城市軌道交通軌道檢測的探討

劉 揚

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,201103,上海∥博士,工程師)

到2010年,上海將建成400 km運營線路,檢測里程達 800 km;到2012年,上海將建成500 km運營線路,檢測里程達1 000 km。就軌道幾何形位來說,按每月檢測一次的最低要求,則400 km運營線路全年檢測里程累計高達9 600 km。因此,對軌道結構進行檢測,確定軌道結構養(yǎng)修周期,以保證列車安全運行,就成為一個突出的問題。

隨著上海城市經濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對城市環(huán)境保護愈加重視,對城市軌道交通的振動與噪聲提出了更高的要求。而軌道結構的減振降噪是減少軌道交通振動與噪聲的重要措施之一。目前上海的軌道減振產品種類比較多,經過一定的使用年限后,在線產品的減振效果有待評估;而對于新產品來說,也必須在上道前評估減振性能,以確保產品在減振性能方面的合格性。因此,本文根據以上對軌道檢測的需求提出上海軌道交通軌道檢測的內容和方法。對軌道進行檢測,一方面為判定軌道結構是否處于良好狀態(tài),另一方面也為判定減振產品的減振性能提供一定的參考和依據。

1 國內城市軌道交通的軌道檢測和維修情況

目前正在實施的城市軌道交通的軌道維修可分為日常巡檢、臨時補修、經常維修和綜合維修等階段[1-3]。

日常巡檢：每日由專人分段對管轄范圍內軌道狀態(tài)進行檢查并做好記錄,對不良處所在巡檢人員力所能及的條件下采取臨時性補救,以便安排臨時補修。

臨時補修：及時整修超過臨時補修容許偏差值的軌道零部件及其他不良處所的臨時性修理,以保證行車平穩(wěn)和安全。

經常維修：根據技術人員對軌道狀態(tài)的檢查及日常巡檢出現的問題,在全年度和線路全長范圍內進行有計劃、有重點的養(yǎng)護,以保持軌道質量經常處于良好狀態(tài)。

綜合維修：根據軌道變化規(guī)律和特點,以全面改善軌道的彈性、調整軌道幾何尺寸和更換失效零部件為重點,按周期有計劃地對軌道進行綜合維修,以恢復線路的完好技術狀態(tài)。綜合維修分為大修、中修,其維修周期根據線路條件和相應的軌道標準制訂。

我國城市軌道交通目前尚無相應的維修規(guī)范標準。以上4個檢修層次具有不同的特點和功能,對線路設備質量和行車安全具有互補性。綜合維修周期的長短與經常維修的質量有著密切關系。經常維修工作質量高,則完全可以延長綜合維修周期。

就上海城市軌道交通的特點來說,軌道結構主要以無砟軌道為主。無砟軌道的病害、軌道幾何形位的變化機理,與有砟軌道有較大的差別。對有砟軌道來說,道床可以為軌道結構提供彈性,在列車荷載反復作用下軌道殘余變形積累很快,并且沿軌道縱向分布又是很不均勻,從而導致軌道幾何形位發(fā)生變化;而對無砟軌道來說,大部分彈性靠扣件及軌下墊層提供。經現場調研可知,無砟軌道的病害和幾何形位變化主要與扣件系統和混凝土道床結構有關。常見的軌道病害有：螺栓銹蝕、松動和折斷,錨固螺栓套管內存有垃圾,橡膠墊層老化,彈條松動;混凝土道床不均勻沉降,以及由于施工和設計等原因造成的混凝土破損、支承塊損壞;鋼軌傷損,其中包括鋼軌側磨、波磨、肥邊、壓潰、剝離、掉塊、核傷和魚鱗傷;鋼軌接頭焊縫傷和錯牙;道岔的尖軌磨損、滑床板松動;排水溝積水;等等。對于以上病害,目前的處理方式主要是使用軌檢儀檢測軌道幾何形位,通過起道、撥道和改道來整正軌道幾何形位;利用探傷小車對鋼軌進行探傷;對螺栓進行定期的涂油以防止銹蝕;人工巡檢時清除垃圾和排水,擰緊螺栓;在小半徑曲線鋼軌上涂油以減少側磨;更換病害道岔;在道床開裂沉降地段,通過在軌下墊鋼板或橡膠墊層來調整軌面標高,并對道床注漿以阻止沉降發(fā)展;對于傷損較嚴重的軌道則進行換軌或者更換相應的軌道部件。

