西張線小半徑曲線地段鋪設無縫線路分析

楊旭東 上海鐵路局工務處

西張線位于安徽省淮南地區(qū)，是阜淮鐵路連接礦區(qū)的一條重要支線，主要承擔沿線的煤礦運輸，目前該線為普通線路，鋼軌接頭病害多、養(yǎng)護維修工作量大。無縫線路與普通線路相比，減少了鋼軌接頭數量，改善了軌道結構，減緩了線路病害的發(fā)生，延長了線路維修周期。無縫線路是線路大修改造的優(yōu)先選擇，但是無縫線路長軌條內部隨軌溫的變化會產生巨大的溫度力，當軌溫升高時，會產生溫度壓力，溫度壓力的存在會對無縫線路的穩(wěn)定性造成影響。在曲線地段，溫度壓力會產生較大的徑向分力，曲線半徑越小分力越大，因此小半徑曲線鋪設無縫線路時應根據具體情況進行軌道強度及穩(wěn)定性計算。針對西張線曲線多、半徑小的特點，本文主要對該線300 m≤R≤600 m曲線地段鋪設無縫線路的可行性進行分析，以期為該線路以及類似條件的其他線路鋪設無縫線路提供參考。

1 概況

西張線起于淮南西站N403岔尖，止于張樓站N1岔尖，線路全長20.596 km，非電氣化鐵路，主要承擔煤炭運輸。全線共有曲線17條，總長5.850 km，占線路全長的28.4%，其中R≤600 m曲線9條（Rmin=292 m），共計4.166 km，占線路全長的20.2%。曲線上均鋪設混凝土軌枕，軌枕配置除300 m≤R≤400 m為1840根/km外，其余均為1760根/km。碎石道床，道床厚度25 cm以上，肩寬0.2 m~0.3 m，外側無堆高；道床病害多；路肩寬度不足。

該區(qū)段機車類型為東風4型內燃機車，最高軌溫Tmax=61.0℃，最低軌溫Tmin=-20.6℃。

2 軌道強度和穩(wěn)定性計算

2.1 強度計算

無縫線路鋼軌應有足夠的強度，以保證在動彎應力、溫度應力及其他附加應力共同作用下不被破壞，仍能正常工作。此時，要求鋼軌所承受的各種應力的總和不超過規(guī)定的容許值。通過軌道強度的計算可以得到鋼軌允許溫降[△Td]，采用式（1）進行計算。

式中，[σs]為鋼軌容許應力，取 300 MPa；σgd為鋼軌軌底動彎應力；σc為鋼軌承受的附加應力，按10 MPa計算。

σgd采用準靜態(tài)法進行計算，計算公式為：

式中，D為鋼軌支座剛度，取30 kN/mm；a為軌枕間距；Ix、Wd分別為鋼軌水平慣性矩及軌底截面系數，P60鋼軌垂直磨耗為 6 mm 時，Ix=2879 cm4、Wd=375 cm3；P、x分別為車輪群中各車輪的輪載、軸距（查表可得）；α1為速度系數，內燃機車α1=0.4V/100；β為偏載系數，按0.002△h計算（△h為未被平衡超高，取90 mm）；f為橫向水平力系數。

通過計算得到不同工況下鋼軌允許溫降值如表1。

表1 鋼軌允許溫降值

2.2 穩(wěn)定性計算

由于溫升引起的鋼軌溫度壓力是導致無縫線路失穩(wěn)的根本原因，為保持軌道的穩(wěn)定狀態(tài)，避免發(fā)生脹軌跑道，必須將溫度壓力控制在一定范圍以內，在無縫線路穩(wěn)定性計算時以軌道產生橫向位移f=2 mm時的溫度壓力PN除以安全系數K后得出的溫度力[P]作為控制溫度力，從而計算出允許溫升[△Tu]。相應的計算公式如下：

