城市軌道交通軌道幾何狀態動態檢測分析研究

陶 凱 梁志明 徐貴紅 田新宇

城市軌道交通軌道幾何狀態動態檢測分析研究

陶 凱 梁志明 徐貴紅 田新宇

通過對某城市軌道交通輕軌線路的軌道幾何狀態及其加速度響應的動態檢測數據進行研究分析，得出橋上軌道高低不平順受橋梁豎向撓曲影響的規律，提出了困難無夾直線反向曲線地段的限速參考值，并對城市軌道交通高架橋上軌道幾何狀態的實車動態驗收提出了相關建議。

城市軌道交通；軌道不平順；動態檢測；分析

1 概述

某城市軌道交通輕軌線路長約18 km，其中14 km為高架線路，采用無砟軌道（圖1），4 km為路塹/路堤結構，采用有砟軌道。正線設計速度最高為100 km/h，最大坡度2%，困難地段4%，車站最大坡度0.2%。最小豎曲線半徑3 000 m，最小曲線半徑500 m。道岔及渡線均采用UIC 9號道岔，其導曲線半徑為190 m，側向通過速度30 km/h。

圖1 輕軌線路橋上無砟軌道

軌道幾何動態檢測項目主要包括高低、水平（超高）和三角坑，里程、速度、曲率、垂向和橫向車體加速度等作為輔助項目供參考，動態檢測速度40～88 km/h。軌距和軌向采用軌道檢查儀靜態檢測。此外，還采用空車和AW3荷載重車的軸箱加速度輔助評價軌道狀態。

通過對輕軌線路軌道狀態進行動態檢測，分析軌道不平順檢測數據，可發現軌道平順狀態不良地段，指導軌道不平順狀態精調，驗證軌道設計是否滿足相關規定，為城市軌道交通的設計、建設和日常養護維修提出有益的建議。

2 橋梁豎向撓曲變形對高低不平順影響分析

該輕軌線路K9+800至K10+200區段位于25 m U型混凝土簡支梁橋上，橋梁橫截面如圖2所示，圖3給出了該區段高低不平順動態波形。受橋梁豎向撓曲影響，軌道高低不平順呈顯著的周期性特征，周期性波峰最小值3.3 mm，最大值8.8 mm，且波長約25 m，與橋梁跨度一致。

圖2 12.5～25 m跨U型簡支梁橫截面

圖3 K9+800至K10+200區段高低不平順波形圖

圖5給出了輕軌線路K10+200至K10+600區段高低不平順波形圖。該區段包含正線線路和渡線，線路區段單線位于25 m U型簡支梁橋上（見圖2）。渡線區段雙線位于25 m組合簡支梁橋上，其橫截面如圖4所示，該橋采用預制混凝土工字梁上部搭接混凝土預制板，頂部覆蓋現澆板的結構形式。受橋梁豎向撓曲影響，圖5中軌道高低不平順波形呈顯著的周期性特征，且周期性波長約25 m，與橋梁跨度一致。渡線區段軌道高低不平順峰值最大值約5 mm，兩側線路區段峰值最大值約10 mm，可見渡線區段軌道高低不平順周期性峰值明顯小于線路區段，這主要是因為渡線區段橋梁截面豎向剛度大于線路區段。同時，渡線區段鋼軌雙線相連，軌道豎向剛度也大于線路區段。由此可見，渡線區段采用截面剛度較大的組合梁能有效控制因橋梁豎向撓曲引起的高低不平順及其周期性，提高了渡線區段軌道高低平順狀態。

圖4 渡線區段組合簡支梁橫截面

圖5 K10+200至K10+600區段高低不平順波形

圖6給出了輕軌線路K14+400至 K10+750區段高低不平順波形圖。該區段下部結構包含2 m U型簡支梁、12.5 m U型簡支梁和A2橋36 m簡支梁。其中，A2橋采用雙混凝土工字梁，下部用現澆混凝土板連接，其橫截面如圖7所示。A2橋簡支梁與下部公路斜交，其兩端支撐在50 m跨度的箱型鋼結構簡支梁上，橋梁平面布置如圖8所示。受橋梁豎向撓曲影響，圖6中軌道高低不平順波形呈顯著的周期性特征，且周期性波長與橋梁跨度一致。25 m U型簡支梁區段軌道高低不平順峰值最大值約9 mm，12.5 m U型簡支梁區段軌道高低不平順峰值最大值約3.5 mm，A2橋36 m跨簡支梁區段軌道高低不平順峰值最大值約19.5 mm，這是由于A2橋簡支梁兩端支撐在50 m跨度鋼箱梁橋上，A2橋簡支梁豎向撓曲與下部的鋼箱梁豎向撓曲疊加，從而增大了對軌道高低不平順幅值及其周期性的影響。由此可見，橋梁豎向撓曲對軌道高低不平順及其周期性的影響與橋梁跨度和豎向剛度密切相關。

圖6 K14+400至K10+750區段高低 不平順波形

圖7 A2橋梁混凝土梁截面

圖8 A2橋梁平面布置圖

圖9給出了輕軌線路K9+800至K10+200區段（25 m U型簡支梁）和K 1 0+3 0 0至K10+500區段（25 m組合簡支梁）的高低不平順動態幅值累積分布對比情況。25 m U型簡支梁區段高低不平順動態幅值99.0%分布于-8～+8 mm區間，97.0%分布于-6～+5 mm區間；25 m組合簡支梁區段高低不平順動態幅值100%分布于-6～+5 mm區間。這也印證了簡支梁跨度相同時，橋梁豎向剛度越小，軌道高低不平順越大，周期性越強。

