聚氨酯彈性軌枕墊在有砟軌道的應(yīng)用探索

武志剛

(中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司工務(wù)處，山西太原030013)

1)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸業(yè)已進(jìn)入了一個(gè)空前的發(fā)展時(shí)期?，F(xiàn)代鐵路運(yùn)輸對(duì)軌道的高平順性、高穩(wěn)定性、高耐久性的要求越來(lái)越嚴(yán)格。有砟軌道結(jié)構(gòu)作為重載鐵路最常用的軌道結(jié)構(gòu)形式，在高速重載列車載荷長(zhǎng)期反復(fù)作用下已達(dá)到承載能力的極限，表現(xiàn)在碎石道床的破壞不斷加劇，維修周期越來(lái)越短，而限于運(yùn)輸量壓力，重載貨運(yùn)線路可容許占用的維修時(shí)間越來(lái)越少。

2)為了緩解重載有砟軌道的破壞影響，曾采用鋪設(shè)重型鋼軌和重型軌枕強(qiáng)化有砟軌道的技術(shù)來(lái)減少有砟軌道結(jié)構(gòu)的磨耗。但是，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，這雖然有利于提高軌道的穩(wěn)定性，保持軌道狀態(tài)的持久均衡性，提高列車的運(yùn)行速度，但軌道剛度也會(huì)隨之增大。軌道剛度過(guò)大時(shí)，如果車輪踏面或軌道表面有微小的不平順，輪軌相互動(dòng)力作用就十分明顯，并且隨著列車速度和軸重的提高而急劇增長(zhǎng)和惡化，同時(shí)由此引發(fā)的軌道振動(dòng)噪聲，在城市周邊產(chǎn)生的影響更為突出。特別是在橋梁和隧道等剛性基礎(chǔ)上的有砟軌道，因道砟厚度不足，混凝土枕軌道剛度過(guò)大，道砟粉化速率過(guò)快，道床翻白、板結(jié)嚴(yán)重，甚至道砟出現(xiàn)“液化”現(xiàn)象，大大增加了養(yǎng)護(hù)維修工作量及其費(fèi)用，降低了線路的利用率。嚴(yán)重者，道床剛度過(guò)大會(huì)加大列車的沖擊力，降低軌道幾何質(zhì)量，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，降低承載能力。

3)由于行車密度的提高，行車間隔的縮短，可用于養(yǎng)護(hù)維修的作業(yè)時(shí)間卻在不斷減少，工務(wù)設(shè)備維修與運(yùn)輸?shù)拿苁滞怀觯熊嚢踩[患也潛在的增多。此外隨著行車速度和軸重的提高，機(jī)車車輛對(duì)軌道的振動(dòng)強(qiáng)度加大，作用在軌道上的動(dòng)荷載越大，軌道的幾何形位越難保持，軌道結(jié)構(gòu)和部件破壞越快。當(dāng)軌道彈性不足時(shí)，將加速有砟軌道的道床板結(jié)和道砟粉化速度，導(dǎo)致軌道使用壽命縮短、零部件損壞嚴(yán)重。在引入淬火硬化鋼軌和預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕后，道砟無(wú)疑成為了有砟軌道設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)。相比鋼軌、扣件和混凝土軌枕等部件的維修更換，道砟的清篩和更換在有限的天窗時(shí)間內(nèi)要復(fù)雜和困難得多?，F(xiàn)代鐵路的發(fā)展主要朝著重載化，高軸重和增加行車密度來(lái)提高線路運(yùn)能和運(yùn)營(yíng)效率，但是隨之而引起的相關(guān)問(wèn)題是導(dǎo)致軌道部件的使用壽命縮短，道床劣化速度加快，增加線路的維護(hù)需求，以及線路的高應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致了軌道壽命的縮短。

4)有砟軌道除了道砟提供彈性之外，還可以通過(guò)安裝軌下墊板、彈性軌枕墊和道砟墊等多種方式增加軌道結(jié)構(gòu)彈性，如圖1所示。由于軌下墊板能夠提供的彈性非常有限，而道砟墊的鋪設(shè)工程量大，成本相對(duì)較高，既有線的維修天窗難以實(shí)現(xiàn)安裝更換。因此相較而言，彈性軌枕墊是增加有砟軌道結(jié)構(gòu)彈性最為經(jīng)濟(jì)有效的手段。

