高速鐵路高架橋無(wú)縫道岔“渭南模式”的試驗(yàn)研究

蔣金洲，魏周春，梁 晨，徐玉坡，李 偉，于 鵬，王 猛

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

高速鐵路高架橋無(wú)縫道岔不僅承受鋼軌溫度力的作用，還承受橋梁和道岔鋼軌件之間的相互作用，同時(shí)還需滿足動(dòng)車組安全、高速、平順通過(guò)的要求。又由于高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間不能上道檢修，因此要求高速鐵路高架橋無(wú)縫道岔具備足夠的安全、舒適和穩(wěn)定可靠性。

1 高架橋無(wú)縫道岔“渭南模式”的要素

高速鐵路高架橋無(wú)縫道岔“渭南模式”有以下5個(gè)要素。

1.1 無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)

1)總體技術(shù)要求:道岔采用高速18號(hào)無(wú)砟軌道道岔，鋪設(shè)時(shí)一次焊聯(lián)成無(wú)縫道岔。道岔的制造、鋪設(shè)和驗(yàn)收滿足相關(guān)技術(shù)要求。

渭南北站采用了時(shí)速350 km，60 kg/m，18號(hào)無(wú)砟軌道道岔，道岔全長(zhǎng) 69 m，前長(zhǎng) 31.729 m，后長(zhǎng)37.271 m，導(dǎo)曲線半徑為1 100 m。道岔允許直向通過(guò)速度為350 km/h，側(cè)向允許通過(guò)設(shè)計(jì)速度為80 km/h。

2)轍叉結(jié)構(gòu):可動(dòng)心軌轍叉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，轍叉鋼軌件之間、翼軌與鋼軌之間采用多組間隔鐵牢固連接。

渭南北站道岔的可動(dòng)心軌轍叉采用高錳鋼整鑄翼軌，由前端60 kg/m鋼軌、中間部位的鑄造翼軌和后端的軋制特種斷面翼軌閃光焊接而成。其使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，安全可靠，方便轉(zhuǎn)換鎖閉裝置的安裝和運(yùn)動(dòng)。長(zhǎng)、短心軌及叉跟尖軌采用60D40制造，短心軌后端為滑動(dòng)端，短心軌尖端嵌入長(zhǎng)心軌，心軌跟端和尖軌跟端一樣鍛壓加工為60 kg/m鋼軌標(biāo)準(zhǔn)斷面。長(zhǎng)短心軌采用哈克螺栓聯(lián)結(jié)，以保證其整體穩(wěn)定性。

3)尖軌跟端結(jié)構(gòu):道岔尖軌跟端不設(shè)限位器或間隔鐵等傳力結(jié)構(gòu)。渭南北站橋上道岔尖軌跟端不設(shè)限位器。

4)道岔范圍內(nèi)扣件:道岔內(nèi)部采用大阻力扣件，扣件阻力超過(guò)13 kN/m/軌。渭南北站橋上道岔內(nèi)扣件采用 Vossol-300W型扣件，扣件縱向阻力為15 kN/m/軌。

1.2 道岔梁

道岔梁采用雙線箱型、多跨混凝土連續(xù)梁，最大跨度不超過(guò)56 m、最大溫度跨不超過(guò)134 m;在咽喉區(qū)可采用四線變寬梁;道岔梁采用多聯(lián)的混凝土連續(xù)梁時(shí)，連續(xù)梁之間設(shè)置2～3孔簡(jiǎn)支梁，橋梁撓跨比滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

1.3 無(wú)縫道岔布置

如圖1，無(wú)縫道岔應(yīng)盡可能整組布置在一聯(lián)梁上，且尖軌尖端、心軌跟端都應(yīng)離開(kāi)梁端至少18 m(下稱“18 m規(guī)則”);困難條件下，轉(zhuǎn)轍器和轍叉可分別設(shè)置于一聯(lián)梁上，除心軌尖端同樣應(yīng)滿足18 m規(guī)則外，還應(yīng)使尖軌跟端離開(kāi)梁端至少40 m。

圖1 高速鐵路高架橋無(wú)縫道岔布置要求

圖2 高架橋1#和3#岔位布置

圖3 高架橋5#和7#岔位布置

如圖2、圖3，渭南北站1#和3#無(wú)縫道岔為渡線道岔，位于(30.2+48.0+56.0+48.0+30.2)m雙線連續(xù)梁上，該道岔梁溫度跨為134 m，1#和3#岔位尖軌尖端距最近的梁縫距離分別為26.156 m和34.696 m，均滿足18 m規(guī)則;5#和7#無(wú)縫道岔側(cè)線為到發(fā)線，位于(30.7+48.0+33.0)m變寬連續(xù)梁上，該道岔梁溫度跨為81 m，尖軌尖端距離梁縫23.636 m，心軌跟端距離梁縫19.086 m，均滿足18 m規(guī)則。梁道岔梁之間為3孔24.7 m雙線簡(jiǎn)支箱梁。

