安慶線鋪設無縫線路設計與施工探討

孟維剛 中國鐵路上海局集團有限公司工務處

安慶線是安慶市區(qū)連接合九鐵路的支線鐵路。起點在安徽省安慶市懷寧縣高河鎮(zhèn)的安慶西站，終點在安慶站，曲線多，半徑小，線路曲線部分全長10.693 km，占全部線路的27%。既有線路大部分為P43有縫普通線路，由于鋼軌接頭的存在，列車通過時產(chǎn)生巨大的沖擊和振動，影響行車平穩(wěn)和旅客舒適，并促使道床破壞、線路狀態(tài)惡化，造成設備使用壽命縮短、維修費用增加。為改善安慶線線路條件與普通線路相比，無縫線路由于消滅了大量接頭，因而具有行車平穩(wěn)、阻力小、振動與噪聲低、旅客乘坐舒適、機車車輛和軌道的維修費用低，使用壽命長等一系列優(yōu)點。為充分發(fā)揮無縫線路優(yōu)勢，改善安慶線軌道結構，減小現(xiàn)場養(yǎng)護工作量，本文主要就安慶線無縫線路改造可行性進行探討及設計，并就施工中的一些難點提出針對性措施。

1 既有狀態(tài)

本次施工地點位于安慶線K0-188.84～K39+407.65，起點位于安慶西站6#道岔岔尾，途經(jīng)石鏡、月形山、安慶北三個車站，由于安慶站正在站改施工，故終點設于安慶站外K39+407.65處。非電氣化單線鐵路。途經(jīng)線路車間1個（安慶西），工區(qū)5個（安慶西、甘露、月形山、安慶北、安慶），線路延長39.596 km。既有線路為P43、P50普通線路，部分岔區(qū)為P60短軌線路。線路狀態(tài)較差。道岔共計17組。橋梁14座，Lmax=563.6 m。曲線 23處，Rmin=350 m，Rmax=4 000 m,曲線全長10.693 km，占工程總量的27%。道口或平過道共計25處，其中P50整體道口7處。碎石道床，部分地段路基翻漿明顯。軌枕以Ⅱ型、XⅡ型為主，橋梁區(qū)段為Ⅱ型鉿橋枕，配置1520-1840根/km。

2 無縫線路穩(wěn)定性及強度計算

2.1 計算參數(shù)

無縫線路軌源為下道整修軌，垂直磨耗6 mm，截面積F=7 745 mm2，鋼軌支點彈性系數(shù)D=30 000 N/mm，彈性模量E=2.1×105，鋼軌線性膨脹系數(shù) α=1.18×10-5/℃，鋼軌截面對其水平水平中性軸的慣性矩J=28 790 000 mm4，軌底截面系數(shù)W底=375 000 mm3，再用軌屈服強度σs=405 MPa，安全系數(shù)K=1.35。

2.2 穩(wěn)定性計算

導致無縫線路失穩(wěn)的因素有鋼軌中的溫度壓力和軌道的初始橫向彎曲。由于溫升引起鋼軌中的軸向溫度壓力是無縫線路穩(wěn)定問題的根本原因，而軌道初始橫向彎曲則是影響無縫線路穩(wěn)定的直接原因。根據(jù)無縫線路統(tǒng)一穩(wěn)定性計算公式：

PW為計算溫度壓力，β為軌道框架剛度系數(shù)，有碴軌道取1.0，I為兩根鋼軌對豎直中和軸線的慣性矩，60kg/m鋼軌 I=2×524=1048cm4；l為軌道彎曲半波長（cm），f為軌道彎曲變形矢度，一般取0.2cm，foe為軌道原始彈性彎曲矢度（cm），R為曲線半徑，R0為鋼軌原始塑性彎曲半徑（cm），R0=8×為軌道原始塑性彎曲矢度，取0.3cm，ro為等效道床橫向阻力，Ⅱ型混凝土枕1 760根/km，ro=84.1 N/cm，Ⅱ型混凝土枕1 840根/km，ro=89 N/cm。

假定軌道原始彈性彎曲曲率不變，利用公式（2）對軌道彎曲半波長l進行試算，如果計算所得與軌道原始彈性彎曲半波長l0(取4m)差值較大，則假定l=l0，繼續(xù)試算foe'及l(fā)，直至l與l0相近。

