高速铁路轨道监控及轨检课件

1、高速铁路轨道状态变化规律的探索 以人为本，理念为魂。高铁设备养修工作者除了事业心、责任心以外，最重要的职业素养之一，就是能否从高速铁路的自身规律性出发，科学地确立高铁设备养修工作的基本理念。因为，人类社会的一切活动都有其自身的认识论、方法论问题。这是一个不以人的意志为转移的客观规律。有了科学的理念，才能正确支配高铁设备养修工作的行为实践。才能纲举目张，得心应手，事半功倍，少走弯路。 1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 “以铜为镜可以正衣冠，以史为鉴可以知兴替。”这是我国唐代流传至今的醒世箴言。它告诫人们：认真了解历史，从中汲取经验教训，能够更加清醒地审视现在，展望未来，有助于驾驭自己，把

2、握兴衰成败。这里，蕴含着深刻的人生哲理。需要告诉大家的是，我们上海局的历代工务工作者在几十年的工作实践探索中，已经形成了自己的工务文化。这一文化的思想核心，就是建立在对工务工作认识论、方法论基础之上的工务工作理念体系。整个体系涵盖了工务领域的技术、业务、管理，思路、方法、作风，安全、质量、效益，体制、机制、效率，教育、科研、人才，生产、生活、文化等各个方面，我曾经对此作过理性的归纳。相信一些经历过的老同志，至今可能还记忆犹新。当然，为了紧扣今天的主题，我不能一一展开，只能用最精简的篇幅，谈一谈在高速铁路轨道养修工作中必须要确立的五个基本理念。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念1高铁轮轨关

3、系： 社会对高速铁路的运营需求是，安全、高速、平稳、正点、舒适、不间断。而满足这些需求的社会责任，却实实在在地落到了在座的各位高铁养修工作者的头上。高铁轮轨关系这是一个极其复杂的涉及技术、经济和管理领域的多个专业的系统论大课题。在这里，我无意奢谈轮轨关系的本身，而只是提醒大家：必须站在肩负重大社会责任和历史责任的高度，牢固树立高铁轮轨关系的新理念，并将其置于基本理念的首位，以统揽全局。这样，才有利于每位高铁人对自己所处特殊环境的理性判断与宏观把握。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 从系统结构来看，高铁轮轨关系是由其运输强度、动车运行品质、轨道结构特点、轨下基础类型、线路平纵断面条件等各

4、种系统要素所决定的。这些要素的组合，形成了高铁轮轨关系的基本特点。下面是一个描述轮轨间相互作用的简易动力学模型： P=P01+Z/g(22/2) 式中：P轮轨间相互作用力；P0列车静轮重；Z轨道不平顺值；g重力加速度(常数)；列车运行速度；轨道不平顺波长。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 可见，列车运行时轮轨之间相互作用力是由列车静轮重与轨道不平顺引起的附加动力两个部分组成。其中，附加动力与列车静轮重、轨道不平顺值成正比，与列车运行速度的平方值成正比，与轨道不平顺波长平方值成反比。在相同不平顺条件下，同样静轮重的列车在通过时速为140、160、200、250、300、350 km时，轮

5、轨间产生的附加动作用力分别为列车通过时速120 km的1.36、1.78、2.78、4.34、6.25、8.51倍。尽管高铁动车的静轮重比我国既有线上运行的重载货物列车静轮重要轻不少，然而严酷的事实是，由于动车时速的大幅度提升，除了静轮重以外的附加动作用力却成几何级数地倍增。这是高铁轮轨关系中，一个十分显著的由量变到质变的新特点、新考验。这也是我之所以强调，高铁养修工作者一定要把树立高铁轮轨关系理念放在首位的基本着眼点。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 勿庸置疑，动车高速运行所产生的附加动力冲击，对轨道及其养修工作造成的影响是很大的。它既要求轨道结构具有足够的强度与刚度，能够抵御列车对

6、轨道状态的动力破坏作用；又要求轨道几何状态经常保持高度平顺、均衡良好，确保列车按规定的最高速度安全、平稳、不间断地运行。必须清醒地认识到，高铁轨道不平顺(包括静态不平顺与列车作用下的动态不平顺)对附加动力的产生起着决定性的作用。轨道初始不平顺在高速条件下产生的轮轨间附加动作用力，会加剧轨道不平顺的积累与发展；而发展了的轨道不平顺又能导致轮轨间附加动作用力的进一步加大，继而造成轨道变形速率的进一步加快，引起恶性循环。因此，树立高铁轮轨关系新理念，对于高铁养修工作克服盲目性、增强科学性，具有重要的现实意义。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 当然，高铁轮轨关系除了最基本的动力学关系之外，还有

