城市軌道交通寬枕板式固化道床軌道結(jié)構(gòu)動力特性

徐 旸，劉啟賓，王 紅，郄錄朝，樓梁偉，余文穎，易 強

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043）

城市軌道交通改善了城市居民的生活，逐漸成為城市居民不可替代的交通方式，在我國城市化進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用。城市軌道交通通常為穿越鬧市區(qū)的地下線路，車輛引起的環(huán)境振動及噪聲會對沿線居民的日常工作、生活產(chǎn)生較大影響，因此對軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪性能有較高要求。

在城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)及減振特性研究方面，吳永芳等［1］基于倍頻程分析，提出一種城市軌道交通減振效果的系統(tǒng)評價方法，對不同軌道部件及結(jié)構(gòu)的減振效果進(jìn)行分析，認(rèn)為針對道床結(jié)構(gòu)采用隔振措施最為有效。在道床隔振研究方面，劉維寧等［2-3］通過現(xiàn)場實測，對減振墊的鋪設(shè)方式及減振墊在北京地鐵5號線鋼彈簧浮置板區(qū)段的減振效果進(jìn)行研究。楊吉忠等［4］提出了一種被動式動力減振軌道結(jié)構(gòu)，并建立數(shù)值模型模擬分析抑制浮置板軌道1階模態(tài)振動的最優(yōu)剛度和阻尼。韋紅亮等［5］從時頻域角度對高架鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振特性進(jìn)行分析，并基于分析結(jié)果對減振器設(shè)置方式提出了優(yōu)化建議。

綜上，既有針對道床結(jié)構(gòu)減振性能的研究多聚焦于以鋼彈簧浮置板道床、減振墊道床為主的傳統(tǒng)減振整體式道床軌道結(jié)構(gòu)。當(dāng)城市軌道交通穿越活動斷裂帶等特殊區(qū)段時，存在著軌下隧道基礎(chǔ)發(fā)生結(jié)構(gòu)變形進(jìn)而影響軌道平順性的隱患。特殊區(qū)段的城市軌道交通存在著減振降噪及可維修性2 個方面需求。既有的無砟軌道雖然相比于傳統(tǒng)有砟軌道結(jié)構(gòu)具有養(yǎng)護維修工作量小的優(yōu)點，但應(yīng)用于下部基礎(chǔ)不穩(wěn)定的區(qū)段時，一旦發(fā)生基礎(chǔ)變形，存在著維修困難、成本較高且對正常運營干擾較大的問題。穿越活動斷裂帶等不良地質(zhì)條件區(qū)段的軌道結(jié)構(gòu)選型問題，一直是城市軌道交通領(lǐng)域的難題。

聚氨酯固化道床技術(shù)是通過將高分子復(fù)合材料灌注至有砟道床中，并將散體道砟顆粒粘接成連續(xù)結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，能起到增強道床穩(wěn)定性、減緩道床累積變形、改善道床彈性的目的，是一種同時具備養(yǎng)護維修工作量小，且相比于無砟軌道更易于維修的新型軌道結(jié)構(gòu)［6-7］。聚氨酯固化道床技術(shù)已在濟青高速鐵路、大西高速鐵路、瓦日重載鐵路中應(yīng)用，其中，濟青高鐵聚氨酯固化道床創(chuàng)造了我國有砟軌道結(jié)構(gòu)最高試驗速度389.7 km·h-1的記錄［8-9］。聚氨酯固化道床技術(shù)能改善軌道結(jié)構(gòu)的靜、動力學(xué)特性，聚氨酯材料良好的彈性及變形記憶特性使其可通過結(jié)構(gòu)變形緩沖輪軌沖擊荷載，在耗散輪軌接觸能量的同時起到減振降噪的效果［10-11］。但是現(xiàn)有的聚氨酯固化道床技術(shù)主要應(yīng)用于對環(huán)境振動要求不高的鐵路干線，聚氨酯固化道床的減振優(yōu)勢未能得到充分發(fā)揮。如將具有減振降噪特點的聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)用于城市軌道交通，將具有更為廣闊的前景。

本文以烏魯木齊城市軌道交通1 號線為依托，首次將聚氨酯固化道床技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通中，設(shè)計了一種新型的寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹其施工工藝；通過現(xiàn)場測試列車通過不同區(qū)段時的動力響應(yīng)，分析聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)的行車動力特性及減振力學(xué)特性。

