隧道內(nèi)道床板上拱損傷評(píng)級(jí)與維修效果評(píng)價(jià)

陳利 馬斌 陳曉飛 余翠英

1.中鐵二局集團(tuán)有限公司，成都610031；2.華東交通大學(xué)理學(xué)院，南昌330013

雙塊式無(wú)砟軌道是我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的主要形式之一，在鄭州—西安、武漢—廣州、南昌—福州、大同—西安、蘭州—烏魯木齊等新建高速鐵路廣泛鋪設(shè)［1］。我國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)的部分高速鐵路路橋過(guò)渡段及隧道內(nèi)曾多次發(fā)生道床板上拱離縫現(xiàn)象［2-4］。盡管軌道結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)壽命為50年，但在各種復(fù)雜環(huán)境中不得不提前維修保養(yǎng)，避免軌道結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，危及高速行車安全。

大部分學(xué)者多關(guān)注溫度引起的道床板翹曲對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力變形的影響，研究了道床板上拱的原因和機(jī)理［5-6］以及單純考慮離縫或脫空與列車動(dòng)荷載作用下無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性［7］。然而，道床板上拱病害發(fā)生后，不僅是道床板與支承層之間產(chǎn)生離縫，還會(huì)導(dǎo)致軌道不平順。車輛高速通過(guò)時(shí)會(huì)沖擊上拱的道床板，加劇車輛和軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)［8］，既有研究較少考慮這一影響。工務(wù)部門(mén)急需掌握道床板上拱損傷對(duì)列車安全運(yùn)行的影響程度及相應(yīng)的維修標(biāo)準(zhǔn)［9-10］。

本文以某隧道區(qū)間道床板上拱離縫為背景，分析維修前道床板上拱對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能和高速列車安全性的影響規(guī)律，確定維修前限速值和軌道結(jié)構(gòu)損傷評(píng)級(jí)；建立維修前與維修后車軌系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真分析對(duì)比，評(píng)價(jià)維修整治措施效果。

1 道床板上拱維修措施

為評(píng)估一座隧道內(nèi)雙塊式無(wú)砟軌道道床板上拱離縫的影響，對(duì)富水隧道17.8 km區(qū)間展開(kāi)軌道結(jié)構(gòu)病害調(diào)查。該隧道區(qū)間道床板上拱離縫（圖1）主要由地下水引起。

整治措施為：首先采取泄水降壓措施，在道床板兩側(cè)排水溝鉆孔，間距5 m，共計(jì)54處；其次采用錨桿加固，泄水降壓完畢，沿軌道兩側(cè)20 cm、縱向間距1 m設(shè)置若干鋼制漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿；最后填充層注漿，采取環(huán)氧樹(shù)脂注漿，注漿壓力為0.1～0.2 MPa。具體維修整治流程見(jiàn)圖2。

圖2 隧道區(qū)間道床板上拱離縫維修整治流程

2 道床板上拱的車輛-軌道系統(tǒng)模型

2.1 雙塊式無(wú)砟軌道振動(dòng)模型的建立

基于既有的列車-軌道系統(tǒng)空間振動(dòng)模型及動(dòng)力學(xué)理論［11-12］，建立含道床板上拱的雙塊式無(wú)砟軌道振動(dòng)分析模型，如圖3所示。模型中將長(zhǎng)度為L(zhǎng)的雙塊式無(wú)砟軌道按扣件間距劃分為若干個(gè)軌段單元，并假定：每個(gè)軌段單元分為兩層，上層為彈條扣件層，采用離散支點(diǎn)彈簧及黏滯阻尼器模擬，考慮扣件橫向、垂向剛度，扣件橫向、垂向阻尼；底層為道床板與路基之間的連接層，該層模擬為連續(xù)基礎(chǔ)彈簧及黏滯阻尼器，考慮基礎(chǔ)橫向、垂向剛度，基礎(chǔ)橫向、垂向阻尼。道床板與路基之間的離縫，可設(shè)置連續(xù)路基基礎(chǔ)黏滯阻尼器和彈簧失效，道床板上拱位移可依據(jù)軌面高程偏差設(shè)定。

