丁靜波，馬佳駿，劉亞航

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)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(shù)探討

丁靜波，馬佳駿，劉亞航

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院，北京100055)

摘要：軌道不平順性是引起列車(chē)產(chǎn)生振動(dòng)和輪軌作用力增大的主要根源，對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)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。基于地鐵軌檢車(chē)波形數(shù)據(jù)，從高低、軌向、水平、軌距四類(lèi)不平順?lè)矫婵紤]，采用歸類(lèi)方法分析不同的軌道類(lèi)型不平順性特點(diǎn)，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(chǔ)控制網(wǎng)技術(shù)提高軌道初始平順性，軌道潤(rùn)滑技術(shù)，分析減振地段平順性、全線(xiàn)軌枕間距控制，以及介紹消除軌道不平順影響降低車(chē)內(nèi)噪聲提高乘客舒適度的軌道吸聲板技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地鐵；軌檢波形 ；軌道結(jié)構(gòu) ；軌道不平順； 減振降噪； 軌道剛度 ；軌道潤(rùn)滑 ；吸聲板

1概述

鐵路軌道的平順狀態(tài)對(duì)輪軌系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。它是輪軌關(guān)系的激振源，是引起車(chē)輛產(chǎn)生振動(dòng)和輪軌相互作用力的主要原因，對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全性、平穩(wěn)、舒適度、車(chē)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(jié)構(gòu)綜合性能和承載能力的重要體現(xiàn)，是制定維修計(jì)劃的重要指標(biāo)[1]。

軌檢車(chē)波形數(shù)據(jù)是目前最真實(shí)反映軌道動(dòng)態(tài)不平順狀態(tài)的一種數(shù)據(jù)。軌道不平順(峰值管理)檢查的項(xiàng)目有軌距、水平、高低、軌向、三角坑5項(xiàng)軌道幾何狀態(tài)參數(shù)，以及車(chē)體上下振動(dòng)加速度和左右振動(dòng)加速度二項(xiàng)車(chē)體響應(yīng)參數(shù)，共7項(xiàng)指標(biāo)。其中，車(chē)體振動(dòng)加速與軌道幾何狀態(tài)參數(shù)的優(yōu)劣和列車(chē)運(yùn)行速度密切相關(guān)，軌道狀態(tài)變形大會(huì)加劇車(chē)體振動(dòng)加速度[2]。參考《城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)規(guī)范》(DB11/T 718—2010)，軌道不平順指標(biāo)見(jiàn)表1，對(duì)于Ⅱ級(jí)以上的超限應(yīng)進(jìn)行整改。

表1　軌檢車(chē)各級(jí)偏差標(biāo)準(zhǔn)

本文基于實(shí)際地鐵軌檢車(chē)數(shù)據(jù)，分析引起軌道不平順特點(diǎn)，探討提高平順性的軌道技術(shù)，確保列車(chē)安全性、平穩(wěn)、舒適度、車(chē)輛和軌道部件的壽命。

2地鐵軌道不平順性特點(diǎn)

軌道不平順性包括高低、水平、方向、軌距不平順4種類(lèi)型?；诘罔F某個(gè)時(shí)段軌檢波形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：未出現(xiàn)軌道Ⅱ級(jí)以上超標(biāo)；74%曲線(xiàn)地段出現(xiàn)Ⅰ級(jí)超標(biāo)；63%減振地段出現(xiàn)Ⅰ級(jí)超標(biāo)，其中高等及特殊減振90%以上出現(xiàn)Ⅰ級(jí)超標(biāo)，若減振位于曲線(xiàn)地段時(shí)，出現(xiàn)Ⅰ級(jí)超標(biāo)概率也很高；除此之外，其他出現(xiàn)軌道Ⅰ級(jí)超標(biāo)地段約占總量的15%。

2.1線(xiàn)路曲線(xiàn)地段

地鐵因受環(huán)境條件的限制，不僅曲線(xiàn)數(shù)量多，且半徑小。曲線(xiàn)地段軌道施工不圓順、超高順坡率不均勻，主要出現(xiàn)軌向、水平不平順，在緩和曲線(xiàn)地段尤為突出。圖1為曲線(xiàn)半徑R=1 000 m軌檢波形，平均運(yùn)行速度49 km/h，在緩和曲線(xiàn)水平反復(fù)變化幅度有6.9 mm，另外出現(xiàn)三角坑。曲線(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)剛度不同，列車(chē)會(huì)出現(xiàn)明顯的周期性點(diǎn)頭和浮沉振動(dòng)，主要出現(xiàn)高低不平順。選取了3段位于直線(xiàn)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(shè)范圍K2+530～K2+740，高低波長(zhǎng)13 m幅值2.9 mm。圖3道岔區(qū)隔離式減振墊鋪設(shè)范圍K15+190～K15+308，除道岔外，高低波長(zhǎng)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(zhǎng)25 m幅值4.8 mm。出現(xiàn)小波長(zhǎng)或者同方面高低偏差，車(chē)體產(chǎn)生較大的振動(dòng)加速度，車(chē)內(nèi)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(diào)節(jié)器、過(guò)渡段、無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)等參數(shù)異常變化，出現(xiàn)軌道不平順。人防門(mén)、防淹門(mén)或梁縫位置，出現(xiàn)軌枕間距過(guò)大，出現(xiàn)高低、水平不平順，導(dǎo)致車(chē)體產(chǎn)生了較大的振動(dòng)加速度，見(jiàn)圖5。

