穿越古長城段無砟軌道減振施工技術(shù)研究

王建軍

摘要：本文以蘭新第二雙線鐵路嘉峪關(guān)穿越長城段無砟軌道減振施工技術(shù)為主線，討論了減振式無砟軌道的施工工藝、受力性能及減振效果評估等方面的內(nèi)容，并對其特點、要點和發(fā)展趨勢作了分析，對存在的問題提出見解。

Abstract： This paper focuses on the vibration reduction construction technology of ballastless track for the Jiayuguan pass through the Great Wall section of the Lanzhou-Xinjiang second-wire railway， and discusses the construction process， force performance and vibration-reducing effect assessment of the vibration-damping ballastless track. It also analyzes its characteristics， points， and development trends， and provides opinions on existing problems.

關(guān)鍵詞：穿越長城;無砟軌道;減振技術(shù)

Key words： crossing the Great Wall;ballastless track;vibration reduction technology

中圖分類號：U213.2+11 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）13-0156-05

0 引言

隨著列車速度的提高，鐵路對沿線環(huán)境敏感點的影響越來越大，對軌道采取相應(yīng)的減振措施是十分必要的。但在高標準鐵路中，雖然市場需求較大，但目前尚無成熟的軌道減振技術(shù)。隨著人們環(huán)保意識的提高，鐵路所經(jīng)地區(qū)的環(huán)境問題也越來越受到重視，軌道減振降噪技術(shù)也勢必成為未來的一項高新技術(shù)。通過此次研究，主要達到如下目的：一是形成一套完整的高速鐵路減振無砟軌道系統(tǒng);二是為今后類似項目提供成熟的減振系統(tǒng)解決方案，提高高速鐵路的環(huán)境效益和社會效益。

1 國內(nèi)外軌道減振技術(shù)發(fā)展概況

我國減振型無砟軌道主要運用于時速80km/h～120km/h的城市地鐵項目，采取分級減振措施，主要有扣件減振（如減振器扣件、先鋒扣件等）和道床減振（如橡膠或鋼彈簧浮置板），運用比較普遍，取得了很好的效果;國鐵遂渝線無砟軌道綜合試驗段鋪設(shè)了部分板式減振型無砟軌道，由于多種原因，減振效果經(jīng)測試未達到理想目標。在成灌線也鋪設(shè)了少量減振型無砟軌道，經(jīng)測試效果較好，減振15db，其時速為250km/h。在國外，德國科隆至萊茵/美因高速線（v≥250km/h）圣·奧古斯丁隧道采用旭普林現(xiàn)澆浮置板，減振效果可達到10～15db。韓國漢城至釜山高速鐵路天安站采用整體鋼彈簧浮置板系統(tǒng)，整個高架梁連同軌道結(jié)構(gòu)的下部設(shè)置了鋼彈簧支座，其時速為350km/h。但總的來說，高速鐵路領(lǐng)域軌道結(jié)構(gòu)采取減振措施的工程實例并不多見。

2 研究目的及必要性

隨著列車速度的提高，鐵路對沿線環(huán)境敏感點的影響越來越大，對軌道采取相應(yīng)的減振措施是十分必要的。但在高標準鐵路中，雖然市場需求較大，但目前尚無成熟的軌道減振技術(shù)。隨著人們環(huán)保意識的提高，鐵路所經(jīng)地區(qū)的環(huán)境問題也越來越受到重視，軌道減振降噪技術(shù)也勢必成為未來的一項高新技術(shù)。高速列車的振動傳播過程為車輛—軌道—結(jié)構(gòu)物—基礎(chǔ)—地基—建筑物，因此相應(yīng)的減振對策有車輛對策（輕量化）、軌道對策、地基對策（隔振溝）、結(jié)構(gòu)物對策（減振橋梁）等。軌道結(jié)構(gòu)直接承受高速列車振動沖擊，作為一個承上啟下的環(huán)節(jié)，從軌道結(jié)構(gòu)的角度研究相應(yīng)的減振措施是必不可少的。

新建蘭新鐵路第二雙線在DK715+870處與嘉峪關(guān)古長城相交，線路為下穿設(shè)隧，根據(jù)國家文物局《關(guān)于蘭新鐵路第二雙線穿越嘉峪關(guān)長城設(shè)計方案的批復(fù)》（文物保函【2009】424號）文相關(guān)內(nèi)容：“完善長期監(jiān)測方案，全面掌握施工和運營過程中所產(chǎn)生各類振動的輕度等指標及其對長城本體產(chǎn)生的影響，補充必要的避震措施，控制并減小施工及運營過程中各類振動對文物本體造成的影響?！睘楸M量減輕對文物的影響，本課題研究采用減振型無砟軌道系統(tǒng)，在滿足高速列車行車安全性、舒適性的前提下減小列車運營中對古長城本體的振動影響。

3 減振方案分析

①扣件減振方案。常見扣件包括：洛德扣件、軌道減振器（科隆蛋）扣件、pandrol先鋒扣件等。該方案軌道結(jié)構(gòu)形式簡單，更換方便，成本較小，但減振效果有限（約為5～10dB）;

