市域快軌梯形軌枕無砟軌道在線實(shí)測(cè)及分析

申瓊玉，韓冬東，董振升，俞泉瑜，徐飛虎

（1.安境邇(上海)科技有限公司，上海 200030；2.鐵科檢測(cè)有限公司，北京 100081）

1 研究背景

我國自2005 年開始引進(jìn)的城市軌道交通高等減振軌道結(jié)構(gòu)——梯形軌枕，在經(jīng)過引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新等一系列過程后，在北京、上海、廣州、深圳、南京、西安、鄭州等20 多個(gè)城市的軌道交通中已有數(shù)百千米的成功應(yīng)用，運(yùn)營線路最高速度達(dá)到120 km/h，減振效果及運(yùn)營狀態(tài)良好[1]。

2017 年，國家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)行線鋪設(shè)了360 m梯形軌枕無砟軌道，進(jìn)行了多次安全性、平穩(wěn)性、鋼軌振動(dòng)特性及減振效果等測(cè)試，最高測(cè)試速度達(dá)到176 km/h，測(cè)試結(jié)果良好[2]。該段線路自2017 年正常使用至2022 年底，因環(huán)行線全面提速改造而拆除。我國2022 年新投運(yùn)的1 085.17 km 城市軌道交通運(yùn)營線路中，市域快軌線路占比19.57%，呈上升趨勢(shì)[3]。截至2022 年底，超過22 座城市開通運(yùn)營市域鐵路，其中最高時(shí)速達(dá)220 km/h[4]。

為適應(yīng)市域快軌建設(shè)提速的減振需求[5]，研究梯形軌枕在更高速度條件下的運(yùn)行狀況及振動(dòng)特性，2022 年底全面提速改造的國家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)行線鋪設(shè)了針對(duì)市域快軌設(shè)計(jì)梯形軌枕無砟軌道試驗(yàn)段共計(jì)264 m，試驗(yàn)段兩端銜接普通有砟軌道，梯形軌枕無砟軌道與普通有砟軌道之間的過渡段長度為30 m(含在試驗(yàn)段內(nèi))[6]。本文針對(duì)梯形軌枕無砟軌道在更高速度下的安全性、穩(wěn)定性及減振效果是否滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)限值要求的問題，對(duì)梯形軌枕無砟軌道與普通有砟軌道做了詳細(xì)的測(cè)試方案并進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)段線路條件及軌道結(jié)構(gòu)方案要點(diǎn)

2.1 線路條件

梯形軌枕無砟軌道試驗(yàn)段位于環(huán)行線國鐵大環(huán)的西南角(見圖1)，大環(huán)線的線路及軌道條件如下。

圖1 環(huán)行線梯形軌枕無砟軌道試驗(yàn)段位置示意Figure 1 Diagram of ladder-sleeper ballastless track test section on Circular Line

1) 曲線半徑1 432.39 m，線路坡度0.3‰。

2) 曲線超高220 mm(包括梯形軌枕軌道在內(nèi)的大環(huán)南段)，理論平衡速度為163.4 km/h，最高試驗(yàn)速度220 km/h 時(shí)，對(duì)應(yīng)的欠超高達(dá)到178.7 mm。為確保測(cè)試列車的安全性，整個(gè)環(huán)行線曲線內(nèi)軌均設(shè)置了防脫護(hù)軌。

3) 60 kg/m 鋼軌，無縫線路，梯形軌枕無砟軌道采用WJ-8A 型扣件，扣件間距0.6 m；普通有砟軌道段采用彈條Ⅱ型扣件及Ⅲ型預(yù)應(yīng)力軌枕，道砟最小厚度350 mm，曲線外側(cè)砟肩設(shè)堆高(見圖2)。

圖2 普通有砟軌道斷面Figure 2 Cross of ordinary ballasted track in the section

2.2 市域快軌梯形軌枕及配套無砟軌道結(jié)構(gòu)

根據(jù)環(huán)行線最高速度220 km/h 的要求，梯形軌枕進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)。

1) 外形尺寸。梯形軌枕主體結(jié)構(gòu)由左右預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁及3 根聯(lián)結(jié)鋼管組成，鋪設(shè)長度6 m，實(shí)際枕長5.8 m，相鄰枕之間設(shè)0.2 m 枕縫。為適應(yīng)WJ-8A扣件的安裝要求，梯形軌枕單側(cè)縱梁寬設(shè)計(jì)為680 mm，左右縱梁外側(cè)各設(shè)一個(gè)沿縱梁方向長400 mm、橫向?qū)?00 mm 的限位凸臺(tái)，包括限位凸臺(tái)在內(nèi)的梯形軌枕總寬2 600 mm。根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)高度條件，縱梁厚設(shè)為220 mm。市域快軌單塊梯形軌枕自重約4.5 t(見圖3)。

