珠三角城際鐵路軌道減振方案研究

羅 偉,孫 立,李 松

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063; 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063; 3.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司,武漢 430064)

在高鐵干線布局基本完成的背景下,越來(lái)越多的省份正將其鐵路交通投資的注意力集中到城際鐵路建設(shè)上。目前,京津冀、珠三角、成渝、山東、浙江、安徽、福建等多地區(qū)已相繼完成城際鐵路規(guī)劃,并獲國(guó)家發(fā)改委的準(zhǔn)批意見(jiàn),可見(jiàn)城際鐵路的發(fā)展方興未艾。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委批復(fù)的《珠江三角洲地區(qū)城際鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2009年修訂)》,珠三角地區(qū)城際鐵路建成后線路網(wǎng)絡(luò)密集。由于始發(fā)站多布置在城市中心城區(qū),中間站靠近或穿越沿線城鎮(zhèn),該地區(qū)城際鐵路沿線居民住宅、學(xué)校、醫(yī)院等環(huán)境敏感點(diǎn)比較集中,振動(dòng)影響突出。軌道是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減振的主要結(jié)構(gòu),因此,開(kāi)展城際鐵路軌道減振方案研究,尋求適用于珠三角城際鐵路的減振型軌道結(jié)構(gòu)具有重要意義。

1 城際鐵路的特點(diǎn)及對(duì)軌道減振的特殊要求

城際鐵路主要用來(lái)連接經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的城市群,如珠三角城市群、長(zhǎng)三角城市群,或連接大中型城市與其衛(wèi)星城市,承擔(dān)區(qū)域內(nèi)相鄰城市間的通勤客流,線路長(zhǎng)度一般介于50～200 km,車站間距一般為5～20 km,其速度目標(biāo)值一般在120～200 km/h[1]。

目前,與城市軌道交通已經(jīng)發(fā)展出成熟完善的軌道減振系列技術(shù)方案不同,城際鐵路、高速鐵路等高等級(jí)鐵路在軌道減振技術(shù)研究方面仍存在不足。與城市軌道交通相比,城際鐵路運(yùn)行速度更快,列車軸重更大,對(duì)平穩(wěn)性和舒適性的要求更高,因而在軌道減振設(shè)計(jì)時(shí),城際鐵路對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)整體剛度匹配的合理性要求較高。城際鐵路一方面不能直接沿用城市軌道交通軌道減振的相關(guān)技術(shù)方案,另一方面,其軌道減振設(shè)計(jì)的難度也比城市軌道交通大。

2 珠三角城際鐵路軌道減振方案

2.1 珠三角城際鐵路軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

表1為珠三角城際鐵路的建設(shè)現(xiàn)狀及各線軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從表1可見(jiàn),截至2017年底,珠三角城際鐵路已開(kāi)通的項(xiàng)目有4個(gè),在建項(xiàng)目有6個(gè),除已開(kāi)通的廣珠城際采用了CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道外,在建及在研項(xiàng)目軌道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均為雙塊式無(wú)砟軌道。

表1 珠三角城際鐵路建設(shè)現(xiàn)狀及軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

雙塊式無(wú)砟軌道為珠三角城際鐵路主要采用的軌道形式,其原因如下。

一方面,相較高速鐵路而言,城際鐵路小半徑曲線較多,雙塊式無(wú)砟軌道作為現(xiàn)澆無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),現(xiàn)場(chǎng)可靈活調(diào)整軌枕間距,對(duì)小半徑曲線地段的適應(yīng)性最強(qiáng)；另一方面,在CRTSⅠ型、Ⅱ型、Ⅲ型板式無(wú)砟軌道和雙塊式無(wú)砟軌道4種常用的無(wú)砟軌道中,前3種軌道形式的軌道板均為預(yù)制件[2],需建廠生產(chǎn),建廠及運(yùn)輸成本高,而城際鐵路一般線路不長(zhǎng),建廠及運(yùn)輸成本均攤到每千米后將顯著提高軌道結(jié)構(gòu)的單線千米造價(jià),而雙塊式無(wú)砟軌道道床為現(xiàn)場(chǎng)澆筑結(jié)構(gòu),且由于該軌道結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計(jì)、制造、施工已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,其造價(jià)最低。