最后，由公式（1）、（2）、（3）、（4）可得軌道穩(wěn)定性臨界半波長l及彈性彎曲矢度foe和臨界溫度壓力PW。兩股鋼軌的允許溫度壓力計算公式：

允許溫升計算公式：

允許溫升計算結果見表1。

表1 允許溫升計算表

2.3 無縫線路強度計算

無縫線路鋼軌必須有足夠的強度以保證在輪載作用下的彎曲應力、溫度應力及其他附加力的共同作用下，鋼軌仍能安全工作。作用在鋼軌上應力應滿足以下公式

σ底d為軌底動彎應力，利用連續(xù)彈性基礎梁模型進行計算。

計算機車：DF4內燃機車，三軸轉向架，輪載P=112.8kN(軸重23kN)，選取1、2輪作為計算輪計算當量荷載，軸距1.8m，構造速度120km/h；曲線半徑R≤800 m時，Ⅱ型混凝土軌枕配置1 760根/km，曲線半徑R＞800 m時Ⅱ型混凝土軌枕配置1 840根/km;未被平衡欠超高△h=90 mm；速度系數(shù)α=0.4v/100。

其中動彎矩Md=M（1+α+βp）f；靜彎矩M=當量荷載∑Pμ=Pe-βχ（cosβχ-sinβχ）；偏載系數(shù) βp=0.002△h=0.15；鋼軌基礎彈性系數(shù)（α為枕軌間距）

由（7）、（8）、（9）、（10）可得：

允許溫降計算結果見表2。

表2 允許溫降計算表

3 無縫線路設計方案

3.1 鎖定軌溫

安慶地區(qū)年最高軌溫Tmax=60.9℃，低溫軌溫Tmin=-12.5℃，本件名設計鎖定軌溫直線地段（27～37）℃，曲線半徑R≤800 m地段設計鎖定軌溫（32～37）℃。超長軌條相鄰單元軌節(jié)的鎖定軌溫差不超過5℃，左右股軌條的鎖定軌溫差不超過5℃，整根超長軌條內鎖定軌節(jié)的最高、最低鎖定軌溫差不超過10℃。表3是根據(jù)穩(wěn)定性及強度計算結果對鎖定軌溫進行檢算。

表3 穩(wěn)定性及強度檢算表

由表3可知，當R=350 m時，最大升溫幅度大于允許溫升，當R≥400 m時，最大溫升均小于允許溫升，符合故在曲線半徑R=350 m地段設計為P60短軌線路，R≥400 m地段全部設計為跨區(qū)間無縫線路。因既有P60道岔直向已無縫化，所有P60道岔的內部普通接頭全部凍結（包括岔后側向的接頭），絕緣接頭全部膠接，道岔內接頭處理應與鋪設無縫線路同步完成或提前完成。無縫道岔與大修新鋪設長軌進行連接成跨區(qū)間無縫線路，并根據(jù)設計鎖定軌溫進行應力調整或放散。既有P43道岔兩頭及整體道口兩頭設置緩沖區(qū)，緩沖區(qū)設置2～4對標準軌。

3.2 橋上無縫線路

本次施工地段共有橋梁14座,根據(jù)鐵路線路修理規(guī)則，橋梁長度L＞220 m時，須對橋上無縫線路作單獨設計,本次施工橋梁長度大于220 m有一座，L=563.6 m，32 m×16 m梁，中心里程K13+504.70，和路基段無縫線路相比，橋上無縫線路額外存在因橋梁的伸縮變形或撓曲變形位移而引起的的附加力作用。最大附加拉力在橋梁和鋼軌位移相等點產(chǎn)生，最大附加壓力在橋梁活動端支座處產(chǎn)生，因16 m梁跨引起的鋼軌位移很小，故在斷縫檢算時對于附加力略去不計：

