楊惠喜 孫 鑫 張厚貴

(北京軌道交通建設管理有限公司 北京 100037)

1 項目背景

軌道交通建設正處在一個高速發(fā)展期，由于建設速度快，幾乎沒有運行磨合期，加上大量新型軌道結(jié)構(gòu)和車輛系統(tǒng)的采用，出現(xiàn)了嚴重的鋼軌異常波磨問題(異常波磨是出現(xiàn)時間早、發(fā)展速度快、直線曲線均有、波長短的一種鋼軌表面波磨)，導致軌道振動、車內(nèi)噪聲增加顯著，引起軌道扣件松脫、車輛部件損壞和周圍環(huán)境振動與噪聲超標等問題，影響了地鐵的正常運營，形成了行車安全隱患，增加了地鐵列車振動及噪聲對沿線居民等環(huán)境的影響，同時大大增加了軌道及車輛的養(yǎng)護維修工作量和費用，與現(xiàn)有養(yǎng)護維修設備和人員嚴重不足形成較大矛盾。

1.1 研究成果

北京市科學技術委員會組織有關單位進行了專題立項研究，通過對地鐵波磨問題的大量調(diào)研、測量和理論及試驗研究，課題組在異常波磨的機理研究、既有線和新建線異常波磨的防治措施方面，取得了以下13項研究成果:

1)首次系統(tǒng)匯集總結(jié)了國內(nèi)外鋼軌波磨問題研究理論和技術措施的現(xiàn)狀。

2)首次系統(tǒng)繪制了北京地鐵4、5、10號線鋼軌異常波磨基本情況信息圖。

3)發(fā)現(xiàn)并確認了北京地鐵鋼軌異常波磨的主要成因。

4)初步提出了鋼軌異常波磨的輪軌共振理論。

5)首次提出了防止地鐵鋼軌異常波磨的綜合減振8項技術原則。

6)首次提出了既有線異常波磨的分類、分級方法及整治原則。

7)提出了減緩既有線鋼軌異常波磨臨時應急技術方案。

8)提出了整治既有線異常波磨的技術措施。

9)完成了整治既有線異常波磨的技術設計。

10)提出了防止新線鋼軌異常波磨的技術措施。

11)提出了鋼軌波磨檢測的數(shù)據(jù)指標與評價方法。

12)完成了針對鋼軌異常波磨的維修養(yǎng)護條件初稿。

13)建成了軌道減振多功能綜合試驗平臺。

1.2 創(chuàng)新點

在研究過程中，對于我國城市軌道交通來說許多問題都是第一次遇到，因此，課題組在許多方面的研究工作，在國內(nèi)都屬于創(chuàng)新性的，總結(jié)起來有以下8項創(chuàng)新點:

1)調(diào)研方法創(chuàng)新。課題組在繪制北京地鐵4、5、10號線況鋼軌波磨現(xiàn)場情況信息圖過程中，首次將線路條件、軌道結(jié)構(gòu)、行車速度、維修打磨狀態(tài)、波磨發(fā)展情況等匯總到一張信息圖中，直觀全面，一目了然，這對于發(fā)現(xiàn)規(guī)律、制定對策、采取措施起到了非常重要的作用。

2)測試方法創(chuàng)新。課題組在尋找鋼軌波磨主要原因的過程中，提出了系統(tǒng)性的5步測試法。即鋼軌波磨特性測試、鋼軌振動加速度測試、車內(nèi)噪聲測試、軌道模態(tài)特性測試、輪對動力特性測試，為確定鋼軌波磨鋼主要原因提供了重要依據(jù)。

3)波磨理論創(chuàng)新。經(jīng)過大量現(xiàn)場調(diào)研、新舊線路對比分析、現(xiàn)場測試和理論分析，課題組初步提出了北京地鐵鋼軌異常波磨的輪軌共振型理論，這對世界地鐵波磨研究來說，是一個研究理論上的創(chuàng)新。

4)分類的方法創(chuàng)新。課題組首次提出了鋼軌波磨分級分類的方法，這對于合理規(guī)劃不同類型的波磨整治思路及原則、有的放矢的采取對策是十分重要的。

5)首次提出地鐵綜合減振技術原則，針對當前在解決地鐵列車振動與噪聲問題時，片面采用軌道減振造成異常波磨大量發(fā)生的情況進行研究，課題組首次提出了防止地鐵鋼軌異常波磨的綜合減振技術原則。為今后城市軌道交通合理規(guī)劃、解決地鐵列車振動與噪聲問題提供了基礎性思路。

