陳 麟
(中鐵五局集團有限公司,長沙 410117)
哈大鐵路客運專線TJ-1標軌道精調綜述
陳 麟
(中鐵五局集團有限公司,長沙 410117)
以哈大鐵路客運專線DK218+175~DK233+033段軌道精調施工為實例,介紹國內首次在寒冷地區(qū)高速鐵路全面使用CRTS-Ⅰ型板式無砟軌道精調施工的主要手段和方法,并對遇到的問題及其原因進行分析。最后,結合中國鐵道科學院的《沈陽局范圍動態(tài)檢測報告》對哈大客運專線TJ-1標的軌道精調質量進行綜合評述。
哈大鐵路客運專線;軌道精調;綜合評述
哈大鐵路客運專線南起大連,經沈陽、長春直達終點哈爾濱,全長904 km,基礎設施按350 km/h設計及施工,在“四縱四橫”客運專線網中,是京哈客運專線的重要組成部分。
TJ-1標段中鐵五局施工管段起訖里程為DK185+275~DK233+011(長鏈581.754 m),長度47.154 km(靜態(tài)精調時用的“DK”里程,動態(tài)精調時用的是統(tǒng)一“K”里程,換算后的統(tǒng)一里程范圍為K191+965.939~K239+120.535);管內橋梁長度43.66 km,占92.6%,路基3.46 km(含營口、蓋州中間站),占7.4%。其中營口站路基位于深厚松軟土及軟土地基,采用CFG樁板復合地基加固措施。
哈大鐵路客運專線采用CRTS-Ⅰ型板式無砟軌道,是國內高速鐵路建設以來,首次全線采用這種結構形式的無砟軌道。管內于2009年9月進行無砟軌道底座板的施工開始,至2012年4月完成(扣除3個冬休期9個月,實際施工時間18個月),其間經歷了無砟軌道的施工(無砟軌道底座、鋪板、鋪軌、鋪岔、橋面系、綜合接地、聲屏障、各專業(yè)接口工程、安全設施、綠化等同步或交叉進行),靜態(tài)精調,問題整改,靜態(tài)驗收。經6個月動態(tài)聯(lián)調聯(lián)試、動態(tài)驗收和試運行之后,最終于2012年12月26日正式開通運營。
2.1 軌道鋪設和驗收標準
(1)鐵科技[2009]212號《鐵路客運專線技術管理辦法(試行)》;
(2)鐵建設[2010]241號《高速鐵路軌道工程施工技術指南》;
(3)TB10754—2010《高速鐵路軌道工程質量驗收標準》;
(4)鐵建設[2012]107號《高速鐵路竣工驗收辦法》;
(5)鐵建設[2010]214號《高速鐵路工程動態(tài)驗收指導意見》;
(6)《哈大客運專線聯(lián)調聯(lián)試及動態(tài)檢測大綱》及鐵建設函[2012]400號批復。
2.2 靜態(tài)精調
軌道精調所使用的設備主要是:全站儀、水準儀、GRP1000軌檢小車、電子道尺、液壓起道機、扭矩扳手、電動扳手、弦線(30 m以上)、塞尺、軌距拉桿(或撐)、撬棍、鋼尺以及發(fā)電機等。
CRTS-I型板式無砟軌道采用WJ-7B扣件系統(tǒng),其組裝結構如圖1所示。而表1則是哈大客運專線無砟軌道的鋪設標準。
項目軌距軌向高低水平扭曲與設計高程偏差與設計中線偏差容許偏差±1mm1/15002mm2mm/測點間距8a10mm/測點間距240a2mm2mm/測點間距8a10mm/測點間距240a2mm2mm10mm10mm備注相對于標準軌距1435mm變化率弦長10m基線長48a(m)基線長480a(m)弦長10m基線長48a(m)基線長480a(m)不包含曲線、緩和曲線上的超高值基線長3m包含緩和曲線上用于超高順坡所造成的扭曲量站臺處的軌面高程不應低于設計值
注:表中a為扣件節(jié)點間距。
軌道鋪設完成并鎖定后,根據軌檢結果對軌道進行打磨(對鋼軌的初始不平順以及焊接接頭進行打磨處理)。然后在CPIII控制網復測并評估通過的基礎上,按表1精度標準對軌道進行精調。精調時先調整基本軌的平面位置和高程,確?;拒壾壪蚝透叩推巾樞灾笜朔暇纫蟛⒐潭ê螅僬{整對應的另一側鋼軌的平面位置和高程,使軌距和水平(超高)平順性指標達到表1精度要求,無砟軌道調整工藝流程如圖2所示。
