关于客运专线无砟轨道技术创新若干问题的研讨

1 关于客运专线无砟轨道技术再创新若干问题的研讨 摘要 本文从技摘要 本文从技术层术层面就客运面就客运专线专线无无砟轨砟轨道技道技术术再再创创新中有关无新中有关无砟轨砟轨道的道的结结构构选选型 型 设设 计计理念 板下砂理念 板下砂浆垫层浆垫层 轨轨道道弹弹性 性 轨轨道振道振动动噪声和使用寿命等噪声和使用寿命等问题进问题进行了分析研行了分析研讨讨 关关键词键词 客运 客运专线专线 无无砟轨砟轨道道 技技术创术创新新 1 前言 铁道部根据 2004 年初国务院通过的我国 中长期铁路网规划 中所明确规定的到 2020 年铁路网中长期建设目标 于当年 9 月决定高速客运专线建设要成区段铺设无砟轨道以来 已历时三年时间 在这一期间内 首先是引进了德国的 Rheda 型 Zublin 型双块式无砟轨道 Bogl 板式轨 道和日本新干线板式轨道 以及法国 Vossloh Cogifer 道岔和德国 BWG 无砟道岔等相关技 术 其次是通过引进消化吸收再创新 我国自主研发了单元和纵联板式轨道 分段和连续道 床板双块式无砟轨道 以及 18 号有砟和无砟道岔 并成功建成了中国第一条无砟轨道 遂渝线无砟轨道综合试验段 在客运专线无砟轨道的设计与施工等方面均取得了重大进步 积累了宝贵经验 为客运专线无砟轨道技术的再创新奠定了坚实基础 目前 正在这一基础上 从去年年底开始 在铁道部的直接领导下 为适应我国客运专 线无砟轨道建设所面临的线路里程长 建设周期短 桥梁所占比例高 地域地质气候条件复 杂等工程特点 为要在这么短时间内建设那么多的具有世界一流水平的客运专线提供技术 支持 任务十分繁重 只有集中全路各专业的精英们 加快对客运专线无砟轨道技术的原始 创新 自主创新和集成创新 才能完成如此浩大的工程 半年多来 客运专线无砟轨道技术再创新在理论研究 结构选型及设计 产品制造及工 艺 工程材料研发 施工成套设备及工艺等方面均取得了显著阶段性成果 正有待武广客运 专线综合试验段高速动车组实车试验的检验 本文仅就客运专线无砟轨道技术再创新中遇到的一些相关重大技术问题从技术层面提 出一些初浅的认识 就算是 抛砖引玉 2 关于无砟轨道的选型问题 2 1 选型的基本原则 根据国内外对无砟轨道建造及运营的实践经验 无砟轨道的选型应符合施工性 维护性 动力性 适应性和经济性五大基本原则 施工性的核心是施工速度 而施工速度与轨道结构的复杂程度 施工精度达到什么程度 才能使轨道少维修 线下工程完工后能否随时可铺设轨道 机械化施工程度及物流组织等因 素密切相关 维护性的核心是少维护 少维护的理念是无砟轨道工程实际需要的 一旦线下基础发生 变形 在一定范围内应是可整正的 动力性的关键是轨道弹性 轨道弹性主要来自扣件系统 为抑制高速列车的轮载变动 钢轨波磨 高频振动等危害 无砟轨道应具有与有砟轨道同等程度的弹性水平 适应性的关键是工程实际 轨道工程必须与路基工程 桥隧工程的实际界面相匹配 与 地质 气候等实际条件相适应 与无绝缘轨道电路相互匹配构成一体化 经济性的着眼点是生命周期 在使用期限内 工程投资 维护开支 最小者即为经济成本 最佳轨道 2 选型的技术理念 考虑到上述选型基本原则 具体操作时应 以我为主 他为我用 着眼现今 放眼未来 立足此前国内的研究成果 铺设业绩和实践经验 恰当评估国外技术与使用经验 吸取 其有益的 完善后为我所用 从现实实际出发 正确处理眼前和未来的关系 为稳妥可靠 选用现有成熟的结构型式 用于紧迫工程 同时深入分析现有结构的不足 通过试铺试验研究 不断完善现有结构 创 新新型结构类型 以适应客运专线建设发展的客观需要 坚持技术自主创新 构件 产品 材料 工艺 装备国产化 建设具有世界一流水平的中 国无砟轨道 3 两类无砟轨道类型 纵观国内外无砟轨道结构类型 大致可区分为预制板式和现浇混凝土式两类无砟轨道 两类无砟轨道性能的对比分析如表 1 所示 3 表 1 两类无砟轨道性能的对比分析 性能预制板式无砟轨道现浇混凝土式无砟轨道 