城市軌道交通軌道檢測(cè)的探討

劉 揚(yáng)

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,201103,上?！尾┦?工程師)

到2010年,上海將建成400 km運(yùn)營線路,檢測(cè)里程達(dá) 800 km;到2012年,上海將建成500 km運(yùn)營線路,檢測(cè)里程達(dá)1 000 km。就軌道幾何形位來說,按每月檢測(cè)一次的最低要求,則400 km運(yùn)營線路全年檢測(cè)里程累計(jì)高達(dá)9 600 km。因此,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè),確定軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)修周期,以保證列車安全運(yùn)行,就成為一個(gè)突出的問題。

隨著上海城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對(duì)城市環(huán)境保護(hù)愈加重視,對(duì)城市軌道交通的振動(dòng)與噪聲提出了更高的要求。而軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪是減少軌道交通振動(dòng)與噪聲的重要措施之一。目前上海的軌道減振產(chǎn)品種類比較多,經(jīng)過一定的使用年限后,在線產(chǎn)品的減振效果有待評(píng)估;而對(duì)于新產(chǎn)品來說,也必須在上道前評(píng)估減振性能,以確保產(chǎn)品在減振性能方面的合格性。因此,本文根據(jù)以上對(duì)軌道檢測(cè)的需求提出上海軌道交通軌道檢測(cè)的內(nèi)容和方法。對(duì)軌道進(jìn)行檢測(cè),一方面為判定軌道結(jié)構(gòu)是否處于良好狀態(tài),另一方面也為判定減振產(chǎn)品的減振性能提供一定的參考和依據(jù)。

1 國內(nèi)城市軌道交通的軌道檢測(cè)和維修情況

目前正在實(shí)施的城市軌道交通的軌道維修可分為日常巡檢、臨時(shí)補(bǔ)修、經(jīng)常維修和綜合維修等階段[1-3]。

日常巡檢：每日由專人分段對(duì)管轄范圍內(nèi)軌道狀態(tài)進(jìn)行檢查并做好記錄,對(duì)不良處所在巡檢人員力所能及的條件下采取臨時(shí)性補(bǔ)救,以便安排臨時(shí)補(bǔ)修。

臨時(shí)補(bǔ)修：及時(shí)整修超過臨時(shí)補(bǔ)修容許偏差值的軌道零部件及其他不良處所的臨時(shí)性修理,以保證行車平穩(wěn)和安全。

經(jīng)常維修：根據(jù)技術(shù)人員對(duì)軌道狀態(tài)的檢查及日常巡檢出現(xiàn)的問題,在全年度和線路全長范圍內(nèi)進(jìn)行有計(jì)劃、有重點(diǎn)的養(yǎng)護(hù),以保持軌道質(zhì)量經(jīng)常處于良好狀態(tài)。

綜合維修：根據(jù)軌道變化規(guī)律和特點(diǎn),以全面改善軌道的彈性、調(diào)整軌道幾何尺寸和更換失效零部件為重點(diǎn),按周期有計(jì)劃地對(duì)軌道進(jìn)行綜合維修,以恢復(fù)線路的完好技術(shù)狀態(tài)。綜合維修分為大修、中修,其維修周期根據(jù)線路條件和相應(yīng)的軌道標(biāo)準(zhǔn)制訂。

我國城市軌道交通目前尚無相應(yīng)的維修規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。以上4個(gè)檢修層次具有不同的特點(diǎn)和功能,對(duì)線路設(shè)備質(zhì)量和行車安全具有互補(bǔ)性。綜合維修周期的長短與經(jīng)常維修的質(zhì)量有著密切關(guān)系。經(jīng)常維修工作質(zhì)量高,則完全可以延長綜合維修周期。

