西成高鐵陜西段軌道精調綜述

陳 麟

(中鐵五局集團有限公司,長沙 410007)

1 概述

西成高鐵正線長度約509 km，其中陜西段長約340 km。設計時速250 km，CRSTⅠ型雙塊式無砟軌道，橋上為單元式結構、隧道及路基段為連續結構布置。

XCZQ-6標段長度為34.2 km，含2座車站。2015年3月開始進行無砟軌道底座板或支撐層的施工，于2016年10月完成左右線鋪軌，2017年5月完成軌道靜態精調。

陜西段從2017年6月中旬開始進行動態聯調聯試及動態精調，到9月下旬動態聯調聯試報告審查通過，歷時3個月時間。從動態聯調聯試報告結論來看，軌道的幾何狀態、各單項偏差峰值、平順性和平穩性管理值已經全部達到驗收規范要求。

文中所有涉及軌道波形、平順性的數據來源：(1)道床板澆筑控制及靜態精調階段均來自現場采集的數據；(2)動態精調階段均來自動車綜合檢測列車采集的數據；(3)扣件更換率均為本單位所承擔的施工段實際消耗量。

2 無砟軌道澆筑及軌道靜態精調

2.1 道床板框架單元澆筑控制

結合蘭新二線軌排框架的施工經驗，本標段使用長度110 m的框架單元，道床板最大有效施工長度為90 m。主要考慮因素：(1)既可較好地控制長波平順性，又具有容易準確模擬曲線地段的框架縱橫向剛度；(2)與相鄰單元有良好的平順過渡；(3)合理的施工效率。所以，框架在縱向采用了間距1.25 m，“隔四、兩加強”的橫梁結構，同時將調高機構從原來的工具軌軌底移到軌排外側的橫梁上，避免了將來鋼軌下道床板預留孔的封填處理，使道床板一次成形并保持其表面平整美觀，如圖1所示。

圖1 改進后框架單元

圖2為代表性段落道床板澆筑前后的空間位置變化情況。

圖2 單元澆筑前后軌道高程及平面變化

統計結果顯示，道床板澆筑后，一般情況下軌道空間位置偏差的標準差可以控制在0.5 mm左右，個別峰值達到±1.5 mm甚至更大者則在6%～18%的占比范圍變動。這種情況的出現，主要表現在框架的空間支撐或約束系統在不同基礎結構(橋梁、隧道、路基、過渡段等)上的差異所致，如橋梁上的梁面及防撞墻或隧道內的隧底及電纜溝側墻可以提供較強的空間約束，而路基段或過渡段則只能在支撐層甚至路基表層建立約束，所以約束的剛度相對較弱，離散性也大一些。

2.2 軌道靜態精調平順性

鋪軌后至動態聯調聯試之前進行的軌道調整即為靜態精調。這一階段由施工單位進行調整，主要測量依托0級電子道尺，絕對精調小車(GRP 1000+自動跟蹤全站儀)和相對精調小車(GJY-T-EBJ-3 0級)等設備，按照設計資料和采集的數據，首先將基準軌的高低及軌向一次調整到位，然后按“結合軌向調軌距；結合高低調水平；高低及軌向偏差波形對相位，盡量減小三角坑及軌距變化率”的原則進行軌道的精調作業。

需要注意的是，直線上一般選擇右軌為基準軌，曲線地段內軌為基準軌。當遇到左偏曲線時，基準軌需要換邊，這時要注意基準軌換邊的平順過渡。

靜態精調結束后，對區間無砟軌道進行復測，典型段落各單項偏差波形及平順性分布及統計情況分別示于表1和圖3。從圖表中可知，基準軌的高低、軌向偏差的標準差均要比對向軌小一些。此段軌道(以1 km長度統計)的靜態單項偏差峰值控制較均勻，各單項偏差的標準差在0.10～0.30 mm，最大偏差基本控制在±1.0 mm范圍內，且其中絕對值≥0.5 mm占各自單項偏差總數的比例在0.2%～8.7%變化。所以單元最大TQI=1.38 mm，最小TQI=1.30 mm，段落平均TQI=1.35 mm。

表1 靜態精調后各單項偏差統計 mm

圖3 靜態精調后 各單項峰值及TQI分布

3 動態聯調聯試及扣件更換率

在這一階段中，均由相應鐵路局工務段介入進行軌道精調。以每次動車綜合檢測列車檢測出的數據(以下簡稱“動檢”)為依據，對相應單項峰值超限或平順性，雖滿足驗收標準但仍認為偏高的地段進行軌道精調。

表2為250 km/h高速鐵路軌道動態幾何狀態局部峰值管理驗收值。其驗收標準：按整公里為單位進行評價，檢測結果不應出現單項Ⅱ級偏差，且除軌距外每公里線路出現單項Ⅰ級偏差長度不應大于5%。

