高速铁路减振无砟轨道关键技术研究

刘海涛，刘伟斌，王继军

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

基于目前应用情况，减振轨道需要在以下几个方面进一步研究：①高速铁路浮置板轨道减振效果主要由减振垫刚度和轨道板参振质量决定，为满足减振需求，需要进一步研究减振垫最低刚度以及与之匹配的轨道板厚度；②减振轨道造价昂贵，有必要采取措施进一步提高经济性；③改变减振垫铺设方式时，需根据轨道板特点采用相应的施工工艺。

1 高速铁路环境振动特性

当列车通过时，减小高速铁路沿线环境振动为减振轨道的控制目标。为确定高速铁路无砟轨道沿线环境振动的主要频段，分别对武广高速铁路和沪宁城际铁路沿线环境振动进行测量和统计，分析高速铁路无砟轨道环境振动特性。武广高速铁路分别选取5种典型无砟轨道类型(Rheda2000双块式、CRTSⅠ型双块式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅠ型减振板式、CRTSⅡ型板式)，测点为线路外侧距离轨道中心线30 m地面处，线下基础分为桥梁、路基区段。沪宁城际铁路分别测试CRH2C和CRH3型动车组以300 km/h速度通过桥梁、路基区段时环境振动的频率特性[5]。

根据测量和统计结果，路堤区段与桥梁区段的环境振动频谱特性基本相似，主频主要出现在31.5～40.0 Hz之间。图1为列车时速300 km时，武广高速铁路双块式轨道桥梁区段距离轨道中心线30 m处环境振动时域、频域信号；图2为列车时速340 km时，武广高速铁路双块式轨道路堤区段距离轨道中心线30 m 处环境振动时域、频域信号。

图1 桥梁区段环境振动时域、频域信号

图2 路堤区段环境振动时域、频域信号

2 高速铁路减振轨道减振垫铺设方式

为了提高减振轨道的经济性能，研究减振垫铺设方式对轨道结构受力的影响，确定减振垫铺设方式。

图5 3种铺设方式下轨道结构谐响应曲线

2.1 铺设方式

减振垫铺设方式分为面铺、条铺和点铺3种。以中国标准板式无砟轨道结构为例，面铺是在自密实混凝土层和底座之间全面积铺设减振垫；条铺是在自密实混凝土层和底座之间对应2根钢轨位置处，各铺设纵向条状减振垫；点铺是在自密实混凝土层和底座之间，每块轨道板从端部第1个承轨台开始，分别在第1，3，5，7，9个承轨台对应位置下方铺设点状减振垫。减振垫铺设方式如图3所示。条铺减振垫宽度为0.3 m；点铺减振垫宽度为0.3 m，长度为0.4 m。

图3 减振垫铺设方式示意

2.2 3种铺设方式力学性能对比

针对3种铺设方式分别建立有限元模型，计算静力荷载作用下3种轨道结构的变形和轨道板应力，并通过谐响应分析3种轨道结构的竖向振动特性[6]。保持3种铺设方式下减振垫等效减振刚度相同，减振垫采用面铺时，减振垫刚度为0.05 MPa/mm，依此换算条铺和点铺时的减振垫刚度。

采用80 kN静轮重进行单轮对加载，钢轨竖向位移曲线见图4，轨道板应力见表1，谐响应曲线见图5。

图4 3种减振垫铺设方式下钢轨竖向位移曲线

由图4、图5和表1可以看出：在保持板下等效刚度不变的情况下，减振垫3种铺设方式引起的钢轨竖向位移、轨道板应力基本相同，竖向振动频率基本一致。

2.3 铺设方式比选

减振垫采用面铺时，减振垫材料用量较多，为条铺的4倍，点铺的10倍，经济性较差；采用点铺时，由于点铺是在承轨台下方间隔布置减振垫，当减振垫发生损伤时，对轨道板受力、位移影响较大。综合面铺、条铺和点铺的力学性能及优缺点(见表2)，本方案中减振垫采用条铺方式。

表2 面铺、条铺和点铺优缺点对比

3 高速铁路减振垫刚度和轨道板厚度确定

3.1 减振垫刚度确定

参照TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》[7]，无砟轨道钢轨位移基准值为1.5 mm，最大值为2.0 mm；有砟轨道钢轨位移基准值为2.0 mm，最大值为2.5 mm。高速铁路减振轨道弹性较好，目前参照有砟轨道执行，即钢轨位移基准值为2.0 mm，最大值为2.5 mm。

当轨道板厚度取350 mm，减振垫刚度取0.03～0.12 MPa/mm时，分别计算列车静轴重作用下钢轨的位移及轨道板自振频率，计算结果见图6。可知，根据正常运营条件下钢轨位移不大于2.0 mm的原则，减振垫刚度需大于0.04 MPa/mm；根据减振轨道自振频率需小于22 Hz方能起到较好减振效果的要求，减振垫刚度需小于0.06 MPa/mm。故减振垫刚度取值为0.05 MPa/mm。

图6 不同减振垫刚度下钢轨位移及轨道板自振频率

3.2 轨道板厚度确定

图7 减振轨道结构一阶自振频率随轨道板厚度变化曲线

图7为高速铁路减振轨道一阶自振频率随轨道板厚度变化曲线。随轨道板厚度的增加，一阶竖向自振频率逐渐降低，当轨道板厚度(含自密实混凝土层)为500 mm时减振轨道一阶自振频率为17 Hz。

