高速鐵路高架橋無縫道岔“渭南模式”的試驗研究

蔣金洲，魏周春，梁 晨，徐玉坡，李 偉，于 鵬，王 猛

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

高速鐵路高架橋無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，同時還需滿足動車組安全、高速、平順通過的要求。又由于高速鐵路運營期間不能上道檢修，因此要求高速鐵路高架橋無縫道岔具備足夠的安全、舒適和穩定可靠性。

1 高架橋無縫道岔“渭南模式”的要素

高速鐵路高架橋無縫道岔“渭南模式”有以下5個要素。

1.1 無縫道岔結構

1)總體技術要求:道岔采用高速18號無砟軌道道岔，鋪設時一次焊聯成無縫道岔。道岔的制造、鋪設和驗收滿足相關技術要求。

渭南北站采用了時速350 km，60 kg/m，18號無砟軌道道岔，道岔全長 69 m，前長 31.729 m，后長37.271 m，導曲線半徑為1 100 m。道岔允許直向通過速度為350 km/h，側向允許通過設計速度為80 km/h。

2)轍叉結構:可動心軌轍叉結構穩定性，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，穩定性好，安全可靠，方便轉換鎖閉裝置的安裝和運動。長、短心軌及叉跟尖軌采用60D40制造，短心軌后端為滑動端，短心軌尖端嵌入長心軌，心軌跟端和尖軌跟端一樣鍛壓加工為60 kg/m鋼軌標準斷面。長短心軌采用哈克螺栓聯結，以保證其整體穩定性。

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

4)道岔范圍內扣件:道岔內部采用大阻力扣件，扣件阻力超過13 kN/m/軌。渭南北站橋上道岔內扣件采用 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、多跨混凝土連續梁，最大跨度不超過56 m、最大溫度跨不超過134 m;在咽喉區可采用四線變寬梁;道岔梁采用多聯的混凝土連續梁時，連續梁之間設置2～3孔簡支梁，橋梁撓跨比滿足設計規范要求。

1.3 無縫道岔布置

如圖1，無縫道岔應盡可能整組布置在一聯梁上，且尖軌尖端、心軌跟端都應離開梁端至少18 m(下稱“18 m規則”);困難條件下，轉轍器和轍叉可分別設置于一聯梁上，除心軌尖端同樣應滿足18 m規則外，還應使尖軌跟端離開梁端至少40 m。

圖1 高速鐵路高架橋無縫道岔布置要求

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規則;5#和7#無縫道岔側線為到發線，位于(30.7+48.0+33.0)m變寬連續梁上，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規則。梁道岔梁之間為3孔24.7 m雙線簡支箱梁。

1.4 高架橋軌下基礎

1)道岔軌下基礎:道岔軌下基礎采用長枕埋入式無砟軌道或道岔板無砟軌道，底座與橋梁牢固連接，道床板或道岔板與底座設置縱橫向限位裝置，使無縫道岔傳遞下來的荷載通過無砟軌道和底座再傳遞給橋梁結構。

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

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

1.5 無縫道岔相鄰的無縫線路

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

2)相鄰的無縫線路采用60 kg/m、鋼軌強度等級在880 MPa以上，扣件阻力超過13 kN/m/軌。

3)最大溫升幅度、最大溫降幅度均不超過50℃。鄭西客運專線一次鋪設60 kg/m鋼軌跨區間無縫線路，鋼軌鋼種為U71Mn(K)，其強度等級為880 MPa，無縫線路鎖定軌溫為(23±5)℃，渭南地區最高軌溫62.2℃，最低軌溫為 -16.7℃，最大溫升及最大溫降均為45℃。區間扣件采用 WJ-8型扣件，扣件支點間距為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 高速鐵路軌道狀態長期監測系統

2.1 系統構成

高速鐵路軌道狀態長期監測系統利用無線網絡數據傳輸技術，以達到實時在線監測的目的。該系統由現場數據采集、無線網絡數據傳輸、遠程監測中心3大子系統構成。

現場數據采集部分由布置于軌道現場的傳感器、數據解調儀和工控機、電源組成。傳感器采用光柵傳感器，用于測試鋼軌溫度力、鋼軌爬行、梁縫變化、軌溫和氣溫;數據解調儀采用光柵解調設備，工控機用于數據處理;電源采用太陽能供電系統或架設有線電源。

無線網絡數據傳輸部分由設置在現場的3G無線網絡模塊、發射天線、Internet公網組成。

遠程監測中心由海量服務器、數據采集和管理軟件、終端設備組成。

數據流程為:軌道現場的數據解調儀采集了傳感器的數據后傳送給工控機管理，工控機通過管理軟件進行數據處理，并送至現場存儲器和3G網絡模塊;工控機管理軟件通過3G網絡模塊將數據按服務器IP地址發送至 Internet網;服務器管理軟件實時從 Internet網中采集指定的數據，并將數據還原成工程量并進行存儲，同時將數據送往終端。服務器管理軟件具有顯示、查詢、自動判定超限值的功能。

