小半徑曲線鋪設(shè)無縫線路適應(yīng)性研究

高 琦

(成都鐵路局 工務(wù)處，四川成都 610081)

山區(qū)鐵路以曲線多、半徑小為主要特征，考慮到半徑越小，線路穩(wěn)定性越差，加之小半徑曲線鋼軌傷損發(fā)展快，鋼軌更換周期短，一般采用普通線路。大量存在的鋼軌接頭破壞了軌道結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，加大了輪軌動(dòng)力沖擊作用(最大時(shí)可達(dá)靜輪載的7倍以上)，軌道幾何形位劣化加快，成為鋼軌傷損和軌道病害的集中高發(fā)區(qū)域，是日常養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)和難點(diǎn)，工作量巨大，維修成本很高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于普通線路，接頭養(yǎng)護(hù)工作量約占養(yǎng)護(hù)工作總量的40%，其投入費(fèi)用約占維修成本的30%。由于無縫線路減少了接頭數(shù)量，改善了軌道結(jié)構(gòu)，提高了列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，減緩了線路病害的發(fā)生，延長了維修周期，提高了設(shè)備質(zhì)量，因此是新鋪線路及線路大修改造的優(yōu)先選擇。研究在小半徑曲線占較大比例的山區(qū)鐵路鋪設(shè)無縫線路，取消或部分取消鋼軌接頭，對(duì)減少養(yǎng)護(hù)維修工作量、節(jié)約成本等均具有重要意義。結(jié)合近年來我國鐵路維護(hù)技術(shù)的進(jìn)步及成都局工務(wù)部門在小半徑曲線無縫化方面的努力，通過線路大修對(duì)管內(nèi)部分小半徑曲線進(jìn)行無縫化改造，消除部分鋼軌接頭，將大幅提高線路結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但小曲率半徑線路的穩(wěn)定性將是極大的挑戰(zhàn)。根據(jù)我國現(xiàn)行《鐵路線路修理規(guī)則》(鐵運(yùn)［2006］146號(hào))第3.10.4條及《無縫線路鋪設(shè)及養(yǎng)護(hù)維修方法》(TB/T 2098—2007)第5.1條規(guī)定，半徑＜400 m曲線應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行個(gè)別設(shè)計(jì)及檢算，并采取必要的加強(qiáng)措施。為研究合適的小半徑曲線無縫化方案，下面重點(diǎn)進(jìn)行半徑400 m以下曲線區(qū)段線路無縫化方案的可行性分析，提出小半徑曲線地段線路無縫化改造的技術(shù)方案。

1 無縫線路計(jì)算分析理論

1.1 鋼軌強(qiáng)度要求

無縫線路鋼軌應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證在動(dòng)彎應(yīng)力、溫度應(yīng)力及其他附加應(yīng)力共同作用下，強(qiáng)度滿足要求，即要求鋼軌所承受的各種應(yīng)力之和不超過鋼軌強(qiáng)度值。一般采用式(1)檢算。

式中，σd為鋼軌承受的最大動(dòng)應(yīng)力(MPa);σt為鋼軌承受的最大溫度應(yīng)力(MPa);σc為鋼軌承受的附加應(yīng)力，路基地段一般考慮10 MPa的制動(dòng)附加應(yīng)力，橋梁地段還應(yīng)考慮伸縮或撓曲附加應(yīng)力與制動(dòng)應(yīng)力的組合;［σ］為鋼軌容許應(yīng)力，取鋼軌的屈服強(qiáng)度σs，并考慮一定的安全系數(shù)K(一般取1.3)，［σ］=σs/K。

