是兩條路軌之間的距離,現時世界各國使用的鐵路軌距並不划一,軌距是鐵路軌道兩條鋼軌之間的距離,國際鐵路聯盟在1937年制定1,435毫米(mm)為標準軌距(4呎8吋半),又稱國際軌距,世界上大約60%的鐵路的軌距是標準軌,包括中國、西歐、北美、北非等。窄軌則包括日本、東南亞、中美洲、中非等。而闊軌則包括印度、前蘇聯加盟國、蒙古、西班牙、葡萄牙等。

世界各國的軌距

為了適應不同的軌距,於是研發可以在不同軌距之間行駛的火車。西班牙作為世界上第二長高鐵營運國家(比日本還要長),卻使用了與鄰國不同的軌距,法國採用標準軌距1,435毫米,葡萄牙採用1,665毫米,而西班牙本身卻是1,674毫米,所以西班牙是最早發展可變軌距技術列車,其軌距可在1,668mm和1,435mm切換。

日本自1994年起開始開發的可變換軌距的電聯車,讓列車可行駛於日本普遍使用的1,067mm窄軌軌道和1,435mm的新幹線軌道,目前仍在試驗階段。另外波蘭開發了可變軌系統,德國發明可變軌距火車輪對,但是由於設計複雜,造價不菲而仍未普及。

中國也有技術上的創新,2016年10月21日中國中車公佈,國家重點研發計劃先進軌道交通重點專項首批三個項目,在北京舉行啟動會。其中「時速400公里可變軌距高速列車」項目,能夠在600-1676毫米的不同軌距的鐵路上運營。

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