王建軍

摘要：本文以蘭新第二雙線(xiàn)鐵路嘉峪關(guān)穿越長(zhǎng)城段無(wú)砟軌道減振施工技術(shù)為主線(xiàn)，討論了減振式無(wú)砟軌道的施工工藝、受力性能及減振效果評(píng)估等方面的內(nèi)容，并對(duì)其特點(diǎn)、要點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)作了分析，對(duì)存在的問(wèn)題提出見(jiàn)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(guān)鍵詞：穿越長(zhǎng)城;無(wú)砟軌道;減振技術(shù)

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U213.2+11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）13-0156-05

0 引言

隨著列車(chē)速度的提高，鐵路對(duì)沿線(xiàn)環(huán)境敏感點(diǎn)的影響越來(lái)越大，對(duì)軌道采取相應(yīng)的減振措施是十分必要的。但在高標(biāo)準(zhǔn)鐵路中，雖然市場(chǎng)需求較大，但目前尚無(wú)成熟的軌道減振技術(shù)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，鐵路所經(jīng)地區(qū)的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，軌道減振降噪技術(shù)也勢(shì)必成為未來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。通過(guò)此次研究，主要達(dá)到如下目的：一是形成一套完整的高速鐵路減振無(wú)砟軌道系統(tǒng);二是為今后類(lèi)似項(xiàng)目提供成熟的減振系統(tǒng)解決方案，提高高速鐵路的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

1 國(guó)內(nèi)外軌道減振技術(shù)發(fā)展概況

我國(guó)減振型無(wú)砟軌道主要運(yùn)用于時(shí)速80km/h～120km/h的城市地鐵項(xiàng)目，采取分級(jí)減振措施，主要有扣件減振（如減振器扣件、先鋒扣件等）和道床減振（如橡膠或鋼彈簧浮置板），運(yùn)用比較普遍，取得了很好的效果;國(guó)鐵遂渝線(xiàn)無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段鋪設(shè)了部分板式減振型無(wú)砟軌道，由于多種原因，減振效果經(jīng)測(cè)試未達(dá)到理想目標(biāo)。在成灌線(xiàn)也鋪設(shè)了少量減振型無(wú)砟軌道，經(jīng)測(cè)試效果較好，減振15db，其時(shí)速為250km/h。在國(guó)外，德國(guó)科隆至萊茵/美因高速線(xiàn)（v≥250km/h）圣·奧古斯丁隧道采用旭普林現(xiàn)澆浮置板，減振效果可達(dá)到10～15db。韓國(guó)漢城至釜山高速鐵路天安站采用整體鋼彈簧浮置板系統(tǒng)，整個(gè)高架梁連同軌道結(jié)構(gòu)的下部設(shè)置了鋼彈簧支座，其時(shí)速為350km/h。但總的來(lái)說(shuō)，高速鐵路領(lǐng)域軌道結(jié)構(gòu)采取減振措施的工程實(shí)例并不多見(jiàn)。

2 研究目的及必要性

隨著列車(chē)速度的提高，鐵路對(duì)沿線(xiàn)環(huán)境敏感點(diǎn)的影響越來(lái)越大，對(duì)軌道采取相應(yīng)的減振措施是十分必要的。但在高標(biāo)準(zhǔn)鐵路中，雖然市場(chǎng)需求較大，但目前尚無(wú)成熟的軌道減振技術(shù)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，鐵路所經(jīng)地區(qū)的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，軌道減振降噪技術(shù)也勢(shì)必成為未來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。高速列車(chē)的振動(dòng)傳播過(guò)程為車(chē)輛—軌道—結(jié)構(gòu)物—基礎(chǔ)—地基—建筑物，因此相應(yīng)的減振對(duì)策有車(chē)輛對(duì)策（輕量化）、軌道對(duì)策、地基對(duì)策（隔振溝）、結(jié)構(gòu)物對(duì)策（減振橋梁）等。軌道結(jié)構(gòu)直接承受高速列車(chē)振動(dòng)沖擊，作為一個(gè)承上啟下的環(huán)節(jié)，從軌道結(jié)構(gòu)的角度研究相應(yīng)的減振措施是必不可少的。