1 寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)受力的角度來說，軌枕枕底接觸面積越大，傳遞至道床頂面的應(yīng)力就越小，道床的累積沉降、道砟破碎等現(xiàn)象就越少。但散體有砟道床需要進(jìn)行頻繁的搗固維修，受限于道床搗固作業(yè)時的空間限制，我國Ⅲ型混凝土軌枕枕底面積約為0.77 m2。而聚氨酯固化道床通過將散體碎石粘接成整體，能起到延緩道床累積變形進(jìn)而免除道床搗固維修作業(yè)的效果。基于此，進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計時可不考慮搗固作業(yè)空間，增大軌枕枕底面積。

本文以烏魯木齊城市軌道交通1 號線為依托，首次將聚氨酯固化道床應(yīng)用于城市軌道交通中，設(shè)計了寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)。該軌道結(jié)構(gòu)中采用的新型寬枕板沿道床橫斷面寬2 200 mm，沿線路縱向平面長1 040 mm，每個單元板包含2組扣件。寬枕板單跨軌枕理論支承面積為1.14 m2，即使是在枕長由2.6 m 縮短為2.2 m 的情況下，寬枕板的枕下支承面積也可達(dá)到傳統(tǒng)Ⅲ型混凝土軌枕的1.49 倍，理論上使道床頂面應(yīng)力降低32.9%，從而達(dá)到延長道床壽命的目的。烏魯木齊城市軌道交通1 號線活動斷裂帶采用的寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)的橫斷面如圖1所示。

圖1 寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)橫斷面（單位：mm）

2 寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)施工

由于寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外尚無可借鑒的經(jīng)驗，且聚氨酯固化道床的澆注施工工藝、作業(yè)參數(shù)等會對作業(yè)效果產(chǎn)生顯著的影響，因此需要結(jié)合寬枕板式聚氨酯固化道床軌道的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計相應(yīng)的施工工藝及關(guān)鍵參數(shù)。通過對大量工藝試驗的結(jié)果進(jìn)行分析，寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)采用自下而上的施工方式，主要步驟如下。

（1）分層上砟整道并將道砟鋪設(shè)于隧底仰拱填充層上方。

（2）道砟密實穩(wěn)定后，在道砟上方鋪設(shè)寬枕板。

（3）鋪設(shè)扣件、鋼軌并精調(diào)。

（4）精調(diào)完成后，將聚氨酯混合液由寬枕板上方預(yù)留的灌注孔灌注至道床底部。

（5）聚氨酯混合液發(fā)泡粘接形成寬枕板底部的固化道床結(jié)構(gòu)。

在施工過程中需要重點關(guān)注的技術(shù)難點主要包括2 個方面：一是聚氨酯材料在發(fā)泡過程中會產(chǎn)生較大的膨脹力，在不采取控制措施的情況下容易引起道床的上拱，造成線路的二次不平順；二是由于澆注點順序存在時間相位差，后澆注的區(qū)域可能會發(fā)生因碎石之間的孔隙被先澆注、發(fā)泡的聚氨酯材料填滿而導(dǎo)致聚氨酯混合液無法流動至道床底部的干涉現(xiàn)象。此外，由于寬枕板式聚氨酯固化道床首次采用了板下低應(yīng)力全斷面固化結(jié)構(gòu)，不僅無法沿用既有的施工工藝，且對聚氨酯材料澆注環(huán)節(jié)的要求也更為嚴(yán)格。

為確保聚氨酯材料澆注飽滿、前后澆注區(qū)域不發(fā)生干涉，通過大量的工藝試驗結(jié)果，研究提出了3步驟26點法的聚氨酯材料澆注工藝，步驟如下。

（1）對寬枕板之間的縫隙進(jìn)行澆注，沿線路縱向遠(yuǎn)離已澆注部分的板縫自線路內(nèi)側(cè)向外側(cè)依次灌注7 個點，每個灌注點間距為30 cm，隨后采用相同的工藝澆注沿線路縱向靠近已澆注部分的板縫。

（2）澆注板中4 個灌注孔中距離鋼軌較近一側(cè)的2個灌注孔。

（3）澆注板下中心處的2 個灌注孔及板側(cè)邊，側(cè)面每邊澆注4個點，每個點縱向間隔26 cm。

為確保聚氨酯材料的充分固化、發(fā)泡，并對聚氨酯材料的發(fā)泡膨脹應(yīng)力進(jìn)行放散，每個步驟間需要保證30 min 以上的時間間隔，澆注點位及順序如圖2 所示，其余施工條件需參照技術(shù)條件［1］中的要求執(zhí)行。

圖2 寬枕板式聚氨酯固化道床澆注點位及順序

圖3 給出了采用了3 步驟26 點法澆注揭板后的聚氨酯固化道床。由圖3 可知：采用該施工工藝后，板下道床飽滿、整體性好、道床底面固化均勻。烏魯木齊城市軌道交通1號線寬枕板式聚氨酯固化道床即采用該工藝進(jìn)行施工。

