高速鐵路無砟軌道曲線超高調整技術

肖俊恒 張歡 方杭瑋 李子睿 于毫勇

（1.清華大學機械工程系，北京 100084；2.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206；3.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）

鐵路線路曲線地段設置超高是為了抵消列車通過時產生的向心力和橫向力。超高值與行車速度有關，一般按通過列車的均衡速度設置。曲線地段列車提速往往需要增大超高，對于有砟軌道，可采用道砟墊高外軌道床的方式實現曲線超高調整。我國6次既有線提速，就采用了這種方式。但對于無砟軌道，曲線超高一般設置在混凝土道床板中，除非拆除重建，否則無法進行超高調整；列車提速后若超高不變，欠超高增大，則會造成列車舒適度和安全性降低。目前高速鐵路軌道結構以無砟軌道為主，隨著高速鐵路的發展，列車運行速度需要進一步提高，但是曲線地段的超高調整成為提速的瓶頸。

2015 年建設的大西客運專線軌道結構為雙塊式無砟軌道［1］，其曲線地段均衡超高按200 km∕h設置，試驗列車以385 km∕h速度通過時欠超高最大達180 mm，不能滿足行車運營安全性和旅客乘坐舒適性要求。因此，本文研究無砟軌道超高調整技術，以滿足大西客運專線高速綜合試驗段的要求，同時為今后無砟軌道曲線地段列車提速提供技術儲備。

1 無砟軌道超高調整技術

列車以高于均衡速度通過曲線時欠超高如圖1所示［2］。其中：h為曲線實設超高；S1為兩軌頭頂面中心距離；H為列車車體重心高度；e為偏心距；P為重力沿著z軸的分力；Q為P與未被平衡的離心力J的合力。當高速列車通過曲線，P不足以抵消離心力的作用時，產生欠超高hq，從而導致外軌承受偏載，造成內外軌不均勻磨耗，同時也因離心力未被平衡，降低了舒適性。無砟軌道超高調整只能通過外軌扣件高低變化實現，即增加實設超高h，減小欠超高hq。

圖1 高速列車通過曲線欠超高

1.1 曲線欠超高允許值的設置

高速鐵路曲線地段欠超高允許值主要取決于列車運營的安全性和旅客乘坐舒適性的要求，同時考慮過大的欠超高可能導致線路維修工作量增加。

因客觀情況不同，世界各國確定的欠超高允許值也不相同。國外最大超高一般在170～200 mm，最大欠超高為60 mm。我國TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》規定，曲線地段最大設計超高允許值為175 mm，根據旅客乘坐舒適性要求，一般情況下曲線地段欠超高允許值為90 mm［3］。1997 年1 月曾在鐵科院環行線進行200 km∕h綜合試驗。環行線曲線半徑1 432.4 m，最大超高為190 mm，試驗列車最高通過速度達到212.4 km∕h，此時最大欠超高達到182 mm。2011年11月京滬高速鐵路綜合試驗段最小曲線半徑9 000 m，超高按140 mm 設置，試驗列車最高通過速度450 km∕h，最大欠超高達到125.5 mm。

大西客運專線高速綜合試驗段曲線超高按200 km∕h 均衡速度設計，7 000 m 半徑曲線實設超高70 mm，試驗列車速度為385 km∕h時欠超高為180 mm，影響到行車安全性和旅客乘坐舒適性。徐鵬［4］對其進行動力學分析的結果表明：行車速度385 km∕h，欠超高為90，120，180 mm 時，車體垂向加速度（舒適性指標）均小于Ⅰ級偏差1.0 m∕s2，但是橫向加速度均大于Ⅳ級偏差2.0 m∕s2；欠超高為180 mm 時，輪重減載率（行車安全性指標）超出限值0.80，不能滿足要求，需進行超高調整。考慮通過調超高扣件來實現，且應進一步研究其穩定性和可靠性，同時參考國內外欠超高經驗取值，將最大允許欠超高值確定為120 mm，即超高需要增大60 mm。

1.2 曲線超高調整原理

曲線超高的設置方法主要有外軌提高法和線路中心高度不變法2種。外軌提高法是保持內軌高程不變只抬高外軌，為世界各國鐵路普遍采用。線路中心高度不變法是內軌降低和外軌抬高各為超高值的1∕2，保證線路中心高度不變，僅在建筑限界受到限制時才采用。無砟軌道只能采取外軌提高法，通過扣件調整曲線外股鋼軌高度，而保持內股鋼軌高度不變來實現超高的增大。