7、轮轨间的摩擦与接触关系，车、线、桥的耦合振动关系等等，这里面涉及相当的专业理论深度。有些问题，还有待于在今后的理论与实践结合中加深认识。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念2.两个基本观点: 工务工作是以设备状态变化规律和运输市场需求为依据的技术经济活动，一切安排必须服从于设备状态和运输市场的客观需要，这是工务工作的基本出发点；工务部门必须使设备经常保持均衡良好状态，确保列车按规定的最高速度，安全、平稳、不间断地运行，以最为经济的投入，获得最大的产出效益，这是工务工作的最终归宿点。 上述两个基本观点，是工务工作的基础性理念。它萌芽于上世纪七十年代末上海局线路养修工作改革的实践，即：安华养路

8、工区科学养路经验的总结；形成于1984年起，全局推行轨道“状态修”的上海局工务技术、经济话动；完善于1989年铁道部南京会议后，向全路推广轨道“状态修”的铁道部战略决策过程。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 两个基本观点的科学内涵在于它从工务工作的内部规律性出发，站在认识论与方法论的高度，准确地回答了工务工作的本质属性：是以设备状态变化规律和运输市场需求为依据的技术经济活动；回答了此项工作的基本出发点为：一切安排必须服从于设备状态和运输市场的客观需要；回答了工务部门的基本责任就是：必须使设备经常保持均衡良好状态，确保列车按规定的最高速度，安全、平稳、不间断地运行；回答了工务工作的最终归

9、宿点是：以最为经济的投入，获得最大的产出效益。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 两个基本观点，回答了工务工作的四个基本问题。三十多年后的今天，尽管设备装备标准、运输强度、养修手段、方式方法、生产布局、人员结构等生产要素均发生了一系列的变化，尤其是高铁的变化更大。然而，千变万变，工务工作的本质属性、基本出发点、工务部门的基本责任、工务工作的最终归宿点都不会改变。因此，无论是过去、现在和将来，两个基本观点始终是工务工作理念体系中最根本的理念，是工务认识论与方法论的思想源泉。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念3.轨道“状态修”: 轨道“状态修”顾

10、名思义是根据轨道设备技术状态的实际需要，进行适时的合理的养护维修，因而又可称为轨道前沿预防性临界修。必须指出的是：“状态修”也是按计划进行的，但只是在设备状态需要修时才进行。其目的是在保证设备质量均衡良好、安全平稳的前提下，通过合理的养护维修以及重点病害整治，延长设备使用寿命，延长大修周期，有效地降低养修成本，提高整个大修周期内（即轨道更新寿命周期内）的经济效益。这与上世纪70年代初，国外形成的以设备一生为研究对象，追求其全寿命周期费用的经济性为目的设备综合工程学，有着本质上的联系。 “状态修”的实施步骤为：(1) 摸规律(即：设备变化规律，养修工作规律)；(2) 划界限(即：什么状态该做，做

11、到什么状态)；(3) 标准化(从关键作业入手，明确怎么做的问题)；(4) 质量控制(设备状态控制，作业质量控制)；(5) 技术经济效益分析(安全、质量、成本)。 “状态修”理念的本质，是以设备的一生为研究对象，做到该修的一定修好，不该修的坚决不修，能推迟的决不提前，追求其全寿命技术、经济、社会综合效益的最大化。可以确信，在实际工作中树立轨道“状态修”的科学理念，这对于高铁养修工作者拓宽视野、发掘智慧、立足当前、着眼长远，全面提升职业素养一定大有裨益。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念4.预防为主、预防与整治相结合: 早在一九五五年我国铁路颁布了第一部线路维修规则以后，就明确了“预防为主、

12、预防与整治相结合”的线路养修工作方针。这一方针摒弃了建国初期一度盛行的“头痛医头，脚痛医脚，设备坏了再修”的落后理念。尽管当时相应的线路维修制度存在着不分运输强度、不论线路状态，统统规定一年一遍维修的“一刀切”弊端，但就“预防为主、预防与整治相结合”的理念而言，还是科学的。因为它符合设备状态变化的自身规律，符合铁路运输的客观需求。所以，几十年来尽管线路维修制度几经改革，但“预防为主、预防与整治相结合”的基本理念却仍然不变。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 现在重要的不仅仅是停留在口头上，而是扎扎实实地落实到养修工作的全过程，这才是掌握了它的真谛，才能真正体现这一理念的实际价值。1.高铁