1 彈性軌枕墊的歷史發(fā)展

作為一種增強(qiáng)有砟軌道道床彈性的技術(shù)措施，彈性軌枕，即在混凝土軌枕或岔枕底部設(shè)置彈性墊層，通過(guò)不斷改進(jìn)完善，目前在世界多國(guó)鐵路得到應(yīng)用。

1)我國(guó)最新頒布的《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到，為減緩有砟軌道道砟顆粒的破碎與粉化，增加軌道彈性，減小對(duì)線下結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)影響，橋上和隧道地段的道床建議采用減緩道床粉化速率的技術(shù)措施，如鋪設(shè)彈性軌枕及砟下彈性墊層(道砟墊)等。在山西中南部鐵路通道重載綜合試驗(yàn)中，橋梁試鋪了道砟墊，隧道地段試鋪了彈性軌枕，兩種技術(shù)措施能夠滿足重載鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性要求和穩(wěn)定性要求。彈性軌枕地段較普通軌枕地段軌枕支承剛度明顯降低，且均勻性好，彈性軌枕可降低枕下道床及隧道基底的加速度，減少振動(dòng)沖擊作用。

2)法鐵SCNF從1989年開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室研究聚氨酯彈性軌枕墊，認(rèn)為可以在混凝土軌枕使用周期內(nèi)減少道砟和混凝土磨損。在法鐵SNCF的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)混凝土軌枕進(jìn)行“VIBROGIR”的磨耗試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在經(jīng)過(guò)200 h的振動(dòng)加載試驗(yàn)，加軌枕墊的軌枕和道砟沒(méi)有磨耗。此外，對(duì)于采用極硬的道砟時(shí)，進(jìn)行了更多的試驗(yàn)確定聚氨酯材料的質(zhì)量以及彈性軌枕墊的厚度。測(cè)試了軌道內(nèi)軌枕的橫向穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)彈性軌枕不低于標(biāo)準(zhǔn)軌枕。

目前，經(jīng)過(guò)在法鐵地中海高速鐵路(LN5)中超過(guò)10年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明：在速度超過(guò)300 km/h，尤其是速度超過(guò)320 km/h的線路上時(shí)，必須采用彈性軌枕墊來(lái)控制維修成本，尤其是減少搗固作業(yè)頻次和它帶來(lái)的技術(shù)影響。彈性軌枕墊應(yīng)該在整個(gè)路網(wǎng)內(nèi)的新建線路和高速鐵路大修時(shí)進(jìn)行安裝。

3)德國(guó)鐵路公司(DB)自1996年起開(kāi)始在部分預(yù)應(yīng)力軌枕上安裝軌枕墊，經(jīng)過(guò)多年軌枕墊的應(yīng)用和實(shí)踐，最新的德鐵標(biāo)準(zhǔn)RIL 820—2010A05(2013年6月1日起實(shí)施)正式將軌枕墊作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)于日運(yùn)載量1萬(wàn)t～3萬(wàn)t的線路和3萬(wàn)t以上的線路，對(duì)新建線路和線路改造以及不同運(yùn)營(yíng)速度等配備軌枕墊和道砟墊都作出了規(guī)定。

4)奧地利聯(lián)邦鐵路公司從2007年起，正式將彈性軌枕墊作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件，規(guī)定以下地段應(yīng)采用彈性軌枕來(lái)改進(jìn)軌道性能、減少小半徑曲線地段的鋼軌波磨：a.所有道岔地段；b.A類軌道區(qū)段(曲線半徑<500 m或日運(yùn)量>3萬(wàn)t)。

5)國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC制定了《彈性軌枕墊使用指南》(Under Sleeper Pad (USP) Recommendations for Use)，針對(duì)彈性軌枕墊應(yīng)用的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 16730鐵路應(yīng)用—軌道—帶彈性軌枕墊的混凝土軌枕和岔枕已經(jīng)于2016年6月起正式實(shí)施。

6)在高速鐵路、重載鐵路以及干線鐵路等各等級(jí)的線路，出于維持軌道質(zhì)量和減少養(yǎng)護(hù)維修的目的，彈性軌枕墊越來(lái)越受到重視。在滿足線路安全性和穩(wěn)定性的前提下，彈性軌枕墊的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)被歐洲各大鐵路公司所驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)的試鋪以及大運(yùn)量和高密度的行車尤其需要彈性軌枕墊把我們的線路變得更好，減輕工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修的壓力。