表2 幾何狀態局部峰值動態驗收管理值

表3為250 km/h高速鐵路區段軌道不平順質量指數TQI允許偏差管理值。其驗收標準：每200 m為一個TQI計算單元，全線Ⅰ級偏差累計單元長度不應大于5%(表2、表3僅列出設計時速250 km級驗收值)，同時每個單元TQI不應出現Ⅱ級偏差。

表3 軌道質量指數驗收管理值

3.1 歷次動檢結果對比

限于篇幅關系，對于每次動檢出現的局部峰值超限，均及時根據檢測結果找到具體的超限點進行精調，所以本文以圖3對應合同段為例進行評述，其余則不再贅述。

3.1.1 靜態TQI與首次動檢TQI對比

圖4則是以靜態精調時的圖3所示段落為對比結果，對應的首次動檢單元平順性最大TQI=1.84 mm，最小TQI=1.65 mm，平均TQI=1.75 mm。較靜態平均TQI=1.35 mm高出0.40 mm，而對應單元則分別較靜態高0.28～0.50 mm。而合同段內其余的動態TQI單元則較對應的靜態TQI單元高出0.2～0.8 mm不等。通過對合同段內靜態、動態TQI的統計分析表明：在當前的精調水平下，靜態TQI+0.5 mm與首次動檢TQI水平大致相當。

圖4 靜、動態TQI比較

根據對各段落的沉降變形觀測情況和靜、動態各單項偏差及TQI分布狀況的分析，針對單元靜態TQI與首次動態TQI差值0.2～0.8 mm情況，筆者認為：軌道在高速動力荷載下的動、靜變形差是主要因素，其次為軌下基礎的持續變形(工后沉降、結構殘余徐變等)、靜態和動態測量系統誤差、精調誤差等所致。另外，部分鋼軌接頭鎖定焊接前應力放散不恰當，裝配應力過高，也可造成接頭區靜、動變形差增大。所以，軌道幾何狀態、平順性和平穩性應以高速綜合檢測列車的檢測結果為評判、調整依據。動檢日期對照見表4。

3.1.2 陜西段歷次動檢平均TQI對比

圖5給出了陜西段歷次動檢平均TQI的變化情況，圖中序號1～18對應的日期則列于表4。

表4 動檢日期對照

圖5 陜西段歷次動檢平均TQI對比

從圖5可知，陜西段上、下行軌道的平均TQI基本上圍繞2.0 mm上下波動，特別是在6月22日以后的檢測中更為明顯。在歷次檢測中，下行最大平均TQI=2.23 mm，最小平均TQI=1.90 mm。上行最大平均TQI=2.07 mm，最小平均TQI=1.96 mm。最終末次檢測陜西段上下行平均TQI=1.99 mm，這一情況包含了各站岔區的TQI在內，與動態聯調聯試報告的陜西段上下行平均TQI=1.97 mm有所差異。

圖6則分別給出動態聯調聯試報告以及根據實際動檢數據計算出的陜西段下行TQI里程分布。從圖6可知，動態聯調聯試報告中的TQI里程分布已扣除了各車站(陜西段計有西安北(既有)、阿房宮、鄠邑、新場街、佛坪、洋縣西、城固北、漢中(既有)、新集、寧強南共10個車站)道岔區所在單元的TQI值的影響。

圖6 陜西段下行TQI里程分布

3.2 “FAKOP線型”高速道岔的平順性特點[8，9]

西成高鐵陜西段首次使用了帶“FAKOP”結構的CN-6118AB 18號高速道岔。圖7給出了這種道岔的結構特點，即在尖軌段一定范圍(3號枕～39號枕)將外側直軌的軌距進行加寬，最大加寬值14.98 mm。從圖7可知，此段直軌則成了一段特殊的復合曲線線型。

圖7 帶FAKOP線型的18號高速道岔

道岔技術手冊表明，“這一線型結構防止了輪對發生側轉的趨勢，降低了輪緣與尖軌的磨耗，同時尖軌厚度可提前增加，提早承受輪重，能夠大大地延長尖軌的使用壽命”。

圖8則是車站道岔區動檢的各項偏差波圖形譜。從圖8可知，車站兩端岔區的高低、軌向、軌距、水平、三角坑、軌距變化率較區間都有不同程度的振幅變化。特別在岔尖范圍的軌距加寬區內，軌距、軌向及軌距變化率偏差振幅來得更大。最大軌距偏差在14.0～14.91 mm，與道岔設計最大加寬14.98 mm基本一致；按道岔設計圖計算的理論枕間最大軌距遞增率為7.67‰，動檢實測軌距變化率則在-4.22‰～+4.14‰變化；左右軌向的最大偏差則分別為-7.96～+8.43 mm；岔區左右軌高低最大振幅為1.79、-2.65 mm；岔區車體橫向加速度最大振幅為-0.34、0.43 m/s2，車體垂向振動加速度最大振幅為0.54 m/s2，位于岔前線路縱坡變坡點處。站區TQI分布見圖9。

