高速铁路无砟轨道线路动静态检测数据均值差异性研究

高速铁路无砟轨道线路动静态检测数据均值差异性研究 高速铁路无砟轨道线路动静态检测数据均值差异性研究

谭社会

(上海铁路局工务处，上海 200071)

摘 要：均值管理是评价线路平顺性状态的重要指标。高速铁路无砟轨道高平顺性、高稳定性的特点决定了均值管理具有更为重要的意义。通过对比分析杭长、宁安客运专线和合福高速铁路的轨道几何动静态检测数据，发现在线路状态较好的情况下，无砟轨道动静态检测数据均值差异很小，尤其是轨向、轨距不平顺。轨道平顺性状态、结构形式及初始状态是影响无砟轨道动静态差异的重要因素。因此在建设阶段应注重无砟轨道精调质量的提升；在运营阶段应结合不同轨道型式自身的结构特点对无砟轨道进行动静态管理。

关键词：高速铁路；无砟轨道；几何状态；均值管理；动静态检测

在轨道不平顺检测过程中，根据是否出现列车轮载作用分静态检测和动态检测两大类[1]。由于检测原理、检测设备以及检测过程中线路受力状态的不同，同一段线路的动静态检测结果存在一定差异，直接影响了线路养护维修中对超限病害的诊断[2-4]。为此动静态检测数据之间的相关性是学者们研究的热点，例如任志强[5]将轨检车以160 km/h速度检测的轨道不平顺结果与静态检测值进行了比较，探讨了轨道不平顺动态与静态值之间的关系。魏晖、朱洪涛等[6]从动静态检测原理出发，分析了以轨检车为代表的动检系统及以轨检仪为代表的静检系统的系统传递函数，并利用待定系数法推导了长波不平顺的扩展算法等。但上述这些研究大多集中于对轨道不平顺动静态峰值的相关性研究，而对动静态均值的相关性研究则明显不足。

从杭长、宁安客运专线和合福高速铁路的动静态检测数据出发，分析无砟轨道动静态检测数据的均值差异以及轨道平顺性状态、结构形式和初始状态等因素对动静态均值差异性的影响，以期为我国高速铁路无砟轨道不平顺的均值管理提供科学的定量参考，完善无砟轨道养护维修管理。

1 检测原理

静态检测设备为0级轨道检查仪，在高速铁路轨道铺设、精调、验收及运营维护各阶段中被广泛使用[7]。能够精确检测轨距、水平、三角坑、轨距变化率、左右轨向、左右高低等轨道平顺性参数。其中高低、轨向的检测原理为弦测法，以左右轨测量点处10 m弦的高低和轨向的正矢作为检测值[8-9]。

动态检测设备为高速综合检测列车，其中轨道几何状态的检测采用惯性基准法原理[10]，同时在轴箱、构架、车体安装加速度仪，构成加速度检测系统。通过对惯性器件的测量值解析计算得到惯性基准，并对加速度检测值进行二次积分测得轨道相对于惯性基准的相对位置，由此作为检测值。

2 动静态检测数据源

用于动静态检测数据差异性分析的数据来自于0级轨道检查仪和高速综合检测列车，项目包括左右高低、左右轨向、轨距、水平、扭曲7个单项指标。其中静态数据为线路静态验收时0级轨道检查仪的检测数据；动态数据为线路开通初期高速综合检测列车的检测数据。

检测对象包括杭长、宁安客运专线和合福高速铁路，这3条线的轨道结构、扣件类型、设计速度、开通时间和数据源里程如表1所示。

表1 3条线路基本信息及数据源里程

线路名称杭长客运专线合福高速铁路宁安客运专线轨道结构类型扣件类型数据源里程设计速度/(km/h)CRTSⅡ型板式无砟轨道WJ-8型K181.000～K276.000350CRTSⅡ型板式无砟轨道WJ-8型K1001.000～K1087.000300双块式无砟轨道W300-1型K1087.000～K1307.000300双块式无砟轨道W300-1型K963.000～K979.000250CRTSⅠ型板式无砟轨道WJ-7型K75.000～K216.000250

