基于地鐵軌檢波形不平順控制的軌道技術探討

丁靜波，馬佳駿，劉亞航

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院，北京　100055)

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基于地鐵軌檢波形不平順控制的軌道技術探討

丁靜波，馬佳駿，劉亞航

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院，北京100055)

摘要：軌道不平順性是引起列車產生振動和輪軌作用力增大的主要根源，對列車運營安全性、平穩(wěn)、舒適度、使用壽命及環(huán)境噪聲等都有重要影響?；诘罔F軌檢車波形數據，從高低、軌向、水平、軌距四類不平順方面考慮，采用歸類方法分析不同的軌道類型不平順性特點，探討提高軌道平順性、舒適性措施及思路，介紹軌道精密定位的基礎控制網技術提高軌道初始平順性，軌道潤滑技術，分析減振地段平順性、全線軌枕間距控制，以及介紹消除軌道不平順影響降低車內噪聲提高乘客舒適度的軌道吸聲板技術。

關鍵詞：地鐵；軌檢波形 ；軌道結構 ；軌道不平順； 減振降噪； 軌道剛度 ；軌道潤滑 ；吸聲板

1概述

鐵路軌道的平順狀態(tài)對輪軌系統有著至關重要的影響。它是輪軌關系的激振源，是引起車輛產生振動和輪軌相互作用力的主要原因，對列車運營的安全性、平穩(wěn)、舒適度、車輛和軌道部件的壽命及環(huán)境噪聲等都有重要影響。軌道平順性也是軌道結構綜合性能和承載能力的重要體現，是制定維修計劃的重要指標[1]。

軌檢車波形數據是目前最真實反映軌道動態(tài)不平順狀態(tài)的一種數據。軌道不平順(峰值管理)檢查的項目有軌距、水平、高低、軌向、三角坑5項軌道幾何狀態(tài)參數，以及車體上下振動加速度和左右振動加速度二項車體響應參數，共7項指標。其中，車體振動加速與軌道幾何狀態(tài)參數的優(yōu)劣和列車運行速度密切相關，軌道狀態(tài)變形大會加劇車體振動加速度[2]。參考《城市軌道交通設施養(yǎng)護維修技術規(guī)范》(DB11/T 718—2010)，軌道不平順指標見表1，對于Ⅱ級以上的超限應進行整改。

表1　軌檢車各級偏差標準

本文基于實際地鐵軌檢車數據，分析引起軌道不平順特點，探討提高平順性的軌道技術，確保列車安全性、平穩(wěn)、舒適度、車輛和軌道部件的壽命。

2地鐵軌道不平順性特點

軌道不平順性包括高低、水平、方向、軌距不平順4種類型?；诘罔F某個時段軌檢波形數據統計表明：未出現軌道Ⅱ級以上超標；74%曲線地段出現Ⅰ級超標；63%減振地段出現Ⅰ級超標，其中高等及特殊減振90%以上出現Ⅰ級超標，若減振位于曲線地段時，出現Ⅰ級超標概率也很高；除此之外，其他出現軌道Ⅰ級超標地段約占總量的15%。

2.1線路曲線地段

地鐵因受環(huán)境條件的限制，不僅曲線數量多，且半徑小。曲線地段軌道施工不圓順、超高順坡率不均勻，主要出現軌向、水平不平順，在緩和曲線地段尤為突出。圖1為曲線半徑R=1 000 m軌檢波形，平均運行速度49 km/h，在緩和曲線水平反復變化幅度有6.9 mm，另外出現三角坑。曲線軌道不平順，增加輪軌橫向沖擊，加速鋼軌磨耗，甚至引起嘯叫和波磨。

圖1　曲線地段下行軌檢波形

2.2軌道減振降噪地段

地鐵穿行城市商業(yè)、居住等人口密集區(qū)域，距離敏感建筑物較近地段需采取軌道減振降噪措施。由于軌道減振降噪系統剛度不同，列車會出現明顯的周期性點頭和浮沉振動，主要出現高低不平順。選取了3段位于直線的梯形軌枕、隔離式減振墊、鋼彈簧浮置板分析：圖2梯形軌枕鋪設范圍K2+530～K2+740，高低波長13 m幅值2.9 mm。圖3道岔區(qū)隔離式減振墊鋪設范圍K15+190～K15+308，除道岔外，高低波長16 m幅值5.5 mm。圖4鋼彈簧浮置板軌道范圍K11+280～K11+319，高低波長25 m幅值4.8 mm。出現小波長或者同方面高低偏差，車體產生較大的振動加速度，車內噪聲增加，影響乘客舒適度。

圖2　梯形軌枕軌檢波形

圖3　道岔減振墊軌檢波形

圖4　鋼彈簧浮置板軌道軌檢波形

2.3其他地段

高架橋、道岔及調節(jié)器、過渡段、無縫線路設計等參數異常變化，出現軌道不平順。人防門、防淹門或梁縫位置，出現軌枕間距過大，出現高低、水平不平順，導致車體產生了較大的振動加速度，見圖5。