圖8 站區動檢波形

圖9 站區TQI分布

經查看并比對所有動檢波形圖后，各單項偏差在一般情況下有如下規律。

①各單項偏差：從振幅大小、分布均勻狀況來看，區間優于車站；②高低、水平、三角坑偏差：當高低偏差波形峰值較大而在同一位置左右軌高低波峰相位相反或左右高低相差較大時，則會導致附近的水平、三角坑出現較大的峰值。這也是在波形圖上看某段軌道左右高低偏差雖偶有小于驗收值的小幅震蕩，但對應的水平、三角坑就隨之有較大震蕩的主要原因。換言之，左右高低偏差是產生水平和三角坑的主要因素，左右高低偏差的振幅和相位控制好了，水平和三角坑峰值自然就控制住了。另外，在緩和曲線段由于超高的順坡遞增(或遞減)，都會引起水平和三角坑偏差波形的較大震蕩，這雖然是軌道空間線形因素所致，但仍然會導致緩和曲線所在單元的TQI值增大；③軌距、軌向和軌距變化率偏差：基準軌調整到位，軌距和左右軌向波形振幅及相位控制得當，則軌距和軌向的偏差就能夠得到有效的控制；④車體橫向振動加速度：其峰值一般發生在平曲線地段，峰值的大小和范圍與曲線半徑、長度及車速有關，偏差的算術平均值大約是直線地段算術平均值的近5倍。其次在道岔區，也有偶發性較大振幅的狀況，峰值大小與曲線地段相當或略高；⑤車體垂向振動加速度：峰值均發生在線路縱坡變坡點處，峰值的大小和范圍與豎曲線半徑、長度和車速有關，變坡點處垂向振動加速度偏差的標準差大約是其余地段標準差的2.5倍。此外在道岔區也有振幅低于變坡點而又高于非岔區的垂直振動。

3.3 車站岔區與非岔區對比

從圖7可知，車站由于“FAKOP線型”道岔的因素，使得道岔區所在單元的TQI最大值雖滿足表3動態驗收管理值，但遠較非岔區的單元高得多。這使得車站的平均TQI值只能達到3.63 mm。

作為與沒有軌距加寬的18號高速道岔對比，圖10則給出了西成高鐵四川段某車站的動檢波形?？梢钥闯?，岔區軌道在動態下的軌距、軌向及軌距變化率偏差則沒有大起大落的突變，相應的車站動檢平均TQI=2.24 mm。需要說明的是，車體的橫向振動加速度在道岔區也有偶發性的較大振幅情況發生，其峰值與“FAKOP線型”道岔相當。

所以，從平順性上來說，“FAKOP線型”道岔TQI值要大一些，從橫向舒適性來說，兩者則沒有明顯區別。這里所說的偶發情況是指非道岔區的橫向振動加速度振幅一般都大致在±0.3 m/s2范圍內變化，而在道岔區，則可能發生振幅在0.3～0.5 m/s2的突變情況。

圖10 西成高鐵四川段某站動檢波形

3.4 本線與其他高鐵線平順性及扣件更換率比較

現將收集的部分客運專線動態驗收平均TQI及扣件更換率列于表5，表中扣件更換率只列出了經核查后的施工段數據，僅供參考。

表5 部分高鐵動態驗收TQI和扣件更換率

注：*為蓋州—營口段數據；**為XCZQ-6標數據；***為西成高鐵四川段4標數據。

依照原鐵道部2010年頒布《高速鐵路路基、橋涵、隧道、軌道工程補充定額》(鐵建設[2010]223號，本線適用)計算，雙塊式無砟軌道軌距擋板和調高墊板的預算定額更換率分別為18.1%、9.80%。

從表5可知，這些客運專線無砟軌道扣件的平面更換率和高程更換率的平均值已經分別達到預算定額的3.6、6倍。

哈大高鐵遼寧段[5]：動態聯調聯試初期，要求動態平均TQI≤3.5 mm。實際動態驗收遼寧段上行平均TQI=3.34 mm，下行平均TQI=3.30 mm。

蘭新二線：要求動態驗收平均TQI≤2.5 mm，實際驗收標段達到2.13 mm。

寶蘭高鐵陜西段：要求動態驗收平均TQI≤2.0 mm，實際驗收全段上下行達到1.87 mm。

西成高鐵陜西段[4]：要求低于寶蘭高鐵驗收值1.87 mm，實際平均值1.99 mm。

以上可以看出，歷年交付運營的客運專線，隨著動態驗收平均TQI值逐年下降，扣件更換率則隨之上升。特別當TQI≤2.0 mm后，TQI的下降與扣件更換率的上升呈現非線性關系。事實上，在西成高鐵陜西段動態精調中，當單元TQI值≤2.0 mm后，限于目前精調工裝的水平，即使再一步加大精調力度，也只會使扣件更換率陡然增大，而TQI的降低則收效甚微，圖5則充分地說明了這一點。