注：数据源不包含道岔区及有砟轨道区段，单元区段长度为200 m，均为正线线路。其中合福K963.000～K979.000区段原为合蚌高铁与合福高铁的联络线，现为京福高铁正线。

在高速铁路动态验收时高速综合检测列车会对待验收的线路进行动态检测[11]，但考虑到一次检测数据的准确性无法验证，用一次动态验收时的检测数据作为动态数据有失严谨。另一方面，由于高速铁路无砟轨道线路平顺性好，开通初期线路状态稳定且未进行养护维修，因此考虑用上述3条线路开通初期每月2次的动态检测数据作为分析数据，用线路开通初期动态检测数据的平均值可避免某次检测中的误差问题。

静态检测数据方面，在杭长客运专线联调联试期间上海铁路局曾组织对0级轨道检查仪的检测数据进行对比验证分析。结果表明在同等温度情况下，0级轨道检查仪的误差在0.3 mm以内，具有极好的重复性，因此静态检测数据也具有良好的准确性和可信度。

3 轨道几何动静态差异性分析

动静态检测原理及检测值定义的不同，导致动静态检测结果存在一定差异性，因此我国高速铁路无砟轨道采用“动态检查为主，动、静态检车相结合”的原则[12]。此外我国铁路线路养护维修中，对于轨道不平顺主要采用峰值管理与均值管理两种评价方法[13]。峰值管理通过计算轨道各项几何参数在连续测点上的半峰值是否超过规定限值判定线路状态，因此反映的是轨道局部质量状态；均值管理是通过计算200 m轨道区段中全部测点各项几何参数的标准差及标准差之和判定线路状态，因此反映的是轨道区段整体质量状态。

高速铁路无砟轨道要求线路具备高平顺性和高稳定性，这一方面对均值管理提出了更严格的要求；另一方面无砟轨道多年的运营实践表明，峰值超限的个数极少，均值管理成为无砟轨道平顺性管理的重点。

鉴于我国对于高速铁路无砟轨道均值管理方面的研究较少，特别是动静态检测数据均值的差异性分析。为此，以200 m为单元区段长度，分别统计3条线几何尺寸各单项动静态检测值标准差的均值，将动静态检测值标准差的均值差Δ作为差异性指标，如式(1)所示。

式中，i为200 m单元区段个数；j=7，为几何尺寸单项个数；

　　为第j项单项几何尺寸动态标准差均值；

　　为第j项单项几何尺寸静态标准差均值。

为区分轨道结构形式、线路状态等因素对动静态均值的影响，将合福高速铁路的检测数据分成Ⅱ型板、双块式、联络线双块式3种，统计结果见表2及图1。

表2 3条线路单项动静态均值差统计 mm

差值左轨向右轨向左高低右高低水平轨距扭曲TQI动态TQI数值杭长上行(Ⅱ型板)0.00-0.010.000.010.020.010.060.121.76杭长下行(Ⅱ型板)0.010.020.010.010.020.020.060.141.79合福上行(Ⅱ型板)0.020.010.030.030.000.000.030.121.55合福下行(Ⅱ型板)0.010.010.030.020.010.010.040.131.51合福上行(双块式)0.010.000.050.020.030.020.080.211.7合福下行(双块式)0.010.010.030.040.030.020.060.191.66合福联络线上行(双块式)0.010.010.020.000.130.000.180.372.38合福联络线下行(双块式)0.010.010.010.020.140.010.180.352.35宁安上行(Ⅰ型板)0.000.000.130.10.030.030.060.341.86宁安下行(Ⅰ型板)0.010.010.110.10.030.030.050.341.86