13、设备养修工作者需要确立的基本理念5.“三以三保”原则: “三以三保”原则，即：以下部稳，保上部准；以结构健康，保轨面平顺；以纵不爬、横不移，保整体稳定。这是上海局几代工务工作者在长期的工作实践中，总结出的又一个养修工作基本理念。它形象化地揭示了线路养修工作中的表里关系、因果关系和主次关系，道出了抓住主要矛盾，治病必须治根的要害所在。这一浅显的道理，谅必也勿需多议。 总之，运用好上述五个基本理念，是帮助我们克服盲目性、增强自觉性，减少被动性、增加主动性，摒弃短视性、确立规划性，避免随意性、崇尚科学性的有力武器；是使设备养修工作由必然王国走向自由王国的有效途径；是每一位基础设备养修人员，特别是领导

14、干部、专业技术人员和第一线生产骨干必须掌握的基本功。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 当然，我已经注意到，今天在座的除了工务专业的同志外还有电务和供电专业的同志。这三个专业同属于铁路基础设备管理和养修专业，在设备变化规律探索和状态质量控制的思维方式与工作理念上存在着很多的共通性。三个专业整合成一个整体，对于填补原有专业间在设备、作业、管理上长期存在的断裂带(即：结合部软肋)；对于提高施工“天窗”的综合利用率；对于生产、生活资源的共享效率；对于专业特长的相互渗透；对于增强自身造血功能，造就一专多能人才等等均具有重要战略意义。最近，铁道部已正式将高铁维修段列入组织编制系列，说明“三位一体”

15、体制改革的实践是成功的，是时代发展的必然产物。我相信各位都有发散性思维的能力，希望上面提到的基本理念能跨越专业壁垒，触类旁通，举一而反三。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念 在结束这一部分讲述内容的时候，请允许我以一个老铁路工作者的名义，期盼着上海局新一代高铁人在正确理念的引领下，精心研究并努力实施代表我国高铁最先进的基础设备养修对策。不断结出丰硕成果，涌现一代功勋人物。1.高铁设备养修工作者需要确立的基本理念2.高铁轨道结构状态变化规律探索 由于高速铁路轨道结构与运输强度的自身特点，其结构状态的变化，主要表现在：轮轨接触面光带异变、轨顶面波浪型磨耗、直线钢轨交替不均匀侧磨、曲线钢轨不均

16、匀侧磨、轨头肥边、钢轨焊接接头低塌、轨头近表面接触疲劳破损、钢轨核伤、胶结绝缘接头螺孔裂纹、连接零件失效、无碴轨道板病变、板下基础翻浆等等。1.轮轨接触面光带异变 按照我国铁路设计理论，钢轨轨底坡与车辆踏面坡度基本匹配，再加上钢轨顶部设有圆弧，故轮轨接触所形成的正常光带应发生在以钢轨顶部圆弧最高点为中心(即：钢轨中轴线左右)的一定宽度范围内。如果发生实际光带严重偏离中心，或在轨顶上出现两条位置明显不同的光带时，则称为轮轨接触面光带异变。2.高铁轨道结构状态变化规律探索 轮轨接触面光带异变不仅反映了车轮运动轨迹发生了突变，影响着高速列车的运行平稳性，更为不利的是由于轮重力严重偏离了钢轨中轴线，使

17、得钢轨上腭部变截面处出现了附加动拉(压)应力，成为日后钢轨上腭部变截面处发生疲劳裂纹的动力学原因(如图1所示)。2.高铁轨道结构状态变化规律探索图1 钢轨上腭变截面处应力分析示意图 无疑，在高铁轨道上一旦发现轮轨接触面光带异变，必须高度警觉，立即调查。根据高铁轮轨关系的理念，调查工作应从轮、轨两方面着手。首先实地检查轨底坡(注：在不设轨底坡的高速道岔上检查轨顶坡)是否准确，再跟踪调查本线运行的各类动车车轮踏面的实际坡度是否与轨道基本吻合。由于加拿大庞巴狄、日本川琦、德国西门子原设计的动车在轮轨匹配参数上存在着差异，况且运行一段时间后也会发生一些变化。经过调查，应对动车部门提出建议。与此同时，可

18、根据必要，局部调整轨底坡或通过打磨列车局部调整轨顶坡，以获得轮轨接触面正常光带。2.高铁轨道结构状态变化规律探索2.轨顶面波浪型磨耗 从量级上看，尽管钢轨顶面波浪型磨耗在高铁轨道上的表现特征是较为微小的，有时甚至连肉眼也难以觉察。但是由于它的存在，使得高速动车在冲过微小的波浪型短波不平顺时，其车体簧下部分与轨道间产生了高频动力冲击，使车辆与轨道的受力状态共同恶化。同时，旅客舒适度也会受到影响。2.高铁轨道结构状态变化规律探索 产生波浪型磨耗的原因是多方面的。有钢轨顶面原始不平顺的诱发因素；也有动车车轮踏面不平顺的主导因素。前者是局部范围的，后者却是全程性的。至于在高速行车条件下，波浪型磨耗的发

