市域快轨梯形轨枕无砟轨道在线实测及分析

申琼玉，韩冬东，董振升，俞泉瑜，徐飞虎

（1.安境迩(上海)科技有限公司，上海 200030；2.铁科检测有限公司，北京 100081）

1 研究背景

我国自2005 年开始引进的城市轨道交通高等减振轨道结构——梯形轨枕，在经过引进、消化、吸收、再创新等一系列过程后，在北京、上海、广州、深圳、南京、西安、郑州等20 多个城市的轨道交通中已有数百千米的成功应用，运营线路最高速度达到120 km/h，减振效果及运营状态良好[1]。

2017 年，国家铁道试验中心环行线铺设了360 m梯形轨枕无砟轨道，进行了多次安全性、平稳性、钢轨振动特性及减振效果等测试，最高测试速度达到176 km/h，测试结果良好[2]。该段线路自2017 年正常使用至2022 年底，因环行线全面提速改造而拆除。我国2022 年新投运的1 085.17 km 城市轨道交通运营线路中，市域快轨线路占比19.57%，呈上升趋势[3]。截至2022 年底，超过22 座城市开通运营市域铁路，其中最高时速达220 km/h[4]。

为适应市域快轨建设提速的减振需求[5]，研究梯形轨枕在更高速度条件下的运行状况及振动特性，2022 年底全面提速改造的国家铁道试验中心环行线铺设了针对市域快轨设计梯形轨枕无砟轨道试验段共计264 m，试验段两端衔接普通有砟轨道，梯形轨枕无砟轨道与普通有砟轨道之间的过渡段长度为30 m(含在试验段内)[6]。本文针对梯形轨枕无砟轨道在更高速度下的安全性、稳定性及减振效果是否满足相关规范标准限值要求的问题，对梯形轨枕无砟轨道与普通有砟轨道做了详细的测试方案并进行相关指标的对比分析。

2 试验段线路条件及轨道结构方案要点

2.1 线路条件

梯形轨枕无砟轨道试验段位于环行线国铁大环的西南角(见图1)，大环线的线路及轨道条件如下。

图1 环行线梯形轨枕无砟轨道试验段位置示意Figure 1 Diagram of ladder-sleeper ballastless track test section on Circular Line

1) 曲线半径1 432.39 m，线路坡度0.3‰。

2) 曲线超高220 mm(包括梯形轨枕轨道在内的大环南段)，理论平衡速度为163.4 km/h，最高试验速度220 km/h 时，对应的欠超高达到178.7 mm。为确保测试列车的安全性，整个环行线曲线内轨均设置了防脱护轨。

3) 60 kg/m 钢轨，无缝线路，梯形轨枕无砟轨道采用WJ-8A 型扣件，扣件间距0.6 m；普通有砟轨道段采用弹条Ⅱ型扣件及Ⅲ型预应力轨枕，道砟最小厚度350 mm，曲线外侧砟肩设堆高(见图2)。

图2 普通有砟轨道断面Figure 2 Cross of ordinary ballasted track in the section

2.2 市域快轨梯形轨枕及配套无砟轨道结构

根据环行线最高速度220 km/h 的要求，梯形轨枕进行了针对性设计。

1) 外形尺寸。梯形轨枕主体结构由左右预应力混凝土纵梁及3 根联结钢管组成，铺设长度6 m，实际枕长5.8 m，相邻枕之间设0.2 m 枕缝。为适应WJ-8A扣件的安装要求，梯形轨枕单侧纵梁宽设计为680 mm，左右纵梁外侧各设一个沿纵梁方向长400 mm、横向宽200 mm 的限位凸台，包括限位凸台在内的梯形轨枕总宽2 600 mm。根据轨道结构高度条件，纵梁厚设为220 mm。市域快轨单块梯形轨枕自重约4.5 t(见图3)。

图3 市域快轨梯形轨枕构造Figure 3 Structure of ladder-sleeper on Circular Line

2) 减振垫刚度。梯形轨枕每侧纵梁下均匀布置6 块聚氨酯减振垫，为控制市域快轨钢轨垂向动态位移不大于2.5 mm，中部及两端减振垫刚度分别为18 kN/mm和9 kN/mm。试验段两端与普通有砟轨道之间的过渡段包含5 块梯形轨枕，设置了3 级过渡刚度。

环行线市域快轨梯形轨枕无砟轨道断面如图4所示。

表1 市域快轨梯形轨枕与地铁梯形轨枕的主要对比Table 1 Comparison of ladder-sleeper track in urban rapid rail transit and subway

图4 环行线市域快轨梯形轨枕无砟轨道断面Figure 4 Cross of ladder-sleeper track in the section

3 测试方案

3.1 试验列车类型、速度级及测试指标

试验列车为8 节编组CRH380AJ-2818 高速综合检测车，长度为203 m，轴重14 t。试验速度40～220 km/h，速度级差为20 km/h，共10 个速度级，为节省篇幅，本文仅给出120～220 km/h 的数据。

测试指标包括安全性和稳定性、轨道位移、振动加速度及减振效果等，参考规范及限值见表2。

表2 测试项目、参考规范及限值Table 2 Test list, evaluation standards, and limit values

3.2 测试断面及测点布置

整个大环线的线路条件均一致，故选取3 个典型断面进行对比测试，其中梯形轨枕无砟轨道枕中和枕端位置断面各1 个，普通有砟轨道断面1 个(见图5～6)。

图5 梯形轨枕枕中、枕端断面位置Figure 5 Cross of ladder-sleeper track in the section

图6 梯形轨枕无砟轨道与普通有砟轨道现场Figure 6 Site photos of ladder-sleeper ballastless track and ordinary ballasted track