图1 单项动静态差值统计

由表2及图1可知，由于高速铁路无砟轨道的建设标准较高，线路平顺性较好，动静态检测值标准差均值之差Δ较小，个别数据的静态均值略大于动态均值。其中左右轨向和轨距的动静态标准差均值差均小于0.03 mm，考虑到动静态检测误差的存在，因此认为高速铁路无砟轨道在线路平顺性极好的情况下，轨向、轨距的动静态检测结果在均值上几乎相同，可用静态检测结果代替动态检测，反之亦然。

但各条线路因轨道结构形式、线路平顺性状态、线路条件等因素，在高低、水平和扭曲3个单项指标上又表现出一定差异性，需进一步深入分析。

4 轨道几何动静态差异影响因素分析

4.1 轨道平顺性状态的影响

线路因速度等级、建设标准、轨道精调质量的不同，无砟轨道的线路平顺性状态也各不相同。从表2动态轨道质量指数(TQI)可知，3条线路平顺性状态最好的为合福Ⅱ型板，其次为合福双块式、杭长Ⅱ型板和宁安Ⅰ型板，平顺性状态最差的为合福联络线。

由于不同线路在各单项指标上表现出的动静态标准差均值差异各不相同，因此将7个单项均值差之和定义为衡量动静态均值差异的综合指标C，其实质为动静态TQI差值，见式(2)所示。

式中，Δj为第j项单项几何尺寸动态标准差的均值差；TQID为动态TQI数值；TQIS为静态TQI数值。

以线路平顺性状态即动态TQI为横坐标，动静态均值差异综合指标C为纵坐标，作图分析线路平顺性状态对动静态差异的影响，如图2所示。

图2 线路平顺性状态对动静态差异的影响示意

从图2可知，线路平顺性状态越好，即动态轨道质量指数(TQI)越低，动静态差异越小。这是因为虽然高低、轨向的动静态检测原理并不相同，但在轨道精调质量高、线路平顺性状态极好的情况下，一方面动态作用引起的动态附加不平顺极小；另一方面有载情况下轨道刚度均匀性也较好，因钢轨侧翻等原因导致的动静态检测差异就越小。因此线路平顺性很好的情况下，各单项标准差之和的差异小于0.15 mm，可用静态检测数据推算对应的动态值，以实现预期的动态平顺性目标。由此可知，提升高速铁路无砟轨道的轨道精调质量，不仅可以提高线路平顺性、降低列车荷载下的动态破坏作用，同时也有利于线路运营阶段的动静态管理。

4.2 轨道结构形式的影响

无砟轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒碎石道床而组成的轨道结构形式，目前我国常用的有CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式、双块式以及道岔区轨枕埋入式、道岔区板式等几种结构形式[14-15]。结构形式不同体现在轨道结构组成及动态作用下结构承力传力方式等方面的不同，这势必会影响动静态检测结果的差异性。

从图1及表3的统计结果可知，宁安客运专线左右高低标准差均值差Δ比其他线路高一个数量级，动静态差异显著。造成这一现象的原因与轨道结构形式有关。宁安客运专线采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构，它是在现浇的钢筋混凝土底座上铺装预制轨道板，通过砂浆充填层调整高低水平，通过凸形挡台进行限位的单元板式无砟轨道结构形式，如图3(a)所示；杭长客运专线与合福高速铁路部分区段采用CRTSⅡ型板式无砟轨道结构，是把预制CRTSⅡ型轨道板通过水泥沥青砂浆调整层，铺设在现场摊铺的混凝土支承层(路基、隧道)或现场浇筑的钢筋混凝土底座(桥梁)上的纵连板式无砟轨道结构形式，如图3(b)所示；合福高速铁路其余区段采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构，它是将预制双块式轨枕组装成轨排，以现浇混凝土的方式将轨枕埋入道床板中的轨道结构形式，如图3(c)所示。