19、展速率及其危害程度，可通过现场检测、调查来掌握其具体规律。检测包括：波浪型磨耗的波长与峰谷值发展及其与累计通过轮重的相关关系；钢轨、扣件、轨道板、板下基础振动加速度和应力值的变化(与正常轨道对比)。调查包括：养护作业周期变化与养修工作量变化。 我认为，新轨上道后即进行预防性打磨至少有两大好处：一是磨去新轨表面的脱炭层，以提高其耐磨性；二是消除新轨顶面可能存在的局部不平顺，以使潜在的波磨源消灭于萌芽状态。另外，鉴于高速行车对短波不平顺的敏感性，一旦发现有波浪型磨耗，则要及时安排打磨。还有，动车车轮踏面不平顺定期检测与铣削，是车、线双方毋庸置疑的双赢举措，应列入规程，付之实施。2.高铁轨道结构状态

20、变化规律探索3.直线钢轨交替不均匀侧磨 这个问题在客货混跑的既有线提速时曾经发现过，认为主要是由部分重载货车走行在直线段时发生的蛇行失稳所致。现在看来，在高速运行工况下，部分动车因运行品质下降，在直线段发生蛇行失稳的可能性同样存在，成为高铁直线钢轨交替不均匀侧磨的动态磨擦源。当然，高铁直线钢轨内侧作用边若存在局部的原始短波不平顺，也可能诱发部分动车的蛇行失稳，最终导致直线钢轨交替不均匀侧磨。2.高铁轨道结构状态变化规律探索 正是由于高速列车对轨道不平顺的特殊敏感性，即使轨道发生直线钢轨交替不均匀侧磨的轻微先兆，也可能会引起车体的摇头、横摆等蛇形失稳。在降低旅客舒适度的同时，又加剧了对轨道的横向

21、冲击。在高速行车条件下，直线钢轨交替不均匀侧磨发展速率及其危害程度，也可通过现场检测、调查来掌握其具体规律。检测包括：不均匀侧磨的波长与峰谷值发展及其与累计通过轮重的相关关系；钢轨、扣件、轨道板、板下基础振动加速度和应力值的变化(与正常轨道对比)。调查包括：养护作业周期变化与养修工作量变化。2.高铁轨道结构状态变化规律探索 预防与整治高铁直线钢轨交替不均匀侧磨，一方面应通过打磨消除直线钢轨内侧作用边局部存在的原始短波不平顺；另一方面必须高度关注动车运行品质，添乘时若发现某列动车在直线段老是产生蛇行失稳，有必要及时通知动车单位，建议对该车实施检修。同样，动车运营单位发现多辆动车在同一处直线段产生

22、蛇行失稳，也应及时通知高铁养修单位现场核实，采取相应的技术措施。使高铁车、线双方，成为信息共享、互帮互助的利益共同体。2.高铁轨道结构状态变化规律探索4.曲线钢轨不均匀侧磨 曲线钢轨不均匀侧磨是指在同一曲线上，上股钢轨在产生侧面磨耗时，由于相同半径各点的磨耗速率存在较大的差异，导致在同一时期整个曲线(即使在半径相同的园曲线部分)钢轨侧面磨耗量极不均匀。造成高铁曲线钢轨不均匀侧磨的因素很多，诸如：车轮冲击磨擦、轨道结构状态或轨道几何尺寸不良、养修作业方法不合理等都会对曲线钢轨不均匀侧磨产生直接或间接的影响。 2.高铁轨道结构状态变化规律探索 然而，从工务角度分析，其原因主要与以下三种因素有关：(

23、1)曲线圆顺度(2)轨距变化率(3)养修作业方法 2.高铁轨道结构状态变化规律探索(1)曲线圆顺度 列车通过曲线时，因前进方向的变化而会产生导向力和冲角，这会对曲线钢轨侧磨产生影响。在同一个半径的圆曲线内，如果任意点的正矢相同、曲线圆顺，当列车以匀速运行在园曲线上时，其导向力和冲角是一定的；反之，如果任意点的正矢不同、曲线不圆顺，即使列车也以匀速运行在圆曲线上时，则其导向力和冲角将随着正矢的变化而变化。理论上，导向力和冲角的增量与曲线正矢的变化程度成正比。以半径为4000米的曲线为例，若用20米弦实测其圆曲线上相邻两点的正矢最大最小差为6毫米,则其最大最小半径差的近似值为：640002/500