圖3 市域快軌梯形軌枕構(gòu)造Figure 3 Structure of ladder-sleeper on Circular Line

2) 減振墊剛度。梯形軌枕每側(cè)縱梁下均勻布置6 塊聚氨酯減振墊，為控制市域快軌鋼軌垂向動(dòng)態(tài)位移不大于2.5 mm，中部及兩端減振墊剛度分別為18 kN/mm和9 kN/mm。試驗(yàn)段兩端與普通有砟軌道之間的過渡段包含5 塊梯形軌枕，設(shè)置了3 級(jí)過渡剛度。

環(huán)行線市域快軌梯形軌枕無砟軌道斷面如圖4所示。

表1 市域快軌梯形軌枕與地鐵梯形軌枕的主要對(duì)比Table 1 Comparison of ladder-sleeper track in urban rapid rail transit and subway

圖4 環(huán)行線市域快軌梯形軌枕無砟軌道斷面Figure 4 Cross of ladder-sleeper track in the section

3 測(cè)試方案

3.1 試驗(yàn)列車類型、速度級(jí)及測(cè)試指標(biāo)

試驗(yàn)列車為8 節(jié)編組CRH380AJ-2818 高速綜合檢測(cè)車，長度為203 m，軸重14 t。試驗(yàn)速度40～220 km/h，速度級(jí)差為20 km/h，共10 個(gè)速度級(jí)，為節(jié)省篇幅，本文僅給出120～220 km/h 的數(shù)據(jù)。

測(cè)試指標(biāo)包括安全性和穩(wěn)定性、軌道位移、振動(dòng)加速度及減振效果等，參考規(guī)范及限值見表2。

表2 測(cè)試項(xiàng)目、參考規(guī)范及限值Table 2 Test list, evaluation standards, and limit values

3.2 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

整個(gè)大環(huán)線的線路條件均一致，故選取3 個(gè)典型斷面進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，其中梯形軌枕無砟軌道枕中和枕端位置斷面各1 個(gè)，普通有砟軌道斷面1 個(gè)(見圖5～6)。

圖5 梯形軌枕枕中、枕端斷面位置Figure 5 Cross of ladder-sleeper track in the section

圖6 梯形軌枕無砟軌道與普通有砟軌道現(xiàn)場(chǎng)Figure 6 Site photos of ladder-sleeper ballastless track and ordinary ballasted track

4 測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 列車運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性

列車運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性指標(biāo)根據(jù)測(cè)得的輪軌垂、橫向力計(jì)算而得，測(cè)試斷面安全性指標(biāo)最大值如表3 所示，梯形軌枕軌道脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力均遠(yuǎn)小于相關(guān)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)限值，且與有砟軌道相比基本持平[3]。

表3 各測(cè)試斷面安全性指標(biāo)最大值Table 3 Maximum safety index value in each section

本次測(cè)試在試驗(yàn)專用軌道進(jìn)行，因軌道條件限制，曲線欠超高178.7 mm 高于設(shè)計(jì)規(guī)范限值，并且設(shè)置了防脫護(hù)軌，試驗(yàn)順利完成且各測(cè)試指標(biāo)數(shù)值均滿足標(biāo)準(zhǔn)限值。實(shí)際工程中考慮到風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)按設(shè)計(jì)規(guī)范限值設(shè)置。

4.2 軌道結(jié)構(gòu)位移

各測(cè)試斷面鋼軌位移最大值如表4 所示，梯形軌枕無砟軌道內(nèi)外軌橫向位移均不大于1 mm，動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量最大值不大于1 mm，因梯形軌枕無砟軌道減振需求，其鋼軌垂向位移大于有砟軌道，其他指標(biāo)基本持平，但均小于相關(guān)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)限值。

