市域快軌梯形軌枕無砟軌道在線實測及分析

申瓊玉，韓冬東，董振升，俞泉瑜，徐飛虎

（1.安境邇(上海)科技有限公司，上海 200030；2.鐵科檢測有限公司，北京 100081）

1 研究背景

我國自2005 年開始引進的城市軌道交通高等減振軌道結構——梯形軌枕，在經過引進、消化、吸收、再創新等一系列過程后，在北京、上海、廣州、深圳、南京、西安、鄭州等20 多個城市的軌道交通中已有數百千米的成功應用，運營線路最高速度達到120 km/h，減振效果及運營狀態良好[1]。

2017 年，國家鐵道試驗中心環行線鋪設了360 m梯形軌枕無砟軌道，進行了多次安全性、平穩性、鋼軌振動特性及減振效果等測試，最高測試速度達到176 km/h，測試結果良好[2]。該段線路自2017 年正常使用至2022 年底，因環行線全面提速改造而拆除。我國2022 年新投運的1 085.17 km 城市軌道交通運營線路中，市域快軌線路占比19.57%，呈上升趨勢[3]。截至2022 年底，超過22 座城市開通運營市域鐵路，其中最高時速達220 km/h[4]。

為適應市域快軌建設提速的減振需求[5]，研究梯形軌枕在更高速度條件下的運行狀況及振動特性，2022 年底全面提速改造的國家鐵道試驗中心環行線鋪設了針對市域快軌設計梯形軌枕無砟軌道試驗段共計264 m，試驗段兩端銜接普通有砟軌道，梯形軌枕無砟軌道與普通有砟軌道之間的過渡段長度為30 m(含在試驗段內)[6]。本文針對梯形軌枕無砟軌道在更高速度下的安全性、穩定性及減振效果是否滿足相關規范標準限值要求的問題，對梯形軌枕無砟軌道與普通有砟軌道做了詳細的測試方案并進行相關指標的對比分析。

2 試驗段線路條件及軌道結構方案要點

2.1 線路條件

梯形軌枕無砟軌道試驗段位于環行線國鐵大環的西南角(見圖1)，大環線的線路及軌道條件如下。

圖1 環行線梯形軌枕無砟軌道試驗段位置示意Figure 1 Diagram of ladder-sleeper ballastless track test section on Circular Line

1) 曲線半徑1 432.39 m，線路坡度0.3‰。

2) 曲線超高220 mm(包括梯形軌枕軌道在內的大環南段)，理論平衡速度為163.4 km/h，最高試驗速度220 km/h 時，對應的欠超高達到178.7 mm。為確保測試列車的安全性，整個環行線曲線內軌均設置了防脫護軌。

3) 60 kg/m 鋼軌，無縫線路，梯形軌枕無砟軌道采用WJ-8A 型扣件，扣件間距0.6 m；普通有砟軌道段采用彈條Ⅱ型扣件及Ⅲ型預應力軌枕，道砟最小厚度350 mm，曲線外側砟肩設堆高(見圖2)。

圖2 普通有砟軌道斷面Figure 2 Cross of ordinary ballasted track in the section

2.2 市域快軌梯形軌枕及配套無砟軌道結構

根據環行線最高速度220 km/h 的要求，梯形軌枕進行了針對性設計。

1) 外形尺寸。梯形軌枕主體結構由左右預應力混凝土縱梁及3 根聯結鋼管組成，鋪設長度6 m，實際枕長5.8 m，相鄰枕之間設0.2 m 枕縫。為適應WJ-8A扣件的安裝要求，梯形軌枕單側縱梁寬設計為680 mm，左右縱梁外側各設一個沿縱梁方向長400 mm、橫向寬200 mm 的限位凸臺，包括限位凸臺在內的梯形軌枕總寬2 600 mm。根據軌道結構高度條件，縱梁厚設為220 mm。市域快軌單塊梯形軌枕自重約4.5 t(見圖3)。

圖3 市域快軌梯形軌枕構造Figure 3 Structure of ladder-sleeper on Circular Line

2) 減振墊剛度。梯形軌枕每側縱梁下均勻布置6 塊聚氨酯減振墊，為控制市域快軌鋼軌垂向動態位移不大于2.5 mm，中部及兩端減振墊剛度分別為18 kN/mm和9 kN/mm。試驗段兩端與普通有砟軌道之間的過渡段包含5 塊梯形軌枕，設置了3 級過渡剛度。

環行線市域快軌梯形軌枕無砟軌道斷面如圖4所示。

表1 市域快軌梯形軌枕與地鐵梯形軌枕的主要對比Table 1 Comparison of ladder-sleeper track in urban rapid rail transit and subway

圖4 環行線市域快軌梯形軌枕無砟軌道斷面Figure 4 Cross of ladder-sleeper track in the section

3 測試方案

3.1 試驗列車類型、速度級及測試指標

試驗列車為8 節編組CRH380AJ-2818 高速綜合檢測車，長度為203 m，軸重14 t。試驗速度40～220 km/h，速度級差為20 km/h，共10 個速度級，為節省篇幅，本文僅給出120～220 km/h 的數據。

測試指標包括安全性和穩定性、軌道位移、振動加速度及減振效果等，參考規范及限值見表2。

表2 測試項目、參考規范及限值Table 2 Test list, evaluation standards, and limit values

3.2 測試斷面及測點布置

整個大環線的線路條件均一致，故選取3 個典型斷面進行對比測試，其中梯形軌枕無砟軌道枕中和枕端位置斷面各1 個，普通有砟軌道斷面1 個(見圖5～6)。

圖5 梯形軌枕枕中、枕端斷面位置Figure 5 Cross of ladder-sleeper track in the section

圖6 梯形軌枕無砟軌道與普通有砟軌道現場Figure 6 Site photos of ladder-sleeper ballastless track and ordinary ballasted track

