珠三角城际铁路轨道减振方案研究

罗 伟,孙 立,李 松

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063; 2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室,武汉 430063; 3.中建三局集团有限公司工程总承包公司,武汉 430064)

在高铁干线布局基本完成的背景下,越来越多的省份正将其铁路交通投资的注意力集中到城际铁路建设上。目前,京津冀、珠三角、成渝、山东、浙江、安徽、福建等多地区已相继完成城际铁路规划,并获国家发改委的准批意见,可见城际铁路的发展方兴未艾。

根据国家发改委批复的《珠江三角洲地区城际铁路网规划(2009年修订)》,珠三角地区城际铁路建成后线路网络密集。由于始发站多布置在城市中心城区,中间站靠近或穿越沿线城镇,该地区城际铁路沿线居民住宅、学校、医院等环境敏感点比较集中,振动影响突出。轨道是实现系统减振的主要结构,因此,开展城际铁路轨道减振方案研究,寻求适用于珠三角城际铁路的减振型轨道结构具有重要意义。

1 城际铁路的特点及对轨道减振的特殊要求

城际铁路主要用来连接经济发达地区的城市群,如珠三角城市群、长三角城市群,或连接大中型城市与其卫星城市,承担区域内相邻城市间的通勤客流,线路长度一般介于50～200 km,车站间距一般为5～20 km,其速度目标值一般在120～200 km/h[1]。

目前,与城市轨道交通已经发展出成熟完善的轨道减振系列技术方案不同,城际铁路、高速铁路等高等级铁路在轨道减振技术研究方面仍存在不足。与城市轨道交通相比,城际铁路运行速度更快,列车轴重更大,对平稳性和舒适性的要求更高,因而在轨道减振设计时,城际铁路对于轨道结构整体刚度匹配的合理性要求较高。城际铁路一方面不能直接沿用城市轨道交通轨道减振的相关技术方案,另一方面,其轨道减振设计的难度也比城市轨道交通大。

2 珠三角城际铁路轨道减振方案

2.1 珠三角城际铁路轨道技术标准

表1为珠三角城际铁路的建设现状及各线轨道技术标准。从表1可见,截至2017年底,珠三角城际铁路已开通的项目有4个,在建项目有6个,除已开通的广珠城际采用了CRTSⅠ型板式无砟轨道外,在建及在研项目轨道设计标准均为双块式无砟轨道。

表1 珠三角城际铁路建设现状及轨道技术标准

双块式无砟轨道为珠三角城际铁路主要采用的轨道形式,其原因如下。

一方面,相较高速铁路而言,城际铁路小半径曲线较多,双块式无砟轨道作为现浇无砟轨道结构,现场可灵活调整轨枕间距,对小半径曲线地段的适应性最强；另一方面,在CRTSⅠ型、Ⅱ型、Ⅲ型板式无砟轨道和双块式无砟轨道4种常用的无砟轨道中,前3种轨道形式的轨道板均为预制件[2],需建厂生产,建厂及运输成本高,而城际铁路一般线路不长,建厂及运输成本均摊到每千米后将显著提高轨道结构的单线千米造价,而双块式无砟轨道道床为现场浇筑结构,且由于该轨道结构整体的设计、制造、施工已实现国产化,其造价最低。

2.2 珠三角城际铁路轨道减振推荐方案

目前我国高速铁路、城际铁路等高标准铁路中具备铺设经验的无砟轨道减振结构主要为橡胶隔振垫减振轨道,分为减振型板式无砟轨道和减振型双块式无砟轨道两种类别。减振型双块式无砟轨道先后被应用在郑西客专新渭南高架车站、兰新二线下穿嘉峪关长城地段、大西高铁磨盘山隧道等项目,CRTSⅠ型减振型板式无砟轨道先后被应用在遂渝线无砟轨道综合试验段、成灌铁路、广深港客专狮子洋隧道及福田站等项目,CRTSⅢ型减振型板式无砟轨道则是被应用在了兰新二线下穿嘉峪关长城地段。

根据对前述减振型无砟轨道项目开展试验研究的相关成果,基于不同的减振需求,铺设减振型无砟轨道均较好地满足了设计要求[3-6]。对于珠三角城际铁路,一方面,相比减振型板式无砟轨道结构而言,减振型双块式无砟轨道具有经济性更好、设计、施工控制难度低、适用范围广(较减振型板式无砟轨道更能适应小半径曲线)等特点；另一方面,目前珠三角城际铁路在建及在研项目的轨道设计标准多采用双块式无砟轨道,采用减振型双块式无砟轨道有利于线网内各线设计标准的统一,便于运营过程中的养护维修工作。因此推荐珠三角城际铁路减振轨道宜采用减振型双块式无砟轨道。