因此，無論何時何地只要有授權終端，就能通過Internet網訪問遠程監測中心服務器，進行現場數據曲線的在線顯示、查詢、下載等操作。

2.2 系統性能指標

軌道狀態無線網絡監測系統性能指標詳見表1。

3 長期監測結果

應用軌道狀態無線網絡監測系統對鄭西客運專線渭南北站高架橋3#和5#無縫道岔進行了軌溫、環境溫度、梁縫變化、梁縫相錯量、鋼軌縱向位移、鋼軌溫度力等參數監測，測試數據均從遠程監控中心的服務器得到，測試數據時間從2010年1月14日開始，截止到2010年8月1日，記錄的時間坐標精確到每日每時每秒。

表1 軌道狀態長期監測系統性能指標

3.1 軌溫及環境溫度

3#、5#道岔軌溫與環境溫度關系如圖5所示，測試結果如下:

1)同一時刻內3#道岔和5#道岔軌溫基本相同，軌溫和環境溫度隨著時間而發生變化，變化趨勢基本相同。

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

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

3.2 位移

圖5 軌溫與環境溫度分布(2010.1—2010.8)

測得2010年1月—2010年8月期間，轍叉相對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;岔后基本軌相對軌道板位移最大值:3#岔為0.8 mm，5#岔為1.4 mm。測得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)。測得梁縫相錯量最大為1.8 mm，出現在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、梁縫變化量隨時間的分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 轍叉縱向位移(相對軌道板)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)的道岔梁梁縫處無縫線路鋼軌附加力最大不超過200 kN，約合10℃的溫度力。冬季和夏季養護維修時，道岔梁梁端無縫線路可按10℃附加力進行作業。3#岔位基本軌在梁縫處鋼軌溫度力時間歷程曲線如圖8所示，其中“+”表示溫度力為拉力，“-”表示溫度力為壓力。

4 動態測試結果

4.1 測試目的

1)進行逐級提速試驗，考核動車組直向和側向通過鄭西客運專線高架橋無砟軌道可動心軌道岔(3#和5#岔位)的安全性和平穩性。

2)驗證60D40尖軌、高錳鋼整鑄翼軌、扣件系統、岔枕、轉換和鎖閉裝置等關鍵部件在高速行車條件下的適應性。

圖8 3#道岔梁縫處鋼軌溫度力分布(2010.1—2010.8)

3)驗證道岔軌道剛度的合理性、岔區軌道剛度的均勻性、道岔前后軌道剛度過渡的平順性。

4)掌握動車組各級速度通過道岔梁時梁的動撓度規律，并評價道岔梁的剛度。

4.2 測試結果

1)動車組直側向通過被測道岔時，脫軌系數最大值0.73，減載率最大值 0.41，輪軸橫向力最大值28.27 kN，分別小于動車組限值。

2)動車組直向通過道岔時，尖軌開口量最大值0.47 mm，＜4.00 mm限值;動車組側向通過道岔時，尖軌開口量最大值1.3 mm，＜4.0 mm限值。

3)動車組直向通過18號道岔時，直尖軌頂寬20 mm斷面開始承受垂直力、50 mm斷面承受大約85%的垂直力，輪軌垂直力的過渡主要在直尖軌頂寬20～50 mm間完成，且動車組動力學測試數據表明，脫軌系數、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運行的要求。

4)動車組直向通過18號道岔時，岔區范圍內鋼軌垂向位移平均值在0.42～0.77 mm之間，各測點鋼軌垂向位移平均值為0.58 mm，區間軌道處鋼軌垂向位移平均值為0.53～0.56 mm之間，岔區軌道和區間軌道鋼軌垂向位移較一致，與區間軌道的剛度過渡性能良好。

5)實測動車組直向、側向通過18號道岔時，道岔振動加速度最大為17.9 g，小于允許值21.0 g。

6)轉換設備工作狀態良好，信號表示功能正常，轉換設備能夠滿足動車組安全平穩運行的要求。

7)直向全線拉通試驗時，脫軌系數、減載率、輪軸橫向力均小于動車組限值。動車組側向通過道岔時，脫軌系數、減載率、輪軸橫向力均小于限值。車體橫向、垂向加速度均沒有大于III級超限值，滿足要求。

8)動車組通過3#和5#道岔時，實測道岔梁梁端梁軌縱向位移最大為0.105 mm;道岔梁梁面振動加速度最大為0.156 m/s2，遠小于允許值5 m/s2;實測道岔梁動撓度值與動車組速度沒有明顯關系，動撓度在0.364～0.510 mm之間，最大值遠小于設計允許值［f］(［f］=28 mm)，說明道岔梁動剛度具有較大的富余量。

5 結語

通過對鄭西客運專線渭南北站橋上無縫道岔進行軌道狀態長期監測和動車組通過時的動力特性測試，分析測試結果可以看出:高架橋無縫道岔布置的“18 m規則”是科學的，高架橋無縫道岔設計參數合理，道岔梁動撓度較小，道岔梁動剛度具有較大的富余量，橋上高速18號道岔部件變形、結構穩定性均能滿足動車組直向350 km/h，側向80 km/h安全及平穩運行的要求。

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

［1］中國鐵道科學研究院.鄭西客運專線新渭南站橋上無縫道岔試驗研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2010.

［2］中鐵第一勘察設計集團有限公司，北京交通大學.新渭南高架站無縫線路道岔群設計研究(報告一)［R］.西安:中鐵第一勘察設計集團有限公司，2010.