2 城市軌道交通軌道檢測的內容和方法

根據上述實施的軌道維修內容,現提出城市軌道交通軌道檢測內容和方法,以提高檢測效率,保證運營安全。

2.1 安全性檢測

2.1.1 軌道幾何形位和鋼軌傷損的檢測

軌道幾何形位是保證列車運行安全的重要條件之一。因此,地鐵工務部門需定期開行軌檢車和探傷車對軌道的幾何形位和鋼軌的傷損情況進行實時跟蹤、檢測,監(jiān)測其使用狀態(tài),記錄檢測數據,并匯總分析,以便組織日常維護和應急搶修。軌道檢測項目包括軌距、軌向、水平、高低、超高、曲線正矢、三角坑、鋼軌斷面尺寸(包括軌頭寬度、鋼軌高度、鋼軌側面磨耗、鋼軌垂直磨耗、鋼軌總磨耗、軌底坡等)、各種鋼軌傷損,以及支承塊、承軌臺、軌枕、整體道床狀態(tài)和地面道砟線路的道床狀態(tài)等。

2.1.2 軌道部件失效性的總體評價性檢測

就線路總體失效性評價來說,例如在1 km線路上,如果只有一個或者幾個軌道部件(如扣件等)失效,則不能認為該段線路軌道部件總體失效;只有當軌道部件失效達到一定的比例時,才認為該段線路將總體上失效,需要進行大修作業(yè)。為使維修工作達到最經濟合理,以供工務部門作為編制維修計劃的依據,建議：在一段線路上對軌道部件進行檢測(包括鋼軌和扣件、軌枕和混凝土道床結構、鋼軌焊接接頭、道岔相關零部件等),在該線路上開行軌檢車(帶測力輪對),以分析軌道幾何形位和輪軌力;通過計算脫軌系數和輪重減載率等安全性指標來評價軌道結構的總體安全性,從而確定線路的維修周期。

1)脫軌系數,用于評定列車在輪軌橫向力和豎向力的綜合作用下,車輪輪緣爬上鋼軌的安全程度。其評定指標為[5]：Q/P≤0.8。其中Q、P分別為同時作用于輪軌間的橫向力和豎向力。當脫軌系數超過上述限度時,需要檢查超限值的持續(xù)作用時間,當持續(xù)作用時間t＜0.05 s時,脫軌系數按下式計算：Q/P≤0.04/t。

2)輪重減載率,用于考核車輪由于輪重減載而引起的懸浮脫軌的安全程度。其評定指標為：ΔP/P—≤0.65。其中：ΔP 、P—分別為輪重的減載量和左右輪的平均輪重。

2.1.3 無縫線路的穩(wěn)定性檢測

對于城市軌道交通的無縫線路而言,地下線路的軌溫變化較小,地面線路的軌溫變化較大而容易發(fā)生穩(wěn)定性問題。因此,必須對地面線路進行軌溫和長軌縱向力檢測,以防發(fā)生脹軌跑道,危及行車安全。高架線路采用低阻力扣件,并設有鋼軌伸縮器,故一般來說不會產生鋼軌的穩(wěn)定性問題。

2.2 耐久性檢測

耐久性檢測主要是對混凝土結構的檢測。混凝土的外部傷損可以通過人工查看來發(fā)現,但混凝土內部的傷損是肉眼看不到的。因此,包括混凝土內部的裂縫等必須利用超聲儀進行無損檢測來識別,以便及時處理。

