時速200km客貨共線鐵路隧道內(nèi)彈性支承塊式無砟軌道適用性研究

尤瑞林，王繼軍，江成，蔡成標

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031)

時速200km客貨共線鐵路隧道內(nèi)彈性支承塊式無砟軌道適用性研究

尤瑞林1，王繼軍1，江成1，蔡成標2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031)

彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)綜合性能良好，在我國客貨共線鐵路隧道內(nèi)已有一定規(guī)模的應(yīng)用，但由于其采用兩個獨立的彈性塊體支承鋼軌，保持軌距的能力相對較弱，目前僅在我國時速160 km及以下線路中鋪設(shè)。本文在對國內(nèi)相關(guān)標準所規(guī)定限值進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論計算及現(xiàn)場實車試驗成果，重點研究了新研發(fā)的彈性支承塊式無砟軌道的軌距保持能力。結(jié)果表明，新型彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)在不同列車運行工況下，軌距動態(tài)變化量均能滿足相應(yīng)限值的要求，可適用于時速200 km客貨共線鐵路運營條件。

時速200km 客貨共線鐵路 彈性支承塊式無砟軌道 適用性

客貨共線鐵路中客運列車與貨運列車共線運行，軌道結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計是影響線路運營品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)有砟和無砟兩種軌道結(jié)構(gòu)的特點及前期運營實踐經(jīng)驗，在隧道內(nèi)鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)，具有降低隧道凈空、結(jié)構(gòu)耐久性好、維修工作量少、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、連續(xù)性和平順性好等優(yōu)點［1－2］，因此對于客貨共線鐵路隧道而言，鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)具有較大的技術(shù)優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外應(yīng)用的無砟軌道種類較多，經(jīng)對比分析，彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)綜合性能良好，并且在我國客貨共線鐵路隧道內(nèi)有一定規(guī)模的應(yīng)用，施工和養(yǎng)護維修方面已積累了較多經(jīng)驗。

彈性支承塊式無砟軌道由鋼軌、扣件、道床板、混凝土支承塊、支承塊下墊板以及橡膠套靴組成。由于彈性支承塊式無砟軌道采用兩個獨立的彈性塊體支承鋼軌，其保持軌道幾何狀態(tài)，尤其是保持軌距的能力相對較弱［3－4］。因此，目前我國彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)僅在時速160 km及以下線路中鋪設(shè)，尚無在時速200 km客貨共線鐵路中鋪設(shè)運營經(jīng)驗。本文在對國內(nèi)相關(guān)標準限值總結(jié)梳理的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論及現(xiàn)場實車試驗研究成果，重點研究彈性支承塊式無砟軌道軌距保持能力，分析其對于時速200 km客貨共線鐵路的適應(yīng)性。

1 相關(guān)標準所規(guī)定限值

彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)采用兩個獨立的塊體支承鋼軌，因此軌道幾何狀態(tài)保持能力是制約其在更高速度條件下鋪設(shè)應(yīng)用的重要影響因素，而軌距動態(tài)變化量是反映軌道幾何狀態(tài)保持能力的重要指標。目前我國鐵路養(yǎng)護維修標準［5－6］中對軌距動態(tài)變化量限值的相關(guān)規(guī)定見表1。

表1 軌距動態(tài)偏差管理值的相關(guān)規(guī)定

由表1可以看出，隨著速度的提高，有關(guān)軌距動態(tài)偏差管理值越小;對于時速200 km客貨共線鐵路，軌距動態(tài)偏差管理值為(+4，－3)mm。

2 理論計算研究

2.1 計算模型

為系統(tǒng)分析列車與無砟軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)相互作用，建立列車與彈性支承塊式無砟軌道動力相互作用模型，見圖1。計算模型中，列車視為車體、側(cè)架、搖枕及輪對組成的多剛體系統(tǒng)，鋼軌視為修正的Timoshenko梁，支承塊視為剛體，道床板按扣件間距離散為剛體并考慮與支承塊之間的相互剪切作用。輪軌動態(tài)相互作用原理、貨車和無砟軌道的動力學(xué)方程及數(shù)值解法參見文獻［7－10］。

圖1 列車與彈性支承塊式無砟軌道動力相互作用模型

2.2 計算參數(shù)

計算模型中，軌道結(jié)構(gòu)采用新研發(fā)的彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，支承塊長度680 mm、寬度300 mm、高度230 mm、埋入深度160 mm、支承塊下墊板剛度為70 kN/mm、橡膠套靴剛度為250 kN/mm;扣件間距600 mm、扣件剛度110 kN/mm;道床板寬度2 800 mm、厚度340 mm;線路采用60 kg/m鋼軌、隧道基礎(chǔ)支承面剛度為1 200 MPa/m。

