路基冻胀下无砟轨道不平顺特征及动力学行为研究

随着高速铁路在季冻区的大范围修建，路基冻胀问题已成为亟待解决的重大技术难题。路基冻胀会导致无砟轨道产生不平顺及层间离缝，直接影响列车的安全平稳运行及结构服役性能，是严寒地区高速铁路冬季限速的关键因素。以CRTSⅢ型板式无砟轨道作为研究对象，建立了考虑混凝土塑性和钢筋影响的车辆-无砟轨道-路基空间耦合静动力学模型，从冻胀变形与轨面不平顺间的映射关系、冻胀下无砟轨道层间离缝分布及发展规律、冻胀对车辆-轨道系统动力响应的影响3个方面进行了分析，并对冻胀区路基变形标准及预测诊断开展了研究。取得如下研究成果：建立了高速铁路路基热力学模型，研究了冻胀区路基时空变形特征，提出了采用上凸型余弦曲线来模拟路基不均匀冻胀。基于建立的无砟轨道空间耦合静力学模型，研究了不同冻胀情况下无砟轨道层间离缝分布及发展规律。建立了车辆-无砟轨道-冻胀路基空间耦合动力学模型，分析了严寒地区不同冻胀和运营条件对车辆动力学指标的影响。基于自密实-底座板间离缝的静力学控制指标和基于轮重减载率及车体垂向加速度综合影响的动力学控制指标，提出了静动力学结合的路基冻胀控制标准。 2100433B

路基冻胀会导致无砟轨道产生结构破坏和不平顺，直接影响列车的安全、平稳运行，是严寒地区高速铁路冬季降速运营的关键影响因素。既有研究中，针对路基冻胀机理和控制措施等研究较多，对路基冻胀下无砟轨道力学行为的研究相对较少，特别是冻胀与轨道不平顺的关系、无砟道床离缝机理、冻胀下车-轨动力响应等研究相对匮乏。路基冻胀导致的一系列与无砟轨道平顺性、动力特性相关的问题亟待解决。.项目考虑无砟轨道多层异质结构间的粘结特性和破坏准则，建立细观与宏观相结合的无砟轨道-路基分析模型，提出路基冻胀下无砟轨道不平顺特征，揭示无砟道床离缝机理。提出可详细考虑结构病害特征的新型动力分析方法，研究路基冻胀下车辆-无砟轨道的动力学行为。根据动力参数敏感指标变化特征，采用神经网络建立路基冻胀变形的智能识别方法。综合考虑耐久性、安全性及舒适性等因素，提出路基冻胀的控制标准。通过研究，补充完善严寒地区高速铁路设计理论和维护方法。

目前无砟轨道的内部几何尺寸的表达与控制主要是通过外部几何尺寸测量来实现，其成本与效率难以平衡。弦测法作为轨道平顺性测量主要方法之一，受限于其幅频特性，理论价值未得到应有的重视。本研究从其以小推大算法出发，就弦测法的长波特性、偏矢测量等问题进行理论研究，为无砟轨道正线及道岔的平顺性有效监测与评价提供解决方案。另，鉴于高铁无砟轨道的特殊结构与高平顺性要求，既有的基于外部几何尺寸的养修技术存在着适用性问题。为此，本研究在全面分析绳正法、坐标法技术特性的基础上，认为开发一种基于轨道平顺性的整正技术，是解决目前效率与精度矛盾的理性选择。该技术的主要特征包括：以恢复高铁无砟轨道的平顺性为目标，通过对轨道平顺性数据建立向量模型，构造迭代解法，获得在惯性坐标系下的整正量的数值解。前期现场试用证明，该方法整体优化轨道平顺性，且无需外部标志物的信息，或能为无砟轨道的平顺性控制提供一套创新的理论与方法。