圖5　局部軌檢高低不平順的波形

高架橋鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路，對(duì)于橋墩縱向水平線(xiàn)剛度應(yīng)均勻過(guò)渡。橋墩水平線(xiàn)剛度越低，因列車(chē)荷載作用產(chǎn)生的墩頂位移幅度越大，而產(chǎn)生軌道的高低不平順，使得車(chē)體產(chǎn)生較劇烈點(diǎn)頭振動(dòng)。圖6為高架35 m簡(jiǎn)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(xiàn)軌距、水平、高低不平順。地鐵道岔均采用固定型轍叉，車(chē)輪通過(guò)有害空間時(shí)，鋼軌實(shí)際作用邊不連續(xù)，軌檢波形中軌距、水平、三角坑和單側(cè)鋼軌高低、軌向會(huì)出現(xiàn)尖刺，屬于正?，F(xiàn)象。

3提高軌道平順性、舒適性措施及思路

3.1曲線(xiàn)地段平順性措施

(1)精密定位的軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)

既有地鐵鋪軌是在結(jié)構(gòu)貫通測(cè)量的基礎(chǔ)上，先測(cè)設(shè)控制基標(biāo)，再測(cè)設(shè)加密基標(biāo)(含道岔基標(biāo))。由于基標(biāo)測(cè)設(shè)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(hào)線(xiàn)引進(jìn)高鐵精密定位的軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)，通過(guò)與既有采用鋪軌基標(biāo)相比，明顯地提高了軌道的初始靜態(tài)平順性[3]。軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)的控制點(diǎn)沿線(xiàn)路成對(duì)布設(shè)在側(cè)墻上，高于軌面0.9～1.2 m，點(diǎn)對(duì)縱向間距為30～60 m，達(dá)到全站儀自由測(cè)站每站觀(guān)測(cè)4對(duì)軌道基礎(chǔ)控制點(diǎn)的通視要求。控制精度：方向觀(guān)測(cè)中誤差限值為1.8 mm，距離觀(guān)測(cè)中誤差和相鄰點(diǎn)的對(duì)中誤差限值均為1.0 mm以?xún)?nèi)。與既有軌道基標(biāo)控制相比，雙線(xiàn)每千米增加投資約8萬(wàn)元。

(2)鋼軌潤(rùn)滑技術(shù)

列車(chē)在直線(xiàn)上運(yùn)行車(chē)輪與鋼軌接觸點(diǎn)位于鋼軌中心靠?jī)?nèi)側(cè)位置，曲線(xiàn)上自由內(nèi)接蛇形運(yùn)行，車(chē)輪與鋼軌在作用邊接觸，見(jiàn)圖7。

由于軌道不平順誘發(fā)車(chē)輪劇烈振動(dòng)，在頻繁接觸力作用下，加快了鋼軌的磨耗。采用鋼軌潤(rùn)滑技術(shù)，在金屬表面，形成一層潤(rùn)滑膜，減小輪軌摩擦?xí)r滑動(dòng)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(guó)門(mén)等小半徑曲線(xiàn)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(lái)平均1年延長(zhǎng)到3年多[7]。

直線(xiàn) 曲線(xiàn)圖7　車(chē)輪與鋼軌在直線(xiàn)和曲線(xiàn)段觸壓點(diǎn)

3.2減振地段平順性控制

(1)適宜的軌道系統(tǒng)剛度

圖8　地鐵軌道剛度體系

綜合降低輪軌動(dòng)作用力、保證軌道變形要求、提高行車(chē)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(duì)位移1.5 mm控制[9]。另外，在系統(tǒng)疲勞條件下，單邊軌距擴(kuò)大值不大于3 mm，垂向永久變形小于2 mm，試驗(yàn)前后剛度變化不超過(guò)15%，以控制水平不順性[8]。

(2)在正常工作頻率范圍內(nèi)避免共振

當(dāng)激勵(lì)頻率接近固有頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致軌道不穩(wěn)，輪軌接觸力增加大，出現(xiàn)輪軌磨耗、噪聲異常、損傷等問(wèn)題。設(shè)計(jì)可能發(fā)生共振的兩個(gè)特征頻率是扣件通過(guò)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(chē)速相對(duì)高的地段，應(yīng)避免共振。

(3)剛性過(guò)渡合理

在全列車(chē)長(zhǎng)的范圍內(nèi)，減振軌道系統(tǒng)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(tǒng)剛度20 kN/mm時(shí)，撓度梯度i1=0.27 mm/m；相鄰扣件系統(tǒng)扣件剛度60 kN/mm時(shí)，鋼軌撓度梯度i2=0.31 mm/m，見(jiàn)圖9；建議高等級(jí)特殊減振前后相鄰地段，采用低剛度減振扣件過(guò)渡，更有利于提高軌道平順性。