24、00=1920米。相当于这一点的曲线半径从4000米变化为5920米，因实际曲率发生了变化，此时，车轮导向力、冲角当然亦产生相应的变化。问题的实质就在于，因曲线不圆顺，造成同一个园曲线的钢轨各点受到了不同的导向力和冲角，于是产生了不同程度的钢轨侧磨。可见，曲线正矢的不均匀变化是诱发曲线钢轨产生不均匀侧磨的重要因素。2.高铁轨道结构状态变化规律探索(2)轨距变化率 从理论计算得知，适当减小轨距，可以改善动车通过曲线时的运行条件。因为车轮踏面的等效斜率随着轨距的减小而增加，且基本呈线性变化。等效斜率的增大使左右两轮的滚动半径差增大而减小滑动，轮缘与曲线上股钢轨侧面之间的摩擦也就减小，从而减轻钢轨的

25、侧面磨耗。然而，对同一条曲线而言，即使适当减小了轨距，若轨距不均匀，其相邻点的轨距变化率较大，则动车通过曲线时车轮踏面等效斜率随之变化，其滑动变化也增大，易在轨距不同的曲线钢轨上产生不均匀侧磨。因此，同一条曲线上轨距不均匀，其相邻点的轨距变化率较大，也是影响曲线钢轨不均匀侧磨的重要因素。2.高铁轨道结构状态变化规律探索(3)养修作业方法 很显然，作业方法及其程序是否合理，也会对曲线钢轨不均匀侧磨产生一定的影响。当然，这种影响比较集中地表现为，因作业方法或程序不当所造成的曲线正矢不均匀变化以及轨距变化率过大等曲线轨道不平顺问题。2.高铁轨道结构状态变化规律探索5.轨头肥边与钢轨焊接接头低塌 这两

26、者均属于钢轨轨头区域的塑性变形。前者出现于钢轨作用边一侧，多因曲线超高设置不当而引发；后者多发生在钢轨焊接接头的热影响区，与焊接接头存在原始不平顺、热影响区与母材存在较大硬度值差异有关。虽然两者都属于传统的钢轨状态畸变，但这种传统畸变一旦在高铁上萌生，其后果的严重性，就会被高速条件下产生的附加轮轨动力冲击所放大。2.高铁轨道结构状态变化规律探索 高铁轨道养修工作者，必须明察秋毫、防微杜渐。发现有轨头肥边或钢轨焊接接头低塌的初始迹象，就应设点跟踪监测。对于出现轨头肥边初象的曲线，重新测速调整超高，必要时实施钢轨打磨；对于出现钢轨焊接接头初始低塌的处所，应会同焊轨单位实地测量焊接接头区域的原始不平

27、顺值以及轨顶面处焊缝、热影响区、相邻母材的硬度分布。以利焊轨单位改进焊接工艺，提高热处理质量。必要时实施钢轨焊接接头的打磨或焊修处理。2.高铁轨道结构状态变化规律探索6.接触疲劳破损、轨头核伤与胶结绝缘接头螺孔裂纹 钢轨近表面接触疲劳破损，通常呈现为轨头表面的微裂纹或金属剥离。特别严重时，还会出现鱼鳞伤特征（如图2左所示）。鱼鳞伤外形似鱼鳞，裂纹始于轨头内侧圆弧附近，顺列车运行方向向前作鱼鳞状延展，裂纹附近常有黑影。鱼鳞裂纹或黑影沿轨头横向的宽度一般为620毫米，最大的接近半个轨头。轨头鱼鳞伤的解剖特征如图2右、图3所示。 2.高铁轨道结构状态变化规律探索2.高铁轨道结构状态变化规律探索图2

28、轨头鱼鳞伤外观形态 图3 轨头鱼鳞伤解剖特征 2.高铁轨道结构状态变化规律探索 由图可见，鱼鳞伤内部裂面分别由浅入深，由外向里，由后向前发展，其最深点在鱼鳞裂面的前内角处。裂纹深度随着鱼鳞裂纹（包括黑影）的横向宽度和纵向长度的不同而变化，鱼鳞越大，裂纹越深，最深可达20多毫米。更为严重的是，鱼鳞伤还常以裂纹尖端为源，发展成多核面的横向疲劳核伤断裂，对行车安全威胁极大(见图4)。图4 鱼鳞伤发展成多核面的横向疲劳核伤断裂2.高铁轨道结构状态变化规律探索 钢轨轨头核伤主要是轮轨间接触应力过大所致。因而发生部位多在近轨顶面515毫米的轨头内上侧（如图5所示）。核伤是引起钢轨横向断裂的最危险的一种伤损

