高速铁路高架桥无缝道岔“渭南模式”的试验研究

蒋金洲，魏周春，梁 晨，徐玉坡，李 伟，于 鹏，王 猛

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

高速铁路高架桥无缝道岔不仅承受钢轨温度力的作用，还承受桥梁和道岔钢轨件之间的相互作用，同时还需满足动车组安全、高速、平顺通过的要求。又由于高速铁路运营期间不能上道检修，因此要求高速铁路高架桥无缝道岔具备足够的安全、舒适和稳定可靠性。

1 高架桥无缝道岔“渭南模式”的要素

高速铁路高架桥无缝道岔“渭南模式”有以下5个要素。

1.1 无缝道岔结构

1)总体技术要求:道岔采用高速18号无砟轨道道岔，铺设时一次焊联成无缝道岔。道岔的制造、铺设和验收满足相关技术要求。

渭南北站采用了时速350 km，60 kg/m，18号无砟轨道道岔，道岔全长 69 m，前长 31.729 m，后长37.271 m，导曲线半径为1 100 m。道岔允许直向通过速度为350 km/h，侧向允许通过设计速度为80 km/h。

2)辙叉结构:可动心轨辙叉结构稳定性，辙叉钢轨件之间、翼轨与钢轨之间采用多组间隔铁牢固连接。

渭南北站道岔的可动心轨辙叉采用高锰钢整铸翼轨，由前端60 kg/m钢轨、中间部位的铸造翼轨和后端的轧制特种断面翼轨闪光焊接而成。其使用寿命长，稳定性好，安全可靠，方便转换锁闭装置的安装和运动。长、短心轨及叉跟尖轨采用60D40制造，短心轨后端为滑动端，短心轨尖端嵌入长心轨，心轨跟端和尖轨跟端一样锻压加工为60 kg/m钢轨标准断面。长短心轨采用哈克螺栓联结，以保证其整体稳定性。

3)尖轨跟端结构:道岔尖轨跟端不设限位器或间隔铁等传力结构。渭南北站桥上道岔尖轨跟端不设限位器。

4)道岔范围内扣件:道岔内部采用大阻力扣件，扣件阻力超过13 kN/m/轨。渭南北站桥上道岔内扣件采用 Vossol-300W型扣件，扣件纵向阻力为15 kN/m/轨。

1.2 道岔梁

道岔梁采用双线箱型、多跨混凝土连续梁，最大跨度不超过56 m、最大温度跨不超过134 m;在咽喉区可采用四线变宽梁;道岔梁采用多联的混凝土连续梁时，连续梁之间设置2～3孔简支梁，桥梁挠跨比满足设计规范要求。

1.3 无缝道岔布置

如图1，无缝道岔应尽可能整组布置在一联梁上，且尖轨尖端、心轨跟端都应离开梁端至少18 m(下称“18 m规则”);困难条件下，转辙器和辙叉可分别设置于一联梁上，除心轨尖端同样应满足18 m规则外，还应使尖轨跟端离开梁端至少40 m。

图1 高速铁路高架桥无缝道岔布置要求

图2 高架桥1#和3#岔位布置

图3 高架桥5#和7#岔位布置

如图2、图3，渭南北站1#和3#无缝道岔为渡线道岔，位于(30.2+48.0+56.0+48.0+30.2)m双线连续梁上，该道岔梁温度跨为134 m，1#和3#岔位尖轨尖端距最近的梁缝距离分别为26.156 m和34.696 m，均满足18 m规则;5#和7#无缝道岔侧线为到发线，位于(30.7+48.0+33.0)m变宽连续梁上，该道岔梁温度跨为81 m，尖轨尖端距离梁缝23.636 m，心轨跟端距离梁缝19.086 m，均满足18 m规则。梁道岔梁之间为3孔24.7 m双线简支箱梁。

1.4 高架桥轨下基础

1)道岔轨下基础:道岔轨下基础采用长枕埋入式无砟轨道或道岔板无砟轨道，底座与桥梁牢固连接，道床板或道岔板与底座设置纵横向限位装置，使无缝道岔传递下来的荷载通过无砟轨道和底座再传递给桥梁结构。

郑西客运专线渭南北站高架桥无缝道岔采用长枕埋入式无砟轨道，底座采用钢筋混凝土结构，与桥梁结构连接，将由道床板传递下来的荷载传递到桥梁结构。道床板采用钢筋混凝土结构，按照道岔的所有灵敏机械设备都在同一块道床板上的原则，岔区道床板采用长板结构，每块板长20～30 m不等。如图4道床板设置纵向贯通凸台，限制道床板横向位移;道床板中部设置数道横向贯通凸台板约束道床板纵向位移。道床板与底座板之间铺设隔离层，以减少道床板两端由收缩和温度变形引起的约束。