表4 各測(cè)試斷面鋼軌位移最大值Table 4 M aximum rail displacement value in each section mm

梯形軌枕位移最大值如表5 所示，梯形軌枕無砟軌道枕中和枕端位置縱梁垂向位移、橫向位移均在規(guī)范限值以內(nèi)。

表5 梯形軌枕位移最大值Table 5 Maximum displacement value in ladder-sleeper

4.3 鋼軌振動(dòng)加速度

各測(cè)試斷面鋼軌振動(dòng)加速度最大值如表6 所示，數(shù)據(jù)中的最大值遠(yuǎn)小于梯形軌枕無砟軌道枕中和枕端位置鋼軌垂向加速度、橫向加速度最大值參考《客貨共線鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》(TB 10461—2019)中規(guī)定的最大值5 000 m/s2，且與有砟軌道相比，互有高低，總體基本持平。

表6 各測(cè)試斷面鋼軌振動(dòng)加速度最大值Table 6 M aximum rail acceleration value in each section m/s2

4.4 距線路中心線3.5 m 路基表面的減振效果

從圖7 所示的振動(dòng)加速度頻譜特征對(duì)比圖可知，梯形軌枕無砟軌道在距線路中心線3.5 m 處路基表面的垂向加速度級(jí)明顯小于有砟軌道。

圖7 梯形軌枕無砟軌道和有砟軌道3.5 m 處路基垂向加速度頻譜Figure 7 Comparison of vertical vibration acceleration of ladder-sleeper track and ballast track at 3.5 m

梯形軌枕無砟軌道與有砟軌道減振動(dòng)效果對(duì)比如表7 所示，市域快軌梯形軌枕無砟軌道相對(duì)于有砟軌道減振效果，1～80 Hz 頻段Z 計(jì)權(quán)振級(jí)的最大差值ΔVLzmax為3.3～5.1 dB；1～200 Hz 頻段Z 計(jì)權(quán)振級(jí)的均方根的差值ΔVLza為4.4～6.8 dB，平均插入損失(減振效果)分別為4.0 dB 和5.4 dB。

表7 梯形軌枕無砟軌道相對(duì)比有砟軌道的減振效果Table 7 Vibration reduction of ladder-sleeper track and ballast track dB

5 結(jié)論

對(duì)國家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)行線最高220 km/h 條件下，市域快軌梯形軌枕無砟軌道及普通有砟軌道的安全性、平穩(wěn)性、鋼軌振動(dòng)特性及減振效果等實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下。

1) 列車以最高速度220 km/h 通過梯形軌枕無砟軌道時(shí)，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力和輪軌垂向力等安全性和穩(wěn)定性指標(biāo)遠(yuǎn)小于相關(guān)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)限值，與普通有砟軌道相比持平或略低。

2) 梯形軌枕無砟軌道因減振特性而引起的鋼軌垂向位移相對(duì)于有砟軌道增加較多；測(cè)得梯形軌枕的內(nèi)軌低速條件、外軌高速條件下的垂向位移因曲線未平衡超高過大而相對(duì)較大，最大值達(dá)到2.24～2.45 mm，但內(nèi)外軌垂向位移平均最大值為2.19 mm，仍滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值。

3) 市域快軌梯形軌枕無砟軌道的鋼軌橫向位移中，內(nèi)外軌橫向位移均小于1 mm，動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量最大值0.99 mm，雖然相對(duì)于有砟軌道動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量最大值0.48 mm 增加了一倍，但絕對(duì)值仍處在較低水平。

4) 市域快軌梯形軌枕枕中和枕端鋼軌垂橫向加速度值遠(yuǎn)小于限值5 000 m/s2，與普通有砟軌道相比，互有高低，總體基本持平，表明梯形軌枕無砟軌道的鋼軌振動(dòng)抑制能力良好。

5) 在距離線路中心線3.5 m 處的路基位置，市域快軌梯形軌枕無砟軌道相對(duì)于有砟軌道減振效果，1～80 Hz 頻段Z 計(jì)權(quán)ΔVLzmax為3.3～5.1 dB；1～200 Hz計(jì)權(quán)ΔVLza為4.4～6.8 dB，考慮到普通有砟軌道相對(duì)于普通無砟軌道已具有5 dB 或以上的減振效果[9]，可認(rèn)為按市域快軌相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的梯形軌枕無砟軌道相對(duì)于普通無砟軌道的減振效果可望達(dá)到10 dB 左右，這也與相關(guān)研究[10-12]的結(jié)論相吻合。

本次國家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)行線的測(cè)試成果，可為市域快軌及城際鐵路新線設(shè)計(jì)時(shí)的軌道減振技術(shù)應(yīng)用提供借鑒與參考，也有待未來實(shí)際應(yīng)用線路更多的驗(yàn)證。