高速鐵路減振無砟軌道關鍵技術研究

劉海濤，劉偉斌，王繼軍

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

基于目前應用情況，減振軌道需要在以下幾個方面進一步研究：①高速鐵路浮置板軌道減振效果主要由減振墊剛度和軌道板參振質量決定，為滿足減振需求，需要進一步研究減振墊最低剛度以及與之匹配的軌道板厚度；②減振軌道造價昂貴，有必要采取措施進一步提高經濟性；③改變減振墊鋪設方式時，需根據軌道板特點采用相應的施工工藝。

1 高速鐵路環境振動特性

當列車通過時，減小高速鐵路沿線環境振動為減振軌道的控制目標。為確定高速鐵路無砟軌道沿線環境振動的主要頻段，分別對武廣高速鐵路和滬寧城際鐵路沿線環境振動進行測量和統計，分析高速鐵路無砟軌道環境振動特性。武廣高速鐵路分別選取5種典型無砟軌道類型(Rheda2000雙塊式、CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅠ型減振板式、CRTSⅡ型板式)，測點為線路外側距離軌道中心線30 m地面處，線下基礎分為橋梁、路基區段。滬寧城際鐵路分別測試CRH2C和CRH3型動車組以300 km/h速度通過橋梁、路基區段時環境振動的頻率特性[5]。

根據測量和統計結果，路堤區段與橋梁區段的環境振動頻譜特性基本相似，主頻主要出現在31.5～40.0 Hz之間。圖1為列車時速300 km時，武廣高速鐵路雙塊式軌道橋梁區段距離軌道中心線30 m處環境振動時域、頻域信號；圖2為列車時速340 km時，武廣高速鐵路雙塊式軌道路堤區段距離軌道中心線30 m 處環境振動時域、頻域信號。

圖1 橋梁區段環境振動時域、頻域信號

圖2 路堤區段環境振動時域、頻域信號

2 高速鐵路減振軌道減振墊鋪設方式

為了提高減振軌道的經濟性能，研究減振墊鋪設方式對軌道結構受力的影響，確定減振墊鋪設方式。

圖5 3種鋪設方式下軌道結構諧響應曲線

2.1 鋪設方式

減振墊鋪設方式分為面鋪、條鋪和點鋪3種。以中國標準板式無砟軌道結構為例，面鋪是在自密實混凝土層和底座之間全面積鋪設減振墊；條鋪是在自密實混凝土層和底座之間對應2根鋼軌位置處，各鋪設縱向條狀減振墊；點鋪是在自密實混凝土層和底座之間，每塊軌道板從端部第1個承軌臺開始，分別在第1，3，5，7，9個承軌臺對應位置下方鋪設點狀減振墊。減振墊鋪設方式如圖3所示。條鋪減振墊寬度為0.3 m；點鋪減振墊寬度為0.3 m，長度為0.4 m。

圖3 減振墊鋪設方式示意

2.2 3種鋪設方式力學性能對比

針對3種鋪設方式分別建立有限元模型，計算靜力荷載作用下3種軌道結構的變形和軌道板應力，并通過諧響應分析3種軌道結構的豎向振動特性[6]。保持3種鋪設方式下減振墊等效減振剛度相同，減振墊采用面鋪時，減振墊剛度為0.05 MPa/mm，依此換算條鋪和點鋪時的減振墊剛度。

采用80 kN靜輪重進行單輪對加載，鋼軌豎向位移曲線見圖4，軌道板應力見表1，諧響應曲線見圖5。

圖4 3種減振墊鋪設方式下鋼軌豎向位移曲線

由圖4、圖5和表1可以看出：在保持板下等效剛度不變的情況下，減振墊3種鋪設方式引起的鋼軌豎向位移、軌道板應力基本相同，豎向振動頻率基本一致。

2.3 鋪設方式比選

減振墊采用面鋪時，減振墊材料用量較多，為條鋪的4倍，點鋪的10倍，經濟性較差；采用點鋪時，由于點鋪是在承軌臺下方間隔布置減振墊，當減振墊發生損傷時，對軌道板受力、位移影響較大。綜合面鋪、條鋪和點鋪的力學性能及優缺點(見表2)，本方案中減振墊采用條鋪方式。

表2 面鋪、條鋪和點鋪優缺點對比

3 高速鐵路減振墊剛度和軌道板厚度確定

3.1 減振墊剛度確定

參照TB 10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》[7]，無砟軌道鋼軌位移基準值為1.5 mm，最大值為2.0 mm；有砟軌道鋼軌位移基準值為2.0 mm，最大值為2.5 mm。高速鐵路減振軌道彈性較好，目前參照有砟軌道執行，即鋼軌位移基準值為2.0 mm，最大值為2.5 mm。

當軌道板厚度取350 mm，減振墊剛度取0.03～0.12 MPa/mm時，分別計算列車靜軸重作用下鋼軌的位移及軌道板自振頻率，計算結果見圖6。可知，根據正常運營條件下鋼軌位移不大于2.0 mm的原則，減振墊剛度需大于0.04 MPa/mm；根據減振軌道自振頻率需小于22 Hz方能起到較好減振效果的要求，減振墊剛度需小于0.06 MPa/mm。故減振墊剛度取值為0.05 MPa/mm。