3 減振產品的檢測方法

對于軌道減振產品來說,不管是新產品還是在線產品,必須在同一平臺上進行減振性能評判。因此,可以選擇一段線路,安裝測試儀器進行實車試驗,采集軌道、隧道或橋梁結構和地面的振動加速度信號,對信號進行分析處理,比較各種軌道減振產品在同一位置的振動加速度級,從而評價各種軌道產品的減振性能[6-7]。

3.1 軌道結構振動測試

軌道結構的振動測試包括鋼軌、鐵墊板、軌枕(支承塊)和道床(承軌臺)。軌道結構的不同部位,其振動頻率、加速度大小等都有較大的差別。如扣件處和兩相鄰鋼軌支點之間的鋼軌的振動加速度就有較大的差別。車輛工況也對軌道結構有較大的影響,但在地面測試時,無法對車輛的狀態(tài)作出要求,故只能對測試地點的軌道狀態(tài)作一些要求,以求測試結果具有較好的對比性。測試時,要根據研究和測試目的決定現場的軌道狀況,要對比不同扣件類型等軌道部件對軌道結構振動的影響,因此在試驗時就要求軌面狀態(tài)盡量一致,從而減小測試誤差,提高測試結果的可對比性。

3.1.1 鋼軌振動加速度測試

扣件處和兩相鄰鋼軌支點之間的鋼軌振動加速度差別較大,在扣件處的鋼軌振動加速度小于兩相鄰鋼軌支點之間的鋼軌振動加速度。在無特殊要求的條件下,鋼軌振動加速度傳感器應安裝在兩鋼軌支點之間(見圖1)。

圖1 鋼軌、軌枕、道床測點布置圖

1)鋼軌豎向振動加速度的測試。傳感器設于兩相鄰鋼軌支點中間、軌底的鋼軌中心線位置,如圖1(a)所示。如果軌底與道床面的間距較小,沒有傳感器的安裝空間,則可考慮將傳感器安裝在軌底的斜坡上,但需要有一楔形塊,使得傳感器安裝后其軸線與鋼軌中心線平行,如圖1(b)所示。根據測試要求,可在兩股鋼軌上分別布置測點。

2)軌頭橫向振動加速度的測試。傳感器設于兩相鄰鋼軌支點中間,在軌頭外側的軌頭高度中間位置,如圖1所示。

3)軌腰橫向振動加速度的測試。傳感器設于兩相鄰鋼軌支點中間的鋼軌外側軌腰的中和軸位置,如圖1所示。

3.1.2 鐵墊板振動加速度測試

目前軌道交通使用的扣件類型較多,對于無砟軌道結構的扣件系統,大多采用鐵墊板。在軌道結構振動特性分析中,一般認為鐵墊板的振動只是起到中間傳遞作用,而不作為主要分析對象,但鐵墊板的振動也產生噪聲。

測試鐵墊板時,振動加速度傳感器安裝在軌道外側的鐵墊板上(如圖2所示),根據測試要求,也可在另一側鐵墊板的同一部位安裝傳感器測試。

圖2 鐵墊板測點布置圖

3.1.3 軌枕(支承塊)振動加速度測試

一般不測軌枕(支承塊)的橫向和縱向振動加速度。測試軌枕(支承塊)豎向振動加速度時,將振動加速度傳感器布置在軌道外側軌枕(支承塊)的頭上。根據測試目的,決定單側還是雙側布置傳感器。傳感器布置如圖3所示。

圖3 軌枕(支承塊)測點布置圖

3.1.4 道床豎向振動加速度測試

道床豎向振動加速度測點布置如圖3所示。由于軌道結構不同,軌枕端部與鋼軌中心線之間的距離有所差異,故考慮軌道兩側的振動加速度傳感器安裝位置離鋼軌中心線 0.5 m或離軌枕(支承塊)頭部0.2 m處,位置在左右鋼軌支點連線上。一般情況下,可測軌道正中間的道床豎向振動加速度作為主要參考值。