2.2 珠三角城際鐵路軌道減振推薦方案

目前我國(guó)高速鐵路、城際鐵路等高標(biāo)準(zhǔn)鐵路中具備鋪設(shè)經(jīng)驗(yàn)的無(wú)砟軌道減振結(jié)構(gòu)主要為橡膠隔振墊減振軌道,分為減振型板式無(wú)砟軌道和減振型雙塊式無(wú)砟軌道兩種類別。減振型雙塊式無(wú)砟軌道先后被應(yīng)用在鄭西客專新渭南高架車站、蘭新二線下穿嘉峪關(guān)長(zhǎng)城地段、大西高鐵磨盤山隧道等項(xiàng)目,CRTSⅠ型減振型板式無(wú)砟軌道先后被應(yīng)用在遂渝線無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段、成灌鐵路、廣深港客專獅子洋隧道及福田站等項(xiàng)目,CRTSⅢ型減振型板式無(wú)砟軌道則是被應(yīng)用在了蘭新二線下穿嘉峪關(guān)長(zhǎng)城地段。

根據(jù)對(duì)前述減振型無(wú)砟軌道項(xiàng)目開(kāi)展試驗(yàn)研究的相關(guān)成果,基于不同的減振需求,鋪設(shè)減振型無(wú)砟軌道均較好地滿足了設(shè)計(jì)要求[3-6]。對(duì)于珠三角城際鐵路,一方面,相比減振型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)而言,減振型雙塊式無(wú)砟軌道具有經(jīng)濟(jì)性更好、設(shè)計(jì)、施工控制難度低、適用范圍廣(較減振型板式無(wú)砟軌道更能適應(yīng)小半徑曲線)等特點(diǎn)；另一方面,目前珠三角城際鐵路在建及在研項(xiàng)目的軌道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)多采用雙塊式無(wú)砟軌道,采用減振型雙塊式無(wú)砟軌道有利于線網(wǎng)內(nèi)各線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,便于運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的養(yǎng)護(hù)維修工作。因此推薦珠三角城際鐵路減振軌道宜采用減振型雙塊式無(wú)砟軌道。

2.3 減振型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)組成

針對(duì)珠三角城際鐵路,設(shè)計(jì)減振型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示,其結(jié)構(gòu)組成自上而下分別為鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、隔振墊等部分。

圖1 隧道地段減振型雙塊式無(wú)砟軌道橫斷面示意

3 減振型雙塊式無(wú)砟軌道參數(shù)研究

影響減振型雙塊式無(wú)砟軌道靜、動(dòng)力學(xué)性能的主要參數(shù)包括扣件剛度、道床板長(zhǎng)度、道床板厚度、隔振墊剛度等。

3.1 扣件剛度

WJ-8B型扣件為我國(guó)城際鐵路、高速鐵路推廣使用的通用扣件系統(tǒng),珠三角城際鐵路推薦采用該扣件系統(tǒng),其節(jié)點(diǎn)剛度一般為35 kN/mm。

3.2 道床板厚度

根據(jù)相關(guān)研究資料的結(jié)論,板厚的增加有利于減小軌道結(jié)構(gòu)變形和道床板的縱橫向應(yīng)力[7],且對(duì)增加減振效果也比較有利,建議條件允許時(shí),道床板厚度盡量取較大值。此外,道床板厚度受到具體工程隧道斷面、限界等多因素的限制較嚴(yán),對(duì)于具體項(xiàng)目,可不將道床板厚度作為變量進(jìn)行參數(shù)分析。珠三角城際鐵路隧道工程多采用半徑4 m的盾構(gòu),減振型雙塊式無(wú)砟軌道具備鋪設(shè)條件的結(jié)構(gòu)高度最大值約為635 mm,對(duì)應(yīng)道床板厚度為353 mm。

3.3 道床板長(zhǎng)度

建立減振型雙塊式無(wú)砟軌道“梁-板”模型如圖2所示,對(duì)道床板長(zhǎng)度的合理取值進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。模型中動(dòng)輪載取170 kN,將單軸荷載作用于板中的鋼軌上。