外軌提高法由于只對單股鋼軌扣件進行調高，在超高增加較多時鋼軌的軌底坡將發生變化。正常線路的鋼軌軌底坡如圖2（a）所示，其中θ為軌底坡。單股鋼軌調高后的鋼軌軌底坡如圖2（b）所示，其中α，β分別為內股、外股鋼軌的軌底坡。通過表1可以看出：當鋼軌調高不小于40 mm 時，外股鋼軌軌底坡為負值，即出現反坡，嚴重影響列車運行狀態，因此在調整超高時必須同時調整軌底坡。

圖2 鋼軌軌底坡

表1 不同鋼軌調高情況下單股鋼軌軌底坡

1.3 調超高技術方案

調超高技術方案是針對普遍采用的高速鐵路雙塊式無砟軌道用WJ?8 型扣件（見圖3）進行設計的。該方案不增加新的扣件類型，以減少養護工作難度，降低維修成本。

圖3 WJ?8型扣件

1.3.1 WJ?8型扣件增設調整量

1）WJ?8型扣件既有調整方式

采用WJ?8 型扣件時鋼軌高低位置調整量一般在-4～+26 mm。通過更換不同厚度的軌下墊板，可實現鋼軌高低位置調整量-4～0 mm；通過在軌下墊板和鐵墊板之間墊入軌下微調墊板，可以實現鋼軌高低位置調整量+1～+6 mm；通過在軌下墊板和鐵墊板之間墊入軌下微調墊板以及在鐵墊板和軌枕承軌面之間墊入鐵墊板下調高墊板，可實現鋼軌高低位置調整量+7～+26 mm［5］。

2）增加鋼軌高低位置調整量的設計

在WJ?8型扣件基礎上通過增設鋼調高墊板、加長螺旋道釘等技術措施可實現外股鋼軌高低位置調整量0～+60 mm。具體調整措施：

①鋼軌高低位置調整量在0 ～+26 mm 時，采用WJ?8型扣件既有調整方式調整外股鋼軌高低位置。

②鋼軌高低位置調整量在+27 ～+60 mm 時，在既有WJ?8 型扣件基礎上通過增設鋼調高墊板、緩沖墊板、加長螺旋道釘等技術措施實現外股鋼軌高低位置調整。調超高扣件組裝如圖4所示［6］。

圖4 調超高扣件組裝

1.3.2 設置軌底坡調整墊板

通過在軌下墊入不同坡度的楔形墊板實現軌底坡的調整。在圓曲線地段，由于超高調整量固定，通過在軌下墊入對應坡度的楔形墊板實現軌底坡的調整；在緩和曲線地段，由于超高調整量不同，軌底坡不斷變化，按不同等級的超高調整量墊入不同坡度的楔形墊板。

TB∕T 3397—2015《CRTS 雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》［7］中規定，100 mm 范圍內軌底坡允許高度偏差為±0.5 mm，即1∕200。考慮受軌下楔形墊板制造精度的影響，緩和曲線地段軌下楔形墊板的軌底坡變化量控制在1∕250，因此每6 mm 超高調整量需要1 種坡度的楔形墊板。超高調整量0 ～+60 mm 共需10 種坡度的楔形墊板。

軌下楔形墊板分為普通墊板和復合墊板。普通墊板的原材料為橡塑彈性體，復合墊板由06Cr18Ni11Ti不銹鋼板和橡塑彈性體硫化而成。

1.3.3 增設軌下鋼調高墊板

調整超高時需保證扣件系統能抵抗鋼軌傳遞來的列車橫向荷載，因此需增設鋼調高墊板。鋼調高墊板（圖5）材質為球墨鑄鐵QT450?10，有25，34，42，50 mm 4 種厚度，根據不同的調高量選用。其中25 mm 和34 mm 厚鋼調高墊板為提高其擋肩強度增設了加強筋，這些加強筋嵌入軌距擋板內。

圖5 鋼調高墊板

考慮鋼調高墊板最不利受力狀態，選擇最薄的25 mm 厚鋼調高墊板和最厚的50 mm厚鋼調高墊板對其受力進行有限元分析。橫向力按扣件疲勞試驗時的橫向荷載30.8 kN考慮。計算結果表明：25，50mm厚鋼調高墊板最大應力分別為221.78，148.47 MPa，均小于材料的疲勞強度，鋼調高墊板強度滿足使用要求。

1.4 超高調整方法

1.4.1 曲線地段內股鋼軌

曲線地段外股鋼軌高低位置調整量在+1 ～+3 mm時，內股鋼軌扣件使用原有6 mm 厚軌下墊板；當外股鋼軌高低位置調整量大于3 mm 時須使用相應坡度的軌下楔形墊板，如圖6所示。