新建蘭新鐵路第二雙線(xiàn)在DK715+870處與嘉峪關(guān)古長(zhǎng)城相交，線(xiàn)路為下穿設(shè)隧，根據(jù)國(guó)家文物局《關(guān)于蘭新鐵路第二雙線(xiàn)穿越嘉峪關(guān)長(zhǎng)城設(shè)計(jì)方案的批復(fù)》（文物保函【2009】424號(hào)）文相關(guān)內(nèi)容：“完善長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方案，全面掌握施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中所產(chǎn)生各類(lèi)振動(dòng)的輕度等指標(biāo)及其對(duì)長(zhǎng)城本體產(chǎn)生的影響，補(bǔ)充必要的避震措施，控制并減小施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各類(lèi)振動(dòng)對(duì)文物本體造成的影響。”為盡量減輕對(duì)文物的影響，本課題研究采用減振型無(wú)砟軌道系統(tǒng)，在滿(mǎn)足高速列車(chē)行車(chē)安全性、舒適性的前提下減小列車(chē)運(yùn)營(yíng)中對(duì)古長(zhǎng)城本體的振動(dòng)影響。

3 減振方案分析

①扣件減振方案。常見(jiàn)扣件包括：洛德扣件、軌道減振器（科隆蛋）扣件、pandrol先鋒扣件等。該方案軌道結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，更換方便，成本較小，但減振效果有限（約為5～10dB）;

②橡膠浮置板結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)形式包括：旭普林質(zhì)量彈簧系統(tǒng)、博格質(zhì)量彈簧系統(tǒng)等。該方案減振效果較好（可達(dá)10db以上），但橡膠產(chǎn)品的耐久性和更換方案成為技術(shù)關(guān)鍵，此外相對(duì)扣件減振方案造價(jià)略高;

③鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)比較成熟的有GERB鋼彈簧浮置板系統(tǒng)（成功運(yùn)用于時(shí)速350km/h的韓國(guó)漢城至釜山高速鐵路天安站），減振效果好（20db以上），耐久性好，更換彈簧相對(duì)比較方便，但更適用于單層現(xiàn)澆道床板結(jié)構(gòu)，屬于專(zhuān)利產(chǎn)品，造價(jià)最高。

綜合上述各種減振方案的優(yōu)缺點(diǎn)，研究后認(rèn)為：扣件減振方案參振質(zhì)量較小，要達(dá)到較好的減振效果必需大幅度減小扣件剛度，而鋼軌下沉變形增大，從而增加了鋼軌受力和車(chē)內(nèi)振動(dòng)。因此要達(dá)到相應(yīng)的減振效果，應(yīng)采取對(duì)等的減振方案。本次研究的工點(diǎn)減振效果要求相對(duì)較高，應(yīng)通過(guò)增加參振質(zhì)量、采用合理剛度的技術(shù)措施，降低減振軌道的自振頻率，且將鋼軌受力和車(chē)內(nèi)振動(dòng)控制在合理范圍。因此，得出結(jié)論：橡膠浮置板減振方案效果較好，且造價(jià)居中，推薦采用。

4 振動(dòng)參數(shù)設(shè)定

《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB10070）規(guī)定了鐵路干線(xiàn)兩側(cè)（指距離每日車(chē)流量不少于20列的鐵路外軌30m外的兩側(cè)住宅區(qū)）的鉛垂向Z振級(jí)晝間、夜間均不大于80dB?！稒C(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》適用于機(jī)械工廠新建、改建、擴(kuò)建和技術(shù)改造的項(xiàng)目，其中關(guān)于鐵路干線(xiàn)兩側(cè)的鉛垂向Z振級(jí)規(guī)定同上。而在早期的《機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)定》（JBJ16-88）中，對(duì)于嚴(yán)重開(kāi)裂古建筑，其中規(guī)定了鉛垂向振動(dòng)速度容許值1.8mm/s?！豆沤ㄖ拦I(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動(dòng)以結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)應(yīng)變?yōu)榭刂茦?biāo)準(zhǔn)，以振動(dòng)速度表示。古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動(dòng)速度根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、保護(hù)級(jí)別和彈性波在古建筑中的傳播速度選用。列入世界文化遺產(chǎn)名錄的古建筑按全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位的規(guī)定采用。其中古建筑又分為磚、石結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、石窟。對(duì)于本項(xiàng)目中的古長(zhǎng)城，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，參考其中的磚石結(jié)構(gòu)，其容許的振動(dòng)速度為0.15～0.25mm/s（水平向）間。