圖3 雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)軌段單元模型

軌段單元中鋼軌及道床板上任一點(diǎn)處任意時(shí)刻t的垂向位移可通過(guò)橫向有限條與板段單元法進(jìn)行插值計(jì)算［13］。

2.2 高速列車振動(dòng)模型的建立及系統(tǒng)方程求解

以動(dòng)車組CRH2-300（編組為1動(dòng)車+4拖車）為例，建立高速列車-雙塊式無(wú)砟軌道系統(tǒng)振動(dòng)分析模型。動(dòng)車組中每輛車的車體及轉(zhuǎn)向架均考慮伸縮、橫擺、浮沉、側(cè)滾、點(diǎn)頭及搖頭6個(gè)自由度，每個(gè)輪對(duì)僅考慮橫擺及浮沉2個(gè)自由度。因此，每輛車均離散為具有二系懸掛的26個(gè)自由度的多剛體系統(tǒng)模型。依據(jù)彈性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總勢(shì)能不變?cè)瓌t［13］，得到系統(tǒng)總勢(shì)能Π，表達(dá)式為

式中：ΠT為軌道結(jié)構(gòu)空間振動(dòng)總勢(shì)能；ΠV為列車空間振動(dòng)總勢(shì)能。

分別對(duì)式（1）的列車和軌道結(jié)構(gòu)空間總勢(shì)能進(jìn)行變分，得到此系統(tǒng)總勢(shì)能位移變分方程，即

依據(jù)彈性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總勢(shì)能不變?cè)砗托纬上到y(tǒng)矩陣的“對(duì)號(hào)入座法則”［13］，得到此系統(tǒng)在t時(shí)刻的空間振動(dòng)矩陣方程，即

式中：M、C、K為此系統(tǒng)質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣；δ¨、δ˙、δ、P為此系統(tǒng)加速度、速度、位移、荷載向量。

采用FORTRAN編程及Wilson-θ法求解方程（3），計(jì)算此系統(tǒng)隨t變化的空間振動(dòng)響應(yīng)。

2.3 道床板上拱離縫模擬

考慮維修措施對(duì)道床板軌道結(jié)構(gòu)的影響，建立道床板上拱維修前和維修后兩種模型。采用單波余弦波形曲線模擬道床板的上拱變形，其表達(dá)式為

式中：f0為上拱曲線的幅值；l0為上拱曲線的波長(zhǎng)；y為上拱的位置坐標(biāo)。

道床板與路基離縫剛度折減系數(shù)kCA的表達(dá)式為

式中：F為輪軌力；u0為初始離縫值；u為道床的板豎向位移。

上拱模型如圖4和圖5所示。

圖4 道床板上拱離縫模型示意

圖5 道床板上拱的車輛-軌道系統(tǒng)振動(dòng)分析模型示意

3 計(jì)算參數(shù)及工況類型

3.1 計(jì)算參數(shù)

無(wú)損傷的車軌系統(tǒng)空間振動(dòng)響應(yīng)分析參考文獻(xiàn)［9-11］，其豎向激振源采用文獻(xiàn)［12-13］的高速無(wú)砟軌道譜隨機(jī)反演的時(shí)程曲線，橫向激振源則采用文獻(xiàn)［14］統(tǒng)計(jì)的高速列車構(gòu)架蛇行波標(biāo)準(zhǔn)差隨機(jī)模擬不同車速條件下的人工構(gòu)架蛇行波。鋼軌采用CHN60鋼軌；扣件節(jié)點(diǎn)剛度取50 kN∕mm，扣件間距0.625 m；道床板采用C60混凝土，道床板寬2.8 m，厚0.26 m；支承層寬3.4 m，厚0.3 m。

3.2 工況類型

提取隧道內(nèi)道床板上拱區(qū)間的高程偏差，見(jiàn)圖6。可知，該線路上行線K302+623—K302+698道床板上拱最嚴(yán)重，線路左軌K302+663—K302+668出現(xiàn)最大道床板上拱離縫，軌面最大高程偏差為+19 mm，最大離縫范圍為6 m，離縫5 mm。

圖6 維修前與維修后的軌道高程偏差

該隧道區(qū)間所在線路設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度為250 km∕h，因此速度計(jì)算工況采取300 km∕h及以下，探討道床板上拱對(duì)車軌系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的影響，并確定維修前線路區(qū)間相應(yīng)的限速值。

4 軌道結(jié)構(gòu)損傷評(píng)級(jí)及維修效果評(píng)價(jià)

4.1 維修前軌道結(jié)構(gòu)損傷評(píng)級(jí)

為研究維修前道床板上拱和列車運(yùn)行速度對(duì)車輛-軌道系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律及影響程度，計(jì)算道床板上拱與道床板正常兩種工況的車輛-軌道系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)圖7?？芍?/p>

