嵌入式轨道在欧洲的应用及养护维修经验 (1)西南交通大学 牵引动力国家重点实验室.(2)新筑路桥机械股份有限公司
2017-03-13 来源:世界轨道交通资讯网 作者:赵悦1,2,焦洪林2,金学松1,杨强2ApplicationandmaintenanceexperienceofembeddedrailtrackinEurope
ZHAOYue1,2,JIAOHong-lin2,JINXue-Song1,YangQiang2
(1.StateKeyLaboratoryofTractionPower,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)
(2.ChengduXinzhuRoad&BridgeMachineryCo.Ltd.,Chengdu611430,China)
Abstract:Thedevelopmentfocusofthemoderntramtrackstructureistheembeddedrailtrack,whichiswidelyusedinEurope.Thispapersummarizesfivekindsofembeddedrailtracksystemswhicharewidelyusedintramsorsubways.Thecharacteristics,construction,engineeringcostandapplicationcasesofvariousembeddedrailtrackstructuresareexpoundedindetail,aswellasthemaintenanceandrepairtechnologyandstrategy.Thereasonablemaintenanceandrepairtechnologyandstrategyofembeddedrailtrackcanmaintainthetrackstructureconditionwell,improvetheridecomfortoftramandeffectivelyprolongtheservicelifeofcurvedrail,whichleadstogoodeconomicbenefits.Thispapersummarizestheembeddedrailtrackstructureandapplication,themaintenancetechnologyandstrategyfortheembeddedrailtrack,whichcanprovidereferenceandguidancefortheapplication,selection,designandlatermaintenanceoftheembeddedrailtrackinChina.
Keywords:embeddedrailtrack,trackstructure,maintenance,build-upwelding,Raillubrication
1.前言
自1881年世界上第一条有轨电车线路在德国柏林建成后,有轨电车经历了"兴起-衰落-复兴"的曲折发展之路。尤其是上世纪70年代以来,随着汽车数量迅速增大,由汽车主导的道路交通模式所带来的问题逐渐凸显,能源危机、环境污染、交通拥堵等问题日趋严重,现代有轨电车以其美观可靠、大运量、换乘方便、编组灵活、运行速度快、节能环保等显著优点,在世界范围掀起了新的发展和建设热潮。至今,全球有超过50多个国家、400多座城市成功建立并运营了有轨电车。