就上海城市軌道交通的特點(diǎn)來說,軌道結(jié)構(gòu)主要以無砟軌道為主。無砟軌道的病害、軌道幾何形位的變化機(jī)理,與有砟軌道有較大的差別。對(duì)有砟軌道來說,道床可以為軌道結(jié)構(gòu)提供彈性,在列車荷載反復(fù)作用下軌道殘余變形積累很快,并且沿軌道縱向分布又是很不均勻,從而導(dǎo)致軌道幾何形位發(fā)生變化;而對(duì)無砟軌道來說,大部分彈性靠扣件及軌下墊層提供。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研可知,無砟軌道的病害和幾何形位變化主要與扣件系統(tǒng)和混凝土道床結(jié)構(gòu)有關(guān)。常見的軌道病害有：螺栓銹蝕、松動(dòng)和折斷,錨固螺栓套管內(nèi)存有垃圾,橡膠墊層老化,彈條松動(dòng);混凝土道床不均勻沉降,以及由于施工和設(shè)計(jì)等原因造成的混凝土破損、支承塊損壞;鋼軌傷損,其中包括鋼軌側(cè)磨、波磨、肥邊、壓潰、剝離、掉塊、核傷和魚鱗傷;鋼軌接頭焊縫傷和錯(cuò)牙;道岔的尖軌磨損、滑床板松動(dòng);排水溝積水;等等。對(duì)于以上病害,目前的處理方式主要是使用軌檢儀檢測(cè)軌道幾何形位,通過起道、撥道和改道來整正軌道幾何形位;利用探傷小車對(duì)鋼軌進(jìn)行探傷;對(duì)螺栓進(jìn)行定期的涂油以防止銹蝕;人工巡檢時(shí)清除垃圾和排水,擰緊螺栓;在小半徑曲線鋼軌上涂油以減少側(cè)磨;更換病害道岔;在道床開裂沉降地段,通過在軌下墊鋼板或橡膠墊層來調(diào)整軌面標(biāo)高,并對(duì)道床注漿以阻止沉降發(fā)展;對(duì)于傷損較嚴(yán)重的軌道則進(jìn)行換軌或者更換相應(yīng)的軌道部件。

2 城市軌道交通軌道檢測(cè)的內(nèi)容和方法

根據(jù)上述實(shí)施的軌道維修內(nèi)容,現(xiàn)提出城市軌道交通軌道檢測(cè)內(nèi)容和方法,以提高檢測(cè)效率,保證運(yùn)營安全。

2.1 安全性檢測(cè)

2.1.1 軌道幾何形位和鋼軌傷損的檢測(cè)

軌道幾何形位是保證列車運(yùn)行安全的重要條件之一。因此,地鐵工務(wù)部門需定期開行軌檢車和探傷車對(duì)軌道的幾何形位和鋼軌的傷損情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、檢測(cè),監(jiān)測(cè)其使用狀態(tài),記錄檢測(cè)數(shù)據(jù),并匯總分析,以便組織日常維護(hù)和應(yīng)急搶修。軌道檢測(cè)項(xiàng)目包括軌距、軌向、水平、高低、超高、曲線正矢、三角坑、鋼軌斷面尺寸(包括軌頭寬度、鋼軌高度、鋼軌側(cè)面磨耗、鋼軌垂直磨耗、鋼軌總磨耗、軌底坡等)、各種鋼軌傷損,以及支承塊、承軌臺(tái)、軌枕、整體道床狀態(tài)和地面道砟線路的道床狀態(tài)等。

2.1.2 軌道部件失效性的總體評(píng)價(jià)性檢測(cè)

