蔣林宏 李科委 馬宇飛

南京地鐵運營有限責(zé)任公司，南京210012

扣件系統(tǒng)是軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是連接鋼軌與支承結(jié)構(gòu)的重要部件［1］，是影響軌道結(jié)構(gòu)振動特性的關(guān)鍵因素［2-3］。其由彈條、軌下墊板、軌距擋板、螺旋道釘?shù)榷鄠€零部件組成。任一零部件失效或斷裂均會直接影響扣件系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，嚴(yán)重時甚至威脅到列車運行的安全性和穩(wěn)定性［4-6］。本文基于各類扣件在南京地鐵多年的應(yīng)用實踐，從扣件設(shè)計、施工、生產(chǎn)質(zhì)量和使用期的維護四個方面對扣件的主要病害及形成原因進行分析，并結(jié)合扣件剛度實驗室檢測、扣件減振性能線上測試結(jié)果系統(tǒng)分析扣件的主要性能，給出各類扣件的適用地段及優(yōu)缺點，為地鐵扣件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和管理維護提供參考。

1 扣件使用情況分析

目前南京地鐵運營里程378 km，在用扣件主要有22種。按減振等級分為無減振、一般減振、中等減振、高等減振4類。各類扣件鋪設(shè)情況見表1。可以看出，鋪設(shè)量較大的扣件是WJ-2A型扣件、ZX-2型扣件、彈條Ⅰ型不分開式扣件、DTⅥ2型扣件、彈條Ⅰ型分開式扣件5種，其鋪設(shè)里程分別為216.627、200.077、95.629、80.951、54.441 km。

表1 南京地鐵各類扣件鋪設(shè)情況

2 扣件主要病害分析

2.1 設(shè)計缺陷引起的病害

2.1.1 尼龍?zhí)坠苁?/p>

DTⅥ1型扣件、DTⅥ2型扣件、DT-Ⅲ型小阻力扣件、Ⅲ型減振器、雙層非線性減振扣件等采用潘德羅彈條的扣件設(shè)計時均未設(shè)置軌下調(diào)高墊板，進行高低、水平調(diào)整時須松緊螺旋道釘，通過在鐵墊板下的調(diào)高墊板進行調(diào)整作業(yè)。1號線、2號線DTⅥ2型扣件尼龍?zhí)坠苁Ч?96處，絕大多數(shù)出現(xiàn)在道岔、曲線等日常重點養(yǎng)護區(qū)域。10號線、機場線、寧天（南京—天長）線壓縮型減振扣件均未設(shè)計軌距塊，進行軌距、軌向調(diào)整時均須通過松緊螺旋道釘，調(diào)整軌距調(diào)整墊塊實現(xiàn)。由于調(diào)整幾何狀態(tài)時頻繁松緊螺旋道釘，導(dǎo)致尼龍?zhí)坠苁Р『r常發(fā)生。

2.1.2 波浪形彈性墊板壓潰、開裂

設(shè)計時通過軌下彈性墊板與鐵墊板下彈性墊板的共同作用提供扣件組裝剛度，通過橡膠墊板或聚酯墊板材料本身的彈性變形和結(jié)構(gòu)變形達到減振和緩沖效果。同時考慮到節(jié)省材料、排水等因素，采用開槽、圓柱形支撐等方式增大材料的結(jié)構(gòu)變形，使扣件達到設(shè)計要求的組裝剛度。但不恰當(dāng)?shù)奶幚矸绞绞沟脧椥詨|板強度大大削弱，當(dāng)其強度不足以承受列車經(jīng)過時鋼軌傳遞的動荷載時便會出現(xiàn)彈性墊板變形、壓潰等病害。4號線共計發(fā)現(xiàn)壓潰、開裂等失效彈性墊板6 610塊，其中95%以上為上下對稱深開槽的波浪形彈性墊板（圖1）。

