尤瑞林，王继军，江成，蔡成标

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031)

时速200km客货共线铁路隧道内弹性支承块式无砟轨道适用性研究

尤瑞林1，王继军1，江成1，蔡成标2

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031)

弹性支承块式无砟轨道结构综合性能良好，在我国客货共线铁路隧道内已有一定规模的应用，但由于其采用两个独立的弹性块体支承钢轨，保持轨距的能力相对较弱，目前仅在我国时速160 km及以下线路中铺设。本文在对国内相关标准所规定限值进行总结的基础上，结合理论计算及现场实车试验成果，重点研究了新研发的弹性支承块式无砟轨道的轨距保持能力。结果表明，新型弹性支承块式无砟轨道结构在不同列车运行工况下，轨距动态变化量均能满足相应限值的要求，可适用于时速200 km客货共线铁路运营条件。

时速200km 客货共线铁路 弹性支承块式无砟轨道 适用性

客货共线铁路中客运列车与货运列车共线运行，轨道结构的选型设计是影响线路运营品质的关键环节。根据有砟和无砟两种轨道结构的特点及前期运营实践经验，在隧道内铺设无砟轨道结构，具有降低隧道净空、结构耐久性好、维修工作量少、轨道结构稳定、连续性和平顺性好等优点［1－2］，因此对于客货共线铁路隧道而言，铺设无砟轨道结构具有较大的技术优势。目前，国内外应用的无砟轨道种类较多，经对比分析，弹性支承块式无砟轨道结构综合性能良好，并且在我国客货共线铁路隧道内有一定规模的应用，施工和养护维修方面已积累了较多经验。

弹性支承块式无砟轨道由钢轨、扣件、道床板、混凝土支承块、支承块下垫板以及橡胶套靴组成。由于弹性支承块式无砟轨道采用两个独立的弹性块体支承钢轨，其保持轨道几何状态，尤其是保持轨距的能力相对较弱［3－4］。因此，目前我国弹性支承块式无砟轨道结构仅在时速160 km及以下线路中铺设，尚无在时速200 km客货共线铁路中铺设运营经验。本文在对国内相关标准限值总结梳理的基础上，结合理论及现场实车试验研究成果，重点研究弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力，分析其对于时速200 km客货共线铁路的适应性。

1 相关标准所规定限值

弹性支承块式无砟轨道结构采用两个独立的块体支承钢轨，因此轨道几何状态保持能力是制约其在更高速度条件下铺设应用的重要影响因素，而轨距动态变化量是反映轨道几何状态保持能力的重要指标。目前我国铁路养护维修标准［5－6］中对轨距动态变化量限值的相关规定见表1。

表1 轨距动态偏差管理值的相关规定

由表1可以看出，随着速度的提高，有关轨距动态偏差管理值越小;对于时速200 km客货共线铁路，轨距动态偏差管理值为(+4，－3)mm。

2 理论计算研究

2.1 计算模型

为系统分析列车与无砟轨道结构动态相互作用，建立列车与弹性支承块式无砟轨道动力相互作用模型，见图1。计算模型中，列车视为车体、侧架、摇枕及轮对组成的多刚体系统，钢轨视为修正的Timoshenko梁，支承块视为刚体，道床板按扣件间距离散为刚体并考虑与支承块之间的相互剪切作用。轮轨动态相互作用原理、货车和无砟轨道的动力学方程及数值解法参见文献［7－10］。

图1 列车与弹性支承块式无砟轨道动力相互作用模型

2.2 计算参数

计算模型中，轨道结构采用新研发的弹性支承块式无砟轨道结构，支承块长度680 mm、宽度300 mm、高度230 mm、埋入深度160 mm、支承块下垫板刚度为70 kN/mm、橡胶套靴刚度为250 kN/mm;扣件间距600 mm、扣件刚度110 kN/mm;道床板宽度2 800 mm、厚度340 mm;线路采用60 kg/m钢轨、隧道基础支承面刚度为1 200 MPa/m。