對(duì)于有砟軌道線路，鋼軌強(qiáng)度一般控制允許降溫幅度［Δts］，由式(2)計(jì)算。

式中，σgd為鋼軌下翼緣動(dòng)拉應(yīng)力。

1.2 無縫線路穩(wěn)定性檢算

無縫線路穩(wěn)定性檢算方法較多，有“統(tǒng)一公式”、“變波長公式”和有限元法等，“統(tǒng)一公式”是1977年為統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算而提出來的，應(yīng)用廣泛。該公式假定軌道原始彎曲長與臌曲后的變形波長相等，將軌道彎曲的變形限制在2 mm，同時(shí)，為了保證一定的安全儲(chǔ)備量，考慮1.3安全系數(shù)，作為允許溫升。

計(jì)算溫度力P

式中，P為計(jì)算溫度力;E為鋼軌彈性模量;β為軌道框架剛度系數(shù);l為軌道彎曲半波長;foe為軌道原始彈性彎曲矢度;f為軌道彎曲變形矢度;R為軌道曲線半徑;Q為等效道床阻力，R0為塑性初始彎曲半徑。

則允許溫升［ΔTc］為

1.3 斷縫限值要求

無縫線路發(fā)生斷軌后將嚴(yán)重影響行車安全，一般要求最不利情況下鋼軌斷縫不得造成脫軌等重大安全事故。我國無縫線路相關(guān)規(guī)范要求有砟軌道無縫線路斷縫值一般不得超過［λ］=70 mm。斷縫值計(jì)算按下式進(jìn)行。

式中，λ為鋼軌折斷斷縫值;ΔTdmax為無縫線路最大降溫幅度。

2 主要參數(shù)取值

2.1 線路基本參數(shù)

根據(jù)成都局線路主要運(yùn)營條件，確定線路基本參數(shù)如下:電力機(jī)車(SS1－7、ⅡXD)牽引，客貨混跑，最高運(yùn)營速度V=90 km/h;鋼軌為60 kg/m的U71Mn軌，Ⅰ級(jí)道砟，砟肩寬度不小于40 cm，堆高15 cm，道床邊坡1∶1.75;軌道加強(qiáng)設(shè)備，拉桿10根/25 m;坡度最大24‰;軌枕類型有Ⅱ型枕(級(jí)配1 840根/km)，ⅢB型枕(級(jí)配1 667根/km)。

2.2 線路縱、橫向阻力

由于不同文獻(xiàn)公開的線路縱、橫向阻力差別較大，下文分別考慮現(xiàn)行參考規(guī)范及主要相關(guān)文獻(xiàn)取值。根據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(送審稿)，Ⅱ型混凝土枕縱向阻力取為11.5 kN/m，等效橫向阻力取為8.43 kN/m;ⅢB型混凝土枕縱向阻力取為15.0 kN/m，等效橫向阻力取為11.5 kN/m。根據(jù)秦沈、大秦線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，Ⅱ型混凝土枕縱向阻力取為11.5 kN/m，等效橫向阻力取為15.39 kN/m;ⅢB型混凝土枕縱向阻力取為15.2 kN/m，等效橫向阻力取為17.78 kN/m。

2.3 線路軌溫

為保證方案在成都局管內(nèi)的普遍適應(yīng)性，以成、渝、黔地區(qū)主要城市歷年最高、最低軌溫為計(jì)算依據(jù)，取最高軌溫61.3℃，最低軌溫 －7.8℃，中間軌溫26.8℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫(31±5)℃，進(jìn)行分析計(jì)算。

3 小半徑曲線線路無縫化方案分析

為盡可能地實(shí)現(xiàn)線路無縫化目標(biāo)，將小半徑曲線分R≥300 m和250 m≤R＜300 m兩類，分別分析鋪設(shè)的可行性及存在的問題。

3.1 R≥300 m曲線區(qū)段無縫化檢算

根據(jù)無縫線路基本理論，對(duì)Ⅱ、ⅢB型混凝土枕R=300 m線路進(jìn)行無縫化檢算。結(jié)果如表1所示，從表1可知，在半徑R=300 m的曲線上鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，依據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范(送審稿)》參數(shù)計(jì)算，采用Ⅱ型混凝土枕，由線路穩(wěn)定性控制的最大溫升超限，需提高線路橫向道床阻力或提高設(shè)計(jì)鎖定軌溫。經(jīng)計(jì)算，最小曲線半徑300 m時(shí)，道床橫向阻力須大于9.5 kN/m才能滿足“統(tǒng)一公式”有關(guān)線路穩(wěn)定性的要求。