圖3 澆注形成的聚氨酯固化道床

3 現(xiàn)場測試

選取某隧道內(nèi)寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)區(qū)間段作為試驗段，相鄰無砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)間段作為對比段，對試運行期間運行速度在20～80 km·h-1之間的共計54 趟地鐵B 型車通過不同區(qū)段時的動力響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場測試，分析2 種軌道結(jié)構(gòu)的行車動力特性及減振性能。

行車動力特性的測試內(nèi)容包括輪軌垂、橫向力，道床板中心垂向位移。其中，輪軌力通過在2扣件間鋼軌中心處布設(shè)測點進(jìn)行測試。擬通過輪軌垂向力分析輪軌接觸狀態(tài)，通過軌道板垂向位移分析軌下結(jié)構(gòu)的剛度特性，通過脫軌系數(shù)、輪重減載率對行車安全性進(jìn)行分析。脫軌系數(shù)及輪重減載率參照標(biāo)準(zhǔn)TB 10716—2013 《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》［13］進(jìn)行計算。

減振性能的測試內(nèi)容包括鋼軌垂向加速度、道床板垂向振動加速度、隧道壁振動加速度。

現(xiàn)場測點布置如圖4所示。

圖4 測點布置示意圖

寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)與無砟軌道結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測點布置如圖5所示。

圖5 不同軌道結(jié)構(gòu)及測點布置

4 寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)動力特性

表1 為2 種軌道結(jié)構(gòu)行車動力響應(yīng)測試數(shù)據(jù)。由表1可知：54趟空載列車通過無砟軌道及寬枕板式聚氨酯固化道床軌道時，寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)相比于無砟軌道結(jié)構(gòu)能夠使輪軌力的均值及峰值分別減少17.9%和9.8%，說明寬枕板式聚氨酯固化道床能有較為效地減小輪軌力。

表1 2種軌道結(jié)構(gòu)行車動力響應(yīng)測試數(shù)據(jù)

圖6 為列車通過2 種軌道時，板中垂向位移的時程曲線，列車荷載作用時間為0.44～7.96 s。結(jié)合表1 及圖6 可以看出：2 種軌道結(jié)構(gòu)在列車輪群荷載作用下的動位移呈現(xiàn)出較大差異，無砟軌道的軌道板垂向位移僅為聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)的51%，說明寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)整體軌下動剛度更低。

圖6 不同軌道結(jié)構(gòu)軌道板垂向位移時程曲線

此外，寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)會隨列車輪載發(fā)生緩慢的遲滯彈性變形，即列車荷載作用后道床的彈性變形不會立即回彈，而是卸載后隨時間逐漸恢復(fù)，即其回彈過程會存在一定的滯后效應(yīng)。故采用遲滯彈性位移表述卸載后寬枕板隨時間逐漸恢復(fù)的瞬時豎向變形。由測試數(shù)據(jù)可知，寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)軌道板卸載后最大遲滯彈性位移為0.023 mm，卸載60 s 時可回彈至0.003 mm 以內(nèi)，并逐漸回彈至原位。而無砟軌道結(jié)構(gòu)則不存在遲滯彈性位移。說明寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)能夠通過道床變形對能量進(jìn)行耗散，減緩由軌下基礎(chǔ)剛度過大所導(dǎo)致的輪軌劇烈作用，表1 中2 種軌道結(jié)構(gòu)輪軌垂向力均值及峰值的對比結(jié)果也佐證了這一結(jié)論。

圖7 為列車以不同速度通過2 種軌道結(jié)構(gòu)時的脫軌系數(shù)。由表1、圖7 可以看出：無砟軌道結(jié)構(gòu)的脫軌系數(shù)在0.04 到0.22 之間浮動，而寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)的脫軌系數(shù)實測值基本在0.03～0.08 以內(nèi)，說明寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)具有更好的行車動力穩(wěn)定性。

圖7 不同軌道結(jié)構(gòu)列車脫軌系數(shù)

圖8 為列車以不同速度通過2 種軌道結(jié)構(gòu)時的輪重減載率。由圖8 可以看出：2 種軌道結(jié)構(gòu)的輪重減載基本相當(dāng)，沒有明顯的差異。