欧洲作为有轨电车的发源地,也是有轨电车"现代化"的主战场。欧洲的城市历史悠久、人口密集,同时经济和资源的约束明显,有着适宜有轨电车发展的良好条件。目前,在德国、意大利、荷兰、法国、波兰等国的大中城市,现代有轨电车的营业里程合计已超过5000公里,并且还在不断增加;其中,德国以超过2500公里位居首位。
欧洲有轨电车线路基本采用嵌入式轨道,嵌入式轨道是将轨道结构嵌入在地面中、轨面基本与地面平齐的一种轨道结构,其可以实现有轨电车与社会车辆或者行人共享路权,车道利用率高;此
外,嵌入式轨道表面平整、美观,与城市道路交通景观融为一体。因此,嵌入式轨道是现代有轨电车轨道结构的发展重点。本文就嵌入式轨道在欧洲应用及养护维修经验进行综述,主要包括嵌入式轨道结构、应用情况、养护维修技术及策略等。
2.嵌入式轨道结构及应用
目前,应用于有轨电车及地铁线路的嵌入式轨道系统主要分为以下五类[1]。
2.1轨枕式嵌入式轨道
如图1所示,轨枕式嵌入式轨道中,钢轨由离散的轨枕支撑,钢轨通过扣件直接固定在轨枕上(如图1(a)),再进行混凝土浇筑、铺装层施工,完成后如图1(b)所示。轨枕式嵌入式轨道的轨道厚度相对较大,约为600mm。轨枕式嵌入式轨道中采用扣件对钢轨进行固定,是一种离散支撑的轨道结构,其扣件间距为600mm或750mm,扣件支撑刚度大于45MN/m。离散钢轨支撑之间钢轨下方的填充材料对轨道整体刚度非常重要,如果没有合适地填充会形成离散的较硬支撑点,可能会加速轨道波磨的发生,不利于延长钢轨的使用寿命、减少轨道养护维修工作量。
轨枕式嵌入式轨道的工程造价如表1所示,工程造价适中。轨枕式嵌入式轨道的施工不受气候条件限制,施工速度相对较慢,施工速度小于54米/每天。目前,轨枕式嵌入式轨道的主要应用案例有法国、意大利、荷兰大多数的有轨电车轨道线路、西班牙Euskotren-Bilbao铁路线路、Tenerife地铁线路、比利时Brussels有轨电车线路、Antwerp有轨电车线路等。
图1(a)
图1(b)
图1 轨枕式嵌入式轨道
表1轨枕式嵌入式轨道的工程造价
供应 | 轨道元件 | 150 |
混凝土 | 160 | |
60 kg钢轨 | 100 | |
安装 | 180 | |
总花费(欧元/lm)单线轨道 | 590 |
2.2拉杆式嵌入式轨道
如图2所示,拉杆式嵌入式轨道中,钢轨由现场浇筑的混凝土支撑层支撑,钢轨通过扣件直接固定在混凝土支撑层上,再通过混凝土浇筑轨道固定层、表层。拉杆式嵌入式轨道未使用轨枕,降低了轨道固定混凝土层的厚度,轨道厚度较轨枕式嵌入式轨道有所降低,轨道结构总高度约为500mm。该轨道结构的钢轨轨距由轨距拉杆进行控制,轨距拉杆埋入地面下方,接近地面,易在道路完成施工后引起路面龟裂。拉杆式嵌入式轨道采用扣件对钢轨进行固定,扣件间距为1000mm或3000mm,扣件支撑刚度大于25MN/m;拉杆式嵌入式轨道在离散的钢轨支撑之间钢轨下方的填充了一种非收缩性的灌浆材料以保持轨道沿钢轨纵向的连续支撑,但在扣件附近仍可能会引起局部的刚度增大,沿钢轨纵向存在一定的弹性分布不均匀。
图2拉杆式嵌入式轨道
拉杆式嵌入式轨道的工程造价如表2所示,拉杆式嵌入式轨道的轨道元件价格较轨枕式嵌入式轨道稍高,拉杆式嵌入式轨道的安装费用较轨枕式嵌入式轨道显著提高,工程总造价相对较高。
表2拉杆式嵌入式轨道的工程造价
供应 | 轨道元件 | 180 |
混凝土 | 160 | |
60 kg钢轨 | 100 | |
安装 | 250 | |
总花费(欧元/lm)单线轨道 | 690 |