1.4 高架橋軌下基礎(chǔ)

1)道岔軌下基礎(chǔ):道岔軌下基礎(chǔ)采用長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道或道岔板無(wú)砟軌道，底座與橋梁牢固連接，道床板或道岔板與底座設(shè)置縱橫向限位裝置，使無(wú)縫道岔傳遞下來(lái)的荷載通過(guò)無(wú)砟軌道和底座再傳遞給橋梁結(jié)構(gòu)。

鄭西客運(yùn)專線渭南北站高架橋無(wú)縫道岔采用長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道，底座采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與橋梁結(jié)構(gòu)連接，將由道床板傳遞下來(lái)的荷載傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)。道床板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按照道岔的所有靈敏機(jī)械設(shè)備都在同一塊道床板上的原則，岔區(qū)道床板采用長(zhǎng)板結(jié)構(gòu)，每塊板長(zhǎng)20～30 m不等。如圖4道床板設(shè)置縱向貫通凸臺(tái)，限制道床板橫向位移;道床板中部設(shè)置數(shù)道橫向貫通凸臺(tái)板約束道床板縱向位移。道床板與底座板之間鋪設(shè)隔離層，以減少道床板兩端由收縮和溫度變形引起的約束。

2)道岔相鄰無(wú)縫線路軌下基礎(chǔ):道岔相鄰無(wú)縫線路采用CRTSⅡ型或CRTSⅢ型無(wú)砟軌道。鄭西客運(yùn)專線渭南北站高架橋道岔范圍外鋪設(shè)CRTSⅡ型無(wú)砟軌道。

1.5 無(wú)縫道岔相鄰的無(wú)縫線路

1)高架橋無(wú)縫道岔與左右相鄰無(wú)縫線路一次焊聯(lián)，左右相鄰的無(wú)縫線路軌條長(zhǎng)度至少250 m。

2)相鄰的無(wú)縫線路采用60 kg/m、鋼軌強(qiáng)度等級(jí)在880 MPa以上，扣件阻力超過(guò)13 kN/m/軌。

3)最大溫升幅度、最大溫降幅度均不超過(guò)50℃。鄭西客運(yùn)專線一次鋪設(shè)60 kg/m鋼軌跨區(qū)間無(wú)縫線路，鋼軌鋼種為U71Mn(K)，其強(qiáng)度等級(jí)為880 MPa，無(wú)縫線路鎖定軌溫為(23±5)℃，渭南地區(qū)最高軌溫62.2℃，最低軌溫為 -16.7℃，最大溫升及最大溫降均為45℃。區(qū)間扣件采用 WJ-8型扣件，扣件支點(diǎn)間距為650 mm，線路縱向阻力為14 kN/m/軌。

圖4 道岔道床板限位裝置

2 高速鐵路軌道狀態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

高速鐵路軌道狀態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以達(dá)到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的目的。該系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心3大子系統(tǒng)構(gòu)成。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集部分由布置于軌道現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、數(shù)據(jù)解調(diào)儀和工控機(jī)、電源組成。傳感器采用光柵傳感器，用于測(cè)試鋼軌溫度力、鋼軌爬行、梁縫變化、軌溫和氣溫;數(shù)據(jù)解調(diào)儀采用光柵解調(diào)設(shè)備，工控機(jī)用于數(shù)據(jù)處理;電源采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)或架設(shè)有線電源。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸部分由設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)的3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊、發(fā)射天線、Internet公網(wǎng)組成。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心由海量服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集和管理軟件、終端設(shè)備組成。

數(shù)據(jù)流程為:軌道現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)解調(diào)儀采集了傳感器的數(shù)據(jù)后傳送給工控機(jī)管理，工控機(jī)通過(guò)管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并送至現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)器和3G網(wǎng)絡(luò)模塊;工控機(jī)管理軟件通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)按服務(wù)器IP地址發(fā)送至 Internet網(wǎng);服務(wù)器管理軟件實(shí)時(shí)從 Internet網(wǎng)中采集指定的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)還原成工程量并進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)將數(shù)據(jù)送往終端。服務(wù)器管理軟件具有顯示、查詢、自動(dòng)判定超限值的功能。