2 彈性軌枕墊的原理

彈性軌枕墊不改變?cè)壵淼娜魏卧O(shè)計(jì)，只是在軌枕底部加入聚氨酯彈性墊層。聚氨酯彈性軌枕墊的作用原理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)Zimmermann理論。沿著鋼軌更好的荷載分布以及軌枕的受力更均勻。

2)增加接觸面積。軌枕墊被用作軌枕底部的彈性層，從而將軌枕底部與道砟層的接觸面積從2%～8%增加到30%以上。廣泛的應(yīng)用證明，增加接觸面積能夠改善道床的荷載傳遞性能并減少對(duì)路基的作用力。因此能夠阻止道砟顆粒由于過(guò)載而碎裂并減少道床的沉降，而且軌枕下方的空吊和懸吊也能有效地得到緩解。

3)隔振作用。彈性軌枕墊的積極作用體現(xiàn)在維持線路的幾何形位處于良好水平，保持軌道的高平順性，從而減少了高速和/或重載引起的列車沖擊作用，使道床和軌道部件均處于良性狀態(tài)，從而減少了搗固和養(yǎng)護(hù)維修的需求。

為了保證彈性軌枕墊與軌枕底面的粘接工藝要求，分別在各軌枕廠分批次進(jìn)行了抗拔力測(cè)試，平均抗拔力分別為0.719 N/mm2和0.646 N/mm2。經(jīng)計(jì)算，彈性軌枕與道砟層有效接觸面積為25.1%(左軌)和25.7%(右軌)，平均約為25%。而普通軌枕的平均接觸面積約為5%(取決于道砟狀態(tài)，通常為3%～8%)。因此彈性軌枕的接觸面積較普通軌枕增加了5倍左右。

3 國(guó)內(nèi)聚氨酯彈性軌枕墊的試鋪情況

2013年和2014年分別在豐沙線、石太線和豐臺(tái)西站等不同地段(分別為隧道內(nèi)、曲線上和道岔區(qū))進(jìn)行了彈性軌枕墊的試鋪和試驗(yàn)工作，取得了積極的試驗(yàn)成果，驗(yàn)證了聚氨酯彈性軌枕墊在保護(hù)道砟、避免道床板結(jié)、保持軌道幾何線型方面的效果。在2015年和2016年又分別在大秦線進(jìn)行了試鋪。2017年在石太線隧道地段線路鋪設(shè)試驗(yàn)。具體情況如表1所示。

表1 試鋪試驗(yàn)情況

試驗(yàn)試鋪情況表明，聚氨酯彈性軌枕墊在保護(hù)道砟，避免道床板結(jié)，保持軌道幾何線型方面具有顯著的效果(見(jiàn)圖2)，從而達(dá)到減少維修和延長(zhǎng)搗固周期，實(shí)現(xiàn)減少全壽命周期成本的目的。彈性軌枕墊能夠改善有砟軌道曲線、橋梁和隧道內(nèi)以及岔區(qū)等特殊路段的軌道質(zhì)量。

4 聚氨酯彈性軌枕墊的試鋪效果

1)經(jīng)試驗(yàn)試鋪，安裝聚氨酯彈性軌枕墊的混凝土軌枕可提供軌道所需要的彈性，以增加輪軌舒適度。聚氨酯材料的彈塑性特性，能使道砟穩(wěn)定的嵌入軌枕墊表面，道砟與軌枕的接觸面積從未安裝軌枕墊前的5%～8%增大到安裝軌枕墊后的35%，從而有效地降低作用在道砟上的動(dòng)態(tài)荷載及振動(dòng)，減緩道砟的粉化與磨損。線路的平縱線型能夠被較好的維持，延長(zhǎng)了軌道搗固周期，增加了線路的使用率。