圖5　局部軌檢高低不平順的波形

高架橋鋪設無縫線路，對于橋墩縱向水平線剛度應均勻過渡。橋墩水平線剛度越低，因列車荷載作用產生的墩頂位移幅度越大，而產生軌道的高低不平順，使得車體產生較劇烈點頭振動。圖6為高架35 m簡支梁，地鐵規(guī)范規(guī)定跨度30 m

圖6　高架橋局部軌檢波形

另外，道岔也屬于軌道薄弱環(huán)節(jié)，主要出現軌距、水平、高低不平順。地鐵道岔均采用固定型轍叉，車輪通過有害空間時，鋼軌實際作用邊不連續(xù)，軌檢波形中軌距、水平、三角坑和單側鋼軌高低、軌向會出現尖刺，屬于正常現象。

3提高軌道平順性、舒適性措施及思路

3.1曲線地段平順性措施

(1)精密定位的軌道基礎控制網

既有地鐵鋪軌是在結構貫通測量的基礎上，先測設控制基標，再測設加密基標(含道岔基標)。由于基標測設有累積偏差，離散程度大，再加上施工偏差因素，均不利于軌道的平順性。

廣州地鐵6號線引進高鐵精密定位的軌道基礎控制網，通過與既有采用鋪軌基標相比，明顯地提高了軌道的初始靜態(tài)平順性[3]。軌道基礎控制網的控制點沿線路成對布設在側墻上，高于軌面0.9～1.2 m，點對縱向間距為30～60 m，達到全站儀自由測站每站觀測4對軌道基礎控制點的通視要求。控制精度：方向觀測中誤差限值為1.8 mm，距離觀測中誤差和相鄰點的對中誤差限值均為1.0 mm以內。與既有軌道基標控制相比，雙線每千米增加投資約8萬元。

(2)鋼軌潤滑技術

列車在直線上運行車輪與鋼軌接觸點位于鋼軌中心靠內側位置，曲線上自由內接蛇形運行，車輪與鋼軌在作用邊接觸，見圖7。

由于軌道不平順誘發(fā)車輪劇烈振動，在頻繁接觸力作用下，加快了鋼軌的磨耗。采用鋼軌潤滑技術，在金屬表面，形成一層潤滑膜，減小輪軌摩擦時滑動阻力，從而降低磨損，提高平順性。最早的北京地鐵在古城、建國門等小半徑曲線地段安裝地面涂油器，提高輪軌平順性，鋼軌更換周期由原來平均1年延長到3年多[7]。

直線 曲線圖7　車輪與鋼軌在直線和曲線段觸壓點

3.2減振地段平順性控制

(1)適宜的軌道系統剛度

圖8　地鐵軌道剛度體系

綜合降低輪軌動作用力、保證軌道變形要求、提高行車安全性和舒適性等方面，建議軌道剛度選取以鋼軌垂向最大相對位移1.5 mm控制[9]。另外，在系統疲勞條件下，單邊軌距擴大值不大于3 mm，垂向永久變形小于2 mm，試驗前后剛度變化不超過15%，以控制水平不順性[8]。

(2)在正常工作頻率范圍內避免共振

當激勵頻率接近固有頻率時，會產生共振現象，導致軌道不穩(wěn)，輪軌接觸力增加大，出現輪軌磨耗、噪聲異常、損傷等問題。設計可能發(fā)生共振的兩個特征頻率是扣件通過頻率和軌道荷載下頻率，更容易發(fā)生在低剛度扣件等減振地段，以及車速相對高的地段，應避免共振。

(3)剛性過渡合理

在全列車長的范圍內，減振軌道系統剛度引起的鋼軌撓度梯度控制在0.3 mm/m以下。以鋼彈簧浮置板軌道為例，其隔振器剛度7.8 kN/mm，相鄰扣件系統剛度20 kN/mm時，撓度梯度i1=0.27 mm/m；相鄰扣件系統扣件剛度60 kN/mm時，鋼軌撓度梯度i2=0.31 mm/m，見圖9；建議高等級特殊減振前后相鄰地段，采用低剛度減振扣件過渡，更有利于提高軌道平順性。

圖9　鋼彈簧浮置板剛性過渡

3.3控制全線軌枕間距

地鐵扣件間距為625 mm，小半徑曲線特殊地段加密至550～600 mm，但在人防門、防淹門及梁縫位置，難以達到要求。國內地鐵對扣件最大容許間距無具體規(guī)定；日本新干線扣件容許最大間距為725 mm；德國ICE要求軌道下沉量不大于1.5 mm控制[6]。以地鐵A型車、最高速度100 km/h，扣件剛度40 kN/mm，計算軌枕間距600 mm時，鋼軌橫向位移0.821 mm，縱向位移1.067 mm。通過對比不同軌枕間距下位移表明，控制1.5 mm下沉量，考慮適當富余量，軌枕間距局部個別地段建議嚴格控制800 mm以下，見圖10。