②橡膠浮置板結(jié)構(gòu)。常見形式包括：旭普林質(zhì)量彈簧系統(tǒng)、博格質(zhì)量彈簧系統(tǒng)等。該方案減振效果較好（可達10db以上），但橡膠產(chǎn)品的耐久性和更換方案成為技術(shù)關(guān)鍵，此外相對扣件減振方案造價略高;

③鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)比較成熟的有GERB鋼彈簧浮置板系統(tǒng)（成功運用于時速350km/h的韓國漢城至釜山高速鐵路天安站），減振效果好（20db以上），耐久性好，更換彈簧相對比較方便，但更適用于單層現(xiàn)澆道床板結(jié)構(gòu)，屬于專利產(chǎn)品，造價最高。

綜合上述各種減振方案的優(yōu)缺點，研究后認為：扣件減振方案參振質(zhì)量較小，要達到較好的減振效果必需大幅度減小扣件剛度，而鋼軌下沉變形增大，從而增加了鋼軌受力和車內(nèi)振動。因此要達到相應(yīng)的減振效果，應(yīng)采取對等的減振方案。本次研究的工點減振效果要求相對較高，應(yīng)通過增加參振質(zhì)量、采用合理剛度的技術(shù)措施，降低減振軌道的自振頻率，且將鋼軌受力和車內(nèi)振動控制在合理范圍。因此，得出結(jié)論：橡膠浮置板減振方案效果較好，且造價居中，推薦采用。

4 振動參數(shù)設(shè)定

《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》（GB10070）規(guī)定了鐵路干線兩側(cè)（指距離每日車流量不少于20列的鐵路外軌30m外的兩側(cè)住宅區(qū)）的鉛垂向Z振級晝間、夜間均不大于80dB?！稒C械工業(yè)環(huán)境保護設(shè)計規(guī)范》適用于機械工廠新建、改建、擴建和技術(shù)改造的項目，其中關(guān)于鐵路干線兩側(cè)的鉛垂向Z振級規(guī)定同上。而在早期的《機械工業(yè)環(huán)境保護設(shè)計規(guī)定》（JBJ16-88）中，對于嚴重開裂古建筑，其中規(guī)定了鉛垂向振動速度容許值1.8mm/s。《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》規(guī)定古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動以結(jié)構(gòu)的最大動應(yīng)變?yōu)榭刂茦藴?，以振動速度表示。古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動速度根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、保護級別和彈性波在古建筑中的傳播速度選用。列入世界文化遺產(chǎn)名錄的古建筑按全國重點文物保護單位的規(guī)定采用。其中古建筑又分為磚、石結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、石窟。對于本項目中的古長城，沒有對應(yīng)的標準，參考其中的磚石結(jié)構(gòu)，其容許的振動速度為0.15～0.25mm/s（水平向）間。

綜上所述，對于古長城的實際情況，暫定垂向振動速度按1.8mm/s控制，水平向振動速度按0.25mm/s控制。

5 減振方案設(shè)定

蘭新第二雙線全線正線主要采用雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，同時考慮CRTSⅢ型板式無砟軌道為我國自主知識產(chǎn)權(quán)結(jié)構(gòu)，綜合鐵路用現(xiàn)澆道床和預(yù)制軌道板現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，結(jié)合蘭新線雙線設(shè)計特點，減振型無砟軌道方案設(shè)計如下：

5.1 雙塊式減振型無砟軌道

雙塊式減振型無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計為單元式軌道結(jié)構(gòu)，由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床、橡膠墊層及底座組成。穿越古長城保護段上行線設(shè)計采用雙塊式減振型無砟軌道。

5.2 CRTSⅢ型減振板式無砟軌道

CRTSⅢ型板式軌道是我國自主研發(fā)的一種軌道結(jié)構(gòu)型式，在本段鋪設(shè)CRTSⅢ型減振板式無砟軌道，對于完善整體技術(shù)體系具有重要的意義。采用CRTSⅢ型減振板式軌道的主要優(yōu)點是：①帶預(yù)應(yīng)力的預(yù)制軌道板，可有效控制裂縫的產(chǎn)生和影響;②前期在成灌線進行了鋪設(shè)（時速200km/h），綜合減振效果良好。古長城保護段下行線設(shè)計采用CRTSⅢ型減振板式無砟軌道。

6 減振效果預(yù)測

根據(jù)簡化的單自由度減振系統(tǒng)模型（如圖6），可以初步確定減振軌道系統(tǒng)的自振頻率。

7 軌道結(jié)構(gòu)剛度動力學(xué)分析

7.1 減振層剛度對古長城的振動影響分析

應(yīng)用既有輪軌力表達式，計算出在列車設(shè)計速度條件下的輪軌力，再將輪軌力施加在所建的軌道—隧道—土層平面模型中。該平面模型用大型通用有限元軟件ANSYS模擬實現(xiàn)。

土介質(zhì)為符合線彈性模型的水平成層半空間，每一層土都是由一系列相互獨立、水平方向無限伸展的薄層組成，即引進平面應(yīng)變的假定;地下結(jié)構(gòu)材料簡化為均質(zhì)各向同性彈性體。