圖1 4號線失效墊板

2.2 施工不規(guī)范引起的病害

2.2.1 潘德羅彈條折斷

1號線、2號線等老線扣件設(shè)計中大量采用DTⅥ2型扣件、Ⅲ型減振器等采用潘德羅彈條的扣件。此設(shè)計加大了彈條與鋼軌上軌距塊的接觸面，使得扣壓力更加均勻，但由于取消了T形螺栓，彈條扣壓力不易保持，往往導(dǎo)致彈條安裝過緊。同時由于安裝過程中多采用錘擊彈條輔助就位，對彈條本身強度造成破壞，使得潘德羅彈條在安裝初期折斷較多［7-8］。1號線開通初期DTⅥ2型扣件潘德羅彈條每年折斷約500個，主要原因為扣件安裝不規(guī)范。

2.2.2 減振器破壞

焊縫不平順區(qū)段，尤其是高焊頭地段，由于鋼軌上拱度的存在對扣件系統(tǒng)產(chǎn)生了一個持久的上拔力，列車經(jīng)過時巨大的輪軌作用力又對扣件系統(tǒng)形成了一個瞬時的向下沖擊力，在上下循環(huán)荷載作用下扣件系統(tǒng)的位移變形導(dǎo)致扣件破壞失效。2號線鐘靈街—經(jīng)天路區(qū)間共計約1.6萬套Ⅲ型減振器出現(xiàn)不同程度的橡膠剝離現(xiàn)象（圖2），主要由線路建設(shè)時遺留的大量高焊頭所致。

圖2 高焊頭導(dǎo)致附近Ⅲ型減振器破壞

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量問題引起的病害

2.3.1 軌下彈性墊板壓潰

3號線2015年4月建成通車，該線建設(shè)時分為北段林場—大行宮（約22.7 km）和南段大行宮—秣周（22.2 km）2個標(biāo)段，膠墊分別由不同廠家供貨。據(jù)統(tǒng)計，3號線北段出現(xiàn)扣件軌下彈性墊板大面積壓潰現(xiàn)象（圖3），上下行共計5 384塊，而南段相同扣件的軌下彈性墊板基本未出現(xiàn)壓潰等損壞失效現(xiàn)象。

圖3 3號線北段扣件軌下彈性墊板壓潰

2.3.2 黏結(jié)墊板橡膠開裂剝離

橡膠作為扣件減振產(chǎn)品的核心部件，其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到扣件減振性能和耐久性，但目前不同廠家生產(chǎn)的橡膠產(chǎn)品質(zhì)量存在較大差異。寧天線2014年8月開通運營，自2016年開始便發(fā)現(xiàn)高架壓縮型減振扣件出現(xiàn)不同程度損壞。據(jù)統(tǒng)計，黏結(jié)墊板出現(xiàn)承軌槽擋肩部位橡膠剝離（圖4）、壓縮減振部位橡膠開裂等病害共計14 483塊，均與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)系。

圖4 承軌槽擋肩部位橡膠剝離

2.4 養(yǎng)護不及時引起的病害

彈條折斷的根本原因是受到外界一定頻率的激擾而引發(fā)共振［9］。鋼軌波磨對扣件系統(tǒng)影響明顯［10］，不及時對鋼軌打磨，便會引起扣件彈條斷裂等病害。3號線五塘廣場—小市區(qū)間鋪設(shè)剪切型減振扣件，該區(qū)間扣件彈條折斷現(xiàn)象頻發(fā)。經(jīng)檢測分析，該段波磨主要典型波長對應(yīng)的頻率約為500 Hz。另外通過在T形螺栓折斷處鋼軌軌腳粘貼加速度傳感器，采集列車經(jīng)過時鋼軌垂向振動數(shù)據(jù)，分析得出該處鋼軌垂向振動主頻為500 Hz，振級為174.72 dB，與波磨典型波長對應(yīng)的頻率一致。這說明該處鋼軌振動主要由波磨引起，進而引起扣件彈條折斷。

