城市轨道交通钢轨异常波磨的特点及治理对策

杨惠喜 孙 鑫 张厚贵

(北京轨道交通建设管理有限公司 北京 100037)

1 项目背景

轨道交通建设正处在一个高速发展期，由于建设速度快，几乎没有运行磨合期，加上大量新型轨道结构和车辆系统的采用，出现了严重的钢轨异常波磨问题(异常波磨是出现时间早、发展速度快、直线曲线均有、波长短的一种钢轨表面波磨)，导致轨道振动、车内噪声增加显著，引起轨道扣件松脱、车辆部件损坏和周围环境振动与噪声超标等问题，影响了地铁的正常运营，形成了行车安全隐患，增加了地铁列车振动及噪声对沿线居民等环境的影响，同时大大增加了轨道及车辆的养护维修工作量和费用，与现有养护维修设备和人员严重不足形成较大矛盾。

1.1 研究成果

北京市科学技术委员会组织有关单位进行了专题立项研究，通过对地铁波磨问题的大量调研、测量和理论及试验研究，课题组在异常波磨的机理研究、既有线和新建线异常波磨的防治措施方面，取得了以下13项研究成果:

1)首次系统汇集总结了国内外钢轨波磨问题研究理论和技术措施的现状。

2)首次系统绘制了北京地铁4、5、10号线钢轨异常波磨基本情况信息图。

3)发现并确认了北京地铁钢轨异常波磨的主要成因。

4)初步提出了钢轨异常波磨的轮轨共振理论。

5)首次提出了防止地铁钢轨异常波磨的综合减振8项技术原则。

6)首次提出了既有线异常波磨的分类、分级方法及整治原则。

7)提出了减缓既有线钢轨异常波磨临时应急技术方案。

8)提出了整治既有线异常波磨的技术措施。

9)完成了整治既有线异常波磨的技术设计。

10)提出了防止新线钢轨异常波磨的技术措施。

11)提出了钢轨波磨检测的数据指标与评价方法。

12)完成了针对钢轨异常波磨的维修养护条件初稿。

13)建成了轨道减振多功能综合试验平台。

1.2 创新点

在研究过程中，对于我国城市轨道交通来说许多问题都是第一次遇到，因此，课题组在许多方面的研究工作，在国内都属于创新性的，总结起来有以下8项创新点:

1)调研方法创新。课题组在绘制北京地铁4、5、10号线况钢轨波磨现场情况信息图过程中，首次将线路条件、轨道结构、行车速度、维修打磨状态、波磨发展情况等汇总到一张信息图中，直观全面，一目了然，这对于发现规律、制定对策、采取措施起到了非常重要的作用。

2)测试方法创新。课题组在寻找钢轨波磨主要原因的过程中，提出了系统性的5步测试法。即钢轨波磨特性测试、钢轨振动加速度测试、车内噪声测试、轨道模态特性测试、轮对动力特性测试，为确定钢轨波磨钢主要原因提供了重要依据。

3)波磨理论创新。经过大量现场调研、新旧线路对比分析、现场测试和理论分析，课题组初步提出了北京地铁钢轨异常波磨的轮轨共振型理论，这对世界地铁波磨研究来说，是一个研究理论上的创新。

4)分类的方法创新。课题组首次提出了钢轨波磨分级分类的方法，这对于合理规划不同类型的波磨整治思路及原则、有的放矢的采取对策是十分重要的。

5)首次提出地铁综合减振技术原则，针对当前在解决地铁列车振动与噪声问题时，片面采用轨道减振造成异常波磨大量发生的情况进行研究，课题组首次提出了防止地铁钢轨异常波磨的综合减振技术原则。为今后城市轨道交通合理规划、解决地铁列车振动与噪声问题提供了基础性思路。

6)首次提出新的波磨检测与评价指标，课题组提出的钢轨波磨检测的数据指标、测试方法与评价方法，参考了国际上在此项研究上的最新成果，并结合国内地铁的实际情况，提出了适合北京地铁波磨检测的数据指标与评价方法，这对于加强对钢轨波磨的养护维修与管理非常重要，使得这项工作达到一个新的技术水平。

图1 轨道减振多功能综合试验平台

7)建成轨道减振多功能综合试验平台(见图1)。这是国内唯一的针对地铁轨道建设的大型足尺试验平台，这将为日后的地铁轨道减振以及轨道刚度和波磨发展的关系方面提供试验研究，这在国内地铁轨道的试验方面是一个创新。

8)首次初步拟定了加强对钢轨波磨的养护维修与管理的技术条件。课题组针对异常钢轨异常波磨的研究成果，初步制定针对钢轨波磨进行系统化、科学化、制度化维修养护的技术条件，这在国内轨道交通界也是首次，对加强钢轨波磨的养护维修与管理非常重要。

