無砟軌道線路臨時(shí)架空裝置現(xiàn)場應(yīng)用與測試

左照坤 趙欣欣 程曉毛 鞠曉臣

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200071）

一高速鐵路車站位于直線路基地段，縱斷面上基本位于平坡地段，僅南端約100 m 為6‰上坡。根據(jù)工務(wù)部門扣件調(diào)整量數(shù)據(jù)顯示，該高速鐵路車站路基段約10 塊無砟軌道板范圍內(nèi)存在差異沉降和一定程度的水平偏移，造成軌道幾何形位不良，影響列車高速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性和安全性，急需采取措施對其進(jìn)行整治。而由于該整治工程所涉及的線路范圍較長，修復(fù)工作需用多個(gè)天窗點(diǎn)才能完成，對于跨天窗點(diǎn)的修復(fù)工作，既有線路臨時(shí)架空技術(shù)是病害整治過程中保證列車正常運(yùn)行的關(guān)鍵［1-3］。

高速鐵路無砟軌道線路要求臨時(shí)架空裝置具有施工便捷、安全可靠、穩(wěn)定好的特點(diǎn)［4-5］。目前針對無砟軌道病害整治的臨時(shí)架空技術(shù)研究較少，而傳統(tǒng)的架空方案對無砟軌道的適用性較差，如吊、扣軌法，工字鋼束梁法等，其架空主體是由多根松散個(gè)體組成，施工繁瑣、穩(wěn)定性差；D型便梁法一般應(yīng)用于既有線的站內(nèi)、區(qū)間增設(shè)和改建小橋、涵洞、框架等的施工，梁體尺寸和重量較大，工序繁瑣，施工難度大［6-7］。為此，結(jié)合此次無砟軌道沉降整治工程，研發(fā)一套適用于高速鐵路無砟軌道線路的臨時(shí)架空裝置，并開展該架空裝置現(xiàn)場應(yīng)用研究，驗(yàn)證其適用性及可靠性。

1 架空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

架空裝置擬采用梁式結(jié)構(gòu)，主要由鋼墊梁、扣件、板式橡膠支座和限位裝置4 部分組成，如圖1 所示。鋼墊梁是由2根縱梁和多根橫梁組成的框架結(jié)構(gòu)，其2根縱梁分別位于2 根鋼軌正下方，主要起到支撐鋼軌的作用，在縱梁上翼緣通過扣件將鋼軌鎖定，縱梁兩端通過板式橡膠支座支撐于混凝土支承層上。在支座處縱梁內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置限位裝置，限制梁體橫向和縱向位移，限位裝置通過多根化學(xué)錨栓錨固在混凝土支承層上。鋼墊梁總長6 300 mm，跨度5 200 mm，梁兩端懸臂長度550 mm。

圖1 架空結(jié)構(gòu)布置示意（單位：mm）

對于此次無砟軌道沉降整治工程，采用10片鋼墊梁依次替換病害范圍的10塊軌道板架設(shè)臨時(shí)線路，并將每相鄰的兩梁端通過連接板縱向連接，形成多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)。相鄰梁端縱向連接如圖2 所示，通過連接板及高強(qiáng)螺栓將相鄰梁端對應(yīng)位置的縱梁腹板分別連接。

圖2 相鄰梁端連接示意（單位：mm）

本文主要對架空裝置中的鋼墊梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行詳述，鋼墊梁平面布置參見圖1，梁體端部截面如圖3所示?？v梁采用Q345qC 鋼板焊接而成，箱型截面且沿長度方向變尺寸設(shè)計(jì)，即梁兩端約900 mm 段上下翼緣板截面尺寸530 mm×30 mm，梁中間約4 300 mm段上下翼緣板截面尺寸730 mm×30 mm，兩腹板截面尺寸190 mm×24 mm 保持不變。不同尺寸段采用直線過渡，在腹板與翼緣板之間按一定間隔設(shè)置加勁板。橫梁結(jié)構(gòu)如圖4所示，除長度不同外，端橫梁與中間橫梁結(jié)構(gòu)形式相同，每根橫梁由2 支C 形構(gòu)件背對組成，C 形構(gòu)件采用Q345qC 鋼板焊接而成。端橫梁總長1 164 mm，中間橫梁總長956 mm。

