丁静波，马佳骏，刘亚航

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京　100055)



基于地铁轨检波形不平顺控制的轨道技术探讨

丁静波，马佳骏，刘亚航

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京100055)

摘要：轨道不平顺性是引起列车产生振动和轮轨作用力增大的主要根源，对列车运营安全性、平稳、舒适度、使用寿命及环境噪声等都有重要影响。基于地铁轨检车波形数据，从高低、轨向、水平、轨距四类不平顺方面考虑，采用归类方法分析不同的轨道类型不平顺性特点，探讨提高轨道平顺性、舒适性措施及思路，介绍轨道精密定位的基础控制网技术提高轨道初始平顺性，轨道润滑技术，分析减振地段平顺性、全线轨枕间距控制，以及介绍消除轨道不平顺影响降低车内噪声提高乘客舒适度的轨道吸声板技术。

关键词：地铁；轨检波形 ；轨道结构 ；轨道不平顺； 减振降噪； 轨道刚度 ；轨道润滑 ；吸声板

1概述

铁路轨道的平顺状态对轮轨系统有着至关重要的影响。它是轮轨关系的激振源，是引起车辆产生振动和轮轨相互作用力的主要原因，对列车运营的安全性、平稳、舒适度、车辆和轨道部件的寿命及环境噪声等都有重要影响。轨道平顺性也是轨道结构综合性能和承载能力的重要体现，是制定维修计划的重要指标[1]。

轨检车波形数据是目前最真实反映轨道动态不平顺状态的一种数据。轨道不平顺(峰值管理)检查的项目有轨距、水平、高低、轨向、三角坑5项轨道几何状态参数，以及车体上下振动加速度和左右振动加速度二项车体响应参数，共7项指标。其中，车体振动加速与轨道几何状态参数的优劣和列车运行速度密切相关，轨道状态变形大会加剧车体振动加速度[2]。参考《城市轨道交通设施养护维修技术规范》(DB11/T 718—2010)，轨道不平顺指标见表1，对于Ⅱ级以上的超限应进行整改。

表1　轨检车各级偏差标准

本文基于实际地铁轨检车数据，分析引起轨道不平顺特点，探讨提高平顺性的轨道技术，确保列车安全性、平稳、舒适度、车辆和轨道部件的寿命。

2地铁轨道不平顺性特点

轨道不平顺性包括高低、水平、方向、轨距不平顺4种类型。基于地铁某个时段轨检波形数据统计表明：未出现轨道Ⅱ级以上超标；74%曲线地段出现Ⅰ级超标；63%减振地段出现Ⅰ级超标，其中高等及特殊减振90%以上出现Ⅰ级超标，若减振位于曲线地段时，出现Ⅰ级超标概率也很高；除此之外，其他出现轨道Ⅰ级超标地段约占总量的15%。

2.1线路曲线地段

地铁因受环境条件的限制，不仅曲线数量多，且半径小。曲线地段轨道施工不圆顺、超高顺坡率不均匀，主要出现轨向、水平不平顺，在缓和曲线地段尤为突出。图1为曲线半径R=1 000 m轨检波形，平均运行速度49 km/h，在缓和曲线水平反复变化幅度有6.9 mm，另外出现三角坑。曲线轨道不平顺，增加轮轨横向冲击，加速钢轨磨耗，甚至引起啸叫和波磨。

图1　曲线地段下行轨检波形

2.2轨道减振降噪地段

地铁穿行城市商业、居住等人口密集区域，距离敏感建筑物较近地段需采取轨道减振降噪措施。由于轨道减振降噪系统刚度不同，列车会出现明显的周期性点头和浮沉振动，主要出现高低不平顺。选取了3段位于直线的梯形轨枕、隔离式减振垫、钢弹簧浮置板分析：图2梯形轨枕铺设范围K2+530～K2+740，高低波长13 m幅值2.9 mm。图3道岔区隔离式减振垫铺设范围K15+190～K15+308，除道岔外，高低波长16 m幅值5.5 mm。图4钢弹簧浮置板轨道范围K11+280～K11+319，高低波长25 m幅值4.8 mm。出现小波长或者同方面高低偏差，车体产生较大的振动加速度，车内噪声增加，影响乘客舒适度。

图2　梯形轨枕轨检波形

图3　道岔减振垫轨检波形

图4　钢弹簧浮置板轨道轨检波形

2.3其他地段

高架桥、道岔及调节器、过渡段、无缝线路设计等参数异常变化，出现轨道不平顺。人防门、防淹门或梁缝位置，出现轨枕间距过大，出现高低、水平不平顺，导致车体产生了较大的振动加速度，见图5。