圖2 無砟軌道調整工藝流程
2.2.1 軌檢小車復測軌道線形
(1)在GRP1000軌檢小車測量之前,將CPⅢ網測量成果及無砟軌道線形數(shù)據輸入軌檢小車系統(tǒng)軟件。
(2)軌檢小車與全站儀按“全站儀自由設站,后方交會法”測量。全站儀架設在線路中線上,通過后視線路兩側6~8個CPⅢ控制點進行自由設站,設站時需測量設站所用的一個控制點對全站儀的設站進行檢核,偏差應在1 mm以內;設站完成后觀測軌檢車上的棱鏡,將全站儀測量數(shù)據傳遞給軌檢小車。
(3)軌檢小車測量時,一次設站觀測距離宜為5~80 m。采用軌檢小車檢測數(shù)據原則根據軌道扣件逐個節(jié)點連續(xù)測量。前后兩次測量的搭接長度不小于20 m。同一點不同測站的測量數(shù)據不超過1 mm。為保證外業(yè)數(shù)據的真實可靠,軌檢小車外業(yè)采集數(shù)據應在陰天或夜間進行。作業(yè)環(huán)境溫度在-10~+40 ℃,風速≤3級的環(huán)境內作業(yè)。
(4)測量時,按每塊軌道板扣件節(jié)點位置測量完成后,軌檢小車系統(tǒng)可自動生成測量成果報表,該報表能反映每個測量點的絕對坐標(豎向、橫向)、軌距、水平及方向、高低長短波與設計數(shù)據的差值。
2.2.2 內業(yè)測量數(shù)據處理的原則
(1)以調整相對精度和平順性為主,相對精度必須滿足規(guī)范要求。
(2)絕對精度為中線±10 mm,高程±10 mm。因軌道板制作及鋪設控制精度高,所以一般均能滿足規(guī)范要求,在長軌精調階段幾乎不受控。
(3)以軌道平順性為調整核心。即軌道線形調整,除按照標準執(zhí)行外還應按照表2的平順性指標進行考核。
表2 軌道平順性指標
(4)軌道橫向調整量不得超過±6 mm,對調整量超過±6 mm的處所應及時分析并處理。
2.2.3 現(xiàn)場調整情況
因篇幅所限,現(xiàn)僅以DK219+600~DK220+000段右線為例介紹如下。
(1)基準軌的確定和軌道精調順序
軌道精調作業(yè)應先確定基準軌,曲線地段軌向以外軌為基準軌,直線地段以測量前方曲線外軌為基準軌。精調時先調基準軌軌向和另一軌的高低,再調兩根軌的軌距和水平。
由調整量表在現(xiàn)場對應位置標記基準軌調整量(方向、高低),通過更換軌距塊和(或)移動軌下鐵墊板來實現(xiàn)軌距、軌向調整;使用軌下調高墊板、鐵墊板下調高墊板、絕緣緩沖墊板調整軌道高低,然后用電子道尺檢查水平,調整后的軌道水平應滿足軌距±1 mm、水平±1 mm。
調整時應先固定基準軌不動,作為參照,通過道尺檢查調整點位的軌距、水平相對關系,確定調整后的軌距、水平相對數(shù)據,再進行相應調整。
上述作業(yè)均按“先軌向,后軌距;先高低,后水平”的順序進行精調作業(yè)。
(2)循環(huán)調整
影響軌道平順性的因素眾多,而且多種影響因素相互重疊、耦合,致使軌道精調都要經過多次反復,才能達到標準要求。如圖3所示,基本上經過約3次調整后才使軌道平順性的各項指標達到要求。
圖3 哈大客運專線TJ-1標DK219+600~DK220+000段軌道精調
(3)軌道形位的復測
每次現(xiàn)場調整完成后,及時用軌檢小車復測軌道線形,并重復上述數(shù)據評估、調整量計算、現(xiàn)場調整和軌道線形復測的工作,直到軌道線形數(shù)據達到合格要求。
通常無砟軌道的調整工作需要重復3~4個循環(huán),每次循環(huán)的調整量會越來越少。
(4)調整中的扣件使用及軌道平順性情況
從圖4可知,第1次至第3次軌道精調使用的各種調高墊板耗用大約是72∶23∶5。
圖4 歷次墊板使用統(tǒng)計
圖5則說明經過靜態(tài)精調后的軌道平順性已經滿足了表1和表2有關軌道平順性指標的要求。