较厚轨道板会增加轨道结构高度，受建设环境制约，轨道板不能太厚。而较薄轨道板除增加轨道结构自振频率外，还会导致轨道板振动增大，容易产生运营病害。故轨道板厚度取值为300～500 mm。

4 基于条铺的高速铁路减振轨道方案

4.1 结构方案

大西客运专线减振轨道减振垫刚度采用0.03 MPa/mm，隧道内道床板厚度为350 mm，隧道边墙处减振效果为7 dB(Z)；成灌铁路减振轨道减振垫刚度采用0.019 MPa/mm，轨道板厚度为190 mm，梁面处减振效果为9 dB(Z)；北京地下直径线实尺模型减振垫刚度采用0.012 MPa/mm，道床板厚度为 500 mm，减振效果为11 dB(Z)。

图8 减振方案分频振级计算值

针对中国标准板式轨道，确定减振轨道结构方案。减振地段取减振垫刚度为0.05 MPa/mm；轨道板结构形式与一般地段保持一致，便于工厂化生产；为增大轨道板的参振质量，自密实混凝土层厚度采用150 mm，即复合板厚度为350 mm；减振效果为10 dB(Z)。特殊减振地段取减振垫刚度为0.05 MPa/mm，轨道板和自密实混凝土层总厚度取500 mm，即轨道板厚350 mm，自密实混凝土层厚150 mm，减振效果为12 dB(Z)。过渡段采用2级过渡，轨道板结构与减振地段保持一致，减振垫刚度分别采用0.01，0.03 MPa/mm。

4.2 施工工艺

中国标准板式减振结构从上至下分为轨道板、自密实混凝土层、减振垫和底座[8-9]。施工方法为在保持原结构不变的基础上，增加铺设减振垫环节，即底座施工完后，在底座上(与自密实混凝土层之间)铺设减振垫和泡沫板，泡沫板位于自密实混凝土层和底座之间除减振垫之外的所有空间，起到施工隔离的作用;减振垫和泡沫板之上铺土工布，安放钢筋。泡沫板比减振垫低 5 mm，自密实混凝土在浇筑过程中自动形成减振垫卡槽。

5 减振轨道现场验证

为验证基于条铺的中国标准板式减振轨道施工工艺，对比点铺和条铺的差异，评估减振效果，在国家铁路试验线分别建立2条试验段。第1条试验段长度为85 m，含条铺和点铺2种减振垫铺设方式，试验段条铺减振垫刚度采用0.08 MPa/mm，点铺减振垫刚度采用0.15 MPa/mm，复合板厚度为300 mm；第2条试验段长度为54 m，复合板厚度为350 mm，减振垫采用条铺方式，减振垫刚度为0.05 MPa/mm。表3为不同速度下轨道结构振动加速度时域最值及加速度分频振级均方根值，图9和图10分别为80，100 km/h两种速度下第1条试验段底座加速度分频振级，图11为100 km/h 速度下第2条试验段底座加速度分频振级。图12为施工效果。

图9 第1条试验段80 km/h速度下底座加速度分频振级

图10 第1条试验段100 km/h速度下底座加速度分频振级

图11 第2条试验段100 km/h速度下底座加速度分频振级

图12 施工效果

表3及图9—图12结果表明：条铺和点铺具有一致效果；在条铺面刚度为0.08 MPa/mm，复合板厚度为300 mm的情况下，底座加速度分频振级均方根插入损失为8 dB(Z)；在条铺面刚度为0.05 MPa/mm，复合板厚度为350 mm的情况下，底座加速度分频振级均方根插入损失为12 dB(Z)。试验效果验证了条铺方案的可靠性。

6 结论

通过大量实测数据，系统总结了高速铁路环境振动频谱分布特征，其主频主要位于31.5～40.0 Hz；参考既有规范，建议正常运营情况下钢轨最大容许位移不大于2.5 mm。根据隔振原理，将轨道结构自振频率小于22 Hz作为指标上限，将钢轨最大容许位移作为指标下限，确定减振轨道结构减振垫刚度和轨道板厚度。经静力、动力分析对比，验证板下等效刚度一致的情况下，减振垫采用面铺、条铺和点铺具有同等效果，推荐采用条铺方式，可显著提高减振轨道经济性能。针对中国标准板式无砟轨道，提出基于条铺的减振垫刚度为0.05 MPa/mm，轨道板结构形式与一般地段保持一致，自密实混凝土层厚度为150 mm，减振效果不小于10 dB(Z)，特殊地段增加轨道板厚度。过渡段在减振垫处采用2级过渡。在国家铁路试验线建立了试验段，验证了条铺和点铺在等效刚度保持一致的情况下，减振性能较为一致，在条铺减振垫刚度为0.08 MPa/mm，复合板厚度为300 mm的情况下底座处加速度分频振级均方根插入损失为8 dB(Z);在条铺减振垫刚度为0.05 MPa/mm，复合板厚度为350 mm的情况下底座处加速度分频振级均方根插入损失为12 dB(Z)。