城市軌道交通軌道幾何狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)分析研究

陶 凱 梁志明 徐貴紅 田新宇

城市軌道交通軌道幾何狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)分析研究

陶 凱 梁志明 徐貴紅 田新宇

通過(guò)對(duì)某城市軌道交通輕軌線路的軌道幾何狀態(tài)及其加速度響應(yīng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，得出橋上軌道高低不平順受橋梁豎向撓曲影響的規(guī)律，提出了困難無(wú)夾直線反向曲線地段的限速參考值，并對(duì)城市軌道交通高架橋上軌道幾何狀態(tài)的實(shí)車動(dòng)態(tài)驗(yàn)收提出了相關(guān)建議。

城市軌道交通；軌道不平順；動(dòng)態(tài)檢測(cè)；分析

1 概述

某城市軌道交通輕軌線路長(zhǎng)約18 km，其中14 km為高架線路，采用無(wú)砟軌道（圖1），4 km為路塹/路堤結(jié)構(gòu)，采用有砟軌道。正線設(shè)計(jì)速度最高為100 km/h，最大坡度2%，困難地段4%，車站最大坡度0.2%。最小豎曲線半徑3 000 m，最小曲線半徑500 m。道岔及渡線均采用UIC 9號(hào)道岔，其導(dǎo)曲線半徑為190 m，側(cè)向通過(guò)速度30 km/h。

圖1 輕軌線路橋上無(wú)砟軌道

軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)項(xiàng)目主要包括高低、水平（超高）和三角坑，里程、速度、曲率、垂向和橫向車體加速度等作為輔助項(xiàng)目供參考，動(dòng)態(tài)檢測(cè)速度40～88 km/h。軌距和軌向采用軌道檢查儀靜態(tài)檢測(cè)。此外，還采用空車和AW3荷載重車的軸箱加速度輔助評(píng)價(jià)軌道狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)輕軌線路軌道狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，分析軌道不平順檢測(cè)數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)軌道平順狀態(tài)不良地段，指導(dǎo)軌道不平順狀態(tài)精調(diào)，驗(yàn)證軌道設(shè)計(jì)是否滿足相關(guān)規(guī)定，為城市軌道交通的設(shè)計(jì)、建設(shè)和日常養(yǎng)護(hù)維修提出有益的建議。

2 橋梁豎向撓曲變形對(duì)高低不平順影響分析

該輕軌線路K9+800至K10+200區(qū)段位于25 m U型混凝土簡(jiǎn)支梁橋上，橋梁橫截面如圖2所示，圖3給出了該區(qū)段高低不平順動(dòng)態(tài)波形。受橋梁豎向撓曲影響，軌道高低不平順呈顯著的周期性特征，周期性波峰最小值3.3 mm，最大值8.8 mm，且波長(zhǎng)約25 m，與橋梁跨度一致。

圖2 12.5～25 m跨U型簡(jiǎn)支梁橫截面

圖3 K9+800至K10+200區(qū)段高低不平順波形圖

圖5給出了輕軌線路K10+200至K10+600區(qū)段高低不平順波形圖。該區(qū)段包含正線線路和渡線，線路區(qū)段單線位于25 m U型簡(jiǎn)支梁橋上（見(jiàn)圖2）。渡線區(qū)段雙線位于25 m組合簡(jiǎn)支梁橋上，其橫截面如圖4所示，該橋采用預(yù)制混凝土工字梁上部搭接混凝土預(yù)制板，頂部覆蓋現(xiàn)澆板的結(jié)構(gòu)形式。受橋梁豎向撓曲影響，圖5中軌道高低不平順波形呈顯著的周期性特征，且周期性波長(zhǎng)約25 m，與橋梁跨度一致。渡線區(qū)段軌道高低不平順?lè)逯底畲笾导s5 mm，兩側(cè)線路區(qū)段峰值最大值約10 mm，可見(jiàn)渡線區(qū)段軌道高低不平順周期性峰值明顯小于線路區(qū)段，這主要是因?yàn)槎删€區(qū)段橋梁截面豎向剛度大于線路區(qū)段。同時(shí)，渡線區(qū)段鋼軌雙線相連，軌道豎向剛度也大于線路區(qū)段。由此可見(jiàn)，渡線區(qū)段采用截面剛度較大的組合梁能有效控制因橋梁豎向撓曲引起的高低不平順及其周期性，提高了渡線區(qū)段軌道高低平順狀態(tài)。