2)對(duì)于線下結(jié)構(gòu)剛度驟變(例如土質(zhì)路基與橋梁過(guò)渡段)的區(qū)段，也可以通過(guò)安裝不同剛度的彈性軌枕墊來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道剛度的均勻變化，以降低列車的動(dòng)態(tài)沖擊力。安裝了軌枕墊的岔枕，能克服因道岔鋼軌斷面變化及岔枕長(zhǎng)度不同所產(chǎn)生的剛度變化，確保軌道剛度平順性，延長(zhǎng)部件的使用壽命。經(jīng)過(guò)多年的彈性軌枕墊應(yīng)用研究表明，彈性軌枕墊具有以下優(yōu)點(diǎn)：減少維護(hù)需求并延長(zhǎng)搗固周期2倍～2.5倍以上；延長(zhǎng)軌道使用壽命25%以上；減少小曲線區(qū)段的鋼軌波磨；減少50%的線路占用時(shí)間；提高軌道質(zhì)量，減少道床的移位并延緩道床沉降；減少軌枕空吊(減少100%)。

減少道床的振動(dòng)從而減少對(duì)周圍環(huán)境的傳遞。

3)大秦鐵路重車線目前已經(jīng)試鋪一年多，通過(guò)總重超過(guò)5億t，枕下道砟狀態(tài)良好，未進(jìn)行搗固，軌檢車的波形圖顯示整個(gè)試鋪地段仍處于良好的狀態(tài)，整個(gè)線路無(wú)泛白翻漿冒泥現(xiàn)象。2016年4月，大秦重車線延慶—下莊間K296+700～K298+160鋪設(shè)彈性枕1.46 km，該地段處于長(zhǎng)大下坡道，最大坡度12‰，包含曲線1條R=700 m，L=760.49 m，l=150 m，h=70 mm，F(xiàn)=72 mm，三座橋梁共計(jì)375.9 m，三座隧道共計(jì)277 m，碎石道床，加強(qiáng)Ⅱ型彈條，鋼軌鋪設(shè)年限為2014年4月，鋼軌材質(zhì)為U78Crv，該地段包含兩個(gè)軌條，左右股鎖溫均為28°，更換彈性枕至今累計(jì)通過(guò)總重為2.25億t。以297+150～297+350為例，對(duì)該地段2016年3月、6月兩次軌檢車波形圖進(jìn)行對(duì)比，高低、三角坑在更換彈性試驗(yàn)枕后，該地段的綜合設(shè)備狀態(tài)得到了有效改善，且通過(guò)對(duì)比6月、9月份兩月軌檢車波形圖，可以看出設(shè)備狀態(tài)一直保持在較高水平，設(shè)備質(zhì)量較為穩(wěn)定。

4)彈性軌枕地段的道床加速度明顯較普通軌枕地段的道床加速度小，約為普通軌枕地段的43.9%～45.8%。這主要是由于彈性軌枕的軌枕墊起到了良好的減振、隔振作用，從而使得彈性軌枕墊下方的道床加速度明顯減小，道床的振動(dòng)減小表明道砟的相互作用減少。彈性軌枕墊的軌枕可以滿足軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，因?yàn)樵谲壍腊l(fā)生屈曲之前，它們能夠比普通軌枕承受更高的溫度升幅。

5)道岔區(qū)相比普通線路，道岔區(qū)的軌道剛度變化較大，動(dòng)態(tài)受力復(fù)雜，維修工作量大，為實(shí)現(xiàn)道岔區(qū)軌道剛度的均勻化，通過(guò)建立道岔區(qū)有限元仿真分析模型，動(dòng)態(tài)模擬分析列車駛過(guò)的作用機(jī)理，預(yù)測(cè)分析列車荷載作用下鋼軌動(dòng)變形，以道岔區(qū)范圍內(nèi)鋼軌動(dòng)態(tài)變形的變化量不超過(guò)0.5 mm為目標(biāo)，確定道岔不同區(qū)段混凝土岔枕下彈性墊層的剛度。通過(guò)試鋪，道岔區(qū)采用彈性軌枕墊可增加軌道的彈性，降低負(fù)載，從而保護(hù)道岔軌道結(jié)構(gòu)的其他部件，可降低道砟應(yīng)力，延長(zhǎng)維修周期，降低道岔全壽命周期成本。

5 彈性軌枕墊的主要功能及優(yōu)點(diǎn)