綜上所述，對(duì)于古長(zhǎng)城的實(shí)際情況，暫定垂向振動(dòng)速度按1.8mm/s控制，水平向振動(dòng)速度按0.25mm/s控制。

5 減振方案設(shè)定

蘭新第二雙線(xiàn)全線(xiàn)正線(xiàn)主要采用雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)結(jié)構(gòu)，綜合鐵路用現(xiàn)澆道床和預(yù)制軌道板現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合蘭新線(xiàn)雙線(xiàn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，減振型無(wú)砟軌道方案設(shè)計(jì)如下：

5.1 雙塊式減振型無(wú)砟軌道

雙塊式減振型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單元式軌道結(jié)構(gòu)，由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床、橡膠墊層及底座組成。穿越古長(zhǎng)城保護(hù)段上行線(xiàn)設(shè)計(jì)采用雙塊式減振型無(wú)砟軌道。

5.2 CRTSⅢ型減振板式無(wú)砟軌道

CRTSⅢ型板式軌道是我國(guó)自主研發(fā)的一種軌道結(jié)構(gòu)型式，在本段鋪設(shè)CRTSⅢ型減振板式無(wú)砟軌道，對(duì)于完善整體技術(shù)體系具有重要的意義。采用CRTSⅢ型減振板式軌道的主要優(yōu)點(diǎn)是：①帶預(yù)應(yīng)力的預(yù)制軌道板，可有效控制裂縫的產(chǎn)生和影響;②前期在成灌線(xiàn)進(jìn)行了鋪設(shè)（時(shí)速200km/h），綜合減振效果良好。古長(zhǎng)城保護(hù)段下行線(xiàn)設(shè)計(jì)采用CRTSⅢ型減振板式無(wú)砟軌道。

6 減振效果預(yù)測(cè)

根據(jù)簡(jiǎn)化的單自由度減振系統(tǒng)模型（如圖6），可以初步確定減振軌道系統(tǒng)的自振頻率。

7 軌道結(jié)構(gòu)剛度動(dòng)力學(xué)分析

7.1 減振層剛度對(duì)古長(zhǎng)城的振動(dòng)影響分析

應(yīng)用既有輪軌力表達(dá)式，計(jì)算出在列車(chē)設(shè)計(jì)速度條件下的輪軌力，再將輪軌力施加在所建的軌道—隧道—土層平面模型中。該平面模型用大型通用有限元軟件ANSYS模擬實(shí)現(xiàn)。

土介質(zhì)為符合線(xiàn)彈性模型的水平成層半空間，每一層土都是由一系列相互獨(dú)立、水平方向無(wú)限伸展的薄層組成，即引進(jìn)平面應(yīng)變的假定;地下結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)化為均質(zhì)各向同性彈性體。

每一層土為均質(zhì)、各向同性體，即每層土性質(zhì)相同，但可隨土層不同而改變;動(dòng)力作用下，各層土之間、土地下結(jié)構(gòu)之間不發(fā)生脫離和相對(duì)滑動(dòng)，即界面滿(mǎn)足位移協(xié)調(diào)的條件。

假定模型為平面應(yīng)變模型。

在建立平面模型時(shí)，假定長(zhǎng)城垂直于隧道，長(zhǎng)城無(wú)限長(zhǎng)，長(zhǎng)城為均勻夯土。

7.2 有限元分析模型參數(shù)的確定

減振型CRTSⅢ板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1所示。土層的動(dòng)力參數(shù)取值根據(jù)嘉峪關(guān)長(zhǎng)城處地質(zhì)資料和相關(guān)文獻(xiàn)查詢(xún)得知，見(jiàn)表2所示?？紤]到邊界對(duì)振動(dòng)波的影響，模型尺寸范圍為150m×83m。為了使單元能模擬波動(dòng)效應(yīng)，單元大小0.1m～0.5m。在計(jì)算中，時(shí)間步長(zhǎng)取為0.005s。單元類(lèi)型選用四節(jié)點(diǎn)等參單元。由于模型的對(duì)稱(chēng)性，模型左邊采用對(duì)稱(chēng)約束，下邊界固定，右邊采用自由邊界。模型所取斷面、有限元模型如圖7所示。