29、。其形状一般多呈椭圆形，有裂源、核面，在核伤断面上通常具有疲劳圈和自裂源始发的放射状宏观特征(如图6所示)。经冷弯、疲劳试验表明，当核伤面积占轨头总面积510时，核伤轨的静力强度只有正常钢轨的1640；当核伤面积占轨头总面积1015时，核伤轨的疲劳强度将比正常钢轨降低90以上。2.高铁轨道结构状态变化规律探索图5 轨头核伤多发部位示意图图6 轨头核伤宏观解剖特征2.高铁轨道结构状态变化规律探索 钢轨胶结绝缘接头螺孔产生裂纹，其方向一般与水平线成45度交角，但由于螺栓往往会挤压孔壁，使裂向有所改变。螺孔裂纹发展严重时，直接导致轨头揭盖，其后果不堪设想。接触疲劳破损、轨头核伤与胶结绝缘接头螺孔裂纹

30、，尽管发生在不同部位、呈现不同形态，但本质均属于钢轨的金属疲劳。可能你们目前还没有遇到，然而现在没有遇到不等于今后不会发生，要有心理准备和知识储备。有关其产生原因的宏观力学机理分析和微观金属学机理分析在我出版的线路养修工作探索与实践一书上有详细阐述，今天因时间关系就不介绍了。7.连接零件失效、无碴轨道版病变与板下基础翻浆 2004以来，随着我国高标准、大规模铁路网的建设，一些代表当代国际先进水平的无碴轨道新技术，也相继出现在我国新建的高速铁路上，成为新型轨道结构的主流。由于上马快、工期短，在设计、施工、产品制造过程中也难免存在着一些遗留问题。在运营早期，有些无碴轨道已经出现了诸如：连接零件失效

31、、无碴轨道板病变、板下基础翻浆等病害。这必须引起我们的高度警觉。2.高铁轨道结构状态变化规律探索 沪杭城际高铁曾发生在高速列车振动力作下扣件螺帽自动弹飞的险象，后经调查是由于垫圈过厚造成螺帽与螺杆丝扣咬合过少而导致螺帽自锁失效。沪宁城际高铁发生过型无碴轨道板内钢筋窜出的问题，为防止窜出影响行车安全加了防窜挡板，但板内钢筋预应力失效将直接影响无碴轨道板使用寿命的隐患却依然存在。另外，板下基础翻浆也开始露头。更为严重的是，个别高铁路基地段还出现了因水土流失而引起的路基空穴。就高速铁路整体而言，上述这些问题虽然是局部的，但不加注意很有可能酿成大祸。 它警示我们，必须时刻关注高铁设备的任何异状。一旦发

32、现，应及时报告，严密监控，及早处理，消除后患。同时，以事实为依据向有关建设、设计、施工单位提出，现场共同确认。为在建和拟建高铁进一步改进或优化设计、改进或优化施工工艺提供借鉴，也为遴选科研课题提供切入点。2.高铁轨道结构状态变化规律探索 高铁轨道几何不平顺除了传统的轨距、水平、轨向、高低、轨道扭曲(即：水平三角坑)外，还包括：轨道逆相位复合不平顺、长波不平顺、正线道岔群和相邻曲线连接不平顺等等。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 1.轨距、水平、轨向、高低、轨道扭曲 根据研究对象的不同条件(如轨道结构类型、列车速度、线别等)，在现场分设轨道几何状态变化观测组。每组不少于30个观测点，用油漆在轨腰

33、外侧作明显标记并编上观测点号。每个观测点前后设4个辅助测点，即前后各5米为轨向、高低的固定辅助测点，前后各二分之一现行轨检车测距为水平、三角坑的固定辅助测点。每15天左右对观测点全面测量1次(若发现变化太快或过慢，应酌情调整观测周期)。实测数据经数理统计分析后，分别绘制出置信度为99.73轨道几何不平顺平均值、均方差变化曲线（如图7所示）。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 3.高铁轨道几何状态变化规律探索 图7 轨道几何不平顺平均值、均方差变化曲线 曲线显示，轨道几何状态在列车作用下的自然变化基本上服从正态分布特征。其变化规律为：(1) 轨道几何不平顺的统计平均值曲线(图中粗实线)始终在某一水