式中，β為軌道框架剛度換算系數，取2.0；Iy為鋼軌豎直慣性矩，取524 cm4；f0e為軌道原始彈性彎曲矢度，取3 mm；l為軌道原始彎曲半波長；Q為等效道床橫向阻力，軌枕配置為1840根/km時取 87 N/cm、1760根/km時取 84 N/cm；1/R＇為合成曲率，1/R＇=1/R+8f0p/l2，其中R為曲線半徑，f0p為軌道原始塑性彎曲矢度，取3 mm；K為安全系數，取1.3；F為鋼軌截面面積，取77.45 cm2。

在保證軌道彈性原始彎曲曲率（f0e/l2）不變的條件下，利用式（5）對軌道原始彎曲半波長進行試算，即由式（5）計算得l值，如果與軌道原始彎曲半波長l0（取4 m）有較大出入，令l=l0，重新計算f0e＇，將f0e＇代人式（5）重新計算l，直至與最后假定的l0相近，從而確定出最不利的軌道原始彎曲半波長。通過計算得出不同工況下允許溫升值，如表2。

表2 鋼軌允許溫升值

3 鋪設無縫線路可行性分析

3.1 鋪設條件檢算

某一地區(qū)能否鋪設無縫線路，主要決定于軌道的允許溫升[△Tu]與允許溫降[△Td]之和是否大于該地區(qū)的年軌溫變化幅度。也就是說，允許鋪設無縫線路的條件為：

式中，△T為鋪設地區(qū)年軌溫變化幅度，即△T=Tmax-Tmin；△t鎖為無縫線路允許的鎖定軌溫范圍，一般取8℃～10℃（見表 3）。

表3 鋪設條件檢算及鎖定軌溫表

由表3中的計算結果可以看出，在R＜400 m的曲線地段[△Tu]+[△Td]-△T＜8℃，不滿足鋪設無縫線路條件；R≥400 m的曲線地段滿足鋪設無縫線路條件。

3.2 確定設計鎖定軌溫

無縫線路鎖定軌溫應滿足軌道夏季不脹軌、冬季不斷軌的條件，并根據當地氣象條件及無縫線路允許溫升、允許溫降，并考慮一定的修正量計算中和溫度，計算式為：

各工況的設計鎖定軌溫計算見表3。R≥400 m曲線地段設計鎖定軌溫范圍均為27℃～37℃。由于全球氣溫升高及鎖定軌溫衰減等，并考慮小半徑曲線地段的穩(wěn)定性要求，施工鎖定軌溫取偏高值為32℃～37℃。

4 無縫線路前期整治

線路既有狀態(tài)很差，需在無縫線路鋪設前對既有病害進行整治：

（1）道床翻漿、路基冒漿地段進行人工清篩或拋床處理，其余地段進行線路起整，確保枕底石碴厚度不小于30 cm。

（2）采用Ⅰ級碎石道床，將道床頂面加寬至3.5 m（曲線外側道床肩寬55 cm、內側道床肩寬45 cm），碴肩堆高15 cm，邊坡為1:1.75。

（3）由于道床加寬，許多地段路肩寬度嚴重不足，既不能擋碴，也不利于下道避車，此類地段應在鋪設無縫線路之前將路肩加寬至0.8 m。

5 結論及建議

（1）通過軌道強度、穩(wěn)定性計算及相關參數的檢算可知，西張線R＜400 m曲線地段因鎖定軌溫范圍太小，不利于線路的鎖定及日常養(yǎng)護維修，建議鋪設有縫線路；R≥400 m曲線地段鋪設無縫線路。

（2）考慮鎖定軌溫衰減對軌道穩(wěn)定性的影響，在鋪設小半徑曲線無縫線路時，建議適當提高鋪設鎖定軌溫。

（3）西張線年久失修，既有狀態(tài)差，要求在鋪設無縫線路前對既有病害進行綜合整治，道床肩寬、道床阻力等參數要達到設計標準。

（4）R≤450 m曲線地段最大溫升幅度接近允許溫升值，要求在鋪設無縫線路時及時恢復現場軌距拉桿，并加強對該地段的監(jiān)測及看護，建議在曲線頭尾增設位移觀測樁，在曲中、緩圓、圓緩點建立曲線橫向觀測點以便觀測曲線的橫向變形。