圖10　不同軌枕間距下鋼軌位移對比

3.4降低車內噪聲提高乘客舒適度

軌道不平順，造成車體產生較大的振動加速度，導致車內噪聲增加，影響乘客舒適度。特別是在一些城市地鐵出現了異常波磨問題，導致輪軌噪聲異常的現象，嚴重影響乘客舒適度。創(chuàng)造低噪聲的乘車環(huán)境，建立減振降噪環(huán)境友好型的地鐵已成為軌道交通建設的發(fā)展方向。

軌道道床吸聲板技術是利用聲學上的空腔共振和孔隙吸聲的原理，采用優(yōu)質的低堿普通硅酸鹽水泥、吸聲陶粒等組成具有一定強度的吸聲板，固定在軌道的軌枕或整體道床上，直接吸收與之最接近的輪軌一側噪聲，達到降低輪軌噪聲的目的。根據室內混響試驗表明，全天候道床吸聲板的綜合吸聲系數高達0.9，技術性能與國外同類產品相當，價格約為國外的1/2，北京、南京、上海鋪設應用表明，降噪工程投資降低明顯[10]；北京地鐵8號線實測表明，吸聲板降噪效果為3～5 dB，見圖11。

圖11　吸聲板后輪軌噪聲的傳播

4結語

軌道的平順性決定乘客的舒適度，嚴重不平順會引起列車脫軌重大事故，危機乘客的生命和財產安全，應引起足夠的重視。本文基于地鐵軌檢波形數據，采用歸類方法，分析不同的軌道類型不平順性特點，提出提高軌道平順性、舒適性措施及思路。

(1)軌道精密定位的基礎控制網技術，可提高軌道鋪設精度，控制軌道原始靜態(tài)不平順；運營期間，結合實際鋼軌磨耗情況，采用鋼軌潤滑技術，減小輪軌摩擦時滑動阻力，提高平順性。

(2)減振地段適宜的軌道系統剛度，在正常工作頻率范圍內避免共振，以及保證在全列車長的范圍內，鋼軌撓度梯度控制在0.3 mm/m以下。

(3)控制全線軌枕間距不大于800 mm。

(4)采用軌道道床吸聲板技術，消除軌道不平順影響，提高乘客舒適度，建立減振降噪環(huán)境友好型的地鐵站區(qū)環(huán)境。

參考文獻：

[1]韓清強，武勇.軌道幾何形位靜態(tài)檢查原理及應用[J].鐵道標準設計，2005(8)：105-106.

[2]杜茂金.軌檢車在地鐵軌道設備養(yǎng)修中的運用[J].現代城市軌道交通，2009(4)：72-73.

[3]黨紅玲，黃紅東，張大春.軌道工程測控新技術在廣州地鐵中的應用研究[J].鐵道勘察，2013(4)：12-13.

[4]孫家麒.城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊[M].北京：中國科學技術出版社，2002.

[5]趙國堂.鐵路軌道剛度的確定方法[J].中國鐵道科學，2005，26(1)：1-6.

[6]田春香，顏華，熊維.關于高速鐵路扣件間距的探討[J].鐵道標準設計，2013(8):32-36

[7]李騰萬.對北京地鐵輪軌磨耗的初步研究[J].地鐵與輕軌，1999(1):14-17.

[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.CJJ/T 191—2012浮置板軌道技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB 50157—2013地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[10]北京市勞動保護科學研究所.北京地鐵昌八聯絡線HCM吸聲板降噪效果測試報告[R].北京：北京市勞動保護科學研究所，2014.

[11] 北京城建設計研究總院.GB50157—2003地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[12]北京市軌道交通建設管理有限公司，北京交通大學，等.北京軌道交通減少異常波磨的綜合減振技術研究中間報告(編號Z101106000410004)[R].北京：北京市軌道交通建設管理有限公司，北京交通大學，等，2011.

Discussion on Track Technical Measures Based on Metro Rail Irregularity Inspection

DING Jing-bo， MA Jia-jun， LIU Ya-hang

(Rail Engineering Design & Research Institute， China Railway Engineering Design & Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：Track irregularity is the root cause for train vibration and the wheel/rail interaction， which imposes great impact on the safety， stability， comfort， service life and environment noise of train operation. This paper， based on the wave data obtained from the track inspection vehicle in terms of the height alignment， track level and gauge-related four irregularities， uses the classification method to analyze the different types of track irregularities and to improve track smoothness and riding comfort measures and concepts. This paper also introduces the track precision positioning based control network technology to improve the initial track smoothness and the rail lubrication technology and analyzes the regularities on anti vibration sections and the sleeper spacing control of the entire line. The application of acoustic panel to eliminate track irregularity， reduce vehicle interior noise and improve passenger riding comfort is illustrated．

Key words：Metro; Track wave; Track structure; Track irregularity; Vibration and noise reduction; Track rigidity; Rail lubrication; Acoustic panel

文章編號：1004-2954(2016)05-0011-04

收稿日期：2015-08-18； 修回日期：2015-10-20

基金項目：寧波地鐵軌道交通5號線一期工程減振降噪專題研究([SJ5101]聯字(2016)第003號)

作者簡介：丁靜波(1979—)，男，高級工程師，2002年畢業(yè)于西南交通大學土木工程學院，工學學士，E-mail:dingjbo@163.com。

中圖分類號：U231+.2

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.003