3 扣件主要性能分析

3.1 扣件軌距擴大量

DTⅦ2型扣件是用于高架地段的小阻力扣件，目前主要用于2005年開通的1號線的高架地段和2010年開通的2號線的高架地段，分別鋪設(shè)了18.30、13.19 km。為檢測車輛行駛過程中扣件軌距擴大量，在上下股鋼軌軌頭外側(cè)各布置1個橫向位移傳感器，每股鋼軌軌底內(nèi)外側(cè)各布置1個垂向位移傳感器，共6個，如圖5所示。10組數(shù)據(jù)的軌距擴大量平均值為6.26 mm，最大值為6.87 mm，不滿足扣件在300萬次循環(huán)荷載作用下軌距擴大量不應(yīng)大于6 mm的設(shè)計要求。車輛荷載作用下扣件軌距擴大量過大易造成軌距塊異常磨耗。

圖5 鋼軌橫向及垂向位移傳感器布置

3.2 扣件彈性墊板剛度

為掌握1號線、2號線等老線扣件彈性墊板性能，在實驗室對部分地段DTⅥ2型和DTⅦ2型扣件軌下和板下彈性墊板剛度進行了檢測。對于軌下彈性墊板，服役8年的靜剛度均能夠滿足設(shè)計要求，6組樣品平均靜剛度為43.55 kN∕mm，滿足設(shè)計要求的35～50 kN∕mm；服役9～14年的靜剛度均不能夠滿足設(shè)計要求，30組樣品平均靜剛度為77.72 kN∕mm，超過設(shè)計上限值（50 kN∕mm）55%。對于板下彈性墊板，服役8年的靜剛度均滿足設(shè)計要求；服役9～14年的靜剛度能夠滿足設(shè)計要求的有18組，占樣品總數(shù)的60%，不能夠滿足設(shè)計要求的有12組，占樣品總數(shù)的40%（均為高架地段DTⅦ2型扣件）。這12組樣品平均靜剛度為86.65 kN∕mm，超過設(shè)計上限值（70 kN∕mm）24%。靜剛度超過設(shè)計上限值20%的扣件應(yīng)有計劃地組織更換。

3.3 扣件減振量

為測試服役超過10年的Ⅲ型減振器在實際使用過程中的減振量，在1號線天印大道—龍眠區(qū)間（該段于2010年開通運營）一高架橋同一橫截面處鋪設(shè)Ⅲ型減振器的上行線路和鋪設(shè)DTⅦ2型扣件的下行線路的道床、道心橋面處、橋梁橫截面中心分別布設(shè)垂向振動傳感器。

在上行Ⅲ型減振器對應(yīng)的道床、道心橋面處和橋梁橫截面中心共采集180組數(shù)據(jù)，在下行DTⅦ2型扣件對應(yīng)的道床、道心橋面處和橋梁橫截面中心共采集234組數(shù)據(jù)，選取早高峰相同時段連續(xù)20組數(shù)據(jù)，按照GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》進行總振級分析。Ⅲ型減振器對道床、道心橋面處、橋梁截面中心的減振量（DTⅦ2型扣件振級-Ⅲ型減振器振級）分別為2.59、4.45、6.64 dB，均未達到設(shè)計要求的8～10 dB。

按照J(rèn)GJ∕T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》進行頻譜分析。Ⅲ型減振器對應(yīng)的道心橋面處主振頻率有3個，分別為8.0、16.0、31.5 Hz；DTⅦ2型扣件對應(yīng)的道心橋面處主振頻率也有3個，分別為8、16、63 Hz。這說明Ⅲ型減振器對應(yīng)的道心橋面處最大減振頻率為63 Hz，減振量達到13.16 dB，但在31.5 Hz處存在振動放大效應(yīng)，振級增大了6.15 dB。對減振量未達到設(shè)計要求的地段應(yīng)根據(jù)減振扣件實測振動頻率和模態(tài)測試結(jié)果進行科學(xué)改造。