下面通过总结课题的研究成果，从建设管理的角度，介绍北京地铁钢轨异常波磨的特点，分别针对新建线路和既有线路钢轨波磨的预防及整治对策进行阐述。

2 北京地铁钢轨异常波磨的特点

为确切掌握北京地铁钢轨异常波磨情况，课题组进行了全线钢轨异常波磨的现场情况调研，发现北京地铁的钢轨异常波磨与文献记载的其他情况不同，具备独有的特征。

北京地铁在直线和曲线地段均发现了波磨现象，不同的轨道结构形式具有固定的典型波长，波长范围为20～200 mm，属于短波波磨(即波纹磨耗)，在一定的行车速度下，该波长范围的短波波磨会产生200～300 Hz的轮轨振动，造成部分车辆及轨道部件的共振，形成严重的安全隐患，表现为扣件的失效，弹条的松脱和断裂，且情况较为严重(见图2)。

图2 钢轨波磨地段的扣件失效

北京地铁钢轨波磨比较集中地出现在采用减振措施的区段，相比较而言，发生在普通混凝土整体道床的钢轨波磨现象大多出现在小半径曲线的内轨，发展速率缓慢，规模较小;而在各种减振轨道措施地段，尤其是采用减振器扣件地段，波磨发生的规模大、发展快，无论曲线直线均有发生，这是本研究的重点。

异常波磨的出现与列车运行速度有关，特别需要指出来的是，在采用减振器扣件的地段，90%以上的波磨出现在列车速度在60～70 km/h的匀速运行区段。

近几年开通地铁线路的轨道均未进行初始打磨，存在因生产和施工过程中造成轨面缺陷和伤损而引发原始不平顺、轮轨廓面不匹配等现象。在跟踪调研中发现，此类型的钢轨波磨通过彻底打磨后发展速率大大降低。

3 北京地铁钢轨异常波磨的成因

3.1 内因

经过大量现场调研、新旧线路对比分析、现场测试和理论分析，课题组明确了北京地铁钢轨异常波磨的类型属于轮轨共振型，其主要原因如下:

1)轨道结构与车辆转向架系统动力参数不匹配，在一定行车速度条件下，车轮轮对的垂向振动激起钢轨相应频率的振动，形成轮轨共振(共振频率在200～300 Hz之间)，致使轮轨接触方式不良，接触应力超过钢轨表面屈服极限，从而导致钢轨波磨现象(见图3)。

图3 北京地铁各种轨道结构形式的钢轨振动响应

2)钢轨异常波磨的产生和发展与扣件的结构形式有较大关联，减振扣件不能提供足够的阻尼控制轮轨在较高频率范围内的接触共振，加剧了钢轨异常波磨的发展。

3.2 外因

以下5个方面也是导致钢轨异常波磨较快发展的外因:

1)在同一条线路中采用多种轨道减振措施(有的多达6～7种)，轨道刚度变化多而且过渡段不足，致使轨道刚度不一致，变化大，不利于车辆采取措施形成合理的轮轨匹配。

2)线路开通即承担巨大运量，轮轨磨合期短。

3)线路开通前，钢轨未经初始打磨与几何形位精调，存在初始不平顺。

4)钢轨与车轮参数匹配不合理。

5)现有钢轨打磨维修装备不足，未能按实际需要及时进行彻底打磨。

4 防止异常波磨综合减振对策

根据课题组确定的导致钢轨异常波磨的主要原因，从新线建设管理的角度，应深入反思满足环评要求的减振效果与防止钢轨异常波磨这一对矛盾关系，在管理、设计、施工上共同预防钢轨异常波磨的出现。

4.1 管理上的对策

1)必须确保轨道结构的基本功能，明确轨道结构在减振降噪性能上的局限性，改变以轨道减振作为地铁减振唯一方式的理念，结合选线及结构措施等采取综合减振，共同实现减振目标。

2)应充分考虑减振产品使用范围的局限性，建立轨道系统产品的准入许可制度，避免不成熟的新产品、新技术给工程建设及运营带来风险。

3)应加强各专业的总体协调，例如，应对车辆及轨道专业进行统一的论证，结合车辆及轨道参数进行频率规划，避免发生轮轨系统的接触共振现象。

4.2 设计上的对策

1)轨道减振措施应在确保合理轨道刚度值和均匀性的前提下，应以增加参振质量为主来获取减振效果。

2)为避免轨道结构本身引起的刚度不均匀性，每条线上减振轨道种类应避免频繁过度，建议考虑以下方案:

(1)全线采用某种基础减振轨道。在选择基础减振轨道类型时，应通过试验确定最佳车辆转向架与轨道的动力配合参数。

(2)地下段基础减振轨道不能达到一般环境要求时，应采用枕下或道床板下的减振方式，以提高参振质量。

(3)地下段有特殊减振要求时，可采用浮置板轨道(钢弹簧或橡胶弹簧)。

(4)高架段有特殊减振要求时，应采用桥梁支座减振。

(5)不同刚度轨道结构的过渡段长度应大于一列车长，逐渐过渡。

3)进一步优化曲线几何参数，比如考虑曲线轨距加宽、超高调整等。

4)在小半径曲线地段应当采用耐磨钢轨，如果反复出现波磨应考虑采取措施控制轨顶摩擦系数。

4.3 施工上的对策

1)应研究改善施工控制和施工工艺，对轨道的几何形位进行精调，确保轨道的平顺性。

2)应积极创造条件对新线进行初始打磨，消除由于施工带来的轨头伤损等不平顺，保障车轮与钢轨的接触轮廓匹配良好。

5 既有线钢轨异常波磨的整治原则

5.1 提出整治原则

在已经出现钢轨波磨的既有线，需在保障地铁正常运营的情况下对钢轨波磨进行有计划的整治，课题组结合实际情况，提出以下整治原则:

1)安全、可靠、稳妥为首要原则。将课题研究成果提出的整治措施、思路与本工程的实际情况结合起来，全面听取建设、运营、研究、设计、供货等单位的意见，充分考虑各种不利因素及现场实际情况，确保整治方案实施不影响运营安全，且使用可靠。

2)分批、分类、分级进行整治改造。优先整治异常波磨严重或发展速度较快、对运营及养护维修负面影响较大的地段;对波磨发展速度一般或影响相对较小地段作为后续批次整治;对波磨发展缓慢的地段采用养护维修措施加以控制;撤除规划实现后再无减振降噪需求的减振措施;高架桥配合降噪的减振轨道措施酌情按撤除考虑;仍需减振的地段，治理措施应兼顾减振要求。

3)整治与试验观测同步进行。在整治过程中，采用增加轨道刚度、安装钢轨阻尼等措施，本着边实施边观测的原则进行，经过全面、周密、有计划的观测，取得关键性数据，为今后的轨道设计、养护维修提供参考。

4)周全考虑可实施性，兼顾考虑较小代价及影响最小的原则。在保证运营安全及可靠的前提下，对整治方案的技术经济性进行论证，择优选择，以尽量降低成本，方便实施;同时与运营维修部门充分沟通，与轨道养护维修计划充分结合，尽量减少对既有线运营的干扰和影响。

5)加强钢轨波磨的数据管理，规范化、科学化检测与评价钢轨波磨特性数据。目前国内针对钢轨波磨的测试，常用的波磨测量设备为1 m或1.2 m钢尺，这类测量设备由于单次测量范围小，测量误差大，仅提供典型波长及矢高的读数过于简单，获取信息有限。

5.2 建立完善的测量及评价体系

随着我国城市轨道交通的迅速发展，轨道的维修养护已得到各方面的更多重视。作为钢轨伤损状态的评定指标之一，波磨的测量及评价越来越需要规范化以便于统一管理，并建立一个完善的波磨测量及评价体系。

1)随时监测轨道波磨的发展状态，有利于及时控制轮轨关系恶化，保障运营安全。

2)及时掌控由于波磨产生的噪声及振动超标问题，还居民一个安静的轨道交通。

3)制定合理的打磨策略，减少轨道结构的使用寿命周期成本。

4)掌控各种钢轨波磨发展及打磨周期，为新建线选择合理的轨道形式提供依据。

为此，钢轨波磨的测量与评价应该朝着数据化、常规化以及数据指标科学化的方向发展，钢轨波磨的测量设备应能对整个区段的钢轨表面粗糙度状况进行测量和评估，并根据测量结果提供制定打磨策略所需的数据支持。

6 结论

通过对北京市科学技术委员会“北京轨道交通减少异常波磨综合减振技术研究”课题研究成果的总结，从建设管理的角度，提出了城市轨道交通在防止钢轨异常波磨的发生和发展的几点原则及建议，可为其他城市的轨道交通同行提供参考。

1)针对新建线路，应加强建设管理，从总体上协调线路规划、线路基础、轨道结构、振动保护对象等系列的综合减振措施，还“轨道减振”为更为合理的“地铁减振”。

2)在设计中应加强总体的联系，使得各专业紧密配合，尤其是车辆与轨道应进行总体考虑，避开轮轨系统的共振点。

3)针对既有线钢轨波磨的改造，应重视维修养护及分批分类分级的逐步改造。

［1］北京轨道交通减少异常波磨综合减振技术研究课题组.北京轨道交通减少异常波磨综合减振技术研究技术报告［R］.北京:北京交通大学，2010.

［2］北京轨道交通减少异常波磨综合减振技术研究课题组.北京地铁5号线钢轨波磨调查报告［R］.北京:北京交通大学，2010.

［3］李克飞，刘维宁，张厚贵，等.地铁钢轨波浪形磨耗的原因分析［J］.都市快轨交通，2010，23(2):1-5.

［4］刘维宁，任静，刘卫丰，等.北京地铁钢轨波磨测试分析［J］.都市快轨交通，2011，24(3):6-9.

［5］谷爱军，刘维宁.国外城市轨道交通钢轨波浪形磨耗病害研究及治理［J］.城市轨道交通研究，2011(12):51-55.