施工性预制轨道板 施工速度快现浇混凝土量大 施工速度慢 维护性 靠板下填充层和扣件系统调 高调距 靠扣件系统调高调距 动力性取决于扣件弹性垫板刚度取决于扣件弹性垫板刚度 土木工程 联结简单联结复杂 站后工程钢筋绝缘复杂钢筋绝缘简单 适应 性 地质 气候条件较好较差 经济性工程投资较大工程投资较小 3 关于无砟轨道的设计理念问题 1 设计技术路线 现代高速轨道的设计理论 实质上就是关于速度和轨道参数的最佳选择 其技术路线是 高质量 低刚度 优选阻尼和参数合理匹配 以适应高速列车运行对轨道的高平顺性 高稳 定性 高可靠性和高耐久性的要求 2 无砟轨道设计理论体系 铁路无砟轨道结构物的地基大都属于弹性地基 因此采用等效弹性地基梁理论 弹性地 基叠合梁理论 梁 板弹性支承弯曲理论和梁 体弹性支承弯曲理论作为轨道结构应力分 析和工程设计都是可行的 考虑到被抽象化的物理力学模型 应力求简明 体系完整 符合实际 计算参数取值合 理且便于检验 通过研究分析 拟选用弹性地基叠合梁或梁 板弹性支承弯曲理论 并以桥上板式轨道 设计为主 同时考虑路隧板式轨道和路桥隧双块式无砟轨道的特点 最终形成中国无砟轨道 设计理论体系 3 无砟轨道设计理念及原则 作为无砟轨道系统功能设计理念 可以把它概括为 系统设计 功能定位 静动兼顾 结 构合理 接口相容 经济耐用 环境协调 据此 作为设计总原则 应从我国客运专线无砟轨道工程建设的实际出发 充分考虑到 路情和线情 坚持设计理论和结构技术自主创新 构件 产品 材料国产化 以列车荷载 温 4 度荷载 基础变形为设计主线 充分考虑裂纹控制 耐久性和经济性要求 把握轨道刚度和动 力特性对环境的协调 兼顾站前站后接口界面和施工维护技术对设计的要求 4 无砟轨道设计轮重取值 1 设计轮重 所谓设计轮重 是考虑因车轮扁疤或钢轨焊缝不平顺而使轮重动力作用增大而采用的 荷载 a 车轮扁疤的影响 根据对 ICE3 轴重 16t 动车组车轮扁疤长度 40mm 运行速度 350km h 时 经动力学仿 真计算的轮轨冲击力为 195kN 约为静轮重的 2 43 倍 b 焊缝不平顺的影响 通过对长 1m 的余弦波上叠加有短波 波长为 0 1m 波辐 0 1mm 0 1mm 不平顺 ICE3 动车组运行速度 350km h 时 经动力学仿真计算的轮轨动作用力为 177kN 约为静轮重的 2 21 倍 c 试验结果 实测秦沈客运专线无砟轨道的动力系数为 1 57 1 94 遂渝线无砟轨道综合试验段的动 力系数动车组 CRH2 轴重 14t 最大为 1 78 货车为 1 47 d 设计轮重取值 综合考虑上述影响因素及一定的安全系数后 客运专线无砟轨道设计轮重可取静轮重 的 3 倍 2 疲劳检算轮重 所谓疲劳检算轮重 是考虑到列车在经常运行中因轮重变动而增大的荷载 当轮重变动均方差为 置信概率 99 87 时 最大可能轮轨动力 则轮 3 3 PPd 重变动系数为 日本 德国 秦沈 再创新建议取值 0 PPd 45 1 47 1 57 1 5 1 从而 客运专线疲劳检算轮重可取静轮重的 1 5 倍 4 关于板下砂浆垫层的功能问题 1 板下砂浆垫层的系统功能定位 砂浆垫层作为板式轨道系统的重要组成部件 它位于轨道板与混凝土底座之间 其主要 功能可以归纳为 5 1 支承 调整 全面均匀支承轨道板 消除轨道板与底座之间的间隙 调整轨道高低 便于提高施工效 率和下部基础变形时的可维护性 2 承力 传力 承受由轨道板传来的垂向力如纵横向水平力 并把它传递给底座和限位装置 分散列车 荷载作用 2 板下砂浆垫层的类型 目前正在研发中的板下砂浆垫层类型有 改性 CAM 再创新 SL 2 与日本的 CAM 类同 属于低弹模 100 300MPa 乳化沥青水 泥砂浆范畴 改性 BZM 再创新 SL 1 与德国的 BZM 类同 属于高弹模 7000 10000MPa 乳化沥青 水泥砂浆范畴 自流平 ZCM 再创新 SL 3 属于高弹模 20000 30000MPa 