2.3 减振型双块式无砟轨道结构组成

针对珠三角城际铁路,设计减振型双块式无砟轨道结构如图1所示,其结构组成自上而下分别为钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、隔振垫等部分。

图1 隧道地段减振型双块式无砟轨道横断面示意

3 减振型双块式无砟轨道参数研究

影响减振型双块式无砟轨道静、动力学性能的主要参数包括扣件刚度、道床板长度、道床板厚度、隔振垫刚度等。

3.1 扣件刚度

WJ-8B型扣件为我国城际铁路、高速铁路推广使用的通用扣件系统,珠三角城际铁路推荐采用该扣件系统,其节点刚度一般为35 kN/mm。

3.2 道床板厚度

根据相关研究资料的结论,板厚的增加有利于减小轨道结构变形和道床板的纵横向应力[7],且对增加减振效果也比较有利,建议条件允许时,道床板厚度尽量取较大值。此外,道床板厚度受到具体工程隧道断面、限界等多因素的限制较严,对于具体项目,可不将道床板厚度作为变量进行参数分析。珠三角城际铁路隧道工程多采用半径4 m的盾构,减振型双块式无砟轨道具备铺设条件的结构高度最大值约为635 mm,对应道床板厚度为353 mm。

3.3 道床板长度

建立减振型双块式无砟轨道“梁-板”模型如图2所示,对道床板长度的合理取值进行了有限元计算分析。模型中动轮载取170 kN,将单轴荷载作用于板中的钢轨上。

图2 减振型双块式无砟轨道“梁-板”有限元分析模型

计算结果表明,对于减振型双块式无砟轨道,道床板长度除了对道床板的纵向弯曲应力有不可忽略的影响外,对钢轨下沉位移、道床板横向弯曲应力等静力学参数影响很小。不同道床板长度情况下道床板的纵向弯曲应力见表2,可见增大道床板长度有利于减小道床板纵向弯曲应力。

表2 设计荷载作用下道床板纵向拉应力计算结果

出于减小道床板纵向拉应力的角度考虑,道床板长度可考虑选取较大的值。而从弹性垫板的维修性来看,道床板则宜短不宜长,同时考虑施工组织工艺的要求,道床板长度建议取值为6～8 m。

3.4 隔振垫刚度

为研究减振型双块式无砟轨道隔振垫刚度的合理取值,建立动力仿真分析模型如图3所示。

图3 车辆-轨道耦合动力学仿真分析模型

经计算分析,隔振垫刚度对钢轨垂向位移影响较大,刚度越小,垂向位移越大,当刚度减小至0.025 N/mm3时,钢轨垂向位移最大值达1.5 mm及以上。同时,隔振垫刚度对道床板板端错台量的影响也较大,刚度越小,错台量越大,而道床板板端错台量的增加会引起板端扣件受力的显著增大。参照《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB10761—2013),无砟轨道钢轨动态下沉位移通常应小于基准值1.5 mm,从控制钢轨垂向位移以及减小板端扣件受力的角度出发,隔振垫刚度不宜低至0.025 N/mm3。

图4为不同隔振垫刚度情况下隧道基底垂向加速度的1/3倍频曲线,在30～200 Hz范围内,铺设隔振垫可以起到显著的减振效果,除局部频率范围的振动分量外,隔振垫刚度越小,减振效果越好。经在1～80 Hz范围内计权分析,当隔振垫刚度大于0.04 N/mm3时,减振效果小于8 dB,不足以满足高等减振的要求,而当隔振垫刚度小于0.04 N/mm3时,减振型双块式无砟轨道可减振8 dB及以上。

图4 不同隔振垫刚度下隧道基底垂向加速度1/3倍频曲线

综合上述分析结论,隔振垫刚度建议采用0.025～0.04 N/mm3。

4 结论和建议

(1)根据珠三角城际铁路轨道技术标准的特点,推荐该地区城际铁路轨道减振宜采用减振型双块式无砟轨道。

(2)经开展静、动力学计算,完成了对珠三角城际铁路减振型双块式无砟轨道主要设计参数的合理取值分析。道床板长度宜取值为6～8 m；隔振垫刚度宜取值为0.025～0.04 N/mm3。此外,鉴于该地区城际铁路隧道盾构半径等边界条件的限制,道床板厚度取为353 mm。

(3)当道床板厚度取为353 mm,长度取值为6～8 m,隔振垫刚度取值为0.025～0.04 N/mm3时,减振型双块式无砟轨道可减振8 dB及以上。

对于所提出的减振轨道方案,建议在珠三角城际铁路个别项目中选取试验段落进行试铺,待经过方案设计-试验验证-参数修正的完整过程,逐步深化和完善该减振轨道技术方案后,在该地区推广使用,并加强后期的跟踪评估。