3.2 250 m≤R＜300 m曲線區(qū)段無縫化檢算

取曲線半徑R=250 m區(qū)段，分別就采用Ⅱ、ⅢB型混凝土枕線路進(jìn)行無縫化檢算。結(jié)果如表2所示。表2結(jié)果表明，在半徑R=250 m的曲線上鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，依據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范(送審稿)》參數(shù)計(jì)算，采用Ⅱ型混凝土枕，由線路穩(wěn)定性控制的最大溫升超限;采用ⅢB型軌枕，最大溫升也非常接近線路穩(wěn)定性確定的最大溫升限值。經(jīng)計(jì)算，要保證最小曲線半徑250 m時(shí)線路的穩(wěn)定，道床橫向阻力須＞11.5 kN/m才能滿足“統(tǒng)一公式”有關(guān)線路穩(wěn)定性的要求。

表1 R=300 m曲線線路無縫化檢算結(jié)果 ℃

表2 250 m≤R＜300 m曲線線路無縫化檢算結(jié)果 ℃

4 小半徑曲線地段關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試

為進(jìn)一步確認(rèn)小半徑曲線地段線路無縫化的可行性，隨機(jī)抽取了半徑＜400 m的大修一月后的線路，對(duì)其中的關(guān)鍵參數(shù)——道床橫向阻力進(jìn)行了測(cè)試。大修時(shí)，道床砟肩達(dá)到相關(guān)規(guī)范的加寬與堆高要求，測(cè)試時(shí)道床狀態(tài):砟肩平均寬約55 cm，砟肩堆高約12 cm。測(cè)試結(jié)果如圖1和圖2。

圖1 Ⅱ型混凝土枕單枕橫向阻力

圖2 ⅢB型混凝土枕單枕橫向阻力

經(jīng)換算，實(shí)測(cè)Ⅱ型混凝土枕道床等效橫向阻力約為10.5 kN/m，ⅢB型混凝土枕道床等效橫向阻力約為11.5 kN/m。測(cè)試結(jié)果表明，在日常狀態(tài)下，Ⅱ型、ⅢB型混凝土枕道床橫向阻力可以滿足R≥300 m曲線線路鋪設(shè)無縫線路的要求，250 m≤R＜300 m曲線鋪設(shè)無縫線路安全儲(chǔ)備明顯不足。

5 結(jié)論

綜合上述分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，考慮到小半徑曲線劇烈的輪軌橫向作用等因素，形成小半徑曲線線路鋪設(shè)無縫線路方案:

1)在R≥300 m曲線線路區(qū)段，可采用Ⅱ型(1 840根/km)、ⅢB型(1 667根/km)混凝土枕鋪設(shè)無縫線路，要求砟肩應(yīng)達(dá)到并保持相關(guān)規(guī)范要求。

2)250 m≤R＜300 m曲線地段鋪設(shè)無縫線路道床橫向阻力無法滿足軌道穩(wěn)定性要求，應(yīng)鋪設(shè)有縫線路。

3)小半徑曲線上鋪設(shè)無縫線路對(duì)線路的穩(wěn)定性要求較高，在曲線區(qū)段應(yīng)設(shè)置軌道穩(wěn)定加強(qiáng)措施，如設(shè)置拉桿、加大軌枕鋪設(shè)密度等。

4)小半徑曲線鋪設(shè)無縫線路應(yīng)加設(shè)位移觀測(cè)樁，在日常運(yùn)營中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無縫線路的縱向、橫向位移觀測(cè)，做好變化規(guī)律分析，特別是極端氣候季節(jié)，一旦出現(xiàn)非正常情況及時(shí)采取措施。

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