圖6 不同減振墊剛度下鋼軌位移及軌道板自振頻率

3.2 軌道板厚度確定

圖7 減振軌道結構一階自振頻率隨軌道板厚度變化曲線

圖7為高速鐵路減振軌道一階自振頻率隨軌道板厚度變化曲線。隨軌道板厚度的增加，一階豎向自振頻率逐漸降低，當軌道板厚度(含自密實混凝土層)為500 mm時減振軌道一階自振頻率為17 Hz。

較厚軌道板會增加軌道結構高度，受建設環境制約，軌道板不能太厚。而較薄軌道板除增加軌道結構自振頻率外，還會導致軌道板振動增大，容易產生運營病害。故軌道板厚度取值為300～500 mm。

4 基于條鋪的高速鐵路減振軌道方案

4.1 結構方案

大西客運專線減振軌道減振墊剛度采用0.03 MPa/mm，隧道內道床板厚度為350 mm，隧道邊墻處減振效果為7 dB(Z)；成灌鐵路減振軌道減振墊剛度采用0.019 MPa/mm，軌道板厚度為190 mm，梁面處減振效果為9 dB(Z)；北京地下直徑線實尺模型減振墊剛度采用0.012 MPa/mm，道床板厚度為 500 mm，減振效果為11 dB(Z)。

圖8 減振方案分頻振級計算值

針對中國標準板式軌道，確定減振軌道結構方案。減振地段取減振墊剛度為0.05 MPa/mm；軌道板結構形式與一般地段保持一致，便于工廠化生產；為增大軌道板的參振質量，自密實混凝土層厚度采用150 mm，即復合板厚度為350 mm；減振效果為10 dB(Z)。特殊減振地段取減振墊剛度為0.05 MPa/mm，軌道板和自密實混凝土層總厚度取500 mm，即軌道板厚350 mm，自密實混凝土層厚150 mm，減振效果為12 dB(Z)。過渡段采用2級過渡，軌道板結構與減振地段保持一致，減振墊剛度分別采用0.01，0.03 MPa/mm。

4.2 施工工藝

中國標準板式減振結構從上至下分為軌道板、自密實混凝土層、減振墊和底座[8-9]。施工方法為在保持原結構不變的基礎上，增加鋪設減振墊環節，即底座施工完后，在底座上(與自密實混凝土層之間)鋪設減振墊和泡沫板，泡沫板位于自密實混凝土層和底座之間除減振墊之外的所有空間，起到施工隔離的作用;減振墊和泡沫板之上鋪土工布，安放鋼筋。泡沫板比減振墊低 5 mm，自密實混凝土在澆筑過程中自動形成減振墊卡槽。

5 減振軌道現場驗證

為驗證基于條鋪的中國標準板式減振軌道施工工藝，對比點鋪和條鋪的差異，評估減振效果，在國家鐵路試驗線分別建立2條試驗段。第1條試驗段長度為85 m，含條鋪和點鋪2種減振墊鋪設方式，試驗段條鋪減振墊剛度采用0.08 MPa/mm，點鋪減振墊剛度采用0.15 MPa/mm，復合板厚度為300 mm；第2條試驗段長度為54 m，復合板厚度為350 mm，減振墊采用條鋪方式，減振墊剛度為0.05 MPa/mm。表3為不同速度下軌道結構振動加速度時域最值及加速度分頻振級均方根值，圖9和圖10分別為80，100 km/h兩種速度下第1條試驗段底座加速度分頻振級，圖11為100 km/h 速度下第2條試驗段底座加速度分頻振級。圖12為施工效果。

圖9 第1條試驗段80 km/h速度下底座加速度分頻振級

圖10 第1條試驗段100 km/h速度下底座加速度分頻振級

圖11 第2條試驗段100 km/h速度下底座加速度分頻振級

圖12 施工效果

表3及圖9—圖12結果表明：條鋪和點鋪具有一致效果；在條鋪面剛度為0.08 MPa/mm，復合板厚度為300 mm的情況下，底座加速度分頻振級均方根插入損失為8 dB(Z)；在條鋪面剛度為0.05 MPa/mm，復合板厚度為350 mm的情況下，底座加速度分頻振級均方根插入損失為12 dB(Z)。試驗效果驗證了條鋪方案的可靠性。

6 結論

通過大量實測數據，系統總結了高速鐵路環境振動頻譜分布特征，其主頻主要位于31.5～40.0 Hz；參考既有規范，建議正常運營情況下鋼軌最大容許位移不大于2.5 mm。根據隔振原理，將軌道結構自振頻率小于22 Hz作為指標上限，將鋼軌最大容許位移作為指標下限，確定減振軌道結構減振墊剛度和軌道板厚度。經靜力、動力分析對比，驗證板下等效剛度一致的情況下，減振墊采用面鋪、條鋪和點鋪具有同等效果，推薦采用條鋪方式，可顯著提高減振軌道經濟性能。針對中國標準板式無砟軌道，提出基于條鋪的減振墊剛度為0.05 MPa/mm，軌道板結構形式與一般地段保持一致，自密實混凝土層厚度為150 mm，減振效果不小于10 dB(Z)，特殊地段增加軌道板厚度。過渡段在減振墊處采用2級過渡。在國家鐵路試驗線建立了試驗段，驗證了條鋪和點鋪在等效剛度保持一致的情況下，減振性能較為一致，在條鋪減振墊剛度為0.08 MPa/mm，復合板厚度為300 mm的情況下底座處加速度分頻振級均方根插入損失為8 dB(Z);在條鋪減振墊剛度為0.05 MPa/mm，復合板厚度為350 mm的情況下底座處加速度分頻振級均方根插入損失為12 dB(Z)。