第３７卷第４期　２０１３年８月　北京交通大学学报　

ＯＦ　ＢＥＩ儿ＮＧ　ＪＩＡ０｝Ｉ、（）ＮＧ　ＵＮＩＶ　ＶＯｌ　３７　Ｎ（）４　

Ａｕｇ．２Ｏｌ３　

文章编号：１６７３—０２９１（２０１３）０４—００４０—０６　

基于工程类比的北京地铁钢轨异常波磨整治方法　

杨广武　，彭　（１．北京市重大项目建设指挥部办公室，北京　华２，王佳妮　，蔡小培２　１０００２９；２．北京交通大学土木建筑　程学院，北京１０／）０４４）　

摘要：为整治北京地铁钢轨的异常波磨，基于工程类比法，从轨道刚度的角度研究钢轨异常波磨　的成因及整治措施．以北京地铁４号线钢轨异常波磨为研究对象，工程类比无钢轨异常波磨的北京　地铁１号线和２号线，选取具有代表性的典型曲线试验段，采用轨道刚度测试仪对轨道垂向、横向　刚度进行了现场测试．结果表明：轨道横向刚度低是导致曲线地段钢轨异常波磨的直接诱因，轨道　垂向刚度对钢轨异常波磨的影响不大；适当增加轨道横向刚度使轨道垂横向刚度比小于３，可较好　地避免钢轨异常波磨的产生．现场整治试验段表明，提高轨道横向刚度后，钢轨异常波磨得到了较　好的控制．　关键词：地铁；钢轨异常波磨；工程类比；轨道横向刚度　中图分类号：Ｕ２１３．４　文献标志码：Ａ　

Ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｅｉｊ　ｉｎｇ　ｓｕｂｗａｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎａｌｏｇｙ　

ＹＡＮＧ　Ｇｕａｎｇｗｕ　，ＰＥＮＧ　Ｈｕａ　，ＷＡＮＧ　Ｊｉａｎｉ　，ＣＡＩ　Ｘｉａｏｐｅｉ　（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｍａｊｏｒ　Ｐｒｏｉｅｃｔｓ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｈｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ　Ｏｆｆｉｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｒｅｍｅｄｉａｔｅ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｅｉｊ　ｉｎｇ　ｓｕｂｗａｙ，ｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｔｉｍｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　Ｉ　ｒａｃｋ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎａｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｔａｋｅｓ　Ｂｅｉｊ　ｉｎｇ　ｓｕｂｗａｙ　ｌｉｎｅ　４　ｈａｖｉｎｇ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｒａｉ　ｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ　ａｎｄ　ｍａｋｅｓ　ｉｔ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｗｉｔｈ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　ｓｕｂｗａｙ　ｌｉｎｅ　１　ａｎｄ　ｌｉｎｅ　２　ｈａｖｉｎｇ　ｎｏ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ．Ｗｅ　ｓｅｌｅｃｔ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ｅｕｒｖｅ　ａｓ　ｔｅｓｔ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｔｒａｃｋ’Ｓ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｔｉｆｆ—　ｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｌａｔｅｒａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ．Ｌｏｗ　ｔｒａｃｋ’Ｓ　Ｉａｔｅｒａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｉｓ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃａｕｓｅ　ｏｆ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒａｃｋ’Ｓ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｈａｖｅ　１ｉｔｔｌｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ａｂｎｏｒｌＴｌａ１　ｒａｉ１　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ．Ｉｔ　ｉｓ　ｕｓｅｆｕｌ　ｔｏ　ａｖｏｉｄ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｌｙ　ｔｒａｃｋ’Ｓ　ｌａｔｅｒａｌ　ｓｔｉｆｆ—　ｎｅｓ８　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｔｒａｃｋ’Ｓ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｌａｔｅｒａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｒａｔｉｏ　ｉＳ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　３．Ｆｉｅｌｄ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ａｂ—　ｎｏｒｍａｌ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｉＳ　ｗｅｌｌ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｒａｃｋ’Ｓ　ｌａｔｅｒａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｗａｙ；ａｂｎｏｒｍａｌ　ｒａｉＩ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎａｌｏｇｙ；ｔｒａｃｋ’Ｓ　ｌａｔｅｒａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　

一般情况下，小半径曲线地段复发周期约半年　或更长的波磨可视做正常波磨，若复发周期短至２　～４个月，或发生在大半径曲线甚至直线地段，则认　为是异常波磨　．北京地铁钢轨异常波磨带有一定　的普遍性，具有出现早、范围Ｊ　、数量多、发展快、采　用常规养护维修手段无法根治等特点．钢轨异常波　磨会加剧轮轨之间的动力学作用，使轮轨各部件的　工作状态劣化，导致轨道振动和车内噪声增加显著，　