4 結語

4.1 各類精調測量工裝的合理使用

0級電子道尺具有使用方便的優點，對軌距的調整控制精度優于檢測小車，對超高等較大數值的測量精度滿足要求。但對于<1 mm小數值的水平測量時，僅道尺自身的水平示值誤差就達到了±0.3 mm。換言之，僅示值絕對誤差一項就達到30%，且存在水平0點、數顯漂移現象。所以，高低、軌向、水平和三角坑則須依靠檢測小車進行控制調整。以這樣的組合工裝，可以將單元靜態TQI的各單項偏差的標準差控制在0.2～0.5 mm。靜態精調完成后，在一般情況下，單元靜態TQI可以達到1.5～3.0 mm。

4.2 軌道精調的原則

有時直線段高低波形控制看似很好，但水平和三角坑卻偶有較大峰值。其原因就是左右高低波峰錯位所致，軌向也同理。所以，本文提出“基準軌一次調整到位；結合軌向調軌距；結合高低調水平；高低及軌向偏差波形對相位，盡量減小三角坑及軌距變化率”的軌道精調原則。

4.3 部分規范、驗收標準和定額的運用不協調

(1)在無砟軌道施工工藝質量不斷提高的條件下，鋪軌后靜態精調前的軌道單元TQI值基本上能達到1.5～3.0 mm的水平，即使加上0.5 mm的動、靜差值，也遠低于動態驗收Ⅰ級偏差7 mm的標準，而這一現狀也使得動態驗收時運營單位過度追求平均TQI全國最低的趨勢日益高漲。如西成高鐵陜西段要求全段平均TQI不小于寶蘭高鐵陜西段的1.87 mm，而實際受“FAKOP線型”道岔因素的影響，客觀上TQI降不下來。所以在動態檢測過程中隨著扣件更換率持續增加，而首、末次動檢平均TQI則僅在2.03～1.96 mm(上行)和2.23～2.01 mm(下行)變化，上、下行僅分別下降0.07 mm和0.22 mm，如圖5和圖6所示。根據對精調作業人員調查和歷次動檢添乘的體驗，也證實了這一情況。因此，有必要對表3中的動態軌道不平順質量指數TQI驗收管理值做適當下調，使之更符合現在高鐵施工技術現狀。

(2)基于目前國內新建高鐵中軌道不平順質量指數TQI能夠達到的水平和實際扣件消耗情況，建議對軌道精調預算定額作合理調整。

(3)根據《高速鐵路工程測量規范》(TB 10601—2009)第5.7.5條之規定，施工單位每年要對CPⅠ、CPⅡ控制網的平面及高程系統進行2次復測，每次均支付6 000元/km的復測費用，按5年建設工期，如合同段長度按30 km計，則共需支付180萬元。CPⅢ控制網在規范中雖沒有明確規定每年復測次數，但在施工合同實際執行過程中除規范特殊規定情況外(如CPⅢ建網、靜態驗收等)，均被要求按上述頻次進行復測，每次均支付9 300元/km的復測費用，仍按30 km長度，以施工使用期3年計算，則需支付167.4萬元，而工程預算中沒有相應復測內容，建議增加。

4.4 道岔區平順性的改善

道岔由各單元組件運輸至現場后就位組裝。在澆筑道床板前對軌排框架進行精調，岔區前后端及岔心附近的現場焊接接頭均由碼板臨時連接。軌排框架在約100 m長度范圍的支撐或約束剛度或多或少存在不均勻性，各單元間看似已經嚴格就位，但實際各單元都存在未知的裝配應力，無法徹底消除。而在澆筑道床板后，各單元在鎖定焊接后，僅依靠道岔系統扣件既保證單元間相互的空間位置嚴格符合設計要求，又降低裝配殘余應力，則顯得能力不足，從而使得完工后岔區內的軌道總存在個別的不平順點。所以，除了“FAKOP線型”以及尖軌、心軌高度降低值的因素外，這也是岔區的平順性及平穩性波形偶然增大的原因之一。

道岔的功能就決定了其自身就是軌道結構中的薄弱環節。鑒于道岔從單元制造、運輸，再到現場就位組裝的現實，建議從設計開始，就使用類似鋼梁單元組裝時使用的勁性胎架系統工裝，以確保后期鋼軌現場焊接時，各單元既嚴格符合設計空間位置以及與前后線路的平順過渡，又能將裝配殘余應力降低至合理水平。這樣才能有效降低道岔區的軌道幾何形態出現較大波動，從而確保高速列車過岔前后的平順性和平穩性基本一致。