34、平线上波动，说明轨面养护与列车引起的轨道几何状态残余变形积累相平衡，也即养护周期及其投入较为恰当；(2) 如果轨道几何不平顺的统计平均值曲线出现上翘或下跌，则反映养护不足或养护过剩，应采取相应的对策；(3) 轨道几何不平顺的均方差曲线(图中上、下两条虚线)所包络的范围越小，则说明轨道几何状态质量分布的离散度越小，质量越均匀，超限的概率越低；反之，则应研究其质量分布不均匀的原因。认识了变化规律，从中掌握“什么状态该做”，“做到什么状态”以及轨道几何状态的工程能力储备，就为设置合理的作业周期提供了科学依据。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 以上是在列车作用下轨道几何状态(传统管理项目)自然变化规律

35、的探索方法。需要指出的是，在养修作业后的早期，轨道几何状态的变化与非作业地段的变化是有所不同的。因此有必要跟点观测养修作业后的早期变化规律，为研究合理的养修作业方法回答“怎么做”的问题提供依据。 解决了“什么状态该做”，“做到什么状态”，“怎么做”，就是抓住了标准化体系的核心要素，轨道几何状态传统项目的质量控制问题也就会迎刃而解。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 2.轨道逆相位复合不平顺 所谓轨道逆相位复合不平顺是指同一位置或相邻位置上存在相位相反的两种几何不平顺的叠合或组合。它可分为轨道叠合型逆相位复合不平顺。即：同一点上轨向-水平、轨距-水平的逆相位叠合；轨道组合型逆相位复合不平顺。即：相

36、邻位置上轨向-轨向、水平-水平、轨距-轨距、轨距-轨向、高低-高低的逆相位组合。传统管理项目中的水平三角坑(即：轨道扭曲)就是相邻位置上水平-水平的逆相位组合，也属于轨道逆相位复合不平顺的一种。只是我国铁路对其它各种形态的轨道逆相位复合不平顺，尚未在系统研究的基础上建立相应的管理值标准。 然而，各种形态的轨道逆相位复合不平顺是客观存在的。在列车速度不高的情况下反应并不明显，随着列车提速，尤其是高速铁路的运营，轨道逆相位复合不平顺变化规律探索的课题必将提到议事日程。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 其研究工作的思路是：在理论上，根据车辆-轨道耦合动力学理论，建立数学模型，采用计算机仿真技术，研究

37、在上述工况下的列车安全平稳性指标动态响应规律，提出上述项目不平顺管理值的理论参考值；在实践中，设置现场试验段(其变化规律的探索思路、方法与上述单项不平顺雷同)，进行动静态相关分析，在理论与实践的结合上，技术与经济的比较中，确定上述项目的不平顺管理值，形成相应的养护技术。 在高铁轨道逆相位复合不平顺尚未建立相应的管理值标准之前，根据上海局六次大提速以来的实践积累，提出表1所列的经验管理值，以供参考。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 3.高铁轨道几何状态变化规律探索 项目作业标准状态标准级超限级超限级超限级超限轨距递减率1223缓曲超高顺坡率350m内横向S型波无1个1.5个2个2.5个3个轨向-

38、水平轨距-水平无无按级及以上超限控制50m内垂向S型波无1.5个2个2.5个3个3个表1: max160km/h正线轨道逆相位复合不平顺(经验)管理值 其中，轨距-轨距逆相位组合型复合不平顺以轨距递减率控制；轨向-轨向、轨距-轨向逆相位组合型复合不平顺用50米内横向S形波(矢度3毫米)的个数控制；缓和曲线中的水平三角坑(水平-水平逆相组合型复合不平顺)用超高顺坡率控制；轨向-水平、轨距-水平逆相位叠合型复合不平顺按级及以上超限控制；50米内高低-高低逆相位组合型复合不平顺用50米内垂向S形波(矢度4毫米)的个数控制。 当然，以上的经验管理值仅仅是工作思路上的参考与过渡。重要的是通过高铁轨道逆相

39、位复合不平顺的直接研究，建立起符合高铁自身特点的管理值标准，这个历史任务就落在当代高铁人的肩上。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 3.长波不平顺 世间万物，总是客观存在决定着人们的主观意识。过去工务部门之所以对50米以上的轨道长波不平顺毫无概念，不以为然，是由于当时的列车速度还没有达到足以影响行车平稳性的程度。自从上世纪九十年代秦沈客运专线开通运营后，当轨道长波不平顺对高速运行列车平稳性的影响初见端倪时，才开始对这一问题引起警觉。 所谓长波不平顺，是指波长大于50米并能引起列车失稳运行的不利波长及其幅值。究竟最不利的波长是多少？其幅值控制在什么范围？这取决于列车自身的运行品质及其运行速度。3.