2)道岔相邻无缝线路轨下基础:道岔相邻无缝线路采用CRTSⅡ型或CRTSⅢ型无砟轨道。郑西客运专线渭南北站高架桥道岔范围外铺设CRTSⅡ型无砟轨道。

1.5 无缝道岔相邻的无缝线路

1)高架桥无缝道岔与左右相邻无缝线路一次焊联，左右相邻的无缝线路轨条长度至少250 m。

2)相邻的无缝线路采用60 kg/m、钢轨强度等级在880 MPa以上，扣件阻力超过13 kN/m/轨。

3)最大温升幅度、最大温降幅度均不超过50℃。郑西客运专线一次铺设60 kg/m钢轨跨区间无缝线路，钢轨钢种为U71Mn(K)，其强度等级为880 MPa，无缝线路锁定轨温为(23±5)℃，渭南地区最高轨温62.2℃，最低轨温为 -16.7℃，最大温升及最大温降均为45℃。区间扣件采用 WJ-8型扣件，扣件支点间距为650 mm，线路纵向阻力为14 kN/m/轨。

图4 道岔道床板限位装置

2 高速铁路轨道状态长期监测系统

2.1 系统构成

高速铁路轨道状态长期监测系统利用无线网络数据传输技术，以达到实时在线监测的目的。该系统由现场数据采集、无线网络数据传输、远程监测中心3大子系统构成。

现场数据采集部分由布置于轨道现场的传感器、数据解调仪和工控机、电源组成。传感器采用光栅传感器，用于测试钢轨温度力、钢轨爬行、梁缝变化、轨温和气温;数据解调仪采用光栅解调设备，工控机用于数据处理;电源采用太阳能供电系统或架设有线电源。

无线网络数据传输部分由设置在现场的3G无线网络模块、发射天线、Internet公网组成。

远程监测中心由海量服务器、数据采集和管理软件、终端设备组成。

数据流程为:轨道现场的数据解调仪采集了传感器的数据后传送给工控机管理，工控机通过管理软件进行数据处理，并送至现场存储器和3G网络模块;工控机管理软件通过3G网络模块将数据按服务器IP地址发送至 Internet网;服务器管理软件实时从 Internet网中采集指定的数据，并将数据还原成工程量并进行存储，同时将数据送往终端。服务器管理软件具有显示、查询、自动判定超限值的功能。

因此，无论何时何地只要有授权终端，就能通过Internet网访问远程监测中心服务器，进行现场数据曲线的在线显示、查询、下载等操作。

2.2 系统性能指标

轨道状态无线网络监测系统性能指标详见表1。

3 长期监测结果

应用轨道状态无线网络监测系统对郑西客运专线渭南北站高架桥3#和5#无缝道岔进行了轨温、环境温度、梁缝变化、梁缝相错量、钢轨纵向位移、钢轨温度力等参数监测，测试数据均从远程监控中心的服务器得到，测试数据时间从2010年1月14日开始，截止到2010年8月1日，记录的时间坐标精确到每日每时每秒。

表1 轨道状态长期监测系统性能指标

3.1 轨温及环境温度

3#、5#道岔轨温与环境温度关系如图5所示，测试结果如下:

1)同一时刻内3#道岔和5#道岔轨温基本相同，轨温和环境温度随着时间而发生变化，变化趋势基本相同。

2)2010年1月中旬，3#、5#道岔轨温和环境温度均达到最低值。轨温最低值出现在1月14日早上7:30—8:00，为-7.4℃，此时环境温度为 -5℃。环境温度最低值出现在该日早上6:30，其值为-5.9℃，此时轨温为-7℃。

3)2010年6月下旬，3#、5#道岔轨温和环境温度均达到最高值。轨温最高值出现在6月21日和22日的14:30—15:30，为49.9℃，此时环境温度为37.9℃，轨温最大值比环境温度高出12℃。环境温度最高值出现在6月20日15:45，其值为41.6℃，此时的轨温为49.2℃，轨温比环境温度高出7.6℃。

3.2 位移

图5 轨温与环境温度分布(2010.1—2010.8)

测得2010年1月—2010年8月期间，辙叉相对轨道板纵向位移最大值:3#岔为2.7 mm，5#岔为2.0 mm;岔前基本轨相对轨道板位移最大值:3#岔为2.4 mm，5#岔为3.8 mm;岔后基本轨相对轨道板位移最大值:3#岔为0.8 mm，5#岔为1.4 mm。测得3#道岔梁梁缝变化最大为32.3 mm(温度跨134 m)、5#道岔梁梁缝变化最大19.9 mm(温度跨81 m)。测得梁缝相错量最大为1.8 mm，出现在2010年7月15日13:15，该值直接影响3#道岔岔前轨道横向平顺度。道岔辙叉钢轨纵向位移、梁缝变化量随时间的分布情况如图6、图7所示。