根據(jù)目前我國客貨共線鐵路的實際運營情況，客車采用CRH2型動車組(速度200 km/h)及典型提速客車(速度160 km/h);普通貨物列車采用23 t軸重C70貨車(速度120 km/h)及25 t軸重C80貨車(速度100 km/h)。另外，為了更好對比分析彈性支承塊式無砟軌道對于大軸重貨物列車運營條件的適應(yīng)性，在理論計算中補充計算新型27 t軸重C80E貨車及30 t軸重C96貨車的軌距動態(tài)變化量，大軸重貨物列車的運行速度設(shè)定為100 km/h。仿真計算采用的軌道不平順譜為美國六級譜。

2.3 計算結(jié)果

運用建立的列車與彈性支承塊式無砟軌道動力相互作用模型，編制仿真程序在上述設(shè)定條件下進行計算，可得到客車、普通貨車及大軸重貨車等不同類型列車通過彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)時線路軌距動態(tài)變化情況，見表2。

表2 不同列車運行條件下彈性支承塊式無砟軌道軌距動態(tài)變化量計算結(jié)果

由表2可以看出:

1)各種典型客車及貨車運行時，彈性支承塊式無砟軌道軌距動態(tài)變化量均小于我國標準中相應(yīng)容許偏差管理值的規(guī)定;

2)彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)在30 t軸重C96貨車運行條件下，軌距動態(tài)變化量最大，其值為+2.38 mm;

3)客車運行時導(dǎo)致的線路軌距動態(tài)變化量小于貨車運行時，CRH2型動車組列車以200 km/h運行時，軌距動態(tài)變化量為+1.40 mm，不僅小于時速200 km客貨共線鐵路軌距動態(tài)偏差管理值的要求，而且小于貨物列車經(jīng)過時線路軌距動態(tài)變化量。

3 現(xiàn)場實車試驗研究

3.1 新型彈性支承塊式無砟軌道參數(shù)優(yōu)化

目前，我國彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)可主要劃分為既有彈性支承塊式無砟軌道及新型彈性支承塊式無砟軌道兩種類型。新型彈性支承塊式無砟軌道是在既有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計的，主要優(yōu)化內(nèi)容包括支承塊的長、寬、高、埋深等關(guān)鍵尺寸以及軌下墊板、塊下墊板及橡膠套靴的剛度值等重要參數(shù)(見表3)。通過優(yōu)化設(shè)計，新型彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)不僅承載強度有所提高，而且線路幾何狀態(tài)保持能力進一步加強。

表3 新型彈性支承塊式無砟軌道主要優(yōu)化參數(shù)

3.2 不同彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果

針對彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)軌距動態(tài)變化量，鐵科院鐵建所對隴海線白清隧道既有彈性支承塊式無砟軌道及山西中南部鐵路通道紅嶺隧道內(nèi)新型彈性支承塊式無砟軌道均進行了現(xiàn)場測試。測試結(jié)果見表4。

表4 彈性支承塊式無砟軌道軌距動態(tài)變化量實車試驗結(jié)果

由表4可見:

1)白清隧道內(nèi)既有彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)在半徑800 m曲線地段，SS3電力機車通過時軌距擴大量最大為4.46 mm，貨車經(jīng)過時軌距擴大量最大為3.87 mm，客車經(jīng)過時軌距擴大量最大為2.97 mm。軌距動態(tài)變化量滿足相應(yīng)標準規(guī)定的υmax≤120 km/h正線軌距動態(tài)偏差管理值(+8，－6)mm的要求。

2)新型彈性支承塊式無砟軌道軌距保持能力優(yōu)于既有彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，紅嶺隧道內(nèi)新型彈性支承塊式無砟軌道在半徑1 200 m曲線地段，實測30 t軸重機車、21 t軸重C64、23 t軸重C70、27 t軸重C80E、30 t軸重C96等不同類型列車經(jīng)過時，軌距動態(tài)變化量均較小。其中，30 t軸重機車通過時軌距動態(tài)擴大量最大，其值為2.20 mm;不同軸重貨物列車經(jīng)過時，軌距動態(tài)以縮小為主，30 t軸重重載C96貨物列車車輛通過時軌距動態(tài)縮小量最大，其值為1.17 mm。