圖7 道床板上拱與道床板正常的車軌系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)最大值

1）列車以300 km∕h運(yùn)行時(shí)，與道床板正常工況相比，道床板上拱工況引起的脫軌系數(shù)和輪重減載率分別增加了2.52倍和1.18倍，最大值分別為1.92和0.90；鋼軌、道床板、車體垂向振動(dòng)加速度分別增加了1.55、14.64、1.28倍。可見(jiàn)，道床板上拱對(duì)高速列車-雙塊式無(wú)砟軌道系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)影響很大，直接影響列車運(yùn)行安全性。軌道結(jié)構(gòu)傷損評(píng)級(jí)為Ⅳ級(jí)，緊急處理措施為限速運(yùn)行。

2）根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，輪重減載率不大于0.6，脫軌系數(shù)不大于1.0。道床板上拱工況下限速160 km∕h運(yùn)行時(shí)，脫軌系數(shù)峰值和輪重減載率峰值分別為0.33和0.51，均滿足規(guī)范要求；該工況下車體橫向、垂向sperling指標(biāo)峰值分別為2.85和2.78，根據(jù)TG∕GW 115—2012《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》，該列車舒適性指標(biāo)合格。

3）道床板上拱維修前，運(yùn)行速度由300 km∕h降至160 km∕h時(shí)，引起脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體垂向振動(dòng)加速度分別下降了82.81%、43.33%、27.20%；車體橫向sperling指標(biāo)下降了18.18%，達(dá)到2.79；車體豎向sperling指標(biāo)下降了14.92%，達(dá)到2.85；輪軌垂向力由176.951 kN下降到101.097 kN，下降了42.86%。可見(jiàn)，隨著運(yùn)行速度的降低，車輛-軌道系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)隨之降低。

綜上，道床板上拱維修前，建議列車限速160 km∕h運(yùn)行，可確保運(yùn)營(yíng)安全。

4.2 維修效果評(píng)價(jià)

對(duì)道床板進(jìn)行維修后，計(jì)算不同車速下道床板上拱的車輛-軌道系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)指標(biāo)，并與維修前進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖8?？芍毫熊囈?00 km∕h運(yùn)行時(shí)，與上拱維修前相比，維修后脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌垂向力、車體垂向振動(dòng)加速度峰值分別下降了69.79%、51.11%、43.71%、44.23%；維修后時(shí)速300 km的列車脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值分別為0.55和0.43，滿足高速列車運(yùn)行安全性和乘坐舒適性要求；列車以250 km∕h速度運(yùn)行時(shí)，脫軌系數(shù)、輪重減載率最大值均滿足規(guī)范安全性要求，車體垂向加速度、sperling指數(shù)滿足規(guī)范舒適性要求。隧道內(nèi)道床板上拱維修后同時(shí)滿足該線路區(qū)間運(yùn)營(yíng)速度要求。

圖8 維修前后的車軌系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)最大值比較

可見(jiàn)，道床板上拱維修后比維修前的車軌系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)下降明顯，滿足TG∕GW 115—2012中相關(guān)要求，維修后的道床板軌道結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)速度300 km∕h及以下列車運(yùn)行安全。維修后的軌道結(jié)構(gòu)性能有了較大的改善，明顯提升了高速鐵路隧道軌道結(jié)構(gòu)性能和服役期。

5 結(jié)論

1）與道床板正常工況相比，道床板上拱的鋼軌和道床板的振動(dòng)加速度、位移、輪軌作用力及列車脫軌系數(shù)、輪重減載率均有不同程度增加，且運(yùn)行速度越高振動(dòng)響應(yīng)增加程度越大。運(yùn)行速度對(duì)道床板上拱的軌道結(jié)構(gòu)和列車運(yùn)行安全影響較大，道床板上拱的軌道結(jié)構(gòu)傷損評(píng)級(jí)為Ⅳ級(jí)。

2）采取限速措施可明顯降低傷損的車軌系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)。以160 km∕h限速運(yùn)行時(shí)，道床板上拱引起的脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體橫向sperling指標(biāo)峰值、垂向sperling指標(biāo)都符合列車運(yùn)行的安全性及乘坐舒適性指標(biāo)要求。在不中斷交通的前提下，建議維修前道床板上拱區(qū)間列車限速160 km∕h及以下。

3）道床板上拱的軌道結(jié)構(gòu)維修效果評(píng)價(jià)良好，維修后的軌道結(jié)構(gòu)可滿足運(yùn)營(yíng)要求。因隧道地下水和地表水持續(xù)存在，須加強(qiáng)該區(qū)間監(jiān)控。