6)首次提出新的波磨檢測與評價指標，課題組提出的鋼軌波磨檢測的數(shù)據(jù)指標、測試方法與評價方法，參考了國際上在此項研究上的最新成果，并結(jié)合國內(nèi)地鐵的實際情況，提出了適合北京地鐵波磨檢測的數(shù)據(jù)指標與評價方法，這對于加強對鋼軌波磨的養(yǎng)護維修與管理非常重要，使得這項工作達到一個新的技術水平。

圖1 軌道減振多功能綜合試驗平臺

7)建成軌道減振多功能綜合試驗平臺(見圖1)。這是國內(nèi)唯一的針對地鐵軌道建設的大型足尺試驗平臺，這將為日后的地鐵軌道減振以及軌道剛度和波磨發(fā)展的關系方面提供試驗研究，這在國內(nèi)地鐵軌道的試驗方面是一個創(chuàng)新。

8)首次初步擬定了加強對鋼軌波磨的養(yǎng)護維修與管理的技術條件。課題組針對異常鋼軌異常波磨的研究成果，初步制定針對鋼軌波磨進行系統(tǒng)化、科學化、制度化維修養(yǎng)護的技術條件，這在國內(nèi)軌道交通界也是首次，對加強鋼軌波磨的養(yǎng)護維修與管理非常重要。

下面通過總結(jié)課題的研究成果，從建設管理的角度，介紹北京地鐵鋼軌異常波磨的特點，分別針對新建線路和既有線路鋼軌波磨的預防及整治對策進行闡述。

2 北京地鐵鋼軌異常波磨的特點

為確切掌握北京地鐵鋼軌異常波磨情況，課題組進行了全線鋼軌異常波磨的現(xiàn)場情況調(diào)研，發(fā)現(xiàn)北京地鐵的鋼軌異常波磨與文獻記載的其他情況不同，具備獨有的特征。

北京地鐵在直線和曲線地段均發(fā)現(xiàn)了波磨現(xiàn)象，不同的軌道結(jié)構(gòu)形式具有固定的典型波長，波長范圍為20～200 mm，屬于短波波磨(即波紋磨耗)，在一定的行車速度下，該波長范圍的短波波磨會產(chǎn)生200～300 Hz的輪軌振動，造成部分車輛及軌道部件的共振，形成嚴重的安全隱患，表現(xiàn)為扣件的失效，彈條的松脫和斷裂，且情況較為嚴重(見圖2)。

圖2 鋼軌波磨地段的扣件失效

北京地鐵鋼軌波磨比較集中地出現(xiàn)在采用減振措施的區(qū)段，相比較而言，發(fā)生在普通混凝土整體道床的鋼軌波磨現(xiàn)象大多出現(xiàn)在小半徑曲線的內(nèi)軌，發(fā)展速率緩慢，規(guī)模較小;而在各種減振軌道措施地段，尤其是采用減振器扣件地段，波磨發(fā)生的規(guī)模大、發(fā)展快，無論曲線直線均有發(fā)生，這是本研究的重點。

異常波磨的出現(xiàn)與列車運行速度有關，特別需要指出來的是，在采用減振器扣件的地段，90%以上的波磨出現(xiàn)在列車速度在60～70 km/h的勻速運行區(qū)段。

近幾年開通地鐵線路的軌道均未進行初始打磨，存在因生產(chǎn)和施工過程中造成軌面缺陷和傷損而引發(fā)原始不平順、輪軌廓面不匹配等現(xiàn)象。在跟蹤調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，此類型的鋼軌波磨通過徹底打磨后發(fā)展速率大大降低。

3 北京地鐵鋼軌異常波磨的成因

3.1 內(nèi)因

經(jīng)過大量現(xiàn)場調(diào)研、新舊線路對比分析、現(xiàn)場測試和理論分析，課題組明確了北京地鐵鋼軌異常波磨的類型屬于輪軌共振型，其主要原因如下:

1)軌道結(jié)構(gòu)與車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)動力參數(shù)不匹配，在一定行車速度條件下，車輪輪對的垂向振動激起鋼軌相應頻率的振動，形成輪軌共振(共振頻率在200～300 Hz之間)，致使輪軌接觸方式不良，接觸應力超過鋼軌表面屈服極限，從而導致鋼軌波磨現(xiàn)象(見圖3)。

圖3 北京地鐵各種軌道結(jié)構(gòu)形式的鋼軌振動響應

2)鋼軌異常波磨的產(chǎn)生和發(fā)展與扣件的結(jié)構(gòu)形式有較大關聯(lián)，減振扣件不能提供足夠的阻尼控制輪軌在較高頻率范圍內(nèi)的接觸共振，加劇了鋼軌異常波磨的發(fā)展。

