Rheda 2000軌道線形平順性控制方法

曹良華

0 引言

無(wú)碴軌道因軌道穩(wěn)定性、剛度均勻性和耐久性好，線路平順性高，維修工作量顯著減少等突出優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外高速鐵路中的應(yīng)用日益廣泛[1，2]。國(guó)外較為成熟的無(wú)碴軌道按照施工方法可分為現(xiàn)澆的和預(yù)制的;現(xiàn)澆的主要有德國(guó) Rheda 2000及旭普林型無(wú)碴軌道，預(yù)制的主要有德國(guó)博格式軌道板及日本板式無(wú)碴軌道[3]。

高速鐵路的特點(diǎn)是高速度和高密度，其目標(biāo)是高安全性和高乘坐舒適性，因而要求軌道結(jié)構(gòu)必須具備高平順性和高穩(wěn)定性。同時(shí)從運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，高速鐵路也要求軌道結(jié)構(gòu)具備高可靠性和長(zhǎng)壽命。日、法、德、瑞等國(guó)都制定了非常嚴(yán)格的軌道鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)[4，5]。

我國(guó)武廣高鐵全線主要道床結(jié)構(gòu)為德國(guó) Rheda 2000無(wú)碴軌道，最高運(yùn)行時(shí)速達(dá)到 350 km。這樣大范圍的采用無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)在我國(guó)鐵路建設(shè)中尚屬首次，軌道結(jié)構(gòu)線形平順性控制是施工中的關(guān)鍵難題。本文從 Rheda 2000無(wú)碴軌道道床的施工過(guò)程出發(fā)，深入探討如何在施工過(guò)程中把握軌道的幾何狀態(tài)，給后期長(zhǎng)軌高平順性奠定良好的基礎(chǔ)，以達(dá)到 350 km/h的高速要求。

1 Rheda 2000無(wú)碴軌道系統(tǒng)組成及施工工藝

1.1 Rheda 2000無(wú)碴軌道系統(tǒng)組成

Rheda 2000軌道由鋼軌、高彈性扣件、改進(jìn)的帶有桁架鋼筋的雙塊式軌枕、現(xiàn)澆混凝土板和下部支承體系(支承層或者底座)組成[6]，見(jiàn)圖 1。雙塊式軌枕為工廠集中預(yù)制，混凝土采用 C60、鋼筋采用CRB550冷軋帶肋鋼筋。軌道扣件系統(tǒng)采用Vossloh 300-1型扣件，主要由彈條、軌下膠墊、基板、彈性基板、直角導(dǎo)向板、塑料套管、螺栓組成。

1.2 Rheda 2000道床結(jié)構(gòu)施工工藝

雙塊式軌枕施工工藝主要分為三大部分，分別是:高性能混凝土拌制、鋼筋桁架加工、軌枕預(yù)制，見(jiàn)圖 2。

2 Rheda 2000道床結(jié)構(gòu)施工平順性控制要點(diǎn)

2.1 控制網(wǎng)的精度

控制網(wǎng)的精度高低，平順性決定了一條線總體精度。高精度的控制網(wǎng)除了需要嫻熟的技術(shù)人員之外，主要還是取決于環(huán)境、硬件及軟件配置。

2.2 軌道粗調(diào)

軌道粗調(diào)為第一次對(duì)軌道的調(diào)整，是為其他工序的指向，為精調(diào)做好準(zhǔn)備。粗調(diào)的高程以及平面應(yīng)嚴(yán)格控制在偏差 5mm之內(nèi)，超高控制在 2mm之內(nèi)，軌距控制在 1 mm，且每組 12.5m的軌排應(yīng)滿足兩粗調(diào)機(jī)之間的偏差較差小于 3mm。粗調(diào)機(jī)調(diào)整到位之后應(yīng)根據(jù)線路曲線超高來(lái)確定螺桿安放角度，達(dá)到螺桿垂直于地面合理受力。待螺桿均受力的情況下可解除粗調(diào)機(jī)的受力，使螺桿承受軌排的重量。

2.3 軌道精調(diào)

軌道精調(diào)是無(wú)碴軌道施工中非常關(guān)鍵的一道工序，是對(duì)軌道進(jìn)行最后一次檢查，它對(duì)軌道的幾何尺寸最終位置能否達(dá)到設(shè)計(jì)及驗(yàn)標(biāo)的要求起著決定性作用。調(diào)試過(guò)程中要綜合考慮測(cè)量精度誤差、施工影響、環(huán)境影響、操作誤差等因素，并留有一定的富余量(高程、軌距、中線、水平調(diào)試誤差均控制在 0.5mm以內(nèi))，確保澆筑混凝土后滿足精度要求標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，嚴(yán)格控制鋼軌接頭誤差，采用軌頭鉆孔、精調(diào)一遍后上魚(yú)尾板的措施，消除軌排之間的錯(cuò)臺(tái)、錯(cuò)牙，保證線路的平順性。