4 測試結果及分析

4.1 列車運行安全性和穩定性

列車運行安全性及穩定性指標根據測得的輪軌垂、橫向力計算而得，測試斷面安全性指標最大值如表3 所示，梯形軌枕軌道脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力均遠小于相關評判標準限值，且與有砟軌道相比基本持平[3]。

表3 各測試斷面安全性指標最大值Table 3 Maximum safety index value in each section

本次測試在試驗專用軌道進行，因軌道條件限制，曲線欠超高178.7 mm 高于設計規范限值，并且設置了防脫護軌，試驗順利完成且各測試指標數值均滿足標準限值。實際工程中考慮到風險，應按設計規范限值設置。

4.2 軌道結構位移

各測試斷面鋼軌位移最大值如表4 所示，梯形軌枕無砟軌道內外軌橫向位移均不大于1 mm，動態軌距擴大量最大值不大于1 mm，因梯形軌枕無砟軌道減振需求，其鋼軌垂向位移大于有砟軌道，其他指標基本持平，但均小于相關評判標準限值。

表4 各測試斷面鋼軌位移最大值Table 4 M aximum rail displacement value in each section mm

梯形軌枕位移最大值如表5 所示，梯形軌枕無砟軌道枕中和枕端位置縱梁垂向位移、橫向位移均在規范限值以內。

表5 梯形軌枕位移最大值Table 5 Maximum displacement value in ladder-sleeper

4.3 鋼軌振動加速度

各測試斷面鋼軌振動加速度最大值如表6 所示，數據中的最大值遠小于梯形軌枕無砟軌道枕中和枕端位置鋼軌垂向加速度、橫向加速度最大值參考《客貨共線鐵路工程動態驗收技術規范》(TB 10461—2019)中規定的最大值5 000 m/s2，且與有砟軌道相比，互有高低，總體基本持平。

表6 各測試斷面鋼軌振動加速度最大值Table 6 M aximum rail acceleration value in each section m/s2

4.4 距線路中心線3.5 m 路基表面的減振效果

從圖7 所示的振動加速度頻譜特征對比圖可知，梯形軌枕無砟軌道在距線路中心線3.5 m 處路基表面的垂向加速度級明顯小于有砟軌道。

圖7 梯形軌枕無砟軌道和有砟軌道3.5 m 處路基垂向加速度頻譜Figure 7 Comparison of vertical vibration acceleration of ladder-sleeper track and ballast track at 3.5 m

梯形軌枕無砟軌道與有砟軌道減振動效果對比如表7 所示，市域快軌梯形軌枕無砟軌道相對于有砟軌道減振效果，1～80 Hz 頻段Z 計權振級的最大差值ΔVLzmax為3.3～5.1 dB；1～200 Hz 頻段Z 計權振級的均方根的差值ΔVLza為4.4～6.8 dB，平均插入損失(減振效果)分別為4.0 dB 和5.4 dB。

表7 梯形軌枕無砟軌道相對比有砟軌道的減振效果Table 7 Vibration reduction of ladder-sleeper track and ballast track dB

5 結論

對國家鐵道試驗中心環行線最高220 km/h 條件下，市域快軌梯形軌枕無砟軌道及普通有砟軌道的安全性、平穩性、鋼軌振動特性及減振效果等實測結果進行分析，得到結論如下。

1) 列車以最高速度220 km/h 通過梯形軌枕無砟軌道時，脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力和輪軌垂向力等安全性和穩定性指標遠小于相關評判標準限值，與普通有砟軌道相比持平或略低。

2) 梯形軌枕無砟軌道因減振特性而引起的鋼軌垂向位移相對于有砟軌道增加較多；測得梯形軌枕的內軌低速條件、外軌高速條件下的垂向位移因曲線未平衡超高過大而相對較大，最大值達到2.24～2.45 mm，但內外軌垂向位移平均最大值為2.19 mm，仍滿足相關標準限值。

3) 市域快軌梯形軌枕無砟軌道的鋼軌橫向位移中，內外軌橫向位移均小于1 mm，動態軌距擴大量最大值0.99 mm，雖然相對于有砟軌道動態軌距擴大量最大值0.48 mm 增加了一倍，但絕對值仍處在較低水平。

4) 市域快軌梯形軌枕枕中和枕端鋼軌垂橫向加速度值遠小于限值5 000 m/s2，與普通有砟軌道相比，互有高低，總體基本持平，表明梯形軌枕無砟軌道的鋼軌振動抑制能力良好。

5) 在距離線路中心線3.5 m 處的路基位置，市域快軌梯形軌枕無砟軌道相對于有砟軌道減振效果，1～80 Hz 頻段Z 計權ΔVLzmax為3.3～5.1 dB；1～200 Hz計權ΔVLza為4.4～6.8 dB，考慮到普通有砟軌道相對于普通無砟軌道已具有5 dB 或以上的減振效果[9]，可認為按市域快軌相關技術標準設計的梯形軌枕無砟軌道相對于普通無砟軌道的減振效果可望達到10 dB 左右，這也與相關研究[10-12]的結論相吻合。

本次國家鐵道試驗中心環行線的測試成果，可為市域快軌及城際鐵路新線設計時的軌道減振技術應用提供借鑒與參考，也有待未來實際應用線路更多的驗證。