无沥青水泥砂浆范畴 三种类型砂浆垫层同是作为板式轨道系统中轨道板下填充层的作用 其弹性模量为什 么相去甚远 3 所谓砂浆垫层的弹性作用 1 计算结果 表 2 给出了三种砂浆垫层弹性模量对轨下基础刚度影响的计算结果 表 2 三种不同砂浆垫层弹性模量时轨下基础刚度的计算结果 砂浆垫层 弹性模量 MPa 换算垫层 刚度 kN mm 轨下垫板 刚度 kN mm 轨下基础 刚度 kN mm 备 注 200300060 3058 8 29 7 改性 CAM SL 2 同日本 CAM 70001050060 3060 0 30 0 改性 BIM SL 1 同 德国 BZM 2000060 3060 0 30 0自流平 ZCM SL 3 由表 2 计算结果可知 砂浆垫层弹性模量无论是 200 MPa 7000 MPa 还是 20000MPa 对轨下基础刚度都没有根本影响 换句话说 砂浆垫层难以给板式轨道系统提供弹性作用 真正在系统中起弹性作用的是轨下垫板刚度的大小 当轨下垫板刚度从 60 kN mm 降 至 30 kN mm 时 无论弹性模量如何 轨下基础弹性几乎提高 1 倍 这再次表明 再创新提出 6 的 WJ 7B 型和 WJ 8B 型扣件系统规定轨下垫板刚度指标为 20 30 kN mm 是符合板式 轨道对其整体弹性的要求的 2 实践效果 国内外长期运营实践表明 原先设想的利用 CAM 砂浆中的沥青材料提供弹性和作为缓 冲垫层的作用并没有达到预期的效果 4 扩大材料的选择范围 既然 CAM 砂浆中的沥青起不到弹性作用 改性后也难以达到提高弹性性能的目的 那 么 就有必要另辟出路 研发新的替代材料 扩大板下支承填充层材料的选择范围 如是 选择适合我国地理气候条件和板式轨道发展需要的无沥青水泥砂浆材料 有可能 成为新一代自主创新的板下砂浆垫层 5 关于无砟轨道的弹性问题 1 基本原理 无砟轨道的弹性已成为无砟轨道发展中一项不可忽视的重大关键技术和工程应用问题 无砟轨道的弹性通常多用其刚度参数来表征 一般 无砟轨道的垂向整体刚度 K 可用下式表 达 5 1 41 3 0 4 EIaKyPK zW 式中为轮载力 为正对轮载下的钢轨变形量 为轨下基础刚度 或钢轨支座综 w P 0 y z K 合刚度 为轨枕间距 为钢轨抗弯刚度 aEI 由上式不难看出 在钢轨类型和轨枕间距已定的条件下 轨道刚度就仅与轨下基础刚度 有关 而轨下基础刚度又与无砟轨道结构型式相关 z K 对于双块式无砟轨道 5 2 Pz KK 板式无砟轨道 5 3 cPcPz KKKKK 其中 轨下垫板刚度 P K 砂浆垫层刚度 c K 2 轨下基础刚度 根据应用客运专线动车组动车与无砟轨道动态匹配和耦合动力学理论 就无砟轨道轨 下基础刚度对高速轮轨系统动力性能的影响分析 图 1 可知 7 图 1 高速客运专线无砟轨道轨下基础合理刚度 1 随着轨下基础刚度的增大 轮轨垂向力 钢轨支点压力 轮重减载率 轮轨磨耗指数 等均随之增大 而钢轨动弯应力 轨道动位移随之减小 2 从动力学角度来看 在降低轮轨动作用力 保证轨道变形要求 降低轮轨磨耗 提高 行车安全性和舒适性等方面 应该有一个平衡点 也就是轨道刚度应有一个合理范围 3 通过系统分析和归一化处理 高速客运专线无砟轨道轨下基础的合理刚度范围 如 图 1 所示 可否认为是20 30kN mm z K 3 无砟轨道刚度设计理念 1 轨道刚度的计算分析 表 2 给出了德国 日本和中国无砟轨道结构垂向刚度按式 5 1 的计算结果 表 2 无砟轨道刚度计算结果 项目单位德国日本中国 EIN mm26 4155 10126 4743 10126 4449 1012 amm650625650 z KkN mm151720252025295615202530 KkN mm4752596961728013147597082 8 由表 2 的计算结果可知 如果轨下基础刚度20 30kN mm 则轨道垂向刚度 z K 60 80 kN mm 