軌道精調(diào)主要工作內(nèi)容包括:

1)線形資料的準(zhǔn)備。包括平面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、縱斷面設(shè)計(jì)和超高等。

2)螺桿調(diào)節(jié)器安裝檢查。

3)儀器設(shè)備檢查。

4)全站儀校檢及設(shè)站。全站儀設(shè)站點(diǎn)應(yīng)在軌道上，設(shè)站精度應(yīng)符合《客運(yùn)專線無(wú)碴軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定》要求。

3 Rheda 2000道床結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軌平順性控制

3.1 長(zhǎng)軌調(diào)整工藝流程

由于高速鐵路對(duì)軌道平順性的高要求，武廣高鐵采用的鋼軌為 60 kg/m，100m定尺長(zhǎng)，非淬火無(wú)孔長(zhǎng)軌，在現(xiàn)場(chǎng)按照要求焊接成跨區(qū)間無(wú)縫鋼軌。僅靠傳統(tǒng)的弦線道尺是不夠的，在無(wú)縫線路鋪設(shè)完成，長(zhǎng)鋼軌應(yīng)力放散、鎖定后需對(duì)軌道進(jìn)行精調(diào)。

長(zhǎng)軌調(diào)整包括靜態(tài)調(diào)整和動(dòng)態(tài)調(diào)整。靜態(tài)調(diào)整是通過(guò)精調(diào)小車對(duì)軌道進(jìn)行全面、系統(tǒng)地采集，根據(jù)軌道小車靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合傳統(tǒng)工具將軌道幾何尺寸調(diào)整到允許范圍內(nèi)，對(duì)軌道線形(軌向和軌面高程)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。動(dòng)態(tài)調(diào)整是通過(guò)軌道檢測(cè)車對(duì)鋼軌動(dòng)態(tài)檢測(cè)報(bào)告和波形圖的分析，找出影響行車安全和旅客舒適度的區(qū)段，然后借助精調(diào)小車，塞尺，弦線對(duì)軌道進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)，確定調(diào)整位置和調(diào)整量，對(duì)鋼軌進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以達(dá)到軌道狀態(tài)能達(dá)到 350 km/h及以上行車條件。長(zhǎng)軌精調(diào)的工藝流程圖見(jiàn)圖3。

3.2 長(zhǎng)軌靜態(tài)調(diào)整

3.2.1 準(zhǔn)備工作

除鋼軌檢查工作應(yīng)在鋼軌鎖定之后進(jìn)行外，其余準(zhǔn)備工作均可以在長(zhǎng)軌鋪設(shè)前進(jìn)行。主要工作包括:

1)控制點(diǎn) CPⅢ復(fù)測(cè);

2)軌枕編號(hào);

3)測(cè)量?jī)x器檢定;

4)鋼軌以及軌枕檢查等。

其中，控制點(diǎn)CPⅢ復(fù)測(cè)包括平面網(wǎng)復(fù)測(cè)和高程復(fù)測(cè)。CPⅢ平面復(fù)測(cè)控制網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)應(yīng)與原測(cè)網(wǎng)一致，采用自由設(shè)站交會(huì)網(wǎng)的方法測(cè)量。CPⅢ控制點(diǎn)高程復(fù)測(cè)觀測(cè)應(yīng)在 CPⅢ平面復(fù)測(cè)觀測(cè)完成后進(jìn)行，并起閉于與原測(cè)相同的二等水準(zhǔn)基點(diǎn)。CPⅢ高程復(fù)測(cè)應(yīng)按《客運(yùn)專線無(wú)碴軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定》第 4.1節(jié)有關(guān)精密水準(zhǔn)測(cè)量要求施測(cè)。復(fù)測(cè)成果各項(xiàng)精度指標(biāo)滿足 CPⅢ精度要求時(shí)，宜采用復(fù)測(cè)成果進(jìn)行長(zhǎng)軌精調(diào)作業(yè)。

鋼軌以及軌枕檢查的重點(diǎn)是彈條扣緊，軌頭狀態(tài)。具體檢查指標(biāo)見(jiàn)表 1，表 2。

表1 焊縫檢查指標(biāo) mm

3.2.2 軌道靜態(tài)測(cè)量

1)以調(diào)整相對(duì)精度和平順性為主，相對(duì)精度必須滿足規(guī)范要求(或建議參考標(biāo)準(zhǔn))，平順性滿足表 3要求。

2)絕對(duì)精度為中線 ±10mm，高程 +4mm，-6mm，一般均能滿足規(guī)范要求，在長(zhǎng)軌精調(diào)階段幾乎不受控。

3)應(yīng)堅(jiān)持以軌道平順性為核心的理念，即軌道線形調(diào)整，除按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行外還應(yīng)參考表 4進(jìn)行調(diào)整。