圖4 渡線區(qū)段組合簡(jiǎn)支梁橫截面

圖5 K10+200至K10+600區(qū)段高低不平順波形

圖6給出了輕軌線路K14+400至 K10+750區(qū)段高低不平順波形圖。該區(qū)段下部結(jié)構(gòu)包含2 m U型簡(jiǎn)支梁、12.5 m U型簡(jiǎn)支梁和A2橋36 m簡(jiǎn)支梁。其中，A2橋采用雙混凝土工字梁，下部用現(xiàn)澆混凝土板連接，其橫截面如圖7所示。A2橋簡(jiǎn)支梁與下部公路斜交，其兩端支撐在50 m跨度的箱型鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支梁上，橋梁平面布置如圖8所示。受橋梁豎向撓曲影響，圖6中軌道高低不平順波形呈顯著的周期性特征，且周期性波長(zhǎng)與橋梁跨度一致。25 m U型簡(jiǎn)支梁區(qū)段軌道高低不平順?lè)逯底畲笾导s9 mm，12.5 m U型簡(jiǎn)支梁區(qū)段軌道高低不平順?lè)逯底畲笾导s3.5 mm，A2橋36 m跨簡(jiǎn)支梁區(qū)段軌道高低不平順?lè)逯底畲笾导s19.5 mm，這是由于A2橋簡(jiǎn)支梁兩端支撐在50 m跨度鋼箱梁橋上，A2橋簡(jiǎn)支梁豎向撓曲與下部的鋼箱梁豎向撓曲疊加，從而增大了對(duì)軌道高低不平順?lè)导捌渲芷谛缘挠绊?。由此可?jiàn)，橋梁豎向撓曲對(duì)軌道高低不平順及其周期性的影響與橋梁跨度和豎向剛度密切相關(guān)。

圖6 K14+400至K10+750區(qū)段高低 不平順波形

圖7 A2橋梁混凝土梁截面

圖8 A2橋梁平面布置圖

圖9給出了輕軌線路K9+800至K10+200區(qū)段（25 m U型簡(jiǎn)支梁）和K 1 0+3 0 0至K10+500區(qū)段（25 m組合簡(jiǎn)支梁）的高低不平順動(dòng)態(tài)幅值累積分布對(duì)比情況。25 m U型簡(jiǎn)支梁區(qū)段高低不平順動(dòng)態(tài)幅值99.0%分布于-8～+8 mm區(qū)間，97.0%分布于-6～+5 mm區(qū)間；25 m組合簡(jiǎn)支梁區(qū)段高低不平順動(dòng)態(tài)幅值100%分布于-6～+5 mm區(qū)間。這也印證了簡(jiǎn)支梁跨度相同時(shí)，橋梁豎向剛度越小，軌道高低不平順越大，周期性越強(qiáng)。

綜合上述分析，輕軌線路軌道不平順受橋梁跨度及豎向剛度影響，高低不平順波形呈顯著的周期性特征，且周期性波長(zhǎng)與簡(jiǎn)支梁跨度一致。增大橋梁豎向剛度和減小橋梁跨度均能有效控制因橋梁豎向撓曲引起的周期性軌道高低不平順，提高軌道高低平順性。

圖9 橋上高低不平順?lè)道鄯e分布對(duì)比

3 典型地段軌道不平順檢測(cè)分析

該輕軌線路K8+400處為設(shè)計(jì)困難區(qū)段，采用半徑為600 m的反向曲線，且無(wú)夾直線，而根據(jù)GB50157-2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，反向曲線需要設(shè)長(zhǎng)度不小于25 m夾直線。該區(qū)段的軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)波形如圖10所示，圖中高低和三角坑不平順?lè)稻▌?dòng)較大，對(duì)應(yīng)的車體橫向加速度幅值也較大。

圖10 反向曲線軌道不平順波形

圖11給出了車輛運(yùn)行速度從30 km/h逐級(jí)增大至70 km/h時(shí)的車體橫向加速度變化曲線，車輛運(yùn)行速度達(dá)到40 km/h后，車體橫向加速度隨車輛運(yùn)行速度增大顯著增大。車輛運(yùn)行速度達(dá)到70 km/h時(shí)，車體橫向加速度最大，其值為1.3 m/s2。按照我國(guó)鐵路軌道不平順動(dòng)態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求車體橫向加速度不應(yīng)大于0.6 m/s2，舒適度標(biāo)準(zhǔn)要求車體橫向加速度不應(yīng)大于0.9 m/s2。按此標(biāo)準(zhǔn)，并考慮城市軌道交通實(shí)際情況，建議該反向曲線列車通過(guò)速度不宜大于60 km/h。