圖3 梁端截面示意（單位：mm）

圖4 橫梁結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

2 現(xiàn)場應(yīng)用及測試

2.1 施工方法

此次無砟軌道沉降整治工程涉及連續(xù)的10 塊軌道板，在該病害區(qū)架設(shè)臨時(shí)線路時(shí)，首先利用2個(gè)天窗點(diǎn)進(jìn)行前期工作準(zhǔn)備，其次按照1 個(gè)天窗點(diǎn)安裝1 片鋼墊梁的進(jìn)度，依次將10 塊軌道板替換。施工方法如下：

1）前期工作準(zhǔn)備：①按每兩塊軌道板長為一段，將病害區(qū)上方鋼軌分段切開，并使用夾板將切開后的鋼軌暫時(shí)連接；②鑿除病害區(qū)軌道板端寬窄接縫，并釋放軌道板預(yù)應(yīng)力。

2）移除鋼軌及軌道板：①拆除鋼軌夾板，利用夾具將要拆除的軌道板上方鋼軌縱向移至其它軌道板上；②采用吊具及起重設(shè)備將要拆除的軌道板拆除，并吊裝在運(yùn)輸車上，運(yùn)出施工場地；③使用鑿除器械鑿除支承層上的砂漿黏結(jié)層，并將支承層表面清掃干凈。

3）架空裝置安裝：①在支承層表面使用墨線以十字形標(biāo)記標(biāo)出支座位置，以直線標(biāo)出鋼墊梁兩端位置；②在支座位置，將支承層表面鑿出與支座平面尺寸相當(dāng)?shù)纳罴s10 mm矩形凹槽，在凹槽內(nèi)鋪設(shè)厚2 mm石棉墊，并將支座安裝在凹槽內(nèi)；③使用起重設(shè)備將鋼墊梁吊裝在支座上，并保證梁體縱向中心線與軌道中心線重合、梁端與標(biāo)記線重合；④在鋼墊梁兩端支座處安裝限位裝置，并保證限位裝置在橫向及縱向分別與縱梁及橫梁頂緊，限位裝置采用化學(xué)錨栓錨固在支承層上。

4）安裝鋼軌：①利用夾具將鋼軌移回至鋼墊梁上方扣件上，使用定矩扳手將扣件緊固；②使用測量儀器分多段測量臨時(shí)線路上鋼軌頂面高程、軌距以及軌頂距離供電線高度等，精確調(diào)整軌道線形，保證線形滿足規(guī)范要求。

5）重復(fù)步驟2）—步驟4）依次安裝第1～10 片鋼墊梁，并按設(shè)計(jì)要求將每相鄰兩梁端用連接板連接，完成臨時(shí)線路架設(shè)。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，3～4 h即可完成1片鋼墊梁替換1塊軌道板架設(shè)臨時(shí)線路工作，施工快速、便捷。

2.2 現(xiàn)場測試

為驗(yàn)證架空裝置實(shí)際工作性能，保證列車行駛的安全性和平穩(wěn)性，對在行車過程中臨時(shí)架空線路的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。采用10 片鋼墊梁所架設(shè)的多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，第一片和最后一片梁受力狀態(tài)最為不利，因此選取第一片梁為監(jiān)測對象，對梁體兩端橫向、豎向位移，梁體跨中橫向、豎向位移，以及梁體跨中位置輪軌力進(jìn)行監(jiān)測，其中梁端橫向位移測點(diǎn)位于梁端扣件位置。臨時(shí)架空線路現(xiàn)場監(jiān)測測點(diǎn)布置如圖5所示，共計(jì)10個(gè)測點(diǎn)。

圖5 臨時(shí)架空線路現(xiàn)場監(jiān)測測點(diǎn)布置示意

3 測試結(jié)果分析

3.1 評判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)鐵總運(yùn)〔2014〕170 號《高速鐵路工務(wù)安全規(guī)則（試行）》［4］規(guī)定，采用軌束梁、工字鋼梁或D 型施工便梁架設(shè)臨時(shí)線路時(shí)，列車最大允許行車速度45 km/h，且工字鋼梁和D 型便梁豎向撓度不超過其跨度的1/400?？紤]后期臨時(shí)架空裝置應(yīng)用發(fā)展的要求，同時(shí)參考TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB/T 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，所設(shè)計(jì)鋼墊梁評判標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）豎向變形限值

在列車靜活載作用下鋼墊梁豎向撓度不超過其跨度的1/900，即豎向撓度限值為5.77 mm。

2）橫向變形限值

由列車搖擺力、離心力等引起的梁體橫向撓度不超過其跨度的1/4 000，即橫向撓度限值1.3 mm；在列車搖擺力、離心力等作用下，相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)處橫向相對位移不應(yīng)大于1 