根据目前我国客货共线铁路的实际运营情况，客车采用CRH2型动车组(速度200 km/h)及典型提速客车(速度160 km/h);普通货物列车采用23 t轴重C70货车(速度120 km/h)及25 t轴重C80货车(速度100 km/h)。另外，为了更好对比分析弹性支承块式无砟轨道对于大轴重货物列车运营条件的适应性，在理论计算中补充计算新型27 t轴重C80E货车及30 t轴重C96货车的轨距动态变化量，大轴重货物列车的运行速度设定为100 km/h。仿真计算采用的轨道不平顺谱为美国六级谱。

2.3 计算结果

运用建立的列车与弹性支承块式无砟轨道动力相互作用模型，编制仿真程序在上述设定条件下进行计算，可得到客车、普通货车及大轴重货车等不同类型列车通过弹性支承块式无砟轨道结构时线路轨距动态变化情况，见表2。

表2 不同列车运行条件下弹性支承块式无砟轨道轨距动态变化量计算结果

由表2可以看出:

1)各种典型客车及货车运行时，弹性支承块式无砟轨道轨距动态变化量均小于我国标准中相应容许偏差管理值的规定;

2)弹性支承块式无砟轨道结构在30 t轴重C96货车运行条件下，轨距动态变化量最大，其值为+2.38 mm;

3)客车运行时导致的线路轨距动态变化量小于货车运行时，CRH2型动车组列车以200 km/h运行时，轨距动态变化量为+1.40 mm，不仅小于时速200 km客货共线铁路轨距动态偏差管理值的要求，而且小于货物列车经过时线路轨距动态变化量。

3 现场实车试验研究

3.1 新型弹性支承块式无砟轨道参数优化

目前，我国弹性支承块式无砟轨道结构可主要划分为既有弹性支承块式无砟轨道及新型弹性支承块式无砟轨道两种类型。新型弹性支承块式无砟轨道是在既有结构的基础上优化设计的，主要优化内容包括支承块的长、宽、高、埋深等关键尺寸以及轨下垫板、块下垫板及橡胶套靴的刚度值等重要参数(见表3)。通过优化设计，新型弹性支承块式无砟轨道结构不仅承载强度有所提高，而且线路几何状态保持能力进一步加强。

表3 新型弹性支承块式无砟轨道主要优化参数

3.2 不同弹性支承块式无砟轨道结构试验结果

针对弹性支承块式无砟轨道结构轨距动态变化量，铁科院铁建所对陇海线白清隧道既有弹性支承块式无砟轨道及山西中南部铁路通道红岭隧道内新型弹性支承块式无砟轨道均进行了现场测试。测试结果见表4。

表4 弹性支承块式无砟轨道轨距动态变化量实车试验结果

由表4可见:

1)白清隧道内既有弹性支承块式无砟轨道结构在半径800 m曲线地段，SS3电力机车通过时轨距扩大量最大为4.46 mm，货车经过时轨距扩大量最大为3.87 mm，客车经过时轨距扩大量最大为2.97 mm。轨距动态变化量满足相应标准规定的υmax≤120 km/h正线轨距动态偏差管理值(+8，－6)mm的要求。

2)新型弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力优于既有弹性支承块式无砟轨道结构，红岭隧道内新型弹性支承块式无砟轨道在半径1 200 m曲线地段，实测30 t轴重机车、21 t轴重C64、23 t轴重C70、27 t轴重C80E、30 t轴重C96等不同类型列车经过时，轨距动态变化量均较小。其中，30 t轴重机车通过时轨距动态扩大量最大，其值为2.20 mm;不同轴重货物列车经过时，轨距动态以缩小为主，30 t轴重重载C96货物列车车辆通过时轨距动态缩小量最大，其值为1.17 mm。

3)对于新型弹性支承块式无砟轨道结构，在半径1 200 m的曲线地段、30 t轴重列车经过时，轨距动态变化量不仅满足相应标准规定的υmax≤160 km/h正线轨距动态偏差管理值(+6，－4)mm的要求，而且能够满足客货共线铁路列车速度200 km/h条件下轨距动态偏差管理值(+4，－3)mm的要求。

