武廣高速鐵路軌道剛度的分布特征和評價方法研究

2022-05-10 04:31:46金花

鐵道建筑 2022年4期

金花

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

武廣高速鐵路北起武漢站，南至廣州南站，于2009年底開通運營，設計時速為350 km，運營里程為1 069 km。全線主要鋪設CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，廣州北至廣州南區間主要鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道和有砟軌道。隨著運營時間的增加，軌道上拱、離縫冒漿等病害逐漸出現，影響行車安全和乘坐舒適性。

軌道剛度是軌道狀態評價的重要因素，是影響軌道振動與變形、車速、列車運行安全性與平穩性、軌道維修工作量的重要參數［1］。軌道剛度檢測有助于揭示線路軌道整體剛度的分布變化規律、不同軌道結構過渡段軌道剛度變化均勻性，從而發現軌道剛度薄弱區段。中國鐵道科學研究院集團有限公司研制的具有自主知識產權的移動式線路動態加載試驗車（簡稱加載車）采用雙弦弦測法，實現了60 km/h內軌道剛度的連續檢測。本文對利用軌道剛度幅值和軌道剛度波動（軌道剛度標準差）來評價高速鐵路無砟軌道線路軌道剛度的合理性進行研究，并基于武廣高速鐵路衡山西站—耒陽西站區段的加載車軌道垂向剛度檢測數據分析該區段軌道整體剛度的分布特征。

1 加載車簡介

加載車由儀器試驗車SY999319和動力加載車SYJZ0001組成（圖1）。儀器試驗車為鐵路統型25T車輛，負責接收測試信號，實現試驗控制和測試數據采集、分析、處理等功能，同時進行軌道剛度的配套測試和線路狀態圖像監測。動力加載車為東風8B基礎上改制而成的新型專用車輛，主要實現加載功能，并進行測試設備的前端布置。車載檢測系統包含MTS液壓加載系統、加載機構及測力輪對、激光測量系統、速度里程系統、探地雷達系統等。

圖1 移動式線路動態加載試驗車

SY999319自重51.3 t，載重4 t，換算長度2.4；SYJZ0001整備質量126 t，軸重21 t，換算長度2.2。加載車運行參數：通過最小曲線半徑為145 m，聯掛運行最大速度為160 km/h，自走行速度為3 km/h。檢測時，通過最小曲線半徑為400 m，側向通過最小道岔為12#，垂向加載最大運行速度為60 km/h，橫向加載最大運行速度為30 km/h。定點加載時，垂向最大加載力（單輪）為250 kN，最大加載頻率為45 Hz；橫向最大加載力（單軸）為150 kN，最大加載頻率為15 Hz。移動加載時，垂向移動加載力（單軸）不大于300 kN；橫向移動加載力（單軸）不大于100 kN。

2 軌道剛度評價方法

國外主要從軌道剛度幅值和波動兩方面對軌道剛度進行評價［1-3］。德國采用容許變形法確定高速鐵路（無砟軌道）軌道合理剛度為64 kN/mm（UIC60鋼軌，軌枕間距65 cm），鋼軌容許變形為1～2 mm。法國高速鐵路（無砟軌道）軌道靜剛度為97～105 kN/mm。美國《鐵路工程手冊》（Manual for Railway Engineering）建議軌道彈性模量不低于14 MPa，換算成60 kg/m鋼軌的軌道剛度為33 kN/mm。美國運輸技術中心公司（Transportation Technology Center，Inc.，TTCI）的加載車通過安全限值（11.6 mm）和維修限值（5.08 mm）來評價測試的軌道變形；利用移動窗口（約60.96 m）計算軌道變形的標準差，用于評價過渡段和軌道支撐狀態的連續性，其限值為2.54 mm。

文獻［1］采用軌道容許變形法和變形分配法確定高速鐵路軌道整體剛度和部件剛度，并給出了中國高速鐵路（有砟軌道）軌道整體剛度100 kN/mm，鋼軌支座剛度37 kN/mm，軌下墊板和道床剛度74 kN/mm。文獻［4］采用軌道剛度幅值和軌道剛度標準差的方法，提出普速線路軌道剛度合理取值60～160 kN/mm，軌道剛度標準差限值取30 kN/mm。軌道質量指數［5］（Track Quality Index，TQI）以200 m區段為一個單元，統計計算該區段內的軌距、水平、左右高低、左右軌向等軌道不平順參數的標準差作為評價軌道狀態指標。