4 测试结果及分析

4.1 列车运行安全性和稳定性

列车运行安全性及稳定性指标根据测得的轮轨垂、横向力计算而得，测试断面安全性指标最大值如表3 所示，梯形轨枕轨道脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力均远小于相关评判标准限值，且与有砟轨道相比基本持平[3]。

表3 各测试断面安全性指标最大值Table 3 Maximum safety index value in each section

本次测试在试验专用轨道进行，因轨道条件限制，曲线欠超高178.7 mm 高于设计规范限值，并且设置了防脱护轨，试验顺利完成且各测试指标数值均满足标准限值。实际工程中考虑到风险，应按设计规范限值设置。

4.2 轨道结构位移

各测试断面钢轨位移最大值如表4 所示，梯形轨枕无砟轨道内外轨横向位移均不大于1 mm，动态轨距扩大量最大值不大于1 mm，因梯形轨枕无砟轨道减振需求，其钢轨垂向位移大于有砟轨道，其他指标基本持平，但均小于相关评判标准限值。

表4 各测试断面钢轨位移最大值Table 4 M aximum rail displacement value in each section mm

梯形轨枕位移最大值如表5 所示，梯形轨枕无砟轨道枕中和枕端位置纵梁垂向位移、横向位移均在规范限值以内。

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

4.3 钢轨振动加速度

各测试断面钢轨振动加速度最大值如表6 所示，数据中的最大值远小于梯形轨枕无砟轨道枕中和枕端位置钢轨垂向加速度、横向加速度最大值参考《客货共线铁路工程动态验收技术规范》(TB 10461—2019)中规定的最大值5 000 m/s2，且与有砟轨道相比，互有高低，总体基本持平。

表6 各测试断面钢轨振动加速度最大值Table 6 M aximum rail acceleration value in each section m/s2

4.4 距线路中心线3.5 m 路基表面的减振效果

从图7 所示的振动加速度频谱特征对比图可知，梯形轨枕无砟轨道在距线路中心线3.5 m 处路基表面的垂向加速度级明显小于有砟轨道。

图7 梯形轨枕无砟轨道和有砟轨道3.5 m 处路基垂向加速度频谱Figure 7 Comparison of vertical vibration acceleration of ladder-sleeper track and ballast track at 3.5 m

梯形轨枕无砟轨道与有砟轨道减振动效果对比如表7 所示，市域快轨梯形轨枕无砟轨道相对于有砟轨道减振效果，1～80 Hz 频段Z 计权振级的最大差值ΔVLzmax为3.3～5.1 dB；1～200 Hz 频段Z 计权振级的均方根的差值ΔVLza为4.4～6.8 dB，平均插入损失(减振效果)分别为4.0 dB 和5.4 dB。

表7 梯形轨枕无砟轨道相对比有砟轨道的减振效果Table 7 Vibration reduction of ladder-sleeper track and ballast track dB

5 结论

对国家铁道试验中心环行线最高220 km/h 条件下，市域快轨梯形轨枕无砟轨道及普通有砟轨道的安全性、平稳性、钢轨振动特性及减振效果等实测结果进行分析，得到结论如下。

1) 列车以最高速度220 km/h 通过梯形轨枕无砟轨道时，脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力等安全性和稳定性指标远小于相关评判标准限值，与普通有砟轨道相比持平或略低。

2) 梯形轨枕无砟轨道因减振特性而引起的钢轨垂向位移相对于有砟轨道增加较多；测得梯形轨枕的内轨低速条件、外轨高速条件下的垂向位移因曲线未平衡超高过大而相对较大，最大值达到2.24～2.45 mm，但内外轨垂向位移平均最大值为2.19 mm，仍满足相关标准限值。

3) 市域快轨梯形轨枕无砟轨道的钢轨横向位移中，内外轨横向位移均小于1 mm，动态轨距扩大量最大值0.99 mm，虽然相对于有砟轨道动态轨距扩大量最大值0.48 mm 增加了一倍，但绝对值仍处在较低水平。

4) 市域快轨梯形轨枕枕中和枕端钢轨垂横向加速度值远小于限值5 000 m/s2，与普通有砟轨道相比，互有高低，总体基本持平，表明梯形轨枕无砟轨道的钢轨振动抑制能力良好。

5) 在距离线路中心线3.5 m 处的路基位置，市域快轨梯形轨枕无砟轨道相对于有砟轨道减振效果，1～80 Hz 频段Z 计权ΔVLzmax为3.3～5.1 dB；1～200 Hz计权ΔVLza为4.4～6.8 dB，考虑到普通有砟轨道相对于普通无砟轨道已具有5 dB 或以上的减振效果[9]，可认为按市域快轨相关技术标准设计的梯形轨枕无砟轨道相对于普通无砟轨道的减振效果可望达到10 dB 左右，这也与相关研究[10-12]的结论相吻合。

本次国家铁道试验中心环行线的测试成果，可为市域快轨及城际铁路新线设计时的轨道减振技术应用提供借鉴与参考，也有待未来实际应用线路更多的验证。