圖2 減振型雙塊式無(wú)砟軌道“梁-板”有限元分析模型

計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于減振型雙塊式無(wú)砟軌道,道床板長(zhǎng)度除了對(duì)道床板的縱向彎曲應(yīng)力有不可忽略的影響外,對(duì)鋼軌下沉位移、道床板橫向彎曲應(yīng)力等靜力學(xué)參數(shù)影響很小。不同道床板長(zhǎng)度情況下道床板的縱向彎曲應(yīng)力見(jiàn)表2,可見(jiàn)增大道床板長(zhǎng)度有利于減小道床板縱向彎曲應(yīng)力。

表2 設(shè)計(jì)荷載作用下道床板縱向拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

出于減小道床板縱向拉應(yīng)力的角度考慮,道床板長(zhǎng)度可考慮選取較大的值。而從彈性墊板的維修性來(lái)看,道床板則宜短不宜長(zhǎng),同時(shí)考慮施工組織工藝的要求,道床板長(zhǎng)度建議取值為6～8 m。

3.4 隔振墊剛度

為研究減振型雙塊式無(wú)砟軌道隔振墊剛度的合理取值,建立動(dòng)力仿真分析模型如圖3所示。

圖3 車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真分析模型

經(jīng)計(jì)算分析,隔振墊剛度對(duì)鋼軌垂向位移影響較大,剛度越小,垂向位移越大,當(dāng)剛度減小至0.025 N/mm3時(shí),鋼軌垂向位移最大值達(dá)1.5 mm及以上。同時(shí),隔振墊剛度對(duì)道床板板端錯(cuò)臺(tái)量的影響也較大,剛度越小,錯(cuò)臺(tái)量越大,而道床板板端錯(cuò)臺(tái)量的增加會(huì)引起板端扣件受力的顯著增大。參照《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》(TB10761—2013),無(wú)砟軌道鋼軌動(dòng)態(tài)下沉位移通常應(yīng)小于基準(zhǔn)值1.5 mm,從控制鋼軌垂向位移以及減小板端扣件受力的角度出發(fā),隔振墊剛度不宜低至0.025 N/mm3。

圖4為不同隔振墊剛度情況下隧道基底垂向加速度的1/3倍頻曲線,在30～200 Hz范圍內(nèi),鋪設(shè)隔振墊可以起到顯著的減振效果,除局部頻率范圍的振動(dòng)分量外,隔振墊剛度越小,減振效果越好。經(jīng)在1～80 Hz范圍內(nèi)計(jì)權(quán)分析,當(dāng)隔振墊剛度大于0.04 N/mm3時(shí),減振效果小于8 dB,不足以滿足高等減振的要求,而當(dāng)隔振墊剛度小于0.04 N/mm3時(shí),減振型雙塊式無(wú)砟軌道可減振8 dB及以上。

圖4 不同隔振墊剛度下隧道基底垂向加速度1/3倍頻曲線

綜合上述分析結(jié)論,隔振墊剛度建議采用0.025～0.04 N/mm3。

4 結(jié)論和建議

(1)根據(jù)珠三角城際鐵路軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn),推薦該地區(qū)城際鐵路軌道減振宜采用減振型雙塊式無(wú)砟軌道。

(2)經(jīng)開(kāi)展靜、動(dòng)力學(xué)計(jì)算,完成了對(duì)珠三角城際鐵路減振型雙塊式無(wú)砟軌道主要設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值分析。道床板長(zhǎng)度宜取值為6～8 m；隔振墊剛度宜取值為0.025～0.04 N/mm3。此外,鑒于該地區(qū)城際鐵路隧道盾構(gòu)半徑等邊界條件的限制,道床板厚度取為353 mm。

(3)當(dāng)?shù)来舶搴穸热?53 mm,長(zhǎng)度取值為6～8 m,隔振墊剛度取值為0.025～0.04 N/mm3時(shí),減振型雙塊式無(wú)砟軌道可減振8 dB及以上。

對(duì)于所提出的減振軌道方案,建議在珠三角城際鐵路個(gè)別項(xiàng)目中選取試驗(yàn)段落進(jìn)行試鋪,待經(jīng)過(guò)方案設(shè)計(jì)-試驗(yàn)驗(yàn)證-參數(shù)修正的完整過(guò)程,逐步深化和完善該減振軌道技術(shù)方案后,在該地區(qū)推廣使用,并加強(qiáng)后期的跟蹤評(píng)估。