图5　局部轨检高低不平顺的波形

高架桥铺设无缝线路，对于桥墩纵向水平线刚度应均匀过渡。桥墩水平线刚度越低，因列车荷载作用产生的墩顶位移幅度越大，而产生轨道的高低不平顺，使得车体产生较剧烈点头振动。图6为高架35 m简支梁，地铁规范规定跨度30 m

图6　高架桥局部轨检波形

另外，道岔也属于轨道薄弱环节，主要出现轨距、水平、高低不平顺。地铁道岔均采用固定型辙叉，车轮通过有害空间时，钢轨实际作用边不连续，轨检波形中轨距、水平、三角坑和单侧钢轨高低、轨向会出现尖刺，属于正常现象。

3提高轨道平顺性、舒适性措施及思路

3.1曲线地段平顺性措施

(1)精密定位的轨道基础控制网

既有地铁铺轨是在结构贯通测量的基础上，先测设控制基标，再测设加密基标(含道岔基标)。由于基标测设有累积偏差，离散程度大，再加上施工偏差因素，均不利于轨道的平顺性。

广州地铁6号线引进高铁精密定位的轨道基础控制网，通过与既有采用铺轨基标相比，明显地提高了轨道的初始静态平顺性[3]。轨道基础控制网的控制点沿线路成对布设在侧墙上，高于轨面0.9～1.2 m，点对纵向间距为30～60 m，达到全站仪自由测站每站观测4对轨道基础控制点的通视要求。控制精度：方向观测中误差限值为1.8 mm，距离观测中误差和相邻点的对中误差限值均为1.0 mm以内。与既有轨道基标控制相比，双线每千米增加投资约8万元。

(2)钢轨润滑技术

列车在直线上运行车轮与钢轨接触点位于钢轨中心靠内侧位置，曲线上自由内接蛇形运行，车轮与钢轨在作用边接触，见图7。

由于轨道不平顺诱发车轮剧烈振动，在频繁接触力作用下，加快了钢轨的磨耗。采用钢轨润滑技术，在金属表面，形成一层润滑膜，减小轮轨摩擦时滑动阻力，从而降低磨损，提高平顺性。最早的北京地铁在古城、建国门等小半径曲线地段安装地面涂油器，提高轮轨平顺性，钢轨更换周期由原来平均1年延长到3年多[7]。

直线 曲线图7　车轮与钢轨在直线和曲线段触压点

3.2减振地段平顺性控制

(1)适宜的轨道系统刚度

图8　地铁轨道刚度体系

综合降低轮轨动作用力、保证轨道变形要求、提高行车安全性和舒适性等方面，建议轨道刚度选取以钢轨垂向最大相对位移1.5 mm控制[9]。另外，在系统疲劳条件下，单边轨距扩大值不大于3 mm，垂向永久变形小于2 mm，试验前后刚度变化不超过15%，以控制水平不顺性[8]。

(2)在正常工作频率范围内避免共振

当激励频率接近固有频率时，会产生共振现象，导致轨道不稳，轮轨接触力增加大，出现轮轨磨耗、噪声异常、损伤等问题。设计可能发生共振的两个特征频率是扣件通过频率和轨道荷载下频率，更容易发生在低刚度扣件等减振地段，以及车速相对高的地段，应避免共振。

(3)刚性过渡合理

在全列车长的范围内，减振轨道系统刚度引起的钢轨挠度梯度控制在0.3 mm/m以下。以钢弹簧浮置板轨道为例，其隔振器刚度7.8 kN/mm，相邻扣件系统刚度20 kN/mm时，挠度梯度i1=0.27 mm/m；相邻扣件系统扣件刚度60 kN/mm时，钢轨挠度梯度i2=0.31 mm/m，见图9；建议高等级特殊减振前后相邻地段，采用低刚度减振扣件过渡，更有利于提高轨道平顺性。

图9　钢弹簧浮置板刚性过渡

3.3控制全线轨枕间距

地铁扣件间距为625 mm，小半径曲线特殊地段加密至550～600 mm，但在人防门、防淹门及梁缝位置，难以达到要求。国内地铁对扣件最大容许间距无具体规定；日本新干线扣件容许最大间距为725 mm；德国ICE要求轨道下沉量不大于1.5 mm控制[6]。以地铁A型车、最高速度100 km/h，扣件刚度40 kN/mm，计算轨枕间距600 mm时，钢轨横向位移0.821 mm，纵向位移1.067 mm。通过对比不同轨枕间距下位移表明，控制1.5 mm下沉量，考虑适当富余量，轨枕间距局部个别地段建议严格控制800 mm以下，见图10。

图10　不同轨枕间距下钢轨位移对比

3.4降低车内噪声提高乘客舒适度

轨道不平顺，造成车体产生较大的振动加速度，导致车内噪声增加，影响乘客舒适度。特别是在一些城市地铁出现了异常波磨问题，导致轮轨噪声异常的现象，严重影响乘客舒适度。创造低噪声的乘车环境，建立减振降噪环境友好型的地铁已成为轨道交通建设的发展方向。

