隧道內道床板上拱損傷評級與維修效果評價

陳利 馬斌 陳曉飛 余翠英

1.中鐵二局集團有限公司，成都610031；2.華東交通大學理學院，南昌330013

雙塊式無砟軌道是我國高速鐵路無砟軌道結構的主要形式之一，在鄭州—西安、武漢—廣州、南昌—福州、大同—西安、蘭州—烏魯木齊等新建高速鐵路廣泛鋪設［1］。我國已投入運營的部分高速鐵路路橋過渡段及隧道內曾多次發生道床板上拱離縫現象［2-4］。盡管軌道結構通常設計壽命為50年，但在各種復雜環境中不得不提前維修保養，避免軌道結構損傷嚴重，危及高速行車安全。

大部分學者多關注溫度引起的道床板翹曲對軌道結構受力變形的影響，研究了道床板上拱的原因和機理［5-6］以及單純考慮離縫或脫空與列車動荷載作用下無砟軌道結構的動力特性［7］。然而，道床板上拱病害發生后，不僅是道床板與支承層之間產生離縫，還會導致軌道不平順。車輛高速通過時會沖擊上拱的道床板，加劇車輛和軌道結構的動力響應［8］，既有研究較少考慮這一影響。工務部門急需掌握道床板上拱損傷對列車安全運行的影響程度及相應的維修標準［9-10］。

本文以某隧道區間道床板上拱離縫為背景，分析維修前道床板上拱對軌道結構動力性能和高速列車安全性的影響規律，確定維修前限速值和軌道結構損傷評級；建立維修前與維修后車軌系統模型，進行仿真分析對比，評價維修整治措施效果。

1 道床板上拱維修措施

為評估一座隧道內雙塊式無砟軌道道床板上拱離縫的影響，對富水隧道17.8 km區間展開軌道結構病害調查。該隧道區間道床板上拱離縫（圖1）主要由地下水引起。

整治措施為：首先采取泄水降壓措施，在道床板兩側排水溝鉆孔，間距5 m，共計54處；其次采用錨桿加固，泄水降壓完畢，沿軌道兩側20 cm、縱向間距1 m設置若干鋼制漲殼式預應力中空錨桿；最后填充層注漿，采取環氧樹脂注漿，注漿壓力為0.1～0.2 MPa。具體維修整治流程見圖2。

圖2 隧道區間道床板上拱離縫維修整治流程

2 道床板上拱的車輛-軌道系統模型

2.1 雙塊式無砟軌道振動模型的建立

基于既有的列車-軌道系統空間振動模型及動力學理論［11-12］，建立含道床板上拱的雙塊式無砟軌道振動分析模型，如圖3所示。模型中將長度為L的雙塊式無砟軌道按扣件間距劃分為若干個軌段單元，并假定：每個軌段單元分為兩層，上層為彈條扣件層，采用離散支點彈簧及黏滯阻尼器模擬，考慮扣件橫向、垂向剛度，扣件橫向、垂向阻尼；底層為道床板與路基之間的連接層，該層模擬為連續基礎彈簧及黏滯阻尼器，考慮基礎橫向、垂向剛度，基礎橫向、垂向阻尼。道床板與路基之間的離縫，可設置連續路基基礎黏滯阻尼器和彈簧失效，道床板上拱位移可依據軌面高程偏差設定。

圖3 雙塊式無砟軌道結構軌段單元模型

軌段單元中鋼軌及道床板上任一點處任意時刻t的垂向位移可通過橫向有限條與板段單元法進行插值計算［13］。

2.2 高速列車振動模型的建立及系統方程求解

以動車組CRH2-300（編組為1動車+4拖車）為例，建立高速列車-雙塊式無砟軌道系統振動分析模型。動車組中每輛車的車體及轉向架均考慮伸縮、橫擺、浮沉、側滾、點頭及搖頭6個自由度，每個輪對僅考慮橫擺及浮沉2個自由度。因此，每輛車均離散為具有二系懸掛的26個自由度的多剛體系統模型。依據彈性系統動力學總勢能不變原則［13］，得到系統總勢能Π，表達式為

式中：ΠT為軌道結構空間振動總勢能；ΠV為列車空間振動總勢能。

分別對式（1）的列車和軌道結構空間總勢能進行變分，得到此系統總勢能位移變分方程，即

依據彈性系統動力學總勢能不變原理和形成系統矩陣的“對號入座法則”［13］，得到此系統在t時刻的空間振動矩陣方程，即

式中：M、C、K為此系統質量、阻尼、剛度矩陣；δ¨、δ˙、δ、P為此系統加速度、速度、位移、荷載向量。

采用FORTRAN編程及Wilson-θ法求解方程（3），計算此系統隨t變化的空間振動響應。

2.3 道床板上拱離縫模擬

考慮維修措施對道床板軌道結構的影響，建立道床板上拱維修前和維修后兩種模型。采用單波余弦波形曲線模擬道床板的上拱變形，其表達式為

式中：f0為上拱曲線的幅值；l0為上拱曲線的波長；y為上拱的位置坐標。

道床板與路基離縫剛度折減系數kCA的表達式為

式中：F為輪軌力；u0為初始離縫值；u為道床的板豎向位移。

上拱模型如圖4和圖5所示。

圖4 道床板上拱離縫模型示意

圖5 道床板上拱的車輛-軌道系統振動分析模型示意

3 計算參數及工況類型

3.1 計算參數

無損傷的車軌系統空間振動響應分析參考文獻［9-11］，其豎向激振源采用文獻［12-13］的高速無砟軌道譜隨機反演的時程曲線，橫向激振源則采用文獻［14］統計的高速列車構架蛇行波標準差隨機模擬不同車速條件下的人工構架蛇行波。鋼軌采用CHN60鋼軌；扣件節點剛度取50 kN∕mm，扣件間距0.625 m；道床板采用C60混凝土，道床板寬2.8 m，厚0.26 m；支承層寬3.4 m，厚0.3 m。