拉杆式嵌入式轨道的施工不受气候条件限制,但浇筑非收缩灌浆材料时需注意寒冷天气及雨天;拉杆式嵌入式轨道混凝土层全现场浇筑时,施工速度较慢,施工速度小于36米/每天,若拉杆式嵌入式轨道施工时采用预制的混凝土台、混凝土块支撑、调整钢轨,可以显著提高拉杆式嵌入式轨道的施工速度。目前,拉杆式嵌入式轨道的主要应用案例有德国和罗马(意大利)大多数的有轨电车轨道线路、西班牙Barcelona有轨电车线路、比利时Antwerp有轨电车线路等。
2.3混合嵌入式轨道
如图3所示,混合嵌入式轨道中,钢轨通过离散的扣件直接固定在轨道板上,且在混凝土浇筑轨道固定层、表层时预留承轨槽,在承轨槽中、钢轨及扣件周围浇筑弹性体以提供弹性。这种轨道结构既使用扣件、又使用弹性体,因而称作混合嵌入式轨道。混合嵌入式轨道的轨道厚度相对较低,轨道结构总高度约为400mm。由于承轨槽的存在,混合嵌入式轨道在进行换轨时可以不用破坏道路表面就将钢轨进行去除、更换,但承轨槽的尺寸也对钢轨焊接操作有一定限制,需要每隔一段长度预留一个焊轨操作空间。混合嵌入式轨道采用扣件对钢轨进行固定,扣件间距为900mm,扣件支撑刚度低至15MN/m,混合嵌入式轨道是一种连续支撑的轨道结构,但在钢轨固定点也会产生一定的刚度较大点。
混合嵌入式轨道的工程造价如表3所示,工程造价适中,与轨枕式嵌入式轨道基本类似。目前,混合嵌入式轨道的主要应用案例有比利时Antwerp有轨电车线路等。
图3混合嵌入式轨道
表3混合嵌入式轨道的工程造价
供应 | 轨道元件 | 170 |
混凝土 | 120 | |
60 kg钢轨 | 100 | |
安装 | 150 | |
总花费(欧元/lm)单线轨道 | 690 |
2.4现浇型嵌入式轨道
如图4所示,现浇型嵌入式轨道是将钢轨放置在预制轨道板的承轨槽中,由现场搅拌、浇筑的高分子阻尼材料在承轨槽中来锁固钢轨、提供轨道弹性。现浇型嵌入式轨道的轨道厚度相对较低,轨道结构总高度约为400mm。与混合嵌入式轨道类似,现浇型嵌入式轨道也可以不用破坏道路表面就将钢轨进行去除、更换,但需要预留焊轨操作空间。
现浇型嵌入式轨道中,不采用扣件对钢轨进行锁固,而是通过混凝土轨道板承轨槽中浇筑的高分子阻尼材料对钢轨进行连续锁固,其等效的扣件支撑刚度较低,低至25MN/m。现浇型嵌入式轨道是一种连续支撑的轨道结构,但在承轨槽内安装垫板的位置也会引起局部较硬,轨道弹性沿着钢轨方向稍有不均匀。
现浇型嵌入式轨道的工程造价如表4所示,工程造价较高,其中轨道元件造价、安装费用较高。现浇型嵌入式轨道的施工时,浇筑的液态弹性体不能经受雨天、寒冷的天气,施工速度相对较快,施工速度小于144米/每天。目前,现浇型嵌入式轨道的主要应用案例有英国大部分有轨电车线路、西班牙Valencia有轨电车线路等。
图4现浇型嵌入式轨道
表4现浇型嵌入式轨道的工程造价
供应 | 轨道元件 | 300 |
混凝土 | 160 | |
60 kg钢轨 | 100 | |
安装 | 280 | |
总花费(欧元/lm)单线轨道 | 840 |
2.5预浇型嵌入式轨道
如图5所示,预浇型嵌入式轨道是将预制的高分子阻尼材料条粘贴在钢轨两侧放置组成弹性轨条,通过工装固定并调整轨条,再现场进行混凝土轨道板的浇筑。预浇型嵌入式轨道的轨道厚度相对较低,轨道结构总高度约为400mm。预浇型嵌入式轨道,浇筑后也存在承轨槽,轨道结构在进行换轨时可以不用破坏道路表面就将钢轨进行去除、更换。
预浇型嵌入式轨道中,不采用扣件对钢轨进行锁固,而是通过预制高分子阻尼条的形状、预制高分子阻尼条和轨道板间的摩擦力对钢轨进行锁固;预浇型嵌入式轨道是一种沿纵向完全连续支撑的轨道结构,其等效扣件支撑刚度较低,低至15MN/m。