图3 不同板式无砟轨道结构

由于CRTSⅠ型板式无砟轨道为单元板式结构，轨道板质量相对较轻，且纵向分离独立，因此纵向稳定性不及CRTSⅡ型板无砟轨道的纵连结构；另外，CRTSⅠ型轨道板为预制轨道板，下部为水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)调整层，与下部结构的粘结不及现场浇筑的钢筋混凝土底座的CRTSⅡ型和CRTSⅠ型双块式无砟轨道。砂浆充填层是CRTSⅠ型板式无砟轨道承力传力和支撑调整的主要部件，在施工过程中因灌注不饱满、灌注温度等原因易引起砂浆层与轨道板离缝，列车荷载作用下，引起轨道板沿纵向的不均匀垂向位移，导致宁安客运专线高低动态检测值的离散性比静态大，反映在动态高低标准差均值显著大于静态标准差均值。由此可见，高速铁路无砟轨道结构形式在一定程度上影响动静态检测结果的差异性，对于高速铁路无砟轨道的动静态管理应结合不同轨道形式自身的结构特点。

4.3 轨道初始状态的影响

合福高速铁路K963.000～K979.000(原为合蚌客专与合福高铁的联络线，现属京福高铁的组成部分)与K1087.000～K1307.000段均为CRTSⅠ型双块式无砟轨道，但从图1及表2可知，两个区段在动静态检测值标准差均值上却表现出不同差异性，联络线区段的水平、扭曲动静态检测值标准差均值比正线区段大0.1 mm，动静态差异性显著。

水平不平顺和扭曲不平顺与高低不平顺一样，都是线路平顺性的垂向指标。但与纵向的高低不平顺不同，水平不平顺是指同一横断面左右两股钢轨顶面的相对高度，扭曲是指左右两轨顶面相对于轨道平面的扭曲，用相隔一定距离(3 m)的两个截面水平幅值的代数差度量[16]。联络线的线形条件差，曲线半径小，且存在“S形”曲线，引起三角坑动态检测均值较大。此外，CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工过程中，如果预铺钢轨扣件扭矩不足，极有可能导致双块式轨枕左右承轨槽不在同一平面上，引起承轨槽倾斜，也会对动态检测带来很大影响，特别是水平与三角坑。线路初始状态差，则调整时更换的扣件比例大，同时更换的扣件偏差规格也大，这些因素均影响动静态TQI的差异性。由此可见，轨道线形、施工质量对同一结构类型无砟轨道的动静态检测结果的差异性也有较大影响。

5 结论

基于高速铁路无砟轨道运营初期的动静态检测数据，通过定义动静态差异性指标，从线路平顺性、轨道结构形式、轨道施工质量几个角度分析了无砟轨道动静态检测数据的均值差异，得到以下结论。

(1)由于高速铁路无砟轨道的建设标准较严，轨道精调质量高，线路平顺性较好，动静态检测值标准差均值之差三角坑整体较小。在线路平顺性极好的情况下，轨向、轨距的动静态检测结果在均值上几乎相同，可用静态检测结果代替动态检测，反之亦然。

(2)线路平顺性状态是影响动静态均值差异的重要因素。在轨道精调质量高、线路平顺性状态极好的情况下，动态作用引起的动态附加不平顺极小，动静态均值差异也极小。因此提升高速铁路无砟轨道的轨道精调质量，不仅可以提高线路平顺性、降低列车荷载下的动态破坏作用，同时也有利于线路运营阶段的动静态管理。

(3)高速铁路无砟轨道结构形式在一定程度上影响动静态检测结果的差异性，CRTSⅠ型板式无砟轨道结构的分层特点是其动静态高低均值差异显著大于其他轨道结构的原因。因此对于高速铁路无砟轨道的动静态管理应结合不同轨道形式自身的结构特点。

(4)轨道初始状态不仅直接影响线路的平顺性状态，对同一结构类型无砟轨道的动静态检测结果的差异性也有较大影响。因此新线建设阶段应结合轨道结构特点，注重施工质量的把控。

参考文献：

[1] 罗林，张格明，吴旺青，等.轮轨系统轨道平顺状态的控制[M].北京:中国铁道出版社，2006.