3.2 工況類型

提取隧道內道床板上拱區間的高程偏差，見圖6?？芍?，該線路上行線K302+623—K302+698道床板上拱最嚴重，線路左軌K302+663—K302+668出現最大道床板上拱離縫，軌面最大高程偏差為+19 mm，最大離縫范圍為6 m，離縫5 mm。

圖6 維修前與維修后的軌道高程偏差

該隧道區間所在線路設計運營速度為250 km∕h，因此速度計算工況采取300 km∕h及以下，探討道床板上拱對車軌系統振動響應的影響，并確定維修前線路區間相應的限速值。

4 軌道結構損傷評級及維修效果評價

4.1 維修前軌道結構損傷評級

為研究維修前道床板上拱和列車運行速度對車輛-軌道系統振動響應的影響規律及影響程度，計算道床板上拱與道床板正常兩種工況的車輛-軌道系統振動響應指標，結果見圖7?？芍?/p>

圖7 道床板上拱與道床板正常的車軌系統振動響應最大值

1）列車以300 km∕h運行時，與道床板正常工況相比，道床板上拱工況引起的脫軌系數和輪重減載率分別增加了2.52倍和1.18倍，最大值分別為1.92和0.90；鋼軌、道床板、車體垂向振動加速度分別增加了1.55、14.64、1.28倍?？梢姡来舶迳瞎皩Ω咚倭熊?雙塊式無砟軌道系統振動響應影響很大，直接影響列車運行安全性。軌道結構傷損評級為Ⅳ級，緊急處理措施為限速運行。

2）根據TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》，輪重減載率不大于0.6，脫軌系數不大于1.0。道床板上拱工況下限速160 km∕h運行時，脫軌系數峰值和輪重減載率峰值分別為0.33和0.51，均滿足規范要求；該工況下車體橫向、垂向sperling指標峰值分別為2.85和2.78，根據TG∕GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》，該列車舒適性指標合格。

3）道床板上拱維修前，運行速度由300 km∕h降至160 km∕h時，引起脫軌系數、輪重減載率、車體垂向振動加速度分別下降了82.81%、43.33%、27.20%；車體橫向sperling指標下降了18.18%，達到2.79；車體豎向sperling指標下降了14.92%，達到2.85；輪軌垂向力由176.951 kN下降到101.097 kN，下降了42.86%?？梢?，隨著運行速度的降低，車輛-軌道系統振動響應隨之降低。

綜上，道床板上拱維修前，建議列車限速160 km∕h運行，可確保運營安全。

4.2 維修效果評價

對道床板進行維修后，計算不同車速下道床板上拱的車輛-軌道系統振動響應指標，并與維修前進行對比，結果見圖8?？芍毫熊囈?00 km∕h運行時，與上拱維修前相比，維修后脫軌系數、輪重減載率、輪軌垂向力、車體垂向振動加速度峰值分別下降了69.79%、51.11%、43.71%、44.23%；維修后時速300 km的列車脫軌系數和輪重減載率最大值分別為0.55和0.43，滿足高速列車運行安全性和乘坐舒適性要求；列車以250 km∕h速度運行時，脫軌系數、輪重減載率最大值均滿足規范安全性要求，車體垂向加速度、sperling指數滿足規范舒適性要求。隧道內道床板上拱維修后同時滿足該線路區間運營速度要求。

圖8 維修前后的車軌系統動力響應最大值比較

可見，道床板上拱維修后比維修前的車軌系統動力響應下降明顯，滿足TG∕GW 115—2012中相關要求，維修后的道床板軌道結構在運營速度300 km∕h及以下列車運行安全。維修后的軌道結構性能有了較大的改善，明顯提升了高速鐵路隧道軌道結構性能和服役期。

5 結論

1）與道床板正常工況相比，道床板上拱的鋼軌和道床板的振動加速度、位移、輪軌作用力及列車脫軌系數、輪重減載率均有不同程度增加，且運行速度越高振動響應增加程度越大。運行速度對道床板上拱的軌道結構和列車運行安全影響較大，道床板上拱的軌道結構傷損評級為Ⅳ級。

2）采取限速措施可明顯降低傷損的車軌系統動力響應。以160 km∕h限速運行時，道床板上拱引起的脫軌系數、輪重減載率、車體橫向sperling指標峰值、垂向sperling指標都符合列車運行的安全性及乘坐舒適性指標要求。在不中斷交通的前提下，建議維修前道床板上拱區間列車限速160 km∕h及以下。

3）道床板上拱的軌道結構維修效果評價良好，維修后的軌道結構可滿足運營要求。因隧道地下水和地表水持續存在，須加強該區間監控。