穿越古长城段无砟轨道减振施工技术研究

王建军

摘要：本文以兰新第二双线铁路嘉峪关穿越长城段无砟轨道减振施工技术为主线，讨论了减振式无砟轨道的施工工艺、受力性能及减振效果评估等方面的内容，并对其特点、要点和发展趋势作了分析，对存在的问题提出见解。

Abstract： This paper focuses on the vibration reduction construction technology of ballastless track for the Jiayuguan pass through the Great Wall section of the Lanzhou-Xinjiang second-wire railway， and discusses the construction process， force performance and vibration-reducing effect assessment of the vibration-damping ballastless track. It also analyzes its characteristics， points， and development trends， and provides opinions on existing problems.

關键词：穿越长城;无砟轨道;减振技术

Key words： crossing the Great Wall;ballastless track;vibration reduction technology

中图分类号：U213.2+11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）13-0156-05

0 引言

随着列车速度的提高，铁路对沿线环境敏感点的影响越来越大，对轨道采取相应的减振措施是十分必要的。但在高标准铁路中，虽然市场需求较大，但目前尚无成熟的轨道减振技术。随着人们环保意识的提高，铁路所经地区的环境问题也越来越受到重视，轨道减振降噪技术也势必成为未来的一项高新技术。通过此次研究，主要达到如下目的：一是形成一套完整的高速铁路减振无砟轨道系统;二是为今后类似项目提供成熟的减振系统解决方案，提高高速铁路的环境效益和社会效益。

1 国内外轨道减振技术发展概况

我国减振型无砟轨道主要运用于时速80km/h～120km/h的城市地铁项目，采取分级减振措施，主要有扣件减振（如减振器扣件、先锋扣件等）和道床减振（如橡胶或钢弹簧浮置板），运用比较普遍，取得了很好的效果;国铁遂渝线无砟轨道综合试验段铺设了部分板式减振型无砟轨道，由于多种原因，减振效果经测试未达到理想目标。在成灌线也铺设了少量减振型无砟轨道，经测试效果较好，减振15db，其时速为250km/h。在国外，德国科隆至莱茵/美因高速线（v≥250km/h）圣·奥古斯丁隧道采用旭普林现浇浮置板，减振效果可达到10～15db。韩国汉城至釜山高速铁路天安站采用整体钢弹簧浮置板系统，整个高架梁连同轨道结构的下部设置了钢弹簧支座，其时速为350km/h。但总的来说，高速铁路领域轨道结构采取减振措施的工程实例并不多见。

2 研究目的及必要性

随着列车速度的提高，铁路对沿线环境敏感点的影响越来越大，对轨道采取相应的减振措施是十分必要的。但在高标准铁路中，虽然市场需求较大，但目前尚无成熟的轨道减振技术。随着人们环保意识的提高，铁路所经地区的环境问题也越来越受到重视，轨道减振降噪技术也势必成为未来的一项高新技术。高速列车的振动传播过程为车辆—轨道—结构物—基础—地基—建筑物，因此相应的减振对策有车辆对策（轻量化）、轨道对策、地基对策（隔振沟）、结构物对策（减振桥梁）等。轨道结构直接承受高速列车振动冲击，作为一个承上启下的环节，从轨道结构的角度研究相应的减振措施是必不可少的。

新建兰新铁路第二双线在DK715+870处与嘉峪关古长城相交，线路为下穿设隧，根据国家文物局《关于兰新铁路第二双线穿越嘉峪关长城设计方案的批复》（文物保函【2009】424号）文相关内容：“完善长期监测方案，全面掌握施工和运营过程中所产生各类振动的轻度等指标及其对长城本体产生的影响，补充必要的避震措施，控制并减小施工及运营过程中各类振动对文物本体造成的影响。”为尽量减轻对文物的影响，本课题研究采用减振型无砟轨道系统，在满足高速列车行车安全性、舒适性的前提下减小列车运营中对古长城本体的振动影响。

3 减振方案分析

①扣件减振方案。常见扣件包括：洛德扣件、轨道减振器（科隆蛋）扣件、pandrol先锋扣件等。该方案轨道结构形式简单，更换方便，成本较小，但减振效果有限（约为5～10dB）;

②橡胶浮置板结构。常见形式包括：旭普林质量弹簧系统、博格质量弹簧系统等。该方案减振效果较好（可达10db以上），但橡胶产品的耐久性和更换方案成为技术关键，此外相对扣件减振方案造价略高;