圖6 曲線地段內股鋼軌扣件

1.4.2 曲線地段外股鋼軌

由于扣件調整量的不同，需要在原有扣件系統的基礎上，通過采用更換不同厚度的軌下楔形墊板、在軌下楔形墊板下墊入不同厚度的軌下微調墊板、在彈性墊板下墊入鋼調高墊板、在承軌面上墊入緩沖墊板、加長螺旋道釘等技術措施，實現單股鋼軌高低位置調整量0 ～+60 mm。外股鋼軌高低位置調整量+27 ～+60 mm 時扣件組裝狀態見圖7。外股和內股楔形墊板的坡度和方向應一致。

圖7 外股鋼軌高低位置調整量+27 ～+60 mm時扣件組裝狀態

1.5 調超高扣件的室內試驗

為驗證調超高扣件的可靠性，對調超高扣件進行了單節點組裝性能試驗，主要驗證扣件剛度變化情況和組裝疲勞性能。為考察實際軌道中鋼軌最大調高狀態下調超高扣件保持軌距的能力，還進行了室內多節點軌排試驗。

1.5.1 單節點組裝性能試驗1）組裝靜剛度試驗

依據TB∕T 3396.3—2015《高速鐵路扣件系統試驗方法 第3 部分：組裝靜剛度的測定》［8］，分別按不調高（標準組裝狀態）和調高26，41，56，60 mm 組裝扣件進行組裝靜剛度試驗。取5～55 kN 的割線剛度為扣件組裝靜剛度。試驗結果見表2。

表2 不同調高狀態下扣件組裝靜剛度試驗結果

由表2 可見：在不同調高狀態下扣件組裝靜剛度變化率均小于5%，調高后不會影響扣件節點剛度，滿足線路平順性要求。

2）組裝疲勞性能試驗

分別按不調高、調高41，56，60 mm 組裝扣件，組裝完成后試驗按照TB∕T 3396.4—2015《高速鐵路扣件系統試驗方法 第4 部分：組裝疲勞性能試驗》進行［9］。試驗時同時對1 根軌枕上的2 套扣件施加循環荷載，從最小荷載10 kN 到最大荷載126 kN（此時施加于一側扣件的垂向力為63 kN，橫向力為30.7 kN），加載頻率4 Hz。

疲勞性能試驗時，最大軌頭橫向位移量為1.28 mm，經300 萬次荷載循環后各零部件均未損壞，螺旋道釘也未發現彎曲現象。

軌距擴大量見表3。測試結果滿足軌頭動態橫向位移小于3 mm，疲勞試驗后零部件不應傷損，軌距擴大量不大于6 mm 的標準要求［10］，調超高扣件可有效保持軌距。

表3 不同組裝狀態下扣件組裝疲勞性能試驗結果 mm

1.5.2 多節點軌排試驗

為考察調超高扣件在鋼軌調高60 mm 時長軌排的抗橫向荷載能力和疲勞性能，進行了有9 個扣件節點的軌排加載試驗。

1）抗橫向荷載能力試驗

通過加載梁向兩股鋼軌分別施加60 kN 的恒定垂向荷載，再通過橫向千斤頂對兩股鋼軌軌頭施加橫向荷載，橫向荷載由0逐漸增加到60 kN。試驗分別在不調高和調高60 mm 狀態下進行，試驗布置見圖8，軌頭橫向位移與橫向荷載的關系曲線見圖9。

圖8 軌排抗橫向荷載能力試驗

圖9 軌頭橫向位移與橫向荷載關系曲線

在鋼軌承受60 kN 恒定垂向荷載情況下，當鋼軌承受的橫向力不大于60 kN 時，扣件不調高和調高60 mm 兩種狀態軌頭橫向位移差別不大，表明調超高扣件調高60 mm 狀態與WJ?8 型扣件標準組裝狀態的抗橫向荷載能力相當。

2）軌排疲勞性能試驗

試驗在扣件調高60 mm 狀態下進行。軌排疲勞性能試驗時利用45°加載架同時對兩股鋼軌施加循環荷載，從最小荷載10 kN 到最大荷載120 kN（施加到單股鋼軌的垂向力和橫向力均為60 kN），加載頻率4 Hz，如圖10所示。經300萬次荷載循環后，所有扣件部件均未出現傷損情況。

圖10 軌排疲勞性能試驗

軌排疲勞性能試驗結果見表4。可見：軌頭動態橫向位移最大值隨加載次數增加而略有減小，逐漸趨于穩定。在200 萬次荷載循環之后靜態軌距趨于穩定，軌距擴大量為1.0 mm。表明扣件整體結構穩定，可保證列車安全運行。