圖11 不同速度時(shí)的車體橫向加速度

4 軸箱加速度輔助評(píng)判軌道平順狀態(tài)

軸箱加速度能夠反映軌道剛度不均勻和短波軌道不平順的變化情況，因此，可采用軸箱加速度檢測(cè)數(shù)據(jù)輔助評(píng)判軌道平順狀態(tài)。控制軌道剛度不均勻和高低幅值的短波變化有助于降低軸向振動(dòng)加速度，減小輪軌動(dòng)荷載對(duì)車輛和軌道部件的損害，降低輪軌振動(dòng)噪聲。

圖12和圖13給出了空車和重車（AW3荷載）的軸箱垂向加速度波形，圖中無(wú)砟軌道區(qū)段、有砟軌道區(qū)段和道岔區(qū)段的幅值差異顯著。有砟軌道區(qū)段軸箱加速度幅值是無(wú)砟軌道區(qū)段軸箱加速度幅值的2～3倍，道岔區(qū)的軸箱加速度明顯大于其他區(qū)段軸箱加速度。此外，重車軸箱加速度最大幅值約250 m/s2，大于空車軸箱加速度最大幅值170 m/s2，軸箱加速度最大值均位于12.13 km處無(wú)砟和有砟軌道過(guò)渡段。

圖12 空車軸箱垂向加速度（左側(cè)）

圖13 重車軸箱垂向加速度（左側(cè)）

5 結(jié)論及建議

（1）受簡(jiǎn)支梁豎向撓曲影響，軌道高低不平順波形呈顯著的周期性特征，且周期性波長(zhǎng)與簡(jiǎn)支梁跨度一致；增大簡(jiǎn)支梁豎向剛度或減小簡(jiǎn)支梁跨度均能有效控制因橋梁豎向撓曲引起的周期性軌道高低不平順，提高了軌道高低平順狀態(tài)。

（2）困難設(shè)計(jì)地段列車限速可以通過(guò)實(shí)車速度等級(jí)遞增試驗(yàn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，對(duì)于本文600 m半徑無(wú)夾直線曲線地段，建議列車速度不宜大于60 km/h。

（3）城市軌道交通軌道工程驗(yàn)收時(shí)，有必要對(duì)橋上軌道不平順進(jìn)行實(shí)車動(dòng)態(tài)驗(yàn)收，既可以發(fā)現(xiàn)軌道不平順不良區(qū)段，指導(dǎo)軌道不平順狀態(tài)精調(diào)，也可以評(píng)估軌道高低不平順受橋梁豎向撓曲影響的大小，為運(yùn)營(yíng)期間軌道日常養(yǎng)護(hù)維修提出有益的建議。

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責(zé)任編輯 朱開明

圖7 直沽—東興路區(qū)間隧道差異沉降曲線

參考文獻(xiàn)

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收稿日期 2015-03-19

責(zé)任編輯 朱開明

Abstract: The structural safety of the metro tunnel and bridge is a prerequisite for the operational safety, and it is the important technical means to ensure the safety of metro operation through study of the deformation patterns of metro tunnel and bridge structures. This paper introduces the contents of bridge and tunnel structure monitoring activities on Tianjin Metro Line 9, and discusses the layout of monitoring points, monitoring methods and technical requirements, control standards, etc. The monitoring results are analyzed, the results show that the effect is good.

Keywords: metro, bridge and tunnel, structural safety, monitoring

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With the study and analysis on data of track geometry and acceleration response by the dynamic inspection of a certain urban rail transit line, the pattern of the vertical irregularities on the bridge caused by the effect of bridge vertical fl exural stress is obtained. The speed limit reference value of diffi cult reverse curve section without a intermediate straight line is presented. And some recommendations on dynamic inspection and acceptance of the track geometry on elevated tracks of urban rail transit lines are put forward.

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U216.3

2015-04-10

陶凱：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，助理研究員，北京 100081