3.2 外因

以下5個方面也是導致鋼軌異常波磨較快發(fā)展的外因:

1)在同一條線路中采用多種軌道減振措施(有的多達6～7種)，軌道剛度變化多而且過渡段不足，致使軌道剛度不一致，變化大，不利于車輛采取措施形成合理的輪軌匹配。

2)線路開通即承擔巨大運量，輪軌磨合期短。

3)線路開通前，鋼軌未經(jīng)初始打磨與幾何形位精調(diào)，存在初始不平順。

4)鋼軌與車輪參數(shù)匹配不合理。

5)現(xiàn)有鋼軌打磨維修裝備不足，未能按實際需要及時進行徹底打磨。

4 防止異常波磨綜合減振對策

根據(jù)課題組確定的導致鋼軌異常波磨的主要原因，從新線建設管理的角度，應深入反思滿足環(huán)評要求的減振效果與防止鋼軌異常波磨這一對矛盾關系，在管理、設計、施工上共同預防鋼軌異常波磨的出現(xiàn)。

4.1 管理上的對策

1)必須確保軌道結(jié)構(gòu)的基本功能，明確軌道結(jié)構(gòu)在減振降噪性能上的局限性，改變以軌道減振作為地鐵減振唯一方式的理念，結(jié)合選線及結(jié)構(gòu)措施等采取綜合減振，共同實現(xiàn)減振目標。

2)應充分考慮減振產(chǎn)品使用范圍的局限性，建立軌道系統(tǒng)產(chǎn)品的準入許可制度，避免不成熟的新產(chǎn)品、新技術給工程建設及運營帶來風險。

3)應加強各專業(yè)的總體協(xié)調(diào)，例如，應對車輛及軌道專業(yè)進行統(tǒng)一的論證，結(jié)合車輛及軌道參數(shù)進行頻率規(guī)劃，避免發(fā)生輪軌系統(tǒng)的接觸共振現(xiàn)象。

4.2 設計上的對策

1)軌道減振措施應在確保合理軌道剛度值和均勻性的前提下，應以增加參振質(zhì)量為主來獲取減振效果。

2)為避免軌道結(jié)構(gòu)本身引起的剛度不均勻性，每條線上減振軌道種類應避免頻繁過度，建議考慮以下方案:

(1)全線采用某種基礎減振軌道。在選擇基礎減振軌道類型時，應通過試驗確定最佳車輛轉(zhuǎn)向架與軌道的動力配合參數(shù)。

(2)地下段基礎減振軌道不能達到一般環(huán)境要求時，應采用枕下或道床板下的減振方式，以提高參振質(zhì)量。

(3)地下段有特殊減振要求時，可采用浮置板軌道(鋼彈簧或橡膠彈簧)。

(4)高架段有特殊減振要求時，應采用橋梁支座減振。

(5)不同剛度軌道結(jié)構(gòu)的過渡段長度應大于一列車長，逐漸過渡。

3)進一步優(yōu)化曲線幾何參數(shù)，比如考慮曲線軌距加寬、超高調(diào)整等。

4)在小半徑曲線地段應當采用耐磨鋼軌，如果反復出現(xiàn)波磨應考慮采取措施控制軌頂摩擦系數(shù)。

4.3 施工上的對策

1)應研究改善施工控制和施工工藝，對軌道的幾何形位進行精調(diào)，確保軌道的平順性。

2)應積極創(chuàng)造條件對新線進行初始打磨，消除由于施工帶來的軌頭傷損等不平順，保障車輪與鋼軌的接觸輪廓匹配良好。

5 既有線鋼軌異常波磨的整治原則

5.1 提出整治原則

在已經(jīng)出現(xiàn)鋼軌波磨的既有線，需在保障地鐵正常運營的情況下對鋼軌波磨進行有計劃的整治，課題組結(jié)合實際情況，提出以下整治原則:

1)安全、可靠、穩(wěn)妥為首要原則。將課題研究成果提出的整治措施、思路與本工程的實際情況結(jié)合起來，全面聽取建設、運營、研究、設計、供貨等單位的意見，充分考慮各種不利因素及現(xiàn)場實際情況，確保整治方案實施不影響運營安全，且使用可靠。