3.2 隧道振動加速度測試

一般隧道壁也只測試豎向振動加速度。由于圓形隧道直徑為 5.6 m左右,為便于安裝,將傳感器設在離軌面高度1.5 m范圍內。由于隧道為圓形,故要根據傳感器安裝位置,制作一加速度傳感器安裝支座,以保證安裝平面為水平(如圖4所示)。傳感器支座的剛度不能太小,以免影響測試精度。

圖4 隧道壁測點振動加速度傳感器的安裝

3.3 高架橋梁振動測試

橋梁振動測試分橋面振動測試和橋下振動測試兩種。對于整體道床而言,橋面振動加速度與整體道床的振動加速度大小非常接近,所以將傳感器布置在橋梁中心線位置的橋面上(如圖5所示)。一般情況下橋梁跨中的振幅要大一些,所以將測點布置在跨中位置;如有特殊試驗目的,根據試驗要求確定測試位置,如靠近橋梁支座處安裝傳感器。

由于在橋面上安裝傳感器有一些難度,所以也可考慮在橋下測試橋梁振動加速度。測試時,將傳感器也安裝在梁中心線位置;測量橫向振動加速度時,應盡量將傳感器布置在梁的中和軸附近(如圖5所示)。

圖5 高架橋橋梁振動加速度傳感器的安裝

3.4 地面振動測試

地下、地面、高架軌道交通都能引起地面振動,但不同的線路敷設狀態(tài),引起的地面振動也有較大差別。如：地鐵在建筑物正下方通過,且隧道埋深較淺時,可能對建筑物的影響較大;對于地面線路,一般離建筑物都有一段距離,所以振動影響要小一些;對于高架線路,由于橋墩基礎較深,所以引起的地面振動對環(huán)境的影響也要小一些。

地面振動屬于環(huán)境振動,其量級也較小,所以這部分振動可參照環(huán)境振動檢測標準《GB 10071—88城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》。但此標準主要是針對敏感點的測量,如是對振動衰減的研究,則可置振動加速度傳感器離線路中心線5 m、10 m、25 m等進行設置,也可根據試驗需要確定測點布置。

3.5 數據記錄、處理與分析

在測試前,按照以上方法安裝測試儀器設備,所有儀器設備都要進行校準。測試時,采集并記錄大約20列列車的數據。測試完成后,要對測試數據進行處理和頻譜分析,比較各種減振產品對軌道結構、隧道或橋梁結構和地面的同一位置的振動加速度級,從而評估各種減振產品的減振性能。

4 結語

基于以上的分析,對軌道部件和軌道減振產品的性能進行相關檢測的目的為：一方面,評估和檢測在線軌道部件的使用壽命,以保證行車的安全性,為制定軌道交通線路日常養(yǎng)護維修周期和計劃提供一定的依據;另一方面,對既有的減振產品和新產品進行跟蹤檢測,評估各種減振產品的減振性能,也為合理選擇減振產品提供技術依據。

[1] 于春華.城軌交通軌道維修工作內容和管理模式的探討[J].都市快軌交通,2007,20(6)：72.

[2] 吳宇冰.工務修程修制改革的實踐[J].廣西鐵道,2005(1)：17.

[3] 張凌翔.漢堡地鐵設備維護體系[J].地鐵與輕軌,2002,57(3)：29.

[4] 王午生.鐵道線路工程[M].上海：上海科學技術出版社,1999.

[5] 許玉德,李海峰,戴月輝.軌道交通工務管理[M].上海：同濟大學出版社,2007.

[6] 練松良.軌道動力學[M].上海：同濟大學出版社,2003.

[7] 曾樹谷.鐵路軌道動力測試技術[M].北京：中國鐵道出版社,1988.