圖5 精調后軌道長短波不平順波形
2.3 動態(tài)精調
按照高速鐵路驗收程序,在靜態(tài)驗收完成后即進入動態(tài)聯(lián)調聯(lián)試階段。
軌道動態(tài)精調是指在軌道靜態(tài)精調基礎上用軌檢車和動車檢測車進行聯(lián)調聯(lián)試,依據軌道動態(tài)檢測數(shù)據為指導,對軌道空間形位進行更為精細的微整。
從已經建成高速鐵路的檢測數(shù)據來看,由于路基、橋梁、隧道、各類過渡段、軌道扣件緊密程度差異、軌道焊縫、道岔區(qū)等結構物在高速動荷載條件下,軌道空間形位與靜態(tài)條件下不同。換言之,靜態(tài)驗收合格的軌道,在動態(tài)檢測中仍會有不平順超限的情況存在。只有將那些在高速條件下檢測出來的軌道動態(tài)不平順的原因、段落和點位被找到,并反復調整改正后,才能最終達到動態(tài)驗收的要求。另外,軌道的動力學響應是否滿足高速鐵路平穩(wěn)性、舒適性和安全性的要求,更需要通過高速動荷載來進行檢測。因此,進行軌道的動態(tài)聯(lián)調聯(lián)試是一項必不可少的非常重要的程序。
軌道動態(tài)檢測數(shù)據一般以軌道圖譜和報表形式體現(xiàn)。施工時根據動檢結果進行現(xiàn)場核對和確認。根據核對結果按靜態(tài)精調的程序進行軌道調整。
為保證軌道動態(tài)檢測數(shù)據與現(xiàn)場實際一致,軌道動態(tài)檢測前,必須完成連續(xù)里程的標注,并將管內上、下行線起訖點準確里程及現(xiàn)場位置告知檢測單位。需要注意的是,由于動車起點位置標定和時鐘標定的誤差關系,動檢數(shù)據(或波形圖上)反映的超限位置與現(xiàn)場實際位置往往有一定差距,一般可在5~20 m范圍內進行查找。
與靜態(tài)檢測不同的是,鋼軌焊縫平順、鋼軌表面臟污、扣件松動或間隙、軌道板離縫過大、鋼軌空吊都可能引起較大的線形偏差,因此,在精調時應加以重點檢查和整改。
2.4 動態(tài)驗收
2.4.1 動態(tài)驗收的標準
目前對軌道動態(tài)檢測設備主要有:低速(≯160 km/h)軌道檢測車、高速(250~350 km/h)軌道檢測動車組(載有軌道空間檢測和動力響應檢測設備)。
在軌道的動態(tài)聯(lián)調聯(lián)試中,主要考核軌道的動態(tài)幾何狀態(tài)和軌道的動力響應這兩個方面的實測值是否達到了高速鐵路高平順性和高穩(wěn)定性的要求。
(1)軌道空間形位
在動檢中,主要用局部幅值和區(qū)段質量來進行評估,分別見表3、表4。
局部幅值按每千米線路評價,檢查結果除軌距外每千米線路出現(xiàn)單項Ⅰ級偏差長度不得大于5%,同時不得出現(xiàn)Ⅱ級偏差;對于區(qū)段軌道質量,其TQI值≤4。
(2)動力響應
動車組的動力響應穩(wěn)定性和平穩(wěn)性必須滿足表3中“車體垂向、橫向加速度”和表5的要求。
表3 軌道動態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值
表4 區(qū)段不平順質量指數(shù)TQI管理值
表5 動力學響應穩(wěn)定性及平穩(wěn)性評判標準
2.4.2 動檢情況
從2012年4月開始進行動態(tài)聯(lián)調聯(lián)試,到同年9月結束共歷時6個月時間。
(1)軌道動態(tài)平順性
結合低速(約160 km/h)軌檢和高速(300~385 km/h)動檢資料綜合分析軌道Ⅰ~Ⅳ級超限報表和波形圖,找出這些超限點位置并明確超限級別和類型(如:左右高低、左右軌向、軌距(大、小軌距)、水平、三角坑、長(短)波-左(右)高低、軌距變化率等),然后根據各超限點的空間位置關系,分析并找出應調整的先后順序。在動態(tài)精調中,軌道調整的方法和手段與靜態(tài)精調基本一致,但分析中考慮的因素遠較后者復雜得多,特別是連續(xù)多波復合不平順所導致的軌道空間動態(tài)不平順和動力響應超標時,確定調整的先后順序則直接關系到精調的時效,嚴重時,同一復合不平順有可能在連續(xù)多次的精調后仍未能徹底調整過來。