每一層土為均質(zhì)、各向同性體，即每層土性質(zhì)相同，但可隨土層不同而改變;動力作用下，各層土之間、土地下結(jié)構(gòu)之間不發(fā)生脫離和相對滑動，即界面滿足位移協(xié)調(diào)的條件。

假定模型為平面應(yīng)變模型。

在建立平面模型時，假定長城垂直于隧道，長城無限長，長城為均勻夯土。

7.2 有限元分析模型參數(shù)的確定

減振型CRTSⅢ板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所示。土層的動力參數(shù)取值根據(jù)嘉峪關(guān)長城處地質(zhì)資料和相關(guān)文獻查詢得知，見表2所示?？紤]到邊界對振動波的影響，模型尺寸范圍為150m×83m。為了使單元能模擬波動效應(yīng)，單元大小0.1m～0.5m。在計算中，時間步長取為0.005s。單元類型選用四節(jié)點等參單元。由于模型的對稱性，模型左邊采用對稱約束，下邊界固定，右邊采用自由邊界。模型所取斷面、有限元模型如圖7所示。

7.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)減振型無砟軌道結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，減振墊層剛度對古長城的振動影響計算，選用較不利工況進行控制計算，即選取道床參振質(zhì)量最小的CRTSⅢ板式減振型無砟軌道（減振墊層位于底座上）結(jié)構(gòu)進行計算。為便于確定減振層的合理剛度范圍，減振墊層的垂向剛度擬取為0.05MPa（1.67MPa/m）、0.1MPa（3.33MPa/m）、0.5MPa（16.67MPa/m）、1MPa（33.33MPa/m）、5MPa（166.67MPa/m）、10MPa（333.33MPa/m）和50MPa（1666.67MPa/m）。結(jié)合既定減振目標，對不同減振墊層剛度工況下古長城頂部水平振動速度和垂向振動速度進行計算，以確保鋪設(shè)減振墊層的減振效果。仿真計算表明：古長城最高點處的最大水平振動速度將出現(xiàn)在離隧道中心線5m處。

8 方案實施及減振效果檢驗

雙塊式減振型無砟軌道、CRTSⅢ型減振板式無砟軌道均按照《高速鐵路軌道施工技術(shù)指南》（TB10426）進行施工。針對本工程增加了減振墊層結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)置，特編制《蘭新第二雙線嘉峪關(guān)穿越長城段減振軌道減振墊層暫行技術(shù)要求》（工管工技函[2013]316號）作為施工及檢驗試驗的依據(jù)。

8.1 減振墊層材料的剛度試驗

在試驗用減振墊層上取300mm×300mm試件（圖8）置于MTS加載系統(tǒng)上，將壓力加至0.02kN（0.02kN壓力不取消，試驗機位移清零）運行（圖9），以1mm/min的速度均勻加載至9kN（開始加載時，電腦記錄橡膠減振墊的壓縮量ΔRi），不停留，以1mm/min的速度從9kN減載到1.8kN。如此反復(fù)試驗3次，將第3次在9kN、1.8kN測得的壓縮量ΔRi分別記為ΔA和ΔB，即為在9kN和1.8kN時橡膠減振墊的壓縮量ΔA和ΔB，由計算可得彈性墊層剛度。

8.2 實車測試

2014年9月3日～9月11日采用CRH2-061C和CRH2-068C綜合檢測車進行了嘉峪關(guān)南～石板墩南上、下行正線試驗工點5km/h準靜態(tài)標定及動車組的逐級提速試驗，通過各測點的最高速度為224.2km/h。

依據(jù)前期仿真分析結(jié)果，本次測試將振動速度傳感器布置在距隧道中心線5m處，分別在上下行相應(yīng)位置布置垂向、水平向振動速度傳感器。動車組運行在不同減振軌道結(jié)構(gòu)型式時，古長城頂部水平、垂向振動速度波形見圖12～圖13。分析不同速度時古長城頂端振動速度幅值統(tǒng)計結(jié)果見表3。

由表3可知：

①當動車組運行于減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道時，距隧道中心線5m處水平振動速度最大值為0.19mm/s，垂向振動速度最大值為0.25mm/s，設(shè)計提出古長城頂部垂向振動速度應(yīng)不大于1.8mm/s、水平向振動速度應(yīng)不大于0.25mm/s，滿足設(shè)計要求。

②當動車組運行于減振型雙塊式無砟軌道時，距隧道中心線5m處水平振動速度最大值為0.19mm/s，垂向振動速度最大值為0.19mm/s，滿足設(shè)計要求。

9 結(jié)語

本項研究通過采用減振型無砟軌道新的施工工藝，控制并減小了施工及運營過程中各類振動對文物本體造成的影響，在滿足高速列車行車安全性、舒適性的前提下減小列車運營中對古長城本體的振動影響。不但形成了一套完整的高速鐵路減振無砟軌道系統(tǒng)，而且為今后類似項目提供成熟的減振系統(tǒng)解決方案，進而大幅提高高速鐵路的環(huán)境效益和社會效益。

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