綜合上述分析，輕軌線路軌道不平順受橋梁跨度及豎向剛度影響，高低不平順波形呈顯著的周期性特征，且周期性波長與簡支梁跨度一致。增大橋梁豎向剛度和減小橋梁跨度均能有效控制因橋梁豎向撓曲引起的周期性軌道高低不平順，提高軌道高低平順性。

圖9 橋上高低不平順幅值累積分布對比

3 典型地段軌道不平順檢測分析

該輕軌線路K8+400處為設計困難區段，采用半徑為600 m的反向曲線，且無夾直線，而根據GB50157-2003《地鐵設計規范》要求，反向曲線需要設長度不小于25 m夾直線。該區段的軌道幾何動態檢測波形如圖10所示，圖中高低和三角坑不平順幅值均波動較大，對應的車體橫向加速度幅值也較大。

圖10 反向曲線軌道不平順波形

圖11給出了車輛運行速度從30 km/h逐級增大至70 km/h時的車體橫向加速度變化曲線，車輛運行速度達到40 km/h后，車體橫向加速度隨車輛運行速度增大顯著增大。車輛運行速度達到70 km/h時，車體橫向加速度最大，其值為1.3 m/s2。按照我國鐵路軌道不平順動態管理標準，經常保養標準要求車體橫向加速度不應大于0.6 m/s2，舒適度標準要求車體橫向加速度不應大于0.9 m/s2。按此標準，并考慮城市軌道交通實際情況，建議該反向曲線列車通過速度不宜大于60 km/h。

圖11 不同速度時的車體橫向加速度

4 軸箱加速度輔助評判軌道平順狀態

軸箱加速度能夠反映軌道剛度不均勻和短波軌道不平順的變化情況，因此，可采用軸箱加速度檢測數據輔助評判軌道平順狀態。控制軌道剛度不均勻和高低幅值的短波變化有助于降低軸向振動加速度，減小輪軌動荷載對車輛和軌道部件的損害，降低輪軌振動噪聲。

圖12和圖13給出了空車和重車（AW3荷載）的軸箱垂向加速度波形，圖中無砟軌道區段、有砟軌道區段和道岔區段的幅值差異顯著。有砟軌道區段軸箱加速度幅值是無砟軌道區段軸箱加速度幅值的2～3倍，道岔區的軸箱加速度明顯大于其他區段軸箱加速度。此外，重車軸箱加速度最大幅值約250 m/s2，大于空車軸箱加速度最大幅值170 m/s2，軸箱加速度最大值均位于12.13 km處無砟和有砟軌道過渡段。

圖12 空車軸箱垂向加速度（左側）

圖13 重車軸箱垂向加速度（左側）

5 結論及建議

（1）受簡支梁豎向撓曲影響，軌道高低不平順波形呈顯著的周期性特征，且周期性波長與簡支梁跨度一致；增大簡支梁豎向剛度或減小簡支梁跨度均能有效控制因橋梁豎向撓曲引起的周期性軌道高低不平順，提高了軌道高低平順狀態。

（2）困難設計地段列車限速可以通過實車速度等級遞增試驗的檢測數據分析得出，對于本文600 m半徑無夾直線曲線地段，建議列車速度不宜大于60 km/h。

（3）城市軌道交通軌道工程驗收時，有必要對橋上軌道不平順進行實車動態驗收，既可以發現軌道不平順不良區段，指導軌道不平順狀態精調，也可以評估軌道高低不平順受橋梁豎向撓曲影響的大小，為運營期間軌道日常養護維修提出有益的建議。

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責任編輯 朱開明

圖7 直沽—東興路區間隧道差異沉降曲線

參考文獻

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收稿日期 2015-03-19

責任編輯 朱開明

Abstract: The structural safety of the metro tunnel and bridge is a prerequisite for the operational safety, and it is the important technical means to ensure the safety of metro operation through study of the deformation patterns of metro tunnel and bridge structures. This paper introduces the contents of bridge and tunnel structure monitoring activities on Tianjin Metro Line 9, and discusses the layout of monitoring points, monitoring methods and technical requirements, control standards, etc. The monitoring results are analyzed, the results show that the effect is good.

Keywords: metro, bridge and tunnel, structural safety, monitoring

Study and Analysis on Track Geometry and Dynamic Inspection on Urban Rail Transit Lines

Tao Kai, Liang Zhiming, Xu Guihong, Tian Xinyu

With the study and analysis on data of track geometry and acceleration response by the dynamic inspection of a certain urban rail transit line, the pattern of the vertical irregularities on the bridge caused by the effect of bridge vertical fl exural stress is obtained. The speed limit reference value of diffi cult reverse curve section without a intermediate straight line is presented. And some recommendations on dynamic inspection and acceptance of the track geometry on elevated tracks of urban rail transit lines are put forward.

urban rail transit, track irregularity, dynamic inspection, analysis

Bridge and Tunnel Structure Safety Monitoring on Tianjin Metro Line 9 during Commercial Operation

Feng Qi

U216.3

2015-04-10

陶凱：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，助理研究員，北京 100081