③钢弹簧浮置板结构。该结构比较成熟的有GERB钢弹簧浮置板系统（成功运用于时速350km/h的韩国汉城至釜山高速铁路天安站），减振效果好（20db以上），耐久性好，更换弹簧相对比较方便，但更适用于单层现浇道床板结构，属于专利产品，造价最高。

綜合上述各种减振方案的优缺点，研究后认为：扣件减振方案参振质量较小，要达到较好的减振效果必需大幅度减小扣件刚度，而钢轨下沉变形增大，从而增加了钢轨受力和车内振动。因此要达到相应的减振效果，应采取对等的减振方案。本次研究的工点减振效果要求相对较高，应通过增加参振质量、采用合理刚度的技术措施，降低减振轨道的自振频率，且将钢轨受力和车内振动控制在合理范围。因此，得出结论：橡胶浮置板减振方案效果较好，且造价居中，推荐采用。

4 振动参数设定

《城市区域环境振动标准》（GB10070）规定了铁路干线两侧（指距离每日车流量不少于20列的铁路外轨30m外的两侧住宅区）的铅垂向Z振级昼间、夜间均不大于80dB。《机械工业环境保护设计规范》适用于机械工厂新建、改建、扩建和技术改造的项目，其中关于铁路干线两侧的铅垂向Z振级规定同上。而在早期的《机械工业环境保护设计规定》（JBJ16-88）中，对于严重开裂古建筑，其中规定了铅垂向振动速度容许值1.8mm/s。《古建筑防工业振动技术规范》规定古建筑结构的容许振动以结构的最大动应变为控制标准，以振动速度表示。古建筑结构的容许振动速度根据结构类型、保护级别和弹性波在古建筑中的传播速度选用。列入世界文化遗产名录的古建筑按全国重点文物保护单位的规定采用。其中古建筑又分为砖、石结构、木结构、石窟。对于本项目中的古长城，没有对应的标准，参考其中的砖石结构，其容许的振动速度为0.15～0.25mm/s（水平向）间。

综上所述，对于古长城的实际情况，暂定垂向振动速度按1.8mm/s控制，水平向振动速度按0.25mm/s控制。

5 减振方案设定

兰新第二双线全线正线主要采用双块式无砟轨道结构，同时考虑CRTSⅢ型板式无砟轨道为我国自主知识产权结构，综合铁路用现浇道床和预制轨道板现状及发展趋势，结合兰新线双线设计特点，减振型无砟轨道方案设计如下：

5.1 双块式减振型无砟轨道

双块式减振型无砟轨道结构设计为单元式轨道结构，由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床、橡胶垫层及底座组成。穿越古长城保护段上行线设计采用双块式减振型无砟轨道。

5.2 CRTSⅢ型减振板式无砟轨道

CRTSⅢ型板式轨道是我国自主研发的一种轨道结构型式，在本段铺设CRTSⅢ型减振板式无砟轨道，对于完善整体技术体系具有重要的意义。采用CRTSⅢ型减振板式轨道的主要优点是：①带预应力的预制轨道板，可有效控制裂缝的产生和影响;②前期在成灌线进行了铺设（时速200km/h），综合减振效果良好。古长城保护段下行线设计采用CRTSⅢ型减振板式无砟轨道。

6 减振效果预测

根据简化的单自由度减振系统模型（如图6），可以初步确定减振轨道系统的自振频率。

7 轨道结构刚度动力学分析

7.1 减振层刚度对古长城的振动影响分析

应用既有轮轨力表达式，计算出在列车设计速度条件下的轮轨力，再将轮轨力施加在所建的轨道—隧道—土层平面模型中。该平面模型用大型通用有限元软件ANSYS模拟实现。

土介质为符合线弹性模型的水平成层半空间，每一层土都是由一系列相互独立、水平方向无限伸展的薄层组成，即引进平面应变的假定;地下结构材料简化为均质各向同性弹性体。

每一层土为均质、各向同性体，即每层土性质相同，但可随土层不同而改变;动力作用下，各层土之间、土地下结构之间不发生脱离和相对滑动，即界面满足位移协调的条件。

假定模型为平面应变模型。

在建立平面模型时，假定长城垂直于隧道，长城无限长，长城为均匀夯土。

7.2 有限元分析模型参数的确定

减振型CRTSⅢ板式无砟轨道结构，轨道结构参数见表1所示。土层的动力参数取值根据嘉峪关长城处地质资料和相关文献查询得知，见表2所示。考虑到边界对振动波的影响，模型尺寸范围为150m×83m。为了使单元能模拟波动效应，单元大小0.1m～0.5m。在计算中，时间步长取为0.005s。单元类型选用四节点等参单元。由于模型的对称性，模型左边采用对称约束，下边界固定，右边采用自由边界。模型所取断面、有限元模型如图7所示。