图6 辙叉纵向位移(相对轨道板)分布(2010.1—2010.8)

图7 道岔梁梁缝变化分布(2010.1—2010.8)

3.3 钢轨温度力

测得2010年1月—2010年8月间134 m温度跨(3#岔位)的道岔梁梁缝处无缝线路钢轨附加力最大不超过200 kN，约合10℃的温度力。冬季和夏季养护维修时，道岔梁梁端无缝线路可按10℃附加力进行作业。3#岔位基本轨在梁缝处钢轨温度力时间历程曲线如图8所示，其中“+”表示温度力为拉力，“-”表示温度力为压力。

4 动态测试结果

4.1 测试目的

1)进行逐级提速试验，考核动车组直向和侧向通过郑西客运专线高架桥无砟轨道可动心轨道岔(3#和5#岔位)的安全性和平稳性。

2)验证60D40尖轨、高锰钢整铸翼轨、扣件系统、岔枕、转换和锁闭装置等关键部件在高速行车条件下的适应性。

图8 3#道岔梁缝处钢轨温度力分布(2010.1—2010.8)

3)验证道岔轨道刚度的合理性、岔区轨道刚度的均匀性、道岔前后轨道刚度过渡的平顺性。

4)掌握动车组各级速度通过道岔梁时梁的动挠度规律，并评价道岔梁的刚度。

4.2 测试结果

1)动车组直侧向通过被测道岔时，脱轨系数最大值0.73，减载率最大值 0.41，轮轴横向力最大值28.27 kN，分别小于动车组限值。

2)动车组直向通过道岔时，尖轨开口量最大值0.47 mm，＜4.00 mm限值;动车组侧向通过道岔时，尖轨开口量最大值1.3 mm，＜4.0 mm限值。

3)动车组直向通过18号道岔时，直尖轨顶宽20 mm断面开始承受垂直力、50 mm断面承受大约85%的垂直力，轮轨垂直力的过渡主要在直尖轨顶宽20～50 mm间完成，且动车组动力学测试数据表明，脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等值均小于限值，能够满足列车安全平稳运行的要求。

4)动车组直向通过18号道岔时，岔区范围内钢轨垂向位移平均值在0.42～0.77 mm之间，各测点钢轨垂向位移平均值为0.58 mm，区间轨道处钢轨垂向位移平均值为0.53～0.56 mm之间，岔区轨道和区间轨道钢轨垂向位移较一致，与区间轨道的刚度过渡性能良好。

5)实测动车组直向、侧向通过18号道岔时，道岔振动加速度最大为17.9 g，小于允许值21.0 g。

6)转换设备工作状态良好，信号表示功能正常，转换设备能够满足动车组安全平稳运行的要求。

7)直向全线拉通试验时，脱轨系数、减载率、轮轴横向力均小于动车组限值。动车组侧向通过道岔时，脱轨系数、减载率、轮轴横向力均小于限值。车体横向、垂向加速度均没有大于III级超限值，满足要求。

8)动车组通过3#和5#道岔时，实测道岔梁梁端梁轨纵向位移最大为0.105 mm;道岔梁梁面振动加速度最大为0.156 m/s2，远小于允许值5 m/s2;实测道岔梁动挠度值与动车组速度没有明显关系，动挠度在0.364～0.510 mm之间，最大值远小于设计允许值［f］(［f］=28 mm)，说明道岔梁动刚度具有较大的富余量。

5 结语

通过对郑西客运专线渭南北站桥上无缝道岔进行轨道状态长期监测和动车组通过时的动力特性测试，分析测试结果可以看出:高架桥无缝道岔布置的“18 m规则”是科学的，高架桥无缝道岔设计参数合理，道岔梁动挠度较小，道岔梁动刚度具有较大的富余量，桥上高速18号道岔部件变形、结构稳定性均能满足动车组直向350 km/h，侧向80 km/h安全及平稳运行的要求。

综上所述，渭南模式的高架桥无缝道岔在其范围内岔梁相互作用不明显，道岔外钢轨附加力对道岔的影响可忽略，道岔钢轨件之间的相互作用也可忽略，桥上无缝道岔范围内能按路基无缝道岔的方式进行养护维修，且在冬季和夏季养护维修时，道岔梁梁端无缝线路可按10℃附加力进行作业。因此，高速铁路高架桥无缝道岔渭南模式值得推广应用。

［1］中国铁道科学研究院.郑西客运专线新渭南站桥上无缝道岔试验研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2010.

［2］中铁第一勘察设计集团有限公司，北京交通大学.新渭南高架站无缝线路道岔群设计研究(报告一)［R］.西安:中铁第一勘察设计集团有限公司，2010.