40、高铁轨道几何状态变化规律探索 据我所知，世界上一些高铁发达国家已经研究并建立了相应的管理值标准。作为我国新一代的高铁工作者，应增强这方面的探索意识，可以与科研部门合作现场选点，先以发现列车运行平稳性较差又存在轨道长波不平顺的地段为研究重点，掌握其波长、不平顺幅值、动车类型、实际运行速度、对行车平稳性影响的实测结果，再采用逼近法找出轨道长波不平顺的最不利波长及其幅值。需要提醒的是，有可能不同车型、在不同速度时，对轨道长波不平顺的动力响应程度是有所不同的。因此，在确定轨道长波不平顺最不利波长及其幅值的管理值标准时，应就高不就低，实现全覆盖。即在各种车型和各种速度通过时，这一标准均能将行车平稳性控制

41、在允许的范围之内。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 4.正线道岔群和相邻曲线连接不平顺 正线道岔群、相邻曲线连接不平顺的主要形态特征可归纳为以下几种基本类型： (1)正线道岔群基线连接不平顺 所谓正线道岔群基线连接不平顺，指的是车站一端的正线道岔群中，因其中某一组或某几组道岔的基线发生了横向或垂向偏移，造成道岔与道岔之间的方向连接或高低连接不在同一条平直基线上，导致整个正线道岔群的基线不平顺。 根据不平顺的空间形态，正线道岔群基线连接不平顺又可细分为：道岔基线方向连接不平顺、道岔基线高低连接不平顺、道岔基线方向连接与道岔基线高低连接不平顺复合三种形态特征。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 3.

42、高铁轨道几何状态变化规律探索 道岔基线方向连接不平顺 图8为正线道岔群基线方向连接不平顺的示意。 从图示的形态特征来看，整个道岔群中道岔与道岔之间的基线方向连接发生了角度偏移，原有的道岔群平直基线已畸变成折线状。相邻的道岔与道岔之间存在着一定的偏移角。整个道岔群的方向平直性产生了异化甚至严重恶化。高速列车通过此类道岔群时，很容易产生车体剧烈摇头、横摆等不良的动态响应。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 图8 正线道岔群基线方向不平顺示意图3.高铁轨道几何状态变化规律探索 道岔基线高低连接不平顺 正线道岔群基线高低连接不平顺如图9所示。 图示表明，整个道岔群中道岔与道岔之间的基线高低连接发生了垂向

43、角度偏移，原有的道岔群纵断面平直基线已畸变成折线状。相邻的道岔与道岔之间存在着一定的高低偏移角。整个道岔群的纵断面高低平顺性产生了异化甚至严重恶化。高速列车通过此类道岔群时，会产生车体点头、沉浮等较为剧烈的动态响应。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 图9 正线道岔群基线高低连接不平顺示意图3.高铁轨道几何状态变化规律探索 道岔基线方向连接与道岔基线高低连接不平顺复合 道岔基线方向连接与道岔基线高低连接不平顺复合是指，在同一处提速线路正线道岔群上，同时存在着上述两种连接不平顺(示意图从略)。 需要注意的是，这种在同一处线路的道岔群内，道岔间存在两种连接不平顺的复合，对高速列车运行平稳性的影响更大

44、。除了会造成车体摇头、横摆、点头、沉浮外，还往往会诱发车体的侧滚、滚摆等不良动态响应。 (2)道岔群相邻曲线的共用切线不平顺 正线道岔群的相邻曲线在连续两个或两个以上时，相邻曲线间共用切线的方向连接或高低连接发生了横向或垂向偏移，造成曲线与曲线的连接产生横向或垂向不平顺，导致曲线半径、长度、直缓点位置、缓曲点位置、超高及其顺坡率等曲线要素的一系列变化，最后使基本线型变异。在列车高速运行条件下，变异了的曲线线型将直接影响列车运行的平稳性。 正线道岔群相邻曲线间共用切线的不平顺，也可分为：共用切线方向不平顺、共用切线高低不平顺、共用切线方向与高低不平顺的复合。3.高铁轨道几何状态变化规律探索 图10系正线道岔群前后相邻曲线间共用切线的方向连接不平顺示意。从图上可见，相邻两个反向曲线原有的设计共用切线AB，由于产生了共用切线的方向偏移角1 、2，畸变成AO-OB折线。事实上，两个反向曲线的连接已变成 “正、正、反”三个曲线间的连接。而这三个曲线与原有曲线的要素肯定不同，若仍按照既有曲线进行养护管理，势必会引起高速列车的剧烈摇晃。 共用切线高低不平顺反映的是，正线道岔群前后相邻曲线间共用切线的高低连接发生了垂向