7.3 计算结果分析

根据减振型无砟轨道结构方案设计，减振垫层刚度对古长城的振动影响计算，选用较不利工况进行控制计算，即选取道床参振质量最小的CRTSⅢ板式减振型无砟轨道（减振垫层位于底座上）结构进行计算。为便于确定减振层的合理刚度范围，减振垫层的垂向刚度拟取为0.05MPa（1.67MPa/m）、0.1MPa（3.33MPa/m）、0.5MPa（16.67MPa/m）、1MPa（33.33MPa/m）、5MPa（166.67MPa/m）、10MPa（333.33MPa/m）和50MPa（1666.67MPa/m）。结合既定减振目标，对不同减振垫层刚度工况下古长城顶部水平振动速度和垂向振动速度进行计算，以确保铺设减振垫层的减振效果。仿真计算表明：古长城最高点处的最大水平振动速度将出现在离隧道中心线5m处。

8 方案实施及减振效果检验

雙块式减振型无砟轨道、CRTSⅢ型减振板式无砟轨道均按照《高速铁路轨道施工技术指南》（TB10426）进行施工。针对本工程增加了减振垫层结构的特殊设置，特编制《兰新第二双线嘉峪关穿越长城段减振轨道减振垫层暂行技术要求》（工管工技函[2013]316号）作为施工及检验试验的依据。

8.1 减振垫层材料的刚度试验

在试验用减振垫层上取300mm×300mm试件（图8）置于MTS加载系统上，将压力加至0.02kN（0.02kN压力不取消，试验机位移清零）运行（图9），以1mm/min的速度均匀加载至9kN（开始加载时，电脑记录橡胶减振垫的压缩量ΔRi），不停留，以1mm/min的速度从9kN减载到1.8kN。如此反复试验3次，将第3次在9kN、1.8kN测得的压缩量ΔRi分别记为ΔA和ΔB，即为在9kN和1.8kN时橡胶减振垫的压缩量ΔA和ΔB，由计算可得弹性垫层刚度。

8.2 实车测试

2014年9月3日～9月11日采用CRH2-061C和CRH2-068C综合检测车进行了嘉峪关南～石板墩南上、下行正线试验工点5km/h准静态标定及动车组的逐级提速试验，通过各测点的最高速度为224.2km/h。

依据前期仿真分析结果，本次测试将振动速度传感器布置在距隧道中心线5m处，分别在上下行相应位置布置垂向、水平向振动速度传感器。动车组运行在不同减振轨道结构型式时，古长城顶部水平、垂向振动速度波形见图12～图13。分析不同速度时古长城顶端振动速度幅值统计结果见表3。

由表3可知：

①当动车组运行于减振型CRTSⅢ型板式无砟轨道时，距隧道中心线5m处水平振动速度最大值为0.19mm/s，垂向振动速度最大值为0.25mm/s，设计提出古长城顶部垂向振动速度应不大于1.8mm/s、水平向振动速度应不大于0.25mm/s，满足设计要求。

②当动车组运行于减振型双块式无砟轨道时，距隧道中心线5m处水平振动速度最大值为0.19mm/s，垂向振动速度最大值为0.19mm/s，满足设计要求。

9 结语

本项研究通过采用减振型无砟轨道新的施工工艺，控制并减小了施工及运营过程中各类振动对文物本体造成的影响，在满足高速列车行车安全性、舒适性的前提下减小列车运营中对古长城本体的振动影响。不但形成了一套完整的高速铁路减振无砟轨道系统，而且为今后类似项目提供成熟的减振系统解决方案，进而大幅提高高速铁路的环境效益和社会效益。

参考文献：

[1]李君，蔡成标，徐鹏，石玮荃.减振型板式轨道合理刚度动力分析[J].铁道建筑，2010（05）.

[2]陈罄超，王小韬.无砟轨道减振机理及隔振措施分析[J].建筑技术开发，2016（12）.

[3]周毅.CRTSⅢ型板式轨道减振特性研究[D].西南交通大学，2011.