因此，無(wú)論何時(shí)何地只要有授權(quán)終端，就能通過(guò)Internet網(wǎng)訪問(wèn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)曲線的在線顯示、查詢、下載等操作。

2.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

軌道狀態(tài)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

3 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果

應(yīng)用軌道狀態(tài)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)鄭西客運(yùn)專線渭南北站高架橋3#和5#無(wú)縫道岔進(jìn)行了軌溫、環(huán)境溫度、梁縫變化、梁縫相錯(cuò)量、鋼軌縱向位移、鋼軌溫度力等參數(shù)監(jiān)測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)均從遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器得到，測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)間從2010年1月14日開(kāi)始，截止到2010年8月1日，記錄的時(shí)間坐標(biāo)精確到每日每時(shí)每秒。

表1 軌道狀態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo)

3.1 軌溫及環(huán)境溫度

3#、5#道岔軌溫與環(huán)境溫度關(guān)系如圖5所示，測(cè)試結(jié)果如下:

1)同一時(shí)刻內(nèi)3#道岔和5#道岔軌溫基本相同，軌溫和環(huán)境溫度隨著時(shí)間而發(fā)生變化，變化趨勢(shì)基本相同。

2)2010年1月中旬，3#、5#道岔軌溫和環(huán)境溫度均達(dá)到最低值。軌溫最低值出現(xiàn)在1月14日早上7:30—8:00，為-7.4℃，此時(shí)環(huán)境溫度為 -5℃。環(huán)境溫度最低值出現(xiàn)在該日早上6:30，其值為-5.9℃，此時(shí)軌溫為-7℃。

3)2010年6月下旬，3#、5#道岔軌溫和環(huán)境溫度均達(dá)到最高值。軌溫最高值出現(xiàn)在6月21日和22日的14:30—15:30，為49.9℃，此時(shí)環(huán)境溫度為37.9℃，軌溫最大值比環(huán)境溫度高出12℃。環(huán)境溫度最高值出現(xiàn)在6月20日15:45，其值為41.6℃，此時(shí)的軌溫為49.2℃，軌溫比環(huán)境溫度高出7.6℃。

3.2 位移

圖5 軌溫與環(huán)境溫度分布(2010.1—2010.8)

測(cè)得2010年1月—2010年8月期間，轍叉相對(duì)軌道板縱向位移最大值:3#岔為2.7 mm，5#岔為2.0 mm;岔前基本軌相對(duì)軌道板位移最大值:3#岔為2.4 mm，5#岔為3.8 mm;岔后基本軌相對(duì)軌道板位移最大值:3#岔為0.8 mm，5#岔為1.4 mm。測(cè)得3#道岔梁梁縫變化最大為32.3 mm(溫度跨134 m)、5#道岔梁梁縫變化最大19.9 mm(溫度跨81 m)。測(cè)得梁縫相錯(cuò)量最大為1.8 mm，出現(xiàn)在2010年7月15日13:15，該值直接影響3#道岔岔前軌道橫向平順度。道岔轍叉鋼軌縱向位移、梁縫變化量隨時(shí)間的分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 轍叉縱向位移(相對(duì)軌道板)分布(2010.1—2010.8)

圖7 道岔梁梁縫變化分布(2010.1—2010.8)

3.3 鋼軌溫度力

測(cè)得2010年1月—2010年8月間134 m溫度跨(3#岔位)的道岔梁梁縫處無(wú)縫線路鋼軌附加力最大不超過(guò)200 kN，約合10℃的溫度力。冬季和夏季養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，道岔梁梁端無(wú)縫線路可按10℃附加力進(jìn)行作業(yè)。3#岔位基本軌在梁縫處鋼軌溫度力時(shí)間歷程曲線如圖8所示，其中“+”表示溫度力為拉力，“-”表示溫度力為壓力。

4 動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試目的

1)進(jìn)行逐級(jí)提速試驗(yàn)，考核動(dòng)車組直向和側(cè)向通過(guò)鄭西客運(yùn)專線高架橋無(wú)砟軌道可動(dòng)心軌道岔(3#和5#岔位)的安全性和平穩(wěn)性。

2)驗(yàn)證60D40尖軌、高錳鋼整鑄翼軌、扣件系統(tǒng)、岔枕、轉(zhuǎn)換和鎖閉裝置等關(guān)鍵部件在高速行車條件下的適應(yīng)性。

圖8 3#道岔梁縫處鋼軌溫度力分布(2010.1—2010.8)