[2] 陈雯，周亮，许玉德，等.城市轨道交通轨道几何不平顺检测数据的应用分析[J].城市轨道交通研究，2013，16(1):28-32.

[3] 程志全.轨道检测车的运用[J].中国铁路，2015(5):82-85.

[4] 陶凯，梁志明，徐贵红，等.城市轨道交通轨道几何状态动态检测分析研究[J].现代城市轨道交通，2015(5):48-51.

[5] 任志强.无砟轨道不平顺静态值与轨检车160k m/h动态检测结果的相关性研究[J].铁道建筑，2012(4):125-127.

[6] 魏晖，朱洪涛，刘荣平，等.无砟轨道轨向动静态轨向数据的差异性的时频域解释[J].科学技术与工程，2013，13(17):5040-5045.

[7] 马明正.高速铁路无砟轨道钢轨精调过程控制关键技术[J].铁道标准设计，2014，58(3):21-24.

[8] 朱洪涛，魏晖，熊瑞文，等.弦测法检测轨向不平顺的研究[J].铁道建筑，2005(10):63-64.

[9] 中华人民共和国铁道部.TB/T3147—2012铁路轨道检查仪铁道行业标准[S].北京:中国铁道出版社， 2012.

[10]仲崇成，李恒奎，李鹏，等.高速综合检测列车综述[J].中国铁路，2013(6):89-93.

[11]康熊，姚建伟.高速铁路联调联试关键技术和试验研究主要成果[J].中国工程科学，2015(4):21-29.

[12]中华人民共和国铁道部.TG/GW 115—2012高速铁路无砟轨道线路维修规则[S].北京:中国铁道出版社，2012.

[13]徐金辉，汪力，王源，等.轨道不平顺峰值管理与均值管理的分析[J].铁道建筑，2015(6):147-151.

[14]罗震.高速铁路无砟轨道结构受力及轮轨动力作用分析[D].成都：西南交通大学，2008.

[15]田利民.客运专线无砟轨道系统设计[J].中国铁道科学，2008，29(1):13-16.

[16]练松良.轨道工程[M].上海：同济大学出版社，2006.

Research on Mean Value Difference between Dynamic and Static Inspection Data of High-speed Railway Ballastless Track

TAN She-hui

(Works Department， Shanghai Railway Administration Bureau， Shanghai 200071， China)

Abstract：As one of the main index for evaluating track irregularities， mean value management can reflect the overall quality status of track section， which is more meaningful for ballastless track of high-speed railway due to its high ride comfort and high stability. Therefore， on the base of the dynamic and static inspection data from Hangzhou-Changsha， Nanjing-Anqing passenger dedicated lines and Hefei-Fuzhou high-speed railway， this paper analyzes the differences of the inspection data from the two kinds of railways. The results show that the differences between dynamic and static inspection data of ballastless track are extremely small， especially those in terms of track alignment and gauge irregularity. Track irregularity status， structural type and initial quality contribute much to the differences. Therefore， track fine adjustment quality should be addressed during the construction of ballastless track， and both dynamic and static management of ballastless track should be enforced during the operation period with reference to the differences of track structures.

Key words：High-speed railway; Ballastless track; Track geometry; Mean value management; Dynamic and static inspection Standard deviation

收稿日期：2016-05-14；

修回日期：2016-06-19

基金项目：国家科技支撑计划(2013BAG20B01)；国家自然科学基金(50908179)；上海市自然科学基金(11ZR1439200)

作者简介：谭社会(1973—)，男，高级工程师，1995年毕业于西南交通大学铁道工程专业，工学学士，E-mail:[email protected]。

文章编号：1004-2954(2017)02-0001-04

中图分类号：U216.3

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.02.001