轨道道床吸声板技术是利用声学上的空腔共振和孔隙吸声的原理，采用优质的低碱普通硅酸盐水泥、吸声陶粒等组成具有一定强度的吸声板，固定在轨道的轨枕或整体道床上，直接吸收与之最接近的轮轨一侧噪声，达到降低轮轨噪声的目的。根据室内混响试验表明，全天候道床吸声板的综合吸声系数高达0.9，技术性能与国外同类产品相当，价格约为国外的1/2，北京、南京、上海铺设应用表明，降噪工程投资降低明显[10]；北京地铁8号线实测表明，吸声板降噪效果为3～5 dB，见图11。

图11　吸声板后轮轨噪声的传播

4结语

轨道的平顺性决定乘客的舒适度，严重不平顺会引起列车脱轨重大事故，危机乘客的生命和财产安全，应引起足够的重视。本文基于地铁轨检波形数据，采用归类方法，分析不同的轨道类型不平顺性特点，提出提高轨道平顺性、舒适性措施及思路。

(1)轨道精密定位的基础控制网技术，可提高轨道铺设精度，控制轨道原始静态不平顺；运营期间，结合实际钢轨磨耗情况，采用钢轨润滑技术，减小轮轨摩擦时滑动阻力，提高平顺性。

(2)减振地段适宜的轨道系统刚度，在正常工作频率范围内避免共振，以及保证在全列车长的范围内，钢轨挠度梯度控制在0.3 mm/m以下。

(3)控制全线轨枕间距不大于800 mm。

(4)采用轨道道床吸声板技术，消除轨道不平顺影响，提高乘客舒适度，建立减振降噪环境友好型的地铁站区环境。

参考文献：

[1]韩清强，武勇.轨道几何形位静态检查原理及应用[J].铁道标准设计，2005(8)：105-106.

[2]杜茂金.轨检车在地铁轨道设备养修中的运用[J].现代城市轨道交通，2009(4)：72-73.

[3]党红玲，黄红东，张大春.轨道工程测控新技术在广州地铁中的应用研究[J].铁道勘察，2013(4)：12-13.

[4]孙家麒.城市轨道交通振动和噪声控制简明手册[M].北京：中国科学技术出版社，2002.

[5]赵国堂.铁路轨道刚度的确定方法[J].中国铁道科学，2005，26(1)：1-6.

[6]田春香，颜华，熊维.关于高速铁路扣件间距的探讨[J].铁道标准设计，2013(8):32-36

[7]李腾万.对北京地铁轮轨磨耗的初步研究[J].地铁与轻轨，1999(1):14-17.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ/T 191—2012浮置板轨道技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[10]北京市劳动保护科学研究所.北京地铁昌八联络线HCM吸声板降噪效果测试报告[R].北京：北京市劳动保护科学研究所，2014.

[11] 北京城建设计研究总院.GB50157—2003地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[12]北京市轨道交通建设管理有限公司，北京交通大学，等.北京轨道交通减少异常波磨的综合减振技术研究中间报告(编号Z101106000410004)[R].北京：北京市轨道交通建设管理有限公司，北京交通大学，等，2011.

Discussion on Track Technical Measures Based on Metro Rail Irregularity Inspection

DING Jing-bo， MA Jia-jun， LIU Ya-hang

(Rail Engineering Design & Research Institute， China Railway Engineering Design & Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：Track irregularity is the root cause for train vibration and the wheel/rail interaction， which imposes great impact on the safety， stability， comfort， service life and environment noise of train operation. This paper， based on the wave data obtained from the track inspection vehicle in terms of the height alignment， track level and gauge-related four irregularities， uses the classification method to analyze the different types of track irregularities and to improve track smoothness and riding comfort measures and concepts. This paper also introduces the track precision positioning based control network technology to improve the initial track smoothness and the rail lubrication technology and analyzes the regularities on anti vibration sections and the sleeper spacing control of the entire line. The application of acoustic panel to eliminate track irregularity， reduce vehicle interior noise and improve passenger riding comfort is illustrated．

Key words：Metro; Track wave; Track structure; Track irregularity; Vibration and noise reduction; Track rigidity; Rail lubrication; Acoustic panel

文章编号：1004-2954(2016)05-0011-04

收稿日期：2015-08-18； 修回日期：2015-10-20

基金项目：宁波地铁轨道交通5号线一期工程减振降噪专题研究([SJ5101]联字(2016)第003号)

作者简介：丁静波(1979—)，男，高级工程师，2002年毕业于西南交通大学土木工程学院，工学学士，E-mail:dingjbo@163.com。

中图分类号：U231+.2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.003