这一刚度范围是否合理尚有待经过长期实际运营的考核和检验 K 2 轨道刚度设计理念 客运专线无砟轨道技术再创新提出的轨道刚度设计理念的概念 这在以往轨道设计中 是不曾有过的 从根本上来说 无砟轨道结构刚度的设计 实质上是如何确定钢轨变形的问题 在规定 的列车荷载条件下 其轨道刚度仅与钢轨变形有关 从客运专线运输确保行车舒适性和安全性来判别 一经规定适宜的钢轨变形范围 如 1 3 1 7mm 便可根据已定的列车荷载条件来确定轨道刚度范围 如 50 60 kN mm 再据 此确定扣件系统中轨下垫板应具有的刚度 于是便完成了无砟轨道刚度的设计工作 低刚度 扣件系统已成为现代高速客运专线无砟轨道设计的重大技术动向 6 关于无砟轨道的振动噪声问题 1 与环境协调是无砟轨道的生命所在 随着高速客运专线的兴建 无砟轨道成区段的大量铺设 列车运营的高速化和高密度化 铁路沿线特别是城市周围的轨道振动与噪声问题越来越引起社会公众的广泛关注 无砟轨道的振动噪声高于有砟轨道 它不仅影响人们的正常工作和休息 还会损害人们 的身心健康 因此 设法降低高速轨道的振动噪声能级 良好完善地与自然和生活环境相协 调 便成为客运专线无砟轨道能否持续发展是关键和生命所在 万万不可忽视 如何防止高速轨道的振动噪声污染问题 目前国外铁路正处于积极地研制开发阶段 试 铺有绿色环保轨道和减振降噪无砟轨道 而在我国 从一开始起步阶段就应把轨道减振降噪 技术对策作为重中之重对待 从理论和实践方面迎头赶上国际减振降噪的技术水平 吸取国 外的经验教训 及早采取对策 以避免后期治理的危害 2 轨道减振降噪基本原理 一般来说 轨道噪声是把 1000Hz 以上的高频振动作为重点频域 而振动是把 100Hz 以 下的低频振动作为处理对象 就轨道减振降噪的机理而言 应把减小激振能级 减小因激振 力而引起的振动级和减小传递力的振幅级三个方面作为研发技术方向 1 减小激振能级 减小车辆对轨道的动作用力是最重要的 而保持轨头表面的平滑化又是减小轨道振动 级的根本条件 9 2 减小因激振力引起的振动级 为减小轨道振动加速度级和振动速度级 增大作为振源对象的轨道各部件振动体的质 量或抗弯刚性是控制轨道振动的关键 3 减小传递力的振幅级 在轨道各组成部件之间设置弹性支承材料 以期降低轨道支承刚度 隔断振动的传递 3 轨道减振降噪基本方法 1 轨道低噪化 无砟轨道噪声主要表征为轮轨滚动噪声和轨道板结构辐射噪声两方面 它主要是由于 以车轮踏面和轨头表面的微小凹凸不平作为激振源而引起的轮轨相互振动 并通过钢轨和 轨道板传递而产生辐射噪声 为使轨道低噪化 各国铁路都使用定期打磨钢轨和钢轨无缝化的基本方法 一般可降低 振动噪声级 5dB A 左右 或者在无砟轨道表面上设置吸声板的方法 也可降低噪声级 3 4dB A 左右 2 轨道低振化 轨道防振涉及到吸振和传振两方面问题 吸振是靠轨道弹簧 而传振是靠轨道质量 作为轨道防振的基本方法 以往大多是把着眼点放在轨道支承的低刚度化方面 虽然取 得了一定的防振效果 但也有其局限性 一般是 对采用对策前原本轨道支承刚度就较小的 地段 防振效果小 相反 对对策前轨道支承刚度就较大的地段 防振效果则大 可见 轨道低刚度的防振效果是依采用对策前的线路具体条件而有所差异的 基本观点 是 为得到某种程度的防振效果 对于轨道支承刚度较大的地段 例如桥隧等刚性基础区段 采用轨道低刚度化是有效的 但对于原本基础就较柔软的土路基区间 其效果是非常有限的 此外 与轨道低刚度化不同 近年来又提出了轨道高刚性化防振理念 它是以尽可能少 的改变原有轨道结构为前提 采用增大轨道综合抗弯刚性的方法 以期使列车荷载沿线路纵 向能得以广泛分散传播的作用 为此 采用重型钢轨和重型轨道板等以增大轨道综合抗弯刚性的无砟轨道 被认为是降 低地面振动的有效对策 尤其是对基础软弱的路基效果更加显著 客运专线无砟轨道的减振降噪应用技术与对策问题 尚需加大再创新力度 深入开展工 程应用研究 7 关于无砟轨道的使用寿命问题 10 1 设计使用寿命 客运专线无砟轨道