4 结论

1)各种典型客车及货车运行时，弹性支承块式无砟轨道轨距动态变化量均小于我国标准中相应容许偏差管理值的规定。

2)客车运行时导致的线路轨距动态变化量小于货车运行时。理论计算得出CRH2型动车组列车以200 km/h运行时，轨距动态变化量为+1.40 mm，不仅小于时速200 km客货共线铁路轨距动态偏差管理值的要求，而且小于货物列车经过时线路轨距动态变化量。

3)新型弹性支承块式无砟轨道结构与白清、秦岭等隧道内铺设的既有结构相比进行了较大的优化，轨距保持能力进一步加强，不同轴重列车运营条件下，实测轨距动态扩大量最大值为2.20 mm，轨距动态缩小量最大值为1.17 mm，不仅能够满足列车速度160 km/h及以下线路轨距动态偏差管理值的要求，而且能够满足列车速度200 km/h客货共线铁路轨距动态偏差管理值的规定。

4)列车经过时轨距动态变化量的大小受线路条件(尤其是平面条件)影响较大，曲线半径越大，轨距动态变化量越小。目前我国时速200 km客货共线铁路，规范规定最小曲线半径为3 500 m(困难地段为2 800 m)。因此，对于时速200 km客货共线铁路，弹性支承块式无砟轨道结构几何状态变化量将小于目前山西中南部铁路通道实测结果(曲线半径1 200 m)。

综上所述，在客车及货车运营条件下，新型弹性支承块式无砟轨道结构轨距保持能力具有一定的安全系数，能够满足相关标准限值的要求。因此，建议对弹性支承块式无砟轨道结构在时速200 km条件下的适应性开展现场试铺和试验研究，为扩大我国弹性支承块式无砟轨道结构的应用范围积累数据。

［1］赵国堂.高速铁路无碴轨道结构［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］卢祖文.客运专线铁路轨道［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］王继军，尤瑞林，杜香刚，等.重载铁路隧道内无砟轨道结构选型分析［J］.铁道建筑，2013(5):132－136.

［4］尤瑞林，王继军，杜香刚，等.重载铁路弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力研究［J］.铁道建筑，2015(3):110－114.

［5］中华人民共和国铁道部.铁运［2006］146号铁路线路维修规则［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［6］中华人民共和国铁道部.铁运［2007］44号既有线提速200～250 km/h线桥设备维修规则［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［7］翟婉明.车辆—轨道耦合动力学［M］.3版.北京:科学出版社，2007.

［8］蔡成标.高速列车—线路—桥梁耦合振动理论及应用研究［D］.成都:西南交通大学，2004.

［9］徐鹏.列车—轨道—路基耦合振动及地震条件下行车安全性分析［D］.成都:西南交通大学，2011.

［10］徐鹏，蔡成标.山西中南部铁路隧道内无砟轨道结构动力学选型研究［J］.铁道建筑，2013(12):103－105.

Study on suitability of elastic supported block-type balastless track in railway tunnel for passenger train and freight train shared railway at 200 km/h speed

YOU Ruilin1，WANG Jijun1，JIANG Cheng1，CAI Chengbiao2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

Structure comprehensive performance of elastic supported block－type balastless(low vibration track，LVT) is good，which has a certain scale of application in China passenger train and freight train shared railway tunnels. T wo independent elastic blocks are used to support the rail and gauge keeping capability is relatively weak，which results in that LVT only were applied in railway lines with speed below the 160 km/h in China.Based on the summary of limit values in domestic relevant standards，this paper studied the gauge keeping capability of the new LVT by theoretical calculations and field test results.The results showed that for the new LVT structure under different train operating conditions，gauge dynamic changes can meet the requirements of the corresponding limit value，which could be applied in passenger train and freight train shared railway with speed of 200 km/h.

200 km/h speed;Passenger train and freight train shared railway;Elastic supported block－type balastless; Suitability

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.29

(责任审编 葛全红)

1003－1995(2015)10－0136－04

2015－08－10;

2015－09－05

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014G002－B，2015G001－B)

尤瑞林(1986—)，男，助理研究员，硕士。