就線路總體失效性評(píng)價(jià)來說,例如在1 km線路上,如果只有一個(gè)或者幾個(gè)軌道部件(如扣件等)失效,則不能認(rèn)為該段線路軌道部件總體失效;只有當(dāng)軌道部件失效達(dá)到一定的比例時(shí),才認(rèn)為該段線路將總體上失效,需要進(jìn)行大修作業(yè)。為使維修工作達(dá)到最經(jīng)濟(jì)合理,以供工務(wù)部門作為編制維修計(jì)劃的依據(jù),建議：在一段線路上對(duì)軌道部件進(jìn)行檢測(cè)(包括鋼軌和扣件、軌枕和混凝土道床結(jié)構(gòu)、鋼軌焊接接頭、道岔相關(guān)零部件等),在該線路上開行軌檢車(帶測(cè)力輪對(duì)),以分析軌道幾何形位和輪軌力;通過計(jì)算脫軌系數(shù)和輪重減載率等安全性指標(biāo)來評(píng)價(jià)軌道結(jié)構(gòu)的總體安全性,從而確定線路的維修周期。

1)脫軌系數(shù),用于評(píng)定列車在輪軌橫向力和豎向力的綜合作用下,車輪輪緣爬上鋼軌的安全程度。其評(píng)定指標(biāo)為[5]：Q/P≤0.8。其中Q、P分別為同時(shí)作用于輪軌間的橫向力和豎向力。當(dāng)脫軌系數(shù)超過上述限度時(shí),需要檢查超限值的持續(xù)作用時(shí)間,當(dāng)持續(xù)作用時(shí)間t＜0.05 s時(shí),脫軌系數(shù)按下式計(jì)算：Q/P≤0.04/t。

2)輪重減載率,用于考核車輪由于輪重減載而引起的懸浮脫軌的安全程度。其評(píng)定指標(biāo)為：ΔP/P—≤0.65。其中：ΔP 、P—分別為輪重的減載量和左右輪的平均輪重。

2.1.3 無縫線路的穩(wěn)定性檢測(cè)

對(duì)于城市軌道交通的無縫線路而言,地下線路的軌溫變化較小,地面線路的軌溫變化較大而容易發(fā)生穩(wěn)定性問題。因此,必須對(duì)地面線路進(jìn)行軌溫和長軌縱向力檢測(cè),以防發(fā)生脹軌跑道,危及行車安全。高架線路采用低阻力扣件,并設(shè)有鋼軌伸縮器,故一般來說不會(huì)產(chǎn)生鋼軌的穩(wěn)定性問題。

2.2 耐久性檢測(cè)

耐久性檢測(cè)主要是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)?；炷恋耐獠總麚p可以通過人工查看來發(fā)現(xiàn),但混凝土內(nèi)部的傷損是肉眼看不到的。因此,包括混凝土內(nèi)部的裂縫等必須利用超聲儀進(jìn)行無損檢測(cè)來識(shí)別,以便及時(shí)處理。

3 減振產(chǎn)品的檢測(cè)方法

對(duì)于軌道減振產(chǎn)品來說,不管是新產(chǎn)品還是在線產(chǎn)品,必須在同一平臺(tái)上進(jìn)行減振性能評(píng)判。因此,可以選擇一段線路,安裝測(cè)試儀器進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn),采集軌道、隧道或橋梁結(jié)構(gòu)和地面的振動(dòng)加速度信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理,比較各種軌道減振產(chǎn)品在同一位置的振動(dòng)加速度級(jí),從而評(píng)價(jià)各種軌道產(chǎn)品的減振性能[6-7]。

3.1 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試

軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試包括鋼軌、鐵墊板、軌枕(支承塊)和道床(承軌臺(tái))。軌道結(jié)構(gòu)的不同部位,其振動(dòng)頻率、加速度大小等都有較大的差別。如扣件處和兩相鄰鋼軌支點(diǎn)之間的鋼軌的振動(dòng)加速度就有較大的差別。車輛工況也對(duì)軌道結(jié)構(gòu)有較大的影響,但在地面測(cè)試時(shí),無法對(duì)車輛的狀態(tài)作出要求,故只能對(duì)測(cè)試地點(diǎn)的軌道狀態(tài)作一些要求,以求測(cè)試結(jié)果具有較好的對(duì)比性。測(cè)試時(shí),要根據(jù)研究和測(cè)試目的決定現(xiàn)場的軌道狀況,要對(duì)比不同扣件類型等軌道部件對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響,因此在試驗(yàn)時(shí)就要求軌面狀態(tài)盡量一致,從而減小測(cè)試誤差,提高測(cè)試結(jié)果的可對(duì)比性。