4)軌道橫向調(diào)整量不應(yīng)超過(guò) ±6mm，調(diào)整量超過(guò) ±6mm處應(yīng)及時(shí)處理。

表2 扣件檢查指標(biāo)

表3 軌道狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)

表4 軌道變化率

3.2.3 長(zhǎng)軌靜態(tài)調(diào)整件更換

確認(rèn)了調(diào)整范圍以及調(diào)整件規(guī)格后，根據(jù)軟件生成的對(duì)每根軌枕的調(diào)整量，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整件更換。為防止溫度超出常溫或者鎖定溫度致使每個(gè)調(diào)整段內(nèi)部形成應(yīng)力，調(diào)整工作應(yīng)盡量選擇在接近長(zhǎng)軌鎖定溫度進(jìn)行。

現(xiàn)場(chǎng)按照順序依次拆除，清除積灰，選擇合適的調(diào)整件進(jìn)行更換。調(diào)整軌向時(shí)一次松開(kāi) 3對(duì)鋼軌扣件;如果為一段超過(guò) 3對(duì)扣件的連續(xù)區(qū)域，要求將其分成多個(gè)區(qū)段，按照要求進(jìn)行松除并更換。調(diào)整鋼軌高度時(shí)，使用千斤頂抬升鋼軌，使軌底空隙足以更換中間墊片。道岔調(diào)整堅(jiān)持以直股為主的原則，調(diào)整后的道岔各項(xiàng)幾何尺寸、平順性指標(biāo)必須滿足要求。

一階段調(diào)整件更換完畢后應(yīng)對(duì)該段區(qū)域及其前后 10m段使用精調(diào)小車進(jìn)行復(fù)測(cè)，如經(jīng)過(guò)分析后確定為不合格則重復(fù)上述步驟，如合格則進(jìn)入下一步。

3.3 長(zhǎng)軌動(dòng)態(tài)調(diào)整

3.3.1 檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法

靜態(tài)調(diào)整結(jié)束之后，采用動(dòng)態(tài)檢測(cè)列車對(duì)軌道進(jìn)行動(dòng)態(tài)的檢查與測(cè)試，目的是為了保證列車行進(jìn)時(shí)軌道的平順性。軌道動(dòng)態(tài)檢查是鐵路軌道檢查病害、指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修、保障行車安全的重要手段。目前，高速線路軌道動(dòng)態(tài)檢查以綜合檢測(cè)車(動(dòng)檢車)、軌檢車、車載儀及便攜式添乘儀等檢測(cè)設(shè)備為主。一般情況下先使用速度較低的軌檢車對(duì)線路進(jìn)行檢查，根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行線路整改，線路基本具備高速行車的時(shí)候再使用高速的動(dòng)態(tài)檢測(cè)車對(duì)線路進(jìn)行檢查，對(duì)軌道進(jìn)行最終優(yōu)化。

中國(guó)鐵路現(xiàn)役軌檢車的高低和軌向檢測(cè)項(xiàng)目均采用慣性基準(zhǔn)測(cè)量方法。檢測(cè)項(xiàng)目主要包括:軌道幾何參數(shù)、車體加速度參數(shù)、鋼軌斷面參數(shù)等。軌道狀態(tài)波形圖是軌檢車提供的重要檢測(cè)資料之一，能夠直觀地反映出各主要檢測(cè)項(xiàng)目超限幅值的大小及病害分布的狀況。軌檢車的檢測(cè)結(jié)果包括Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)超限報(bào)告表、曲線摘要報(bào)告表、公里小結(jié)報(bào)告表、區(qū)段總結(jié)報(bào)告表、軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)報(bào)告表等。

綜合檢測(cè)車(動(dòng)檢車)在軌檢車檢測(cè)的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)長(zhǎng)波不平順(70m波長(zhǎng)高低、軌向檢測(cè))、輪軌作用力(動(dòng)力學(xué)指標(biāo))、三率(曲率變化率、軌距變化率、橫加變化率)等項(xiàng)目的檢測(cè)。

3.3.2 軌道動(dòng)態(tài)局部不平順?lè)治黾罢{(diào)整

軌道局部不平順是指軌道存在局部缺陷，可分為短波不平順和長(zhǎng)波不平順兩種。主要包括:

1)軌道檢測(cè)報(bào)告中Ⅰ級(jí) ～Ⅳ級(jí)偏差;

2)軌道檢測(cè)波形圖中突變點(diǎn);

3)動(dòng)力學(xué)檢測(cè)指標(biāo)超限點(diǎn);

4)動(dòng)車添乘明顯晃車處所。

以下三類軌道局部不平順現(xiàn)象應(yīng)予特別重視:

1)周期性連續(xù)三波及多波的軌道不平順中，軌向、水平、高低不平順;

2)2m以內(nèi)短波不平順;

3)軌向、水平逆向復(fù)合不平順。這三類軌道不平順的共同特點(diǎn)是，連續(xù)性的多波不平順容易引發(fā)激振，有導(dǎo)致脫軌系數(shù)增大、行車嚴(yán)重不平穩(wěn)甚至脫線的危險(xiǎn)。周期性的連續(xù)不平順引發(fā)共振的危險(xiǎn)性更大。軌向、水平逆向復(fù)合不平順，有反超高的特征。這類不平順可能是脫軌事故的主要誘因。

20m及以下的短波不平順對(duì)超限點(diǎn)前后各 50m范圍內(nèi)均需要檢查，可采用道尺、弦線、1m直鋼尺等傳統(tǒng)測(cè)量工具進(jìn)行檢查確認(rèn)后進(jìn)行調(diào)整件更換。如:三角坑、水平、軌距、高低、軌向的短波不平順，動(dòng)力學(xué)指標(biāo)超限點(diǎn)等。20m及以上長(zhǎng)波不平順以及復(fù)合不平順應(yīng)采用軌道小車測(cè)量后進(jìn)行重點(diǎn)和針對(duì)性調(diào)整。減載率是動(dòng)力學(xué)檢測(cè)直接衡量行車安全的主要指標(biāo)之一，導(dǎo)致減載率超標(biāo)的主要原因是局部短波不平順(波長(zhǎng) 0.1m～3.0m，波幅0.5mm～1.0mm)，直接原因主要表現(xiàn)為接頭平順性不良或扣件缺陷，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)報(bào)告的里程到現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)檢查，及時(shí)處理。

3.3.3 軌道區(qū)段整體不平順?lè)治黾罢{(diào)整

軌道整體不平順是指軌道整體平順性不良，軌道各項(xiàng)幾何參數(shù)均存在不同程度偏差。對(duì)軌道的線路整體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)通過(guò)采用軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)進(jìn)行評(píng)定。軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)是反映軌道不平順質(zhì)量狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)特征值。值越小，軌道平順性越好。

將線路劃分為 200 m一個(gè)單元區(qū)段，檢測(cè)軌距、軌向(左，右)、高低(左，右)、水平及三角坑七項(xiàng)不平順參數(shù)，每單元區(qū)段每單項(xiàng)采集 800個(gè)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得出標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)特征值，以單項(xiàng)或七項(xiàng)和來(lái)表示軌道幾何不平順狀態(tài)的程度。TQI計(jì)算公式如下:

其中，σi為各項(xiàng)幾何偏差的標(biāo)準(zhǔn)差，i=1，2，3，4，5，6，7;分別為:左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑;xy為在200m單元區(qū)域中各項(xiàng)幾何偏差的幅值;j=1，2，…，n;n為采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)(200m單元區(qū)段中 n=800)。

軌道狀態(tài)圖是將線路上 TQI數(shù)據(jù)(或單項(xiàng)指數(shù))以直方圖的形式表示出來(lái)而得到的，如圖 4所示。圖中橫坐標(biāo)表示單元區(qū)段的位置，縱坐標(biāo)表示 TQI數(shù)值的大小，從軌道狀態(tài)圖可直觀地看出軌道狀態(tài)的好壞，便于進(jìn)行質(zhì)量控制。

武廣線的 TQI管理值平均小于 3.6。根據(jù)動(dòng)車的 TQI值，找到與之代表的區(qū)域波形圖，將該段波形圖內(nèi)幅值較大的在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查并處理，以達(dá)到 TQI＜3.6。

4 結(jié)語(yǔ)

1)高速鐵路對(duì)軌道平順性的要求很高，因此在無(wú)縫線路鋪設(shè)完成，長(zhǎng)鋼軌應(yīng)力放散、鎖定后需對(duì)軌道進(jìn)行精調(diào)。2)通過(guò)精調(diào)小車對(duì)軌道進(jìn)行全面、系統(tǒng)地采集，根據(jù)軌道小車靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合傳統(tǒng)工具將軌道幾何尺寸調(diào)整到允許范圍內(nèi)，對(duì)軌道線形(軌向和軌面高程)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以達(dá)到長(zhǎng)軌靜態(tài)調(diào)整。3)通過(guò)軌道檢測(cè)車對(duì)鋼軌動(dòng)態(tài)檢測(cè)報(bào)告和波形圖的分析，找出影響行車安全和旅客舒適度的區(qū)段，然后借助精調(diào)小車，塞尺，弦線對(duì)軌道進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)，確定調(diào)整位置和調(diào)整量，對(duì)鋼軌進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以滿足高平順性要求。

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