圖6僅列出了動檢期間初期、中期和后期的動檢結果,由圖可見,隨著軌道精調的不斷進行,區(qū)段軌道質量TQI也逐步達到動態(tài)驗收的要求。圖7則給出了歷次精調后動檢的TQI峰值和平均值。根據對歷次動檢數(shù)據樣本分析,各類偏差的均方差在0.09~0.41,說明歷次檢測的數(shù)據樣本偏差幅值相互差異很小,各樣本數(shù)據在平均值附近變化,動檢數(shù)據的重復性良好。
圖6-1 5月7日動檢結果
圖6-2 7月25日動檢結果
圖8 各類結構物及過渡段動檢波形
圖6-3 9月25日動檢結果
圖7 歷次TQI曲線變化
(2)軌道動力響應
①站場
因哈大客運專線站前工程不含旅客地道(及其CFG復合地基),所以車站路基與旅客地道的施工在時間上相差近3年時間,導致CFG復合地基、路基段和地道段的沉降特性存在較大的差異,這一點從沉降觀測和軌道靜態(tài)精調中已經明顯表現(xiàn)出來。以營口東站地道前后一段路基動檢為例,地道中心里程為K224+149.185,從圖8(a)可知,地道前后的過渡段的垂直振動加速度有突變。其峰值雖未超限,但對舒適性有影響,經過反復精調后最終車體垂直振動加速度基本控制在±0.4 m/s2范圍內。
②橋梁段
由圖8(b)可知,一般橋梁地段的動力響應均較路基段及過渡段好。
圖9為營海特大橋“上橋→橋上→下橋”動力響應的測試結果。從圖可知,3種狀態(tài)時的動力響應均與車速呈正比關系,其值變化較為平緩。
③過渡段
由于各類結構物的剛度差異的存在,所以其過渡段的動力響應始終會有不同程度的變異,其峰值大小視過渡段及其軌道精調質量而變。在過渡段符合驗收及評估技術條件在基礎上,經過仔細的精調后,一般均能最終達到動態(tài)驗收標準,如圖8(a)、(c)、(d)及圖9所示。
圖9 營海特大橋動力響應測試
④道岔區(qū)
道岔區(qū)在動檢中主要表現(xiàn)為軌距變化率過大而超標,但是在靜態(tài)情況下檢測則不易找出問題所在。特別是在工電聯(lián)調時,工務和電務的要求有時不能同時滿足。圖6-2、圖6-3中、后期動檢TQI管理值超標的段落均為道岔區(qū)范圍。
表6為整個哈大客運專線最終動態(tài)驗收給出的全線安全性和平穩(wěn)性實測評估結果,表中按上、下行和350、385 km/h速度級分別給出,穩(wěn)定性、安全性動力響應峰值滿足高速鐵路驗收要求,舒適度均達到優(yōu)良以上。
表6 全線安全性和平穩(wěn)性評價
3.1 驗收Ⅰ級偏差
從各波長范圍內的不平順來看,造成這些Ⅰ級偏差的因素很多。根據國內外相關文獻的介紹,波長1 m以下的軌面短波不平順主要由軌道接頭焊縫、不均勻磨耗、鋼軌擦傷、剝離掉塊、波浪及波紋磨耗以及軌枕間距等因素形成;波長1~4 m范圍的不平順主要由鋼軌在軋制過程形成的周期波及其在使用過程中形成的波浪磨耗因素引起;波長4~30 m范圍的不平順主要由路基的工后不均勻沉降,各部件間隙、軌道接頭或焊縫形成的復合周期波、過渡段、橋梁動撓度等因素形成;30~200 m范圍不平順多由路基不均勻沉降、路基施工過程形成的先天性不平順和跨度較大的橋梁動撓度等原因所形成;200 m以上的軌道不平順一般主要是由地形起伏、線路縱坡變化等因素所形成。
在以上各類不平順致因中,大部分可以通過軌道精調手段來加以調整。
3.2 鋼軌打磨和道岔區(qū)問題
(1)鋼軌打磨
軌道打磨一般情況下主要是針對鋼軌的接頭,包括工廠接頭和工地接頭的打磨。