4 扣件優(yōu)缺點對比分析

目前南京地鐵在用的22種扣件的適用地段及其優(yōu)缺點對比見表2。

表2 可為扣件產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計提供參考。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計時應(yīng)充分吸收各類扣件的優(yōu)點，如ZX-2型扣件、WJ-2A型扣件軌距及軌面調(diào)整量大。同時避免各類扣件的缺點，如DTⅥ2型扣件、DT-Ⅲ型小阻力扣件、Ⅲ型減振器、雙層非線性減振扣件不具備軌下調(diào)高量導(dǎo)致軌面調(diào)整時易導(dǎo)致尼龍?zhí)坠苁В虎裥蜏p振器、剪切型減振扣件、Ⅲ型減振器的減振結(jié)構(gòu)剪切變形過大易導(dǎo)致減振扣件損壞；雙層非線性減振扣件、浮軌扣件、先鋒扣件均結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多。

表2 南京地鐵各類扣件適用地段及其優(yōu)缺點對比

5 結(jié)論與建議

通過統(tǒng)計分析、實驗室檢測、現(xiàn)場測試的方法對南京地鐵目前在用的22種扣件的主要病害、主要性能、適用地段及優(yōu)缺點進行了分析，得出結(jié)論如下：

1）采用潘德羅彈條的扣件無軌下調(diào)高墊板設(shè)計，壓縮型減振扣件無軌距塊設(shè)計，日常維護中頻繁松動錨固螺栓是造成尼龍?zhí)坠苁У闹饕?。采用上下兩?cè)對稱深開槽的波浪形設(shè)計使彈性墊板結(jié)構(gòu)強度損失較大，是彈性墊板壓潰、開裂的主要原因。

2）彈條安裝過緊、錘擊彈條輔助就位等不規(guī)范施工是導(dǎo)致早期彈條大量折斷的主要原因。線路建設(shè)時遺留的大量高焊頭是高架地段Ⅲ型減振器橡膠剝離的主要原因。

3）產(chǎn)品質(zhì)量問題是3號線軌下彈性墊板壓潰、寧天線黏結(jié)墊板橡膠開裂剝離的主要原因。

4）波磨地段鋼軌波磨主要典型波長對應(yīng)的頻率與鋼軌垂向振動主頻一致，表明波磨是導(dǎo)致該地段彈條折斷的主要原因，應(yīng)及時進行鋼軌打磨。

5）車輛荷載作用下DTⅦ2型扣件軌距擴大量過大易造成軌距塊異常磨耗，在日常養(yǎng)護中應(yīng)重點關(guān)注。

6）服役8年的軌下彈性墊板及板下彈性墊板靜剛度均滿足設(shè)計要求；服役9～14年的軌下彈性墊板靜剛度均不滿足設(shè)計要求且超過設(shè)計上限值55%。服役9～14年的板下彈性墊板靜剛度不滿足設(shè)計要求的占40%（均為高架地段DTⅦ2型扣件），且不滿足要求樣本的平均靜剛度超過設(shè)計上限值24%。與目前彈性墊板8年的中修周期基本一致，對于靜剛度超過設(shè)計上限值20%的扣件應(yīng)有計劃地組織更換。

7）服役超過10年的Ⅲ型減振器對橋梁截面中心、道心橋面、道床處的減振效果逐漸降低，且均不滿足設(shè)計要求。Ⅲ型減振器對主頻為8、16、63 Hz的振動具有減小效果，對主頻為31.5 Hz的振動具有放大效果。對減振量未達到設(shè)計要求的地段應(yīng)根據(jù)減振扣件實測振動頻率和模態(tài)測試結(jié)果進行科學(xué)改造。

8）各類扣件的優(yōu)缺點對比分析可為扣件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計提供參考。應(yīng)采用軌距及軌面調(diào)整量大的設(shè)計，避免無軌下調(diào)高量、減振結(jié)構(gòu)剪切變形過大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件多的設(shè)計。