1)彈性軌枕墊的使用為混凝土軌枕引入了必要的彈性，從而降低上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)作用力。國(guó)內(nèi)外既有研究成果表明，在軌枕底設(shè)置彈性墊層可有效降低輪軌相互作用，減緩道砟粉化、減少軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量。彈性軌枕具有以下主要功能：彈性墊設(shè)置于軌枕底部，可提高軌道結(jié)構(gòu)的垂向彈性；均衡軌枕上的荷載分布，增加軌枕與道砟間的接觸面積，降低作用到道砟面的荷載，減緩道砟的粉化和磨損，延長(zhǎng)清篩周期；減緩道床的累積變形，線路幾何形位易于保持，延長(zhǎng)道床搗固周期，結(jié)果分析表明，可延長(zhǎng)搗固周期達(dá)2.75倍；在路橋過(guò)渡段、道岔區(qū)應(yīng)用，通過(guò)設(shè)置不同模量的彈性墊層，可實(shí)現(xiàn)軌道剛度的均勻變化；減緩線路的短波不平順和小半徑曲線的鋼軌磨耗；具有一定的減振降噪效果。

2)軌枕墊在各種工況下對(duì)軌道上部結(jié)構(gòu)都具有積極作用，而且軌枕墊在軌道荷載或軸重增加時(shí)效果更好。所有安裝軌枕墊的區(qū)段都表明軌道劣化速度大大降低。軌枕墊主要應(yīng)用于以下情況：減少所有類型有砟軌道結(jié)構(gòu)的沉降；限制小曲線區(qū)段鋼軌波磨的產(chǎn)生；在道砟厚度不足區(qū)段調(diào)整軌道剛度；改善不同軌道結(jié)構(gòu)之間的過(guò)渡段；減少軌道振動(dòng)；避免軌枕空吊；調(diào)整道岔區(qū)內(nèi)鋼軌豎向撓度的一致性。

3)普通軌枕的接觸面積通常小于5%，而聚氨酯軌枕墊的接觸面積高達(dá)27.8%。道砟的有效接觸面積越大，荷載傳遞就越均勻，從而降低了道砟接觸應(yīng)力。彈性軌枕墊的優(yōu)勢(shì)主要有：

粘接方式的創(chuàng)新，在軌枕生產(chǎn)的同時(shí)壓入彈性軌枕墊，簡(jiǎn)化了粘接的工藝，可以實(shí)現(xiàn)工廠化的生產(chǎn)，并且確保彈性軌枕墊與軌枕底部的牢固粘接能夠經(jīng)受軌道的重復(fù)荷載；

根據(jù)線路的軸重等級(jí)和應(yīng)用目的，系統(tǒng)性地確定了彈性軌枕墊的設(shè)計(jì)剛度(基礎(chǔ)模量)，可以針對(duì)性地解決線路的問(wèn)題；

通過(guò)材料的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軌道剛度的優(yōu)化。

6 結(jié)語(yǔ)

1)彈性軌枕墊在豐沙線、石太線以及大秦線的試鋪可以看到，彈性軌枕墊在增加彈性、減少軌件的損耗，提高軌道質(zhì)量，減少養(yǎng)護(hù)維修需求方面有著明顯的效果，是“科學(xué)養(yǎng)路”的重要實(shí)踐。

2)國(guó)內(nèi)外既有研究成果表明，在軌枕底設(shè)置彈性墊層可有效降低輪軌相互作用，減緩道砟粉化、減少軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量。彈性軌枕枕下墊層靜剛度取值是彈性軌枕結(jié)構(gòu)體系中重要參數(shù)，直接影響彈性軌枕的應(yīng)用效果。

3)使用經(jīng)驗(yàn)表明，聚氨酯彈性軌枕墊可以實(shí)現(xiàn)與混凝土軌枕的同壽命；減少維護(hù)需求并延長(zhǎng)搗固周期2倍～2.5倍以上；彈性軌枕墊工廠安裝簡(jiǎn)便，無(wú)需二次倒運(yùn)和粘接。

4)通過(guò)在石太線、大秦重載鐵路等應(yīng)用彈性軌枕墊。顯著地延長(zhǎng)了線路的搗固周期，軌道彈性得以保持，整個(gè)區(qū)段的日常維修大大減少，減少了道床的臟污和板結(jié)現(xiàn)象；線路質(zhì)量維持在一個(gè)較高的水平，TQI均值一直維持在低位，從而延長(zhǎng)了線路大修和中修的需求；縱向高低的扣分很少。