收稿日期：２０１３．０４—１５　基金项目：北京市科技计划项目资助（Ｚｌ１１１０００５６８１１０２３）；中央高校基奉科研业务费专项资金资助（２０１２ＪＢＺＯＩ１）　作者简介：杨广武（１９５９一），男，北京人，教授级高工，博士．研究方向为城市轨道交通．ｅｍｉｌ：ｙｇｗ００６６＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．　第４期　杨广武等：基于工程类比的北京地铁钢轨异常波磨整治方法　引起轨道扣件松脱、车辆部件损坏、周围环境振动与　噪声超标等问题［　，给地铁运营安全、服务质量及　养护维修等带来了诸多不利影响．因此，需要提出一　套切实而有效的北京地铁钢轨异常波磨的整治方　法，确保北京地铁的安全运营．　国内外诸多学者对钢轨波磨问题进行了大量的　研究．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等人ｌ３４］研究了多个车轮作用下轮　轨法向力和钢轨波磨之间的关系．Ｍ．Ａ．Ｒｅｚｖａｎｉ　等Ｅ５］利用ＡＤＡＭＳ／Ｒａｉｌ软件建立了车辆动力学模　型，指出磨耗后的车轮型面导致车辆通过曲线过程　中轮轨磨耗增大．熊嘉阳等人ｌ＿６ｊ建立了车辆　道　横向和垂向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨　材料摩擦磨损模型为一体的钢轨波浪形磨损理论计　算模型，对初始波磨进行演化分析，并发展了相应的　数值计算方法．金学松等人ｌ＿７ｊ通过数值分析，研究　了由轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度和不　同行车速度对曲线地段钢轨磨损的影响．谷爱军　等［　］建立地铁隧道内和桥梁上整体道床轨道结构　的垂向振动分析模型，讨论了扣件刚度和阻尼对其　动力特性的影响．王国新等人　ｊ研究了轨枕支撑弹　簧刚度和阻尼对钢轨波磨的影响，发现较软的轨枕　支撑弹簧刚度和合适的轨枕支撑阻尼可以抑制曲线　线路上内轨的短波波磨．上述研究多以理论分析为　主，缺少从现场实测角度开展的波磨线路与非波磨　线路关键参数的研究工作．　本文作者基于工程类比，提出了轨道横向刚度　的概念，以北京地铁１、２、４号线为工程背景，选取典　型试验段，对试验测试结果进行了对比分析，揭示了　轨道刚度与钢轨异常波磨的关系．　

磨．北京地铁１、２号线的成功经验，可为明确４号线　异常波磨成因提供参考．　

图１减振器轨道钢轨波磨　Ｆｉｇ．１　Ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ｔｒａｃｋ　根据地铁４号线的运营实践和对４号线波磨现　状的调查表明，产生钢轨波磨的地段大部分是采用　了减振措施的线路，而轨道减振措施往往会降低轨　道刚度．可见，轨道刚度是产生钢轨波磨的直接原　因．列车在轨道上运行，轮轨相互作用既有垂向荷　载，也有水平荷载，为了定量研究钢轨抵抗横向力作　用的能力，参考垂向刚度定义，将轨道横向刚度定义　为钢轨头部侧面产生单位位移时需要在相应位置施　加的横向作用力．并通过工程类比，对比分析北京地　铁１、２和４号线相似线路区间轨道刚度参数．　

２钢轨异常波磨原因探讨　工程类比法是一种概念上的、定性的方法，逻辑　上是从特殊到特殊［ｕ］．采用工程类比法能充分发挥　

成功经验的作用，找到与既有问题工程各方面都比　较类似且设计比较成功的实际工程作参考，解决实　际当中遇到的问题．　２．１研究思路　１　试验线路钢轨波磨现状调查分析　图２为研究思路流程图．　

北京地铁４号线于２００９年开通运营，为减振降　噪采用了多种减振轨道结构．然而开通运营１个月　后，钢轨就出现了严重的异常波磨现象【１０］．截止到　２０１１年１月７　１３，４号线的波磨总长度共计约４　６６４　ｍ．异常波磨现象主要发生在小半径曲线地段和各　种减振道床范围，其中轨道减振器地段６７％以上出　现了异常波磨，其发生波磨里程最长、程度最严重、　全线波磨总长度所占比例最大．钢轨打磨２个月后，　波磨现象又再次出现．如图１为减振器轨道地段的　钢轨波磨．　北京地铁１、２号线自２０世纪６０年代末建成通　车以来，运营时间已超过４０年，而且地铁１号线和　２号线运量要远大于４号线，线路设计标准总体上　要低于地铁４号线，运营负荷较大，但极少发生波　

实地调研、资料收集分析　●　ｌ试验段选取ｌ　

ｔ　●　未发生异常波磨（１、２号线）ＩＩ发生异常波磨（４号线）　

ｔ　Ｉ垂向、横向刚度测试　

●　Ｉ　测试结果对比分析　Ｉ　

图２研究思路流程图　Ｆｉｇ．２　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｌｏｗｃｈａｒｔ　基于工程类比法，并以运行条件类似为原则选　取线路典型试验段，对比分析地铁１、２、４号线的轨　道垂向、横向刚度，找出指标差异规律，从而揭示轨