但對于沈大段來說,由于環(huán)境中的腐蝕介質(工業(yè)的污染或近海氣候的氯離子)的影響,鋼軌均不同程度存在輕微的表面銹屑,這種輕微的銹屑必然影響高速條件下的輪軌接觸動力響應。所以鋼軌打磨時均為全線打磨,以提高軌頭踏面與輪緣的匹配度,進而在全軌道線路獲得連續(xù)一致的、良好的輪軌關系。所以,盡管鋼軌接頭是軌道結構的薄弱環(huán)節(jié)之一,但對整個軌道的平順性應給予足夠的重視。
(2)從整個動態(tài)聯(lián)調聯(lián)試過程來看,道岔區(qū)在高速下的動態(tài)形位是最不容易調整好的。其中軌距變化率和三角坑I級超限自始至終都無法完全克服,TQI管理值一直在3.8~4.2之間游動。很顯然,問題就出在“可動”部分,特別是尖軌部分,豎向剛度由軌枕、滑床板和扣件系統(tǒng)提供,但其橫向剛度在可動部分則主要靠軌距連接桿來保證,隨著尖軌越來越薄,軌距連接桿間的鋼軌橫向剛度也越來越弱,所以在高速動荷載下岔區(qū)軌距變化率超限就不足為奇了。
據調查,高速鐵路上國產道岔出現(xiàn)上述問題較為普遍,而京滬高速鐵路使用的是進口道岔,聯(lián)調聯(lián)試時道岔區(qū)不平順超限情況并沒有這么突出。究其原因可能有:(1)進口道岔的性能好于國產;(2)因制造、遠洋運輸和海關程序等諸多因素,需要提前近1年的時間訂貨,所以道岔在上道鋪設時已經有一定的時效時間。而前幾年國內多條高速鐵路都陸續(xù)處于鋪軌階段,國產道岔出現(xiàn)供不應求的狀態(tài),幾乎一生產下線就立即被鋪設到高速線上。
3.3 精調手段
相對于精確到毫米級的軌道形位來說,目前在高速鐵路上使用的部分精調設備和工具仍然顯得不匹配、過于粗糙。如精調小車、電子道尺、液壓起道機、各類扳手、甚至傳力桿和撬棍等等, 既零亂又難以提高作業(yè)精度和效率。
3.4 季節(jié)性路基凍脹和融沉問題
哈大客運專線地處東北寒冷地區(qū),2012年3~4月份的軌檢中就發(fā)現(xiàn)路基凍脹和融沉問題。其主要表現(xiàn)為:路塹和路塹-路堤過渡地段凍脹和融沉不均勻變形,軌道不平順出現(xiàn)Ⅱ級超限,而且這種不均勻凍融變形在氣溫相對溫和的沈陽至大連段表現(xiàn)較為突出。經過對路基防排水系統(tǒng)的優(yōu)化,增加了側溝底部滲水盲溝(盲管)、檢查井及其保溫出口等防凍脹措施后,情況有所好轉。交付營運后,仍然在持續(xù)整治和改善[7-8]。
縱觀國內治理季節(jié)性鐵路路基凍脹的歷史,客觀來說從凍脹、融沉機理的研究到采取的防治措施已經越來越完善,對于普速鐵路路基而言,基本達到了防治的目的。但是,對于高速鐵路路基來說,即使是微量不均勻變形就足以影響到列車運行的平穩(wěn)性甚至安全性,況且這種不均勻變形還是季節(jié)性的。我們不能每個凍脹-融沉期都對路基段的軌道進行反復的精調從而導致運營效率大幅下降。所以,目前該客運專線暫時只能在完善防凍脹措施的基礎上,于凍脹-融沉期內適當降低列車運行速度(如從300 km/h降至200~250 km/h)來解決。在既不能改變季節(jié)性氣候環(huán)境又不能徹底避免路基凍脹困擾的季節(jié)期,短期降速運營不失為一個理性的方法。
(1)哈大客運專線鐵路的CRTS-Ⅰ型板式無砟軌道線路經過靜、動態(tài)精調并驗收后,軌道的平順性、安全性和舒適性達到了驗收標準,其中許多指標甚至遠遠高于標準。盡管仍然存在一些需要克服、但也不是不能克服的障礙,但瑕不掩瑜,事實證明這種結構形式的無砟軌道已經成功運用于高速鐵路。
(2)應該像軌道板的精調系統(tǒng)一樣,發(fā)展一套系統(tǒng)化、智能化、信息化和標準化、集測量與調整為一體的精調作業(yè)系統(tǒng),以適應我國越來越龐大的高速鐵路的施工和運營維護的軌道精調手段相對滯后的狀況,這應該是當務之急。