表4 軌排疲勞性能試驗結果

1.6 現場試驗和長期監測

在大西客運專線高速綜合試驗段R7000 m曲線上下行（K194+250—K197+539）鋪設了調超高扣件，最大調高量為60 mm，雙線總長約6.6 km。

1.6.1 實車試驗

采用高速動車組，測試了調超高扣件區段列車通過時的安全性、軌道結構位移、道釘上拔力等參數，試驗列車通過調超高扣件區段的最高速度為385 km∕h。

1）列車運行安全性

試驗列車作用下實測脫軌系數最大值0.26，輪重減載率最大值0.77，輪軸橫向力最大值21.2 kN。脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力均小于標準限值［11］。調超高扣件能夠保證試驗列車在385 km∕h 及以下速度運行的安全性。

2）輪軌力

實測輪軌垂向力最大值121 kN，小于限值170.0 kN［11］。輪軌橫向力最大值16.3 kN，小于限值68.0 kN。

3）軌道結構位移

實測軌頭橫向位移最大值0.73 mm，動態軌距變化量最大值0.90 mm，均小于標準限值［11］。實測鋼調高墊板橫向位移最大值0.16 mm，表明在試驗列車作用下調超高扣件可有效保持軌距且鋼調高墊板能夠保持橫向穩定性。

實測鋼軌垂向位移最大值0.78 mm，小于標準限值2.0 mm［11］。表明在試驗列車作用下調超高扣件可有效保持軌道剛度。

4）道釘上拔力

TB∕T 3395.5—2015《高速鐵路扣件 第5 部分：WJ?8 型扣件》5.7.5 中規定：預埋套管經100 kN 拉力試驗后不應損壞；4.6 中規定：預埋套管在混凝土枕或軌道板中的抗拔力不應小于60 kN［10］。取兩者中較不利的60 kN作為上拔力的限值要求。

根據扣件受力計算得到螺旋道釘靜態上拔力為23.2 kN。實測上行線、下行線道釘附加上拔力最大值分別為6.7，3.2 kN。道釘總上拔力最大值為29.9 kN，小于上拔力限值60 kN 的要求。此時螺旋道釘最大拉伸應力149 MPa，小于螺栓的公稱屈服強度900 MPa。表明螺旋道釘有很大的強度儲備。

動態實車試驗結果表明，調超高扣件能夠滿足現場實車提速至385 km∕h 時安全性和平穩性要求，并能有效保持軌距且鋼調高墊板能夠保持橫向穩定性，道釘也有很大強度儲備。

1.6.2 現場長期監測

大西客運專線高速綜合試驗［12］期間，對調超高扣件的動力學性能進行了長達1 年的監測，上行共采集2 744輛車、下行共采集2 507輛車通過時的數據。

主要監測結果：脫軌系數最大值0.29，輪重減載率最大值0.65，輪軸橫向力最大值29.6 kN；輪軌垂直力最大值121 kN，輪軌橫向力最大值19.2 kN；軌頭橫向位移和鋼調高墊板橫向位移最大值分別為0.90，0.19 mm；鋼軌垂向位移0.81 mm。結果表明，調超高扣件使用狀態良好，能夠滿足385 km∕h 動車組運行的安全性和平穩性要求，結構穩定，并能有效保持軌距。

2 社會經濟效益

如果沒有無砟軌道調超高扣件，則需拆除原有無砟軌道結構再按所要求超高重新施工，每公里約需390 萬元。采用調超高扣件增大曲線超高后，每公里約需122萬元，每公里節約造價268萬元。

如前所述鋪設調超高扣件區段共計6.6 km，如在無砟軌道道床中拆除原有結構再按要求超高重新施工需增加費用約2 574 萬元，而且施工時間長；如利用調超高扣件增大曲線超高僅需增加費用約805 萬元，節省造價1 769萬元，而且大大縮短施工周期。

3 結論

1）調超高扣件技術方案基于WJ-8 型扣件，在保證調超高時軌底坡不發生變化的前提下進行結構設計，實現了最大調高量+60 mm。

2）對調超高扣件進行了室內單節點組裝性能試驗及軌排試驗。結果表明該扣件的組裝靜剛度、組裝疲勞性能和軌排結構穩定性均滿足要求，可有效保持軌距。

3）現場實車試驗及長期監測數據表明，調超高扣件能夠滿足385 km∕h動車組運行要求。

4）調超高扣件為高速鐵路無砟軌道曲線地段提高列車運行速度提供了技術儲備，不僅節省工程改造的巨額費用，并且能縮短施工周期，同時減少因施工影響運輸造成的經濟損失，經濟效益極為顯著。另外調超高扣件的鋪設還將提高列車運行安全性和旅客乘坐舒適性，社會效益較為顯著。