3)對于新型彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，在半徑1 200 m的曲線地段、30 t軸重列車經(jīng)過時，軌距動態(tài)變化量不僅滿足相應(yīng)標準規(guī)定的υmax≤160 km/h正線軌距動態(tài)偏差管理值(+6，－4)mm的要求，而且能夠滿足客貨共線鐵路列車速度200 km/h條件下軌距動態(tài)偏差管理值(+4，－3)mm的要求。

4 結(jié)論

1)各種典型客車及貨車運行時，彈性支承塊式無砟軌道軌距動態(tài)變化量均小于我國標準中相應(yīng)容許偏差管理值的規(guī)定。

2)客車運行時導(dǎo)致的線路軌距動態(tài)變化量小于貨車運行時。理論計算得出CRH2型動車組列車以200 km/h運行時，軌距動態(tài)變化量為+1.40 mm，不僅小于時速200 km客貨共線鐵路軌距動態(tài)偏差管理值的要求，而且小于貨物列車經(jīng)過時線路軌距動態(tài)變化量。

3)新型彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)與白清、秦嶺等隧道內(nèi)鋪設(shè)的既有結(jié)構(gòu)相比進行了較大的優(yōu)化，軌距保持能力進一步加強，不同軸重列車運營條件下，實測軌距動態(tài)擴大量最大值為2.20 mm，軌距動態(tài)縮小量最大值為1.17 mm，不僅能夠滿足列車速度160 km/h及以下線路軌距動態(tài)偏差管理值的要求，而且能夠滿足列車速度200 km/h客貨共線鐵路軌距動態(tài)偏差管理值的規(guī)定。

4)列車經(jīng)過時軌距動態(tài)變化量的大小受線路條件(尤其是平面條件)影響較大，曲線半徑越大，軌距動態(tài)變化量越小。目前我國時速200 km客貨共線鐵路，規(guī)范規(guī)定最小曲線半徑為3 500 m(困難地段為2 800 m)。因此，對于時速200 km客貨共線鐵路，彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)變化量將小于目前山西中南部鐵路通道實測結(jié)果(曲線半徑1 200 m)。

綜上所述，在客車及貨車運營條件下，新型彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)軌距保持能力具有一定的安全系數(shù)，能夠滿足相關(guān)標準限值的要求。因此，建議對彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)在時速200 km條件下的適應(yīng)性開展現(xiàn)場試鋪和試驗研究，為擴大我國彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍積累數(shù)據(jù)。

［1］趙國堂.高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］盧祖文.客運專線鐵路軌道［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］王繼軍，尤瑞林，杜香剛，等.重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)選型分析［J］.鐵道建筑，2013(5):132－136.

［4］尤瑞林，王繼軍，杜香剛，等.重載鐵路彈性支承塊式無砟軌道軌距保持能力研究［J］.鐵道建筑，2015(3):110－114.

［5］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2006］146號鐵路線路維修規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［6］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2007］44號既有線提速200～250 km/h線橋設(shè)備維修規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［7］翟婉明.車輛—軌道耦合動力學(xué)［M］.3版.北京:科學(xué)出版社，2007.

［8］蔡成標.高速列車—線路—橋梁耦合振動理論及應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2004.

［9］徐鵬.列車—軌道—路基耦合振動及地震條件下行車安全性分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.

［10］徐鵬，蔡成標.山西中南部鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)選型研究［J］.鐵道建筑，2013(12):103－105.

Study on suitability of elastic supported block-type balastless track in railway tunnel for passenger train and freight train shared railway at 200 km/h speed

YOU Ruilin1，WANG Jijun1，JIANG Cheng1，CAI Chengbiao2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

Structure comprehensive performance of elastic supported block－type balastless(low vibration track，LVT) is good，which has a certain scale of application in China passenger train and freight train shared railway tunnels. T wo independent elastic blocks are used to support the rail and gauge keeping capability is relatively weak，which results in that LVT only were applied in railway lines with speed below the 160 km/h in China.Based on the summary of limit values in domestic relevant standards，this paper studied the gauge keeping capability of the new LVT by theoretical calculations and field test results.The results showed that for the new LVT structure under different train operating conditions，gauge dynamic changes can meet the requirements of the corresponding limit value，which could be applied in passenger train and freight train shared railway with speed of 200 km/h.

200 km/h speed;Passenger train and freight train shared railway;Elastic supported block－type balastless; Suitability

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.29

(責(zé)任審編 葛全紅)

1003－1995(2015)10－0136－04

2015－08－10;

2015－09－05

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2014G002－B，2015G001－B)

尤瑞林(1986—)，男，助理研究員，碩士。