3.1.1 鋼軌振動(dòng)加速度測(cè)試

扣件處和兩相鄰鋼軌支點(diǎn)之間的鋼軌振動(dòng)加速度差別較大,在扣件處的鋼軌振動(dòng)加速度小于兩相鄰鋼軌支點(diǎn)之間的鋼軌振動(dòng)加速度。在無特殊要求的條件下,鋼軌振動(dòng)加速度傳感器應(yīng)安裝在兩鋼軌支點(diǎn)之間(見圖1)。

圖1 鋼軌、軌枕、道床測(cè)點(diǎn)布置圖

1)鋼軌豎向振動(dòng)加速度的測(cè)試。傳感器設(shè)于兩相鄰鋼軌支點(diǎn)中間、軌底的鋼軌中心線位置,如圖1(a)所示。如果軌底與道床面的間距較小,沒有傳感器的安裝空間,則可考慮將傳感器安裝在軌底的斜坡上,但需要有一楔形塊,使得傳感器安裝后其軸線與鋼軌中心線平行,如圖1(b)所示。根據(jù)測(cè)試要求,可在兩股鋼軌上分別布置測(cè)點(diǎn)。

2)軌頭橫向振動(dòng)加速度的測(cè)試。傳感器設(shè)于兩相鄰鋼軌支點(diǎn)中間,在軌頭外側(cè)的軌頭高度中間位置,如圖1所示。

3)軌腰橫向振動(dòng)加速度的測(cè)試。傳感器設(shè)于兩相鄰鋼軌支點(diǎn)中間的鋼軌外側(cè)軌腰的中和軸位置,如圖1所示。

3.1.2 鐵墊板振動(dòng)加速度測(cè)試

目前軌道交通使用的扣件類型較多,對(duì)于無砟軌道結(jié)構(gòu)的扣件系統(tǒng),大多采用鐵墊板。在軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析中,一般認(rèn)為鐵墊板的振動(dòng)只是起到中間傳遞作用,而不作為主要分析對(duì)象,但鐵墊板的振動(dòng)也產(chǎn)生噪聲。

測(cè)試鐵墊板時(shí),振動(dòng)加速度傳感器安裝在軌道外側(cè)的鐵墊板上(如圖2所示),根據(jù)測(cè)試要求,也可在另一側(cè)鐵墊板的同一部位安裝傳感器測(cè)試。

圖2 鐵墊板測(cè)點(diǎn)布置圖

3.1.3 軌枕(支承塊)振動(dòng)加速度測(cè)試

一般不測(cè)軌枕(支承塊)的橫向和縱向振動(dòng)加速度。測(cè)試軌枕(支承塊)豎向振動(dòng)加速度時(shí),將振動(dòng)加速度傳感器布置在軌道外側(cè)軌枕(支承塊)的頭上。根據(jù)測(cè)試目的,決定單側(cè)還是雙側(cè)布置傳感器。傳感器布置如圖3所示。

圖3 軌枕(支承塊)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.1.4 道床豎向振動(dòng)加速度測(cè)試

道床豎向振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。由于軌道結(jié)構(gòu)不同,軌枕端部與鋼軌中心線之間的距離有所差異,故考慮軌道兩側(cè)的振動(dòng)加速度傳感器安裝位置離鋼軌中心線 0.5 m或離軌枕(支承塊)頭部0.2 m處,位置在左右鋼軌支點(diǎn)連線上。一般情況下,可測(cè)軌道正中間的道床豎向振動(dòng)加速度作為主要參考值。