＜[λ]=8 cm，檢算合格。

線下及線上聯(lián)合接頭不得設置在道口、橋臺、橋墩上，距橋臺邊墻不小于2 m。位于中跨度橋上應避開邊跨，布置在1/4～1/2橋跨處。

3.3 鋼軌方案

本次施工軌源為60 kg/m整修軌,一般在線路大修施工中,干線鋼軌下道后在焊軌基地整修焊接成250 m或500 m長軌，再由長軌列車運輸至施工地點，在安慶線線路前期設計調查時發(fā)現(xiàn)，安慶線三個車站石鏡、月形山、安慶北站內股道較短，安慶北站正線股道694 m，站線股道只有7道長度為924 m，其它均在700 m以下，石鏡站正線股道847 m，站線股道最長716 m，月形山站正線股道644 m，站線股道最長為748 m。500m T11長軌列車長度為660 m，加機車長度20 m，兩頭安全距離各50 m，長軌列車卸軌時由前方站進入施工地段卸軌，占用車站股道至少780 m，故而安慶線車站站線股道均不能滿足500 m長軌列車長度要求，使用250 m長軌車增加現(xiàn)場焊接接頭及勞動強度，最終決定將長軌車鋼軌平板車解掉100 m，基地焊接時軌條按照400 m長度進行鋼軌整修焊接，配軌方案也按400 m進行設計。

通過穩(wěn)定性及強度檢算可知，在半徑R=350 m地段鋪設短軌線路，為減小現(xiàn)場工作量，上述地段卸短軌時在基地內根據(jù)曲線縮短量提前配好縮短軌，并將短軌連接成長軌卸車，連接時每個接頭上4顆螺栓，為防止現(xiàn)場卸軌時螺桿卡住長軌車送軌槽，螺帽需割斷使螺栓擰緊時與螺帽平齊。鋼軌卸下?lián)苓M承軌槽后只需更換螺栓即可，免去了現(xiàn)場大量推軌工作。經(jīng)過近幾年在其他線路如蕪東聯(lián)絡線、滬昆繞行線應用，可以有效降低現(xiàn)場工作量。

5.2 換軌作業(yè)

安慶線小半徑曲線采用換軌小車換軌時，重型軌道車經(jīng)過地段必須每隔25 m左右保留1根枕木扣件，待軌道車快到達時才允許拆除；

既有鋼軌為P43、P50軌，每日換軌龍門需用異形軌倒替順坡作業(yè)，確保列車運行安全平穩(wěn)。

5.3 收軌作業(yè)

因施工地段多為曲線，長軌車收軌時，收軌起點應盡量考慮在直線或者緩和曲線頭部起龍門，防止因為機車制動導致鋼軌跳動翻倒或者擺動傷人。收軌開始時軌條頭部50 m應每隔（8～10）m放置1個軌卡，防止收軌過程中翻倒。

4 無縫線路前期工作

因本區(qū)段既有線路為P43/P50短軌線路，線路狀態(tài)較差，在鋪設無縫線路之前，應對道床冒漿、路基冒漿露頭地段進行整治，確保路基及道床的穩(wěn)定，以達到鋪設無縫線路條件。安慶北至安慶區(qū)間道床頂寬（2.9～3.1）m左右，其余地段頂寬約3.4 m，部分地段碴肩堆高不足。按鋪設無縫線路的要求，施工前補充2000方道碴，使道床頂寬達到3.4 m，曲線地段R≤600 m道床頂寬達到3.5 m；軌枕外肩寬45 cm，碴肩堆高15 cm ，邊坡 1:1.75。

安慶北站站內（K34+152.1～K34+905.3 L=753.2 m）軌枕配置為1 520根/km，為保證無縫線路換鋪后擁有足夠的軌道框架剛度，施工前需將軌枕加密至1 760根/km。

6 結論和建議

因安慶線線路年久失修，在鋪設無縫線路前必須對線路病害進行集中整治，道床肩寬、堆高、軌枕配置等參數(shù)必須達到設計標準，充分保障無縫線路換鋪后的穩(wěn)定性。

由于無縫線路鋼軌承受著巨大的溫度力，同時本區(qū)段軌源為整修軌，更容易發(fā)生斷軌和脹軌跑道，故而設備管理單位在養(yǎng)護維修時，一定要嚴格按照鎖定軌溫范圍進行施工及養(yǎng)護，同時，應加強焊縫探傷，嚴防鋼軌折斷。

安慶線換鋪無縫線路施工已于2015年1月施工完畢，全線線路與軌道狀況得到極大改善，并且很大程度上減小了設備管理單位的線路養(yǎng)護工作量，整體運行狀況良好，達到了預期效果。

5 施工注意事項

5.1 卸軌作業(yè)

卸軌前需拉平卸軌地段兩側道床碴肩，以軌枕外側寬200 mm低于軌枕面25 mm為標準。對卸軌地段線路兩側表面電務、電化設施、管線進行調查并采取埋入石砟并在其上墊膠墊等防碰撞和絕緣的保護措施。