本计划围绕高铁无砟轨道精测、精调的适用方法与技术进行研究。 关于精测方法，研究了绝对测量及其对高铁无砟轨道平顺性控制的作用，结果表明，绝对测量“原理正确”，但不仅存在测量效率低、环境适应性差等适用性问题，理论上其平顺性控制能力也无法满足要求，而其用于评价高铁长波平顺性的150m/300m矢距差校验方法的空间频域特性混乱且存在幅值增益为0的死区。围绕拥有效率、平顺性检测精度和环境适应性优势的相对测量方法，研究了用于消除其里程累积误差的轨枕定位技术，比150m/300m矢距差校验方法物理意义更清晰、频域特性更理想的用于速算长波平顺性的中点弦测“以小推大” 加密采样逐点递推算法，为了实现相对测量线路中线坐标控制和提高长波测量精度的“相对 绝对”复合测量技术，形成了一套适用于无砟轨道平顺性控制的几何状态静态评价方法。 关于精调方法，研究了传统的相对测量调轨算法，结果表明，基于渐伸线原理的绳正法等对数据扰动敏感，存在无法克服的累和问题，不能满足高铁无砟轨道的平顺性作业要求。研究并揭示了绝对测量“坐标法调轨”的本质是“偏差法调轨”和“原位法调轨”，即测量方法必须能够保证线路中线横、垂向偏差与轨枕位置对应且体现准确的线路线形，同时调轨算法必须能够保证将该偏差消除在原位而不向相邻轨枕传递。研究了依据相对测量数据识别线路曲线四大特征点、曲线半径等关键参数和基于奇异滤波及稳健回归的轨道曲线主点定位方法，解决了因里程累积误差或实际曲线特征点位移等所导致的实测、设计曲线失配及其引起的线路中线偏差异常问题，使相对测量具备了应用“偏差法调轨”和“原位法调轨”的必要条件。最后，研究了基于相对测量中点弦测模型的精调量迭代求解问题，可得到累和最小、对线路线形扰动最小、能在不超出高铁无砟轨道扣件可调范围显著改善线路平顺性的最终调整方案。 本计划研究成果已产业化，在大幅提高精测效率、降低精调工作量和成本的同时，使我国无砟轨道TQI控制水平从单纯依赖绝对测量调轨的3.0左右降低至2.0以下，社会效益和经济效益显著。 2100433B

轨道不平顺的种类很多，可按其对机车车辆激扰作用的方向、不平顺的波长、显现记录时有无轮载作用等分类。

轨道不整裕度垂向轨道不平顺

1.高低不平顺

高低不平顺是指轨道沿钢轨长度方向在垂向的凸凹不平。它是由线路施工和大修作业的高程偏差，桥梁挠曲变形，道床和路基残余变形沉降不均匀，轨道各部件间的间隙不相等，吊板以及轨道垂向弹性不一致等造成的。

一般情况下，左、右轨高低的变化趋势基本一致，但在短距离内各自的变化往往不同，所以还必须区分左轨高低和右轨高低。

2.水平不平顺

水平不平顺即轨道同一横截面上左右两轨顶面的高差。在曲线上，水平不平顺是指扣除正常超高值的偏差部分；在直线上，它是指扣除将一侧钢轨故意抬高形成的水平平均值后的差值。

3.扭曲不平顺

轨道平面扭曲（有些国家称为平面性，我国常称三角坑）即左右两轨顶面相对于轨道平面的扭曲，用相隔一定距离的两个横截面水平幅值的代数差度量。国际铁路联盟UICB55专门委员会将所谓“一定距离”定义为“作用距离”，即指轴距、心盘距。

4.轨面短波不平顺

轨面短波不平顺，即钢轨顶面小范围内的不平顺，它是由轨面不均匀磨耗、擦伤、剥离掉块、焊缝不平、接头错牙等形成的。其中轨面擦伤、焊缝不平等多是孤立的，不具周期性，而波纹磨耗、波浪形磨耗则具有周期性特征。

轨道不整裕度横向轨道不平顺

1.轨道方向不平顺

轨道方向不平顺（常简称轨向不平顺或方向不平顺）是指轨头内侧面沿长度方向的横向凹凸不平顺，由铺轨施工、整道作业的轨道中心线定位偏差，轨排横向残余变形积累和轨头侧面磨耗不均匀、扣件失效、轨道横向弹性不一致等原因造成。左、右轨方向变化往往不同，尤其在扣件薄弱的区段差异更大，因此需要区分左轨方向和右轨方向。并将左、右轨方向的平均值作为轨道的中心线方向偏差。

2.轨距偏差

轨距偏差即在轨顶面以下16mm处量得的左右两轨内侧距离相对于标准轨距的偏差，通常由扣件不良、轨枕挡肩失效、轨头侧面磨耗等造成。

轨道不整裕度复合不平顺

在轨道同一位置上，垂向和横向不平顺共存形成的双向不平顺称为轨道复合不平顺。危害较大的复合不平顺有：

1.方向水平逆向复合不平顺

方向水平逆向复合不平顺是指在同一位置既有方向不平顺又有水平不平顺，并且轨道臌曲方向与高轨位置形成反超高状态。

日本等国的研究和我国的试验均证实，方向水平逆向复合不平顺对行车安全有严重影响，往往是引起脱轨的重要原因。

2.曲线头尾的几何偏差

它是指在曲线圆缓点区、缓直点区，超高、正矢、轨距顺坡起点、终点不一致或不匹配形成的几何偏差，它对行车平稳舒适和安全有不可忽视的影响。