3.2 隧道振動(dòng)加速度測(cè)試

一般隧道壁也只測(cè)試豎向振動(dòng)加速度。由于圓形隧道直徑為 5.6 m左右,為便于安裝,將傳感器設(shè)在離軌面高度1.5 m范圍內(nèi)。由于隧道為圓形,故要根據(jù)傳感器安裝位置,制作一加速度傳感器安裝支座,以保證安裝平面為水平(如圖4所示)。傳感器支座的剛度不能太小,以免影響測(cè)試精度。

圖4 隧道壁測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度傳感器的安裝

3.3 高架橋梁振動(dòng)測(cè)試

橋梁振動(dòng)測(cè)試分橋面振動(dòng)測(cè)試和橋下振動(dòng)測(cè)試兩種。對(duì)于整體道床而言,橋面振動(dòng)加速度與整體道床的振動(dòng)加速度大小非常接近,所以將傳感器布置在橋梁中心線位置的橋面上(如圖5所示)。一般情況下橋梁跨中的振幅要大一些,所以將測(cè)點(diǎn)布置在跨中位置;如有特殊試驗(yàn)?zāi)康?根據(jù)試驗(yàn)要求確定測(cè)試位置,如靠近橋梁支座處安裝傳感器。

由于在橋面上安裝傳感器有一些難度,所以也可考慮在橋下測(cè)試橋梁振動(dòng)加速度。測(cè)試時(shí),將傳感器也安裝在梁中心線位置;測(cè)量橫向振動(dòng)加速度時(shí),應(yīng)盡量將傳感器布置在梁的中和軸附近(如圖5所示)。

圖5 高架橋橋梁振動(dòng)加速度傳感器的安裝

3.4 地面振動(dòng)測(cè)試

地下、地面、高架軌道交通都能引起地面振動(dòng),但不同的線路敷設(shè)狀態(tài),引起的地面振動(dòng)也有較大差別。如：地鐵在建筑物正下方通過,且隧道埋深較淺時(shí),可能對(duì)建筑物的影響較大;對(duì)于地面線路,一般離建筑物都有一段距離,所以振動(dòng)影響要小一些;對(duì)于高架線路,由于橋墩基礎(chǔ)較深,所以引起的地面振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響也要小一些。

地面振動(dòng)屬于環(huán)境振動(dòng),其量級(jí)也較小,所以這部分振動(dòng)可參照環(huán)境振動(dòng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)《GB 10071—88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》。但此標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)敏感點(diǎn)的測(cè)量,如是對(duì)振動(dòng)衰減的研究,則可置振動(dòng)加速度傳感器離線路中心線5 m、10 m、25 m等進(jìn)行設(shè)置,也可根據(jù)試驗(yàn)需要確定測(cè)點(diǎn)布置。

3.5 數(shù)據(jù)記錄、處理與分析

在測(cè)試前,按照以上方法安裝測(cè)試儀器設(shè)備,所有儀器設(shè)備都要進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)試時(shí),采集并記錄大約20列列車的數(shù)據(jù)。測(cè)試完成后,要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和頻譜分析,比較各種減振產(chǎn)品對(duì)軌道結(jié)構(gòu)、隧道或橋梁結(jié)構(gòu)和地面的同一位置的振動(dòng)加速度級(jí),從而評(píng)估各種減振產(chǎn)品的減振性能。

4 結(jié)語

基于以上的分析,對(duì)軌道部件和軌道減振產(chǎn)品的性能進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)的目的為：一方面,評(píng)估和檢測(cè)在線軌道部件的使用壽命,以保證行車的安全性,為制定軌道交通線路日常養(yǎng)護(hù)維修周期和計(jì)劃提供一定的依據(jù);另一方面,對(duì)既有的減振產(chǎn)品和新產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤檢測(cè),評(píng)估各種減振產(chǎn)品的減振性能,也為合理選擇減振產(chǎn)品提供技術(shù)依據(jù)。

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