3)驗(yàn)證道岔軌道剛度的合理性、岔區(qū)軌道剛度的均勻性、道岔前后軌道剛度過(guò)渡的平順性。

4)掌握動(dòng)車組各級(jí)速度通過(guò)道岔梁時(shí)梁的動(dòng)撓度規(guī)律，并評(píng)價(jià)道岔梁的剛度。

4.2 測(cè)試結(jié)果

1)動(dòng)車組直側(cè)向通過(guò)被測(cè)道岔時(shí)，脫軌系數(shù)最大值0.73，減載率最大值 0.41，輪軸橫向力最大值28.27 kN，分別小于動(dòng)車組限值。

2)動(dòng)車組直向通過(guò)道岔時(shí)，尖軌開(kāi)口量最大值0.47 mm，＜4.00 mm限值;動(dòng)車組側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)，尖軌開(kāi)口量最大值1.3 mm，＜4.0 mm限值。

3)動(dòng)車組直向通過(guò)18號(hào)道岔時(shí)，直尖軌頂寬20 mm斷面開(kāi)始承受垂直力、50 mm斷面承受大約85%的垂直力，輪軌垂直力的過(guò)渡主要在直尖軌頂寬20～50 mm間完成，且動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等值均小于限值，能夠滿足列車安全平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

4)動(dòng)車組直向通過(guò)18號(hào)道岔時(shí)，岔區(qū)范圍內(nèi)鋼軌垂向位移平均值在0.42～0.77 mm之間，各測(cè)點(diǎn)鋼軌垂向位移平均值為0.58 mm，區(qū)間軌道處鋼軌垂向位移平均值為0.53～0.56 mm之間，岔區(qū)軌道和區(qū)間軌道鋼軌垂向位移較一致，與區(qū)間軌道的剛度過(guò)渡性能良好。

5)實(shí)測(cè)動(dòng)車組直向、側(cè)向通過(guò)18號(hào)道岔時(shí)，道岔振動(dòng)加速度最大為17.9 g，小于允許值21.0 g。

6)轉(zhuǎn)換設(shè)備工作狀態(tài)良好，信號(hào)表示功能正常，轉(zhuǎn)換設(shè)備能夠滿足動(dòng)車組安全平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

7)直向全線拉通試驗(yàn)時(shí)，脫軌系數(shù)、減載率、輪軸橫向力均小于動(dòng)車組限值。動(dòng)車組側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)，脫軌系數(shù)、減載率、輪軸橫向力均小于限值。車體橫向、垂向加速度均沒(méi)有大于III級(jí)超限值，滿足要求。

8)動(dòng)車組通過(guò)3#和5#道岔時(shí)，實(shí)測(cè)道岔梁梁端梁軌縱向位移最大為0.105 mm;道岔梁梁面振動(dòng)加速度最大為0.156 m/s2，遠(yuǎn)小于允許值5 m/s2;實(shí)測(cè)道岔梁動(dòng)撓度值與動(dòng)車組速度沒(méi)有明顯關(guān)系，動(dòng)撓度在0.364～0.510 mm之間，最大值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許值［f］(［f］=28 mm)，說(shuō)明道岔梁動(dòng)剛度具有較大的富余量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鄭西客運(yùn)專線渭南北站橋上無(wú)縫道岔進(jìn)行軌道狀態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和動(dòng)車組通過(guò)時(shí)的動(dòng)力特性測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果可以看出:高架橋無(wú)縫道岔布置的“18 m規(guī)則”是科學(xué)的，高架橋無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)參數(shù)合理，道岔梁動(dòng)撓度較小，道岔梁動(dòng)剛度具有較大的富余量，橋上高速18號(hào)道岔部件變形、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均能滿足動(dòng)車組直向350 km/h，側(cè)向80 km/h安全及平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

綜上所述，渭南模式的高架橋無(wú)縫道岔在其范圍內(nèi)岔梁相互作用不明顯，道岔外鋼軌附加力對(duì)道岔的影響可忽略，道岔鋼軌件之間的相互作用也可忽略，橋上無(wú)縫道岔范圍內(nèi)能按路基無(wú)縫道岔的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，且在冬季和夏季養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，道岔梁梁端無(wú)縫線路可按10℃附加力進(jìn)行作業(yè)。因此，高速鐵路高架橋無(wú)縫道岔渭南模式值得推廣應(yīng)用。

［1］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.鄭西客運(yùn)專線新渭南站橋上無(wú)縫道岔試驗(yàn)研究［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2010.

［2］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京交通大學(xué).新渭南高架站無(wú)縫線路道岔群設(shè)計(jì)研究(報(bào)告一)［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，2010.