7.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)減振型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，減振墊層剛度對(duì)古長(zhǎng)城的振動(dòng)影響計(jì)算，選用較不利工況進(jìn)行控制計(jì)算，即選取道床參振質(zhì)量最小的CRTSⅢ板式減振型無(wú)砟軌道（減振墊層位于底座上）結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。為便于確定減振層的合理剛度范圍，減振墊層的垂向剛度擬取為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）。結(jié)合既定減振目標(biāo)，對(duì)不同減振墊層剛度工況下古長(zhǎng)城頂部水平振動(dòng)速度和垂向振動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，以確保鋪設(shè)減振墊層的減振效果。仿真計(jì)算表明：古長(zhǎng)城最高點(diǎn)處的最大水平振動(dòng)速度將出現(xiàn)在離隧道中心線(xiàn)5m處。

8 方案實(shí)施及減振效果檢驗(yàn)

雙塊式減振型無(wú)砟軌道、CRTSⅢ型減振板式無(wú)砟軌道均按照《高速鐵路軌道施工技術(shù)指南》（TB10426）進(jìn)行施工。針對(duì)本工程增加了減振墊層結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)置，特編制《蘭新第二雙線(xiàn)嘉峪關(guān)穿越長(zhǎng)城段減振軌道減振墊層暫行技術(shù)要求》（工管工技函[2013]316號(hào)）作為施工及檢驗(yàn)試驗(yàn)的依據(jù)。

8.1 減振墊層材料的剛度試驗(yàn)

在試驗(yàn)用減振墊層上取300mm×300mm試件（圖8）置于MTS加載系統(tǒng)上，將壓力加至0.02kN（0.02kN壓力不取消，試驗(yàn)機(jī)位移清零）運(yùn)行（圖9），以1mm/min的速度均勻加載至9kN（開(kāi)始加載時(shí)，電腦記錄橡膠減振墊的壓縮量ΔRi），不停留，以1mm/min的速度從9kN減載到1.8kN。如此反復(fù)試驗(yàn)3次，將第3次在9kN、1.8kN測(cè)得的壓縮量ΔRi分別記為ΔA和ΔB，即為在9kN和1.8kN時(shí)橡膠減振墊的壓縮量ΔA和ΔB，由計(jì)算可得彈性墊層剛度。

8.2 實(shí)車(chē)測(cè)試

2014年9月3日～9月11日采用CRH2-061C和CRH2-068C綜合檢測(cè)車(chē)進(jìn)行了嘉峪關(guān)南～石板墩南上、下行正線(xiàn)試驗(yàn)工點(diǎn)5km/h準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定及動(dòng)車(chē)組的逐級(jí)提速試驗(yàn)，通過(guò)各測(cè)點(diǎn)的最高速度為224.2km/h。

依據(jù)前期仿真分析結(jié)果，本次測(cè)試將振動(dòng)速度傳感器布置在距隧道中心線(xiàn)5m處，分別在上下行相應(yīng)位置布置垂向、水平向振動(dòng)速度傳感器。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行在不同減振軌道結(jié)構(gòu)型式時(shí)，古長(zhǎng)城頂部水平、垂向振動(dòng)速度波形見(jiàn)圖12～圖13。分析不同速度時(shí)古長(zhǎng)城頂端振動(dòng)速度幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知：

①當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于減振型CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道時(shí)，距隧道中心線(xiàn)5m處水平振動(dòng)速度最大值為0.19mm/s，垂向振動(dòng)速度最大值為0.25mm/s，設(shè)計(jì)提出古長(zhǎng)城頂部垂向振動(dòng)速度應(yīng)不大于1.8mm/s、水平向振動(dòng)速度應(yīng)不大于0.25mm/s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

②當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于減振型雙塊式無(wú)砟軌道時(shí)，距隧道中心線(xiàn)5m處水平振動(dòng)速度最大值為0.19mm/s，垂向振動(dòng)速度最大值為0.19mm/s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

9 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)研究通過(guò)采用減振型無(wú)砟軌道新的施工工藝，控制并減小了施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各類(lèi)振動(dòng)對(duì)文物本體造成的影響，在滿(mǎn)足高速列車(chē)行車(chē)安全性、舒適性的前提下減小列車(chē)運(yùn)營(yíng)中對(duì)古長(zhǎng)城本體的振動(dòng)影響。不但形成了一套完整的高速鐵路減振無(wú)砟軌道系統(tǒng)，而且為今后類(lèi)似項(xiàng)目提供成熟的減振系統(tǒng)解決方案，進(jìn)而大幅提高高速鐵路的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

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