(3)工程設計應該完成總體協(xié)調、全面達到施工圖設計深度后進行標段合理劃分、招標和建設,而不僅僅限于路、橋、隧、涵等主要工程,否則很難保證線路的建設質量。如:站場路基施工完成后,旅客地道的施工將路基挖開,從軟基加固開始做起;站臺風雨棚柱的基坑開挖將整個站場路基布滿了深坑;后期電纜上橋位置的變更,不得不在箱梁翼緣板上開孔,而原位置的預留孔還將做必要的處理等等,這種狀況不僅加劇了路基不均勻沉降的危害,又造成不必要的結構物損壞甚至可能影響使用壽命,這些都曾經是困擾哈大客運專線站前土建標段施工的問題。
[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2010]241號 高速鐵路軌道工程施工技術指南[S].北京:中國鐵道出版社,2011.
[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10754—2010 高速鐵路軌道工程施工質量驗收標準[S].北京:中國鐵道出版社,2011.
[3] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設函[2009]674號 高速鐵路無砟軌道工程施工精調作業(yè)指南 [S].北京:中國鐵道出版社,2009.
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[11] 沈陽鐵路局.哈大高速鐵路線路凍脹分析及整治措施[S].沈陽:沈陽鐵路局,2013.
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Summary of Precision Adjustment of TJ-1 Standard Track on Harbin-Dalian Passenger Dedicated Line
Chen Lin
(China Railway No.5 Engineering Group Co., Ltd., Changsha 410117, China)
With reference to Harbin-Dalian passenger dedicated line DK218+175~ DK233+033 section, this paper presents the major means and methods employed for precision adjustment of CRTS-Ⅰ ballastless slab track on high speed railway lines in cold area, and analyzes the problems encountered and their causes. Finally, with reference to The Report of Dynamic Detection in Range of Shenyang Railway Bureau provided by China Academy of Railway Sciences, and a comprehensive review is conducted of the quality of track’s precision adjustment on Harbin-Dalian passenger dedicated line TJ-1 section.
Harbin-Dalian passenger dedicated line; Precision adjustment of track; Comprehensive review
2014-02-11;
:2014-02-25
陳 麟(1958—),男,教授級高級工程師,1982年畢業(yè)于西南交通大學土木工程專業(yè),工學學士,E-mail: jkylin@163.com。
1004-2954(2014)11-0062-07
U238; U213.2+44
:A
10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.015