圖8 不同軌道結(jié)構(gòu)輪重減載率

5 寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)減振性能

傳統(tǒng)的浮置板道床、減振墊道床是將振動能量留存于隔振層的上部，從而起到的隔振效果，但從能量耗散角度來說不利于消散輪軌的沖擊能量。而聚氨酯固化道床由道砟粘接彈性聚氨酯材料構(gòu)成，在列車動荷載作用下，道砟顆粒間的相互錯動摩擦、聚氨酯材料的彈性變形均能起到能量耗散作用，能更好地吸收列車荷載產(chǎn)生的沖擊動能，也是有砟道床很少發(fā)生鋼軌波磨等病害的主要原因之一。

參考文獻(xiàn)［10］中的減振性能分析方法，計算振動加速度級、插入損失并對測試結(jié)果進(jìn)行Z 計權(quán)。無砟軌道及寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果見表2。

表2 2種軌道結(jié)構(gòu)道床、隧道壁振動加速度測試結(jié)果

列車以73.6 km·h-1的時速通過2 種軌道結(jié)構(gòu)時，道床加速度級頻譜分析結(jié)果如表3 所示。結(jié)合表2、表3 可以看出：相比于普通無砟整體道床，寬枕板式聚氨酯固化道床的鉛垂向振動加速度級增加了2.43 dB，說明寬枕板式聚氨酯固化道床的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)大于普通無砟整體道床。

表3 不同軌道結(jié)構(gòu)的道床分頻振級

表4 為列車通過2 種軌道結(jié)構(gòu)時，隧道壁加速度級頻譜分析結(jié)果。結(jié)合表2、表4 可以看出：普通無砟整體道床隧道壁分頻最大振級為74.2 dB，對應(yīng)中心頻率400 Hz；寬枕板式聚氨酯固化道床隧道壁，其分頻最大振級為65.12 dB，對應(yīng)中心頻率100 Hz。在不計權(quán)條件下，相比于普通無砟整體道床，寬枕板式聚氨酯固化道床區(qū)段隧道壁振動加速度級減小了11.1 dB，說明聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)具有更好的減振性能。

表4 不同軌道結(jié)構(gòu)的隧道壁分頻振級

城市軌道交通中，通常參照不同的標(biāo)準(zhǔn)，通過對傳遞至隧道壁的振動加速響應(yīng)進(jìn)行計權(quán)的方式分析結(jié)構(gòu)的振動特性［14-15］，并通過插入損失對不同軌道結(jié)構(gòu)的減振效果進(jìn)行評估［16］。2種道床Z 計權(quán)分頻振級如表5 所示。由表5 可知，聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)在1～3.15 和20～400 Hz 范圍內(nèi)的具有較好的減振效果。

表5 不同軌道結(jié)構(gòu)的隧道壁Z計權(quán)分頻振級

寬枕板式聚氨酯固化道床區(qū)段隧道壁的Z計權(quán)插入損失如表6 所示。由表6 可以看出，相比于普通無砟整體道床，寬枕板式聚氨酯固化道床區(qū)段隧道壁的Z計權(quán)插入損失為8.1 dB，最大插入損失為11.18 dB，對應(yīng)中心頻率為40 Hz。

表6 寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)隧道壁的插入損失

6 結(jié) 論

（1）寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)會隨列車輪載發(fā)生最大遲滯彈性位移為0.023 mm 的遲滯彈性變形，且卸載60 s后逐漸回彈至原位。而無砟軌道結(jié)構(gòu)則不存在遲滯彈性位移，卸載后立即回彈至原位。

（2）相比于無砟軌道結(jié)構(gòu)，列車經(jīng)過寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)時的輪軌力均值及峰值將分別減少17.9%和9.8%。說明寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)更有利于能量耗散，從而能減輕劇烈的輪軌作用。

（3）在脫軌系數(shù)方面，無砟軌道結(jié)構(gòu)的脫軌系數(shù)在0.04 到0.22 之間浮動，而寬枕板式聚氨酯道床軌道結(jié)構(gòu)的脫軌系數(shù)實測值基本在0.03～0.08以內(nèi)，說明寬枕板式聚氨酯道床軌道結(jié)構(gòu)具有更高的行車動力穩(wěn)定性。

（4）相比于無砟軌道結(jié)構(gòu)，寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)的垂向振動加速度級增加了2.43 dB，隧道壁鉛垂向振動加速度級減小了11.1 dB。無砟軌道結(jié)構(gòu)的隧道壁分頻最大振級為74.2 dB，對應(yīng)中心頻率為400 Hz；寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)的分頻最大振級為65.12 dB，對應(yīng)中心頻率100 Hz。

（5）相比于無砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段，寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段隧道壁的Z振級插入損失為8.1 dB，最大插入損失為11.18 dB，對應(yīng)中心頻率為40 Hz。且寬枕板式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)可以兼容減振扣件、砟下減振墊層等其他減振軌道部件，其減振性能存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。