文獻［6］通過仿真計算，結合京津城際鐵路的軌道剛度和軌道幾何檢測數據，從軌道剛度不平順、軌道剛度與軌道幾何、軌道剛度與Ⅱ級標準軌道幾何三種工況分析軌道剛度對行車性能和軌道受力性能的影響；選取軌道剛度波動較大（軌道剛度標準差較大）區段的軌道剛度檢測數據，仿真分析了軌道剛度標準差對車體和鋼軌動力響應的影響。結果表明，軌道剛度的波動會加劇軌道幾何不平順的變化，從而影響行車性能。軌道剛度和軌道Ⅱ級幾何不平順共同影響下輪重減載率可達1.0。

綜上，高速鐵路無砟軌道軌道剛度的評價從軌道剛度幅值和軌道剛度波動兩個方面考慮。軌道剛度幅值采用部件剛度的方法，確認線路軌道整體剛度的理論值。軌道剛度波動揭示軌道剛度分布均勻狀態，采用軌道剛度標準差來評價。

2.1 軌道剛度幅值

軌道整體剛度就是集中荷載作用在鋼軌上時鋼軌產生單位下沉所對應的集中荷載大小［1］。設集中荷載為P，鋼軌最大下沉量為Zmax，則軌道整體剛度k=P/Zmax。將鋼軌視為彈性點支座上的等截面連續長梁時，使支座產生單位下沉所必須施加于支座上的壓力定義為鋼軌支座剛度D，表示鋼軌點支座的彈性特征，單位為kN/cm。混凝土線路的彈性由道床和軌下彈性墊層提供，對應的支座剛度D=D1D2/(D1+D2)［7］，其中D1為道床剛度，D2為彈性墊層剛度。D與軌道整體剛度k、軌道模量u的關系為［1］

式中：a為軌枕間距，cm；E為鋼軌彈性模量，N/m2；I為鋼軌截面慣性矩，m4。

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構鋪設60 kg/m鋼軌，軌枕間距650 mm，采用W300-1型扣件。根據彈性墊板技術要求，W300-1型扣件的彈性墊板靜剛度設計值為20～25 kN/mm，而正在修訂的《高速鐵路線路修理規則》建議，無砟軌道扣件彈性墊板更換的合理限值為其靜剛度達到60 kN/mm。因此，合理的墊板靜剛度為20～60 kN/mm。根據式（1），對應的軌道整體剛度為59.6～135.1 kN/mm。因此，建議武廣高速鐵路軌道整體剛度為60～140 kN/mm。

2.2 軌道剛度標準差

軌道剛度標準差是評價軌道整體剛度均勻程度的指標，是軌道剛度測試結果采用標準差算法得出的統計值。選擇2～50 m的帶寬濾波后的數據，按200 m區段計算得到標準差。2 m基本涵蓋我國大部分車輛轉向架的軸距，50 m可以覆蓋中長波的軌道變化情況，因此選擇2～50 m作為帶寬濾波的波長。

根據加載車檢測數據，對京滬高速鐵路濟南黃河特大橋、京津城際鐵路、大西高速鐵路原平西—陽曲西、蘭新客運專線等線路的軌道剛度標準差進行統計分析。結果表明，各線路95%以上的軌道剛度標準差均不大于10 kN/mm。因此，建議無砟軌道結構的軌道剛度標準差不大于10 kN/mm。

3 現場檢測數據分析

2021年7月，利用加載車對武廣高速鐵路衡山西站—耒陽西站（K1723+454—K1819+187）上下行線路進行軌道垂向剛度檢測。測試區段內上下行各有大中小橋梁111座，合計長度約44.117 km，占測試區段總長度的46.1%；隧道各23座，合計長度5.064 km，占測試區段總長度的5.3%。

檢測時以衡陽東站為原點，分衡陽東站—耒陽西站和衡陽東站—衡山西站兩個區段進行，檢測速度小于60 km/h，加載力為50、200 kN。

3.1 軌道整體剛度分布特征

測試全區段及路基、橋梁、隧道區段上下行軌道整體剛度分布見圖2。測試全區段及不同軌道結構區段上下行軌道整體剛度平均值見表1。可知：測試全區段及不同軌道結構區段上下行軌道整體剛度平均值均在合理范圍（60～140 kN/mm）內；路基、隧道區段軌道整體剛度總體略大于橋梁區段。

圖2 測試區段軌道剛度分布

表1 測試區段軌道整體剛度平均值 kN·mm-1

3.2 軌道剛度標準差分布特征

測試全區段及不同軌道結構區段的每200 m軌道剛度標準差s（σ）分布見表2。其中，Q1—Q5分別為s（σ）≤5 kN/mm、5 kN/mm＜s（σ）≤10 kN/mm、10 kN/mm＜s（σ）≤15 kN/mm、15 kN/mm＜s（σ）≤20 kN/mm、s（σ）＞20 kN/mm所占百分比。可知：對于測試全區段，上下行線路中s（σ）≤10 kN/mm的區段分別超過94%、92%；隧道、橋梁區段的軌道剛度均勻性優于路基區段。