2)分批、分類、分級進行整治改造。優(yōu)先整治異常波磨嚴重或發(fā)展速度較快、對運營及養(yǎng)護維修負面影響較大的地段;對波磨發(fā)展速度一般或影響相對較小地段作為后續(xù)批次整治;對波磨發(fā)展緩慢的地段采用養(yǎng)護維修措施加以控制;撤除規(guī)劃實現(xiàn)后再無減振降噪需求的減振措施;高架橋配合降噪的減振軌道措施酌情按撤除考慮;仍需減振的地段，治理措施應兼顧減振要求。

3)整治與試驗觀測同步進行。在整治過程中，采用增加軌道剛度、安裝鋼軌阻尼等措施，本著邊實施邊觀測的原則進行，經(jīng)過全面、周密、有計劃的觀測，取得關鍵性數(shù)據(jù)，為今后的軌道設計、養(yǎng)護維修提供參考。

4)周全考慮可實施性，兼顧考慮較小代價及影響最小的原則。在保證運營安全及可靠的前提下，對整治方案的技術經(jīng)濟性進行論證，擇優(yōu)選擇，以盡量降低成本，方便實施;同時與運營維修部門充分溝通，與軌道養(yǎng)護維修計劃充分結(jié)合，盡量減少對既有線運營的干擾和影響。

5)加強鋼軌波磨的數(shù)據(jù)管理，規(guī)范化、科學化檢測與評價鋼軌波磨特性數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)針對鋼軌波磨的測試，常用的波磨測量設備為1 m或1.2 m鋼尺，這類測量設備由于單次測量范圍小，測量誤差大，僅提供典型波長及矢高的讀數(shù)過于簡單，獲取信息有限。

5.2 建立完善的測量及評價體系

隨著我國城市軌道交通的迅速發(fā)展，軌道的維修養(yǎng)護已得到各方面的更多重視。作為鋼軌傷損狀態(tài)的評定指標之一，波磨的測量及評價越來越需要規(guī)范化以便于統(tǒng)一管理，并建立一個完善的波磨測量及評價體系。

1)隨時監(jiān)測軌道波磨的發(fā)展狀態(tài)，有利于及時控制輪軌關系惡化，保障運營安全。

2)及時掌控由于波磨產(chǎn)生的噪聲及振動超標問題，還居民一個安靜的軌道交通。

3)制定合理的打磨策略，減少軌道結(jié)構(gòu)的使用壽命周期成本。

4)掌控各種鋼軌波磨發(fā)展及打磨周期，為新建線選擇合理的軌道形式提供依據(jù)。

為此，鋼軌波磨的測量與評價應該朝著數(shù)據(jù)化、常規(guī)化以及數(shù)據(jù)指標科學化的方向發(fā)展，鋼軌波磨的測量設備應能對整個區(qū)段的鋼軌表面粗糙度狀況進行測量和評估，并根據(jù)測量結(jié)果提供制定打磨策略所需的數(shù)據(jù)支持。

6 結(jié)論

通過對北京市科學技術委員會“北京軌道交通減少異常波磨綜合減振技術研究”課題研究成果的總結(jié)，從建設管理的角度，提出了城市軌道交通在防止鋼軌異常波磨的發(fā)生和發(fā)展的幾點原則及建議，可為其他城市的軌道交通同行提供參考。

1)針對新建線路，應加強建設管理，從總體上協(xié)調(diào)線路規(guī)劃、線路基礎、軌道結(jié)構(gòu)、振動保護對象等系列的綜合減振措施，還“軌道減振”為更為合理的“地鐵減振”。

2)在設計中應加強總體的聯(lián)系，使得各專業(yè)緊密配合，尤其是車輛與軌道應進行總體考慮，避開輪軌系統(tǒng)的共振點。

3)針對既有線鋼軌波磨的改造，應重視維修養(yǎng)護及分批分類分級的逐步改造。

［1］北京軌道交通減少異常波磨綜合減振技術研究課題組.北京軌道交通減少異常波磨綜合減振技術研究技術報告［R］.北京:北京交通大學，2010.

［2］北京軌道交通減少異常波磨綜合減振技術研究課題組.北京地鐵5號線鋼軌波磨調(diào)查報告［R］.北京:北京交通大學，2010.

［3］李克飛，劉維寧，張厚貴，等.地鐵鋼軌波浪形磨耗的原因分析［J］.都市快軌交通，2010，23(2):1-5.

［4］劉維寧，任靜，劉衛(wèi)豐，等.北京地鐵鋼軌波磨測試分析［J］.都市快軌交通，2011，24(3):6-9.

［5］谷愛軍，劉維寧.國外城市軌道交通鋼軌波浪形磨耗病害研究及治理［J］.城市軌道交通研究，2011(12):51-55.