预浇型嵌入式轨道的工程造价如表5所示,工程造价适中,与混合嵌入轨道、轨枕式嵌入式轨道基本类似。预浇型嵌入式轨道的施工不受气候条件的影响,施工速度相对较快,施工速度小于144米/每天。目前,现浇型嵌入式轨道的主要应用案例有比利时Brussels有轨电车线路、Ghent有轨电车线路、希腊Ahens有轨电车线路和西班牙Madrid地铁线路等。
图5(a) 图5(b)图5(c)
图5预浇型嵌入式轨道
表5现浇型嵌入式轨道的工程造价
供应 | 轨道元件 | 170 |
混凝土 | 120 | |
60 kg钢轨 | 100 | |
安装 | 150 | |
总花费(欧元/lm)单线轨道 | 540 |
马德里地铁应用的预浇型嵌入式轨道,如图6所示,地铁车辆运行速度达到100km/h,预浇型嵌入式轨道服役情况良好,钢轨表面状态良好,且乘坐明显感觉有较好的降噪效果。
3.嵌入式轨道维护保养技术及策略
欧洲嵌入式轨道服役情况良好、钢轨表面状态良好,这与运营公司有计划地对嵌入式轨道实施
图6 马德里地铁线路中的预浇型嵌入式轨道
各项维护保养工作密不可分。表6为欧洲嵌入式轨道的维护保养工作及策略[2]。嵌入式轨道维护保养的对象主要有钢轨、轨距、道岔、道岔兼路口、道床、轨枕、排水系统、轨道上种植的植物、沥青路面、砖石路面和混凝土板路面等。
表6中将各维护保养工作分为三类:安全性、费用-效果比最佳、舒适性/环境;其中,划分为"安全性"的维护保养措施是涉及到车辆运行安全性、进而需要对轨道进行的维护保养措施;划分为"费用-效果比最佳"的维护保养措施是花费合理费用就能达到较好效果的维护保养措施;划分为"舒适性/环境"的维护保养措施是出于对环境保护、保障乘客乘坐舒适性而采取的维护保养措施。
表6中轨道润滑、钢轨补焊在欧洲嵌入式轨道线路应用非常广泛,但目前在国内有轨电车嵌入式轨道线路中应用很少,下文3.1节、3.2节对轨道润滑、钢轨补焊进行介绍。
3.1轨道润滑
欧洲的嵌入式轨道线路上通常会设置曲线线路轨道润滑装置,如图7所示,该装置设置在进入曲线前的直线段当中,通过感应装置判断列车是否即将进入曲线,若即将进入曲线,则利用轨道下方嵌入的轨道润滑装置、钢轨轨头上开设的小孔将润滑油喷涂至钢轨轨距角处进行润滑。
曲线线路轨道润滑可以有效提高有轨电车在曲线线路的通过性能,减小钢轨磨耗,降低啸叫噪声出现的可能性。
图7 线路润滑装置
1.1钢轨补焊
钢轨补焊是针对小半径曲线钢轨侧磨后造成轨距加宽后的轨道维护措施,可以较好地恢复轨道正常轨距,保证行车安全性,且可以有效地延长曲线钢轨的使用寿命,具有较好的经济效益。钢轨补焊是直接将焊料焊在钢轨磨耗区域,钢轨补焊步骤如图8所示[3]:
1.准备补焊设备(图8(a));
1.进行钢轨补焊(图8(b));
1.补焊后进行钢轨打磨(图8(c));
1.打磨后利用钢轨廓形模板进行测试,允许误差为±1mm(图8(d))。
表6嵌入式轨道维护保养内容分类[2]
对象 | 原因 | 措施 | 频率/特征 | 分类 |
钢轨 | 小半径曲线 | 润滑-轨道固定位置 | 连续地 | 舒适性/环境 |
曲线啸叫 | 润滑-轨道固定位置 | 连续地 | 舒适性/环境 | |
钢轨波磨 钢轨缺陷 |
钢轨、钢轨接头打磨和修整 | 目视检查后; 超过轨距限值 |
费用-效果比最佳 | |
断轨 | 使用钢轨连接板; 降速或中断运营到断轨修复 |
目视检查后; 司机反馈 |
安全性 | |
轨距 | 轨距变窄 | 钢轨、钢轨接头打磨和修整 | 达到安全限值 | 舒适性/环境 |
达到干预限值 | 费用-效果比最佳 | |||
达到警惕限值 | 安全性 | |||
轨距加宽 | 补焊或换轨 | 达到安全限值 | 舒适性/环境 | |
达到干预限值 | 费用-效果比最佳 | |||
达到警惕限值 | 安全性 | |||
道岔 | 预防性维护 | 移动润滑 | 清洗后 | 费用-效果比最佳 |