圖9　鋼彈簧浮置板剛性過(guò)渡

3.3控制全線(xiàn)軌枕間距

地鐵扣件間距為625 mm，小半徑曲線(xiàn)特殊地段加密至550～600 mm，但在人防門(mén)、防淹門(mén)及梁縫位置，難以達(dá)到要求。國(guó)內(nèi)地鐵對(duì)扣件最大容許間距無(wú)具體規(guī)定；日本新干線(xiàn)扣件容許最大間距為725 mm；德國(guó)ICE要求軌道下沉量不大于1.5 mm控制[6]。以地鐵A型車(chē)、最高速度100 km/h，扣件剛度40 kN/mm，計(jì)算軌枕間距600 mm時(shí)，鋼軌橫向位移0.821 mm，縱向位移1.067 mm。通過(guò)對(duì)比不同軌枕間距下位移表明，控制1.5 mm下沉量，考慮適當(dāng)富余量，軌枕間距局部個(gè)別地段建議嚴(yán)格控制800 mm以下，見(jiàn)圖10。

圖10　不同軌枕間距下鋼軌位移對(duì)比

3.4降低車(chē)內(nèi)噪聲提高乘客舒適度

軌道不平順，造成車(chē)體產(chǎn)生較大的振動(dòng)加速度，導(dǎo)致車(chē)內(nèi)噪聲增加，影響乘客舒適度。特別是在一些城市地鐵出現(xiàn)了異常波磨問(wèn)題，導(dǎo)致輪軌噪聲異常的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響乘客舒適度。創(chuàng)造低噪聲的乘車(chē)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(shè)的發(fā)展方向。

軌道道床吸聲板技術(shù)是利用聲學(xué)上的空腔共振和孔隙吸聲的原理，采用優(yōu)質(zhì)的低堿普通硅酸鹽水泥、吸聲陶粒等組成具有一定強(qiáng)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(cè)噪聲，達(dá)到降低輪軌噪聲的目的。根據(jù)室內(nèi)混響試驗(yàn)表明，全天候道床吸聲板的綜合吸聲系數(shù)高達(dá)0.9，技術(shù)性能與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)，價(jià)格約為國(guó)外的1/2，北京、南京、上海鋪設(shè)應(yīng)用表明，降噪工程投資降低明顯[10]；北京地鐵8號(hào)線(xiàn)實(shí)測(cè)表明，吸聲板降噪效果為3～5 dB，見(jiàn)圖11。

圖11　吸聲板后輪軌噪聲的傳播

4結(jié)語(yǔ)

軌道的平順性決定乘客的舒適度，嚴(yán)重不平順會(huì)引起列車(chē)脫軌重大事故，危機(jī)乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全，應(yīng)引起足夠的重視。本文基于地鐵軌檢波形數(shù)據(jù)，采用歸類(lèi)方法，分析不同的軌道類(lèi)型不平順性特點(diǎn)，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(chǔ)控制網(wǎng)技術(shù)，可提高軌道鋪設(shè)精度，控制軌道原始靜態(tài)不平順；運(yùn)營(yíng)期間，結(jié)合實(shí)際鋼軌磨耗情況，采用鋼軌潤(rùn)滑技術(shù)，減小輪軌摩擦?xí)r滑動(dòng)阻力，提高平順性。

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

(3)控制全線(xiàn)軌枕間距不大于800 mm。

(4)采用軌道道床吸聲板技術(shù)，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(xiàn)：

[1]韓清強(qiáng)，武勇.軌道幾何形位靜態(tài)檢查原理及應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(8)：105-106.

[2]杜茂金.軌檢車(chē)在地鐵軌道設(shè)備養(yǎng)修中的運(yùn)用[J].現(xiàn)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(cè)控新技術(shù)在廣州地鐵中的應(yīng)用研究[J].鐵道勘察，2013(4)：12-13.

[4]孫家麒.城市軌道交通振動(dòng)和噪聲控制簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

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

[6]田春香，顏華，熊維.關(guān)于高速鐵路扣件間距的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(8):32-36

[7]李騰萬(wàn).對(duì)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(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ/T 191—2012浮置板軌道技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[9]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[10]北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所.北京地鐵昌八聯(lián)絡(luò)線(xiàn)HCM吸聲板降噪效果測(cè)試報(bào)告[R].北京：北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，2014.

[11] 北京城建設(shè)計(jì)研究總院.GB50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[12]北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京交通大學(xué)，等.北京軌道交通減少異常波磨的綜合減振技術(shù)研究中間報(bào)告(編號(hào)Z101106000410004)[R].北京：北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京交通大學(xué)，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(hào)：1004-2954(2016)05-0011-04

收稿日期：2015-08-18； 修回日期：2015-10-20

基金項(xiàng)目：寧波地鐵軌道交通5號(hào)線(xiàn)一期工程減振降噪專(zhuān)題研究([SJ5101]聯(lián)字(2016)第003號(hào))

作者簡(jiǎn)介：丁靜波(1979—)，男，高級(jí)工程師，2002年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，E-mail:dingjbo@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：U231+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.003