预防性维护 | 清洗和点机制的润滑 | 冬天前和冬天后 | 费用-效果比最佳 | |
道岔& 路口 |
钢轨波磨 钢轨缺陷 |
钢轨、钢轨接头打磨和修整 | 目视检查后; 超过轨距限值 |
费用-效果比最佳 |
道床 | 不能保证有足够的抗纵向、横向爬行能力 | 捣实 | 目视检查后 | 费用-效果比最佳 |
污染 | 道砟筛选 | 目视检查后; 司机反馈 |
费用-效果比最佳 | |
轨枕 | 破损 | 更换 | 目视检查后; | 安全性 |
排水系统 | 失效 | 清洗,更新 | 失效时 | 安全性 |
轨道种植植物 | 修剪,除杂草 | 目视检查后 | 费用-效果比最佳 | |
沥青路面 | 裂纹、缺口、凹陷、凸起、沥青流失等 | 去除,重铺 | 目视检查后 | 费用-效果比最佳 |
砖石路面 | 砖石倾斜、突出、凹陷 | 去除,重铺或 替换为沥青路面 |
目视检查后 | 费用-效果比最佳 |
混凝土板路面 | 板倾斜、下沉、移动、松动等 | 去除,重铺或 临时替换为沥青路面 |
目视检查后 | 费用-效果比最佳 |
钢轨补焊具有以下几个特点:
(1)最多可在钢轨上补焊8~10次;
(2)补焊后的钢轨寿命依赖于曲线半径、速度;
(3)对于小半径曲线嵌入式轨道,每一次补焊的钢轨寿命约3~4年;
(4)补焊速度约为15~20m/每晚/每工班。
对于不同拉伸强度的钢轨,钢轨补焊操作有一定的差异。对于钢轨拉伸强度<=700N/mm2的钢轨,钢轨补焊操作没有问题,材料操作安全;对于钢轨拉伸强度>=900N/mm2的钢轨,电弧焊首次点火时预加热是必要的(至400℃),该温度必须在整个点火阶段保持,但施工现场的条件将会给这一条件带来困难,如天气、有轨电车/汽车交通、测量仪器操作面等;对于特殊材料的钢轨,如锰钢,只有匹配的焊料才能完成焊接,焊接操作部位需要进行冷却(如干冰)。
图8(a)
图8(b)
图8(a)
图8(b)
4.结论
本文综述了5类目前应用于有轨电车或地铁的嵌入式轨道系统,对各种轨道结构的特点、施工、工程造价及应用案例等进行了详细阐述。采取合理的维护保养技术及策略可以较好地保持轨道结构状态及钢轨表面状态,有效地提高乘坐舒适性、降低列车通过时的噪声。轨道润滑措施可以提高有轨电车在小半径曲线线路的通过性能,减小钢轨磨耗,降低啸叫噪声出现的可能性;钢轨补焊措施可以较好地恢复轨道正常轨距,保证行车安全性,且可以有效地延长曲线钢轨的使用寿命,具有较好的经济效益。
本文综述的嵌入式轨道结构及应用、维护保养技术及策略为嵌入式轨道在我国的应用、选型、设计及后期的养护维修提供参考及指导。
参考文献
[1]QuietCityTransport-Subject6-Consolidation-ActionPlans-Dissemination.2009
[2]CEEresearchprogram:URBANTRACK.SP6:Technicalconsolidationreportonallvalidationresults(Chapter2).2006-2010.
[3]CEEresearchprogram:URBANTRACK.SP2:Costeffectivetrackmaintenance,renewal&refurbishmentmethods.2006-2010.
作者信息
赵悦,西南交通大学牵引动力实验室,博士
焦洪林,成都市新筑路桥机械股份有限公司,工程师
金学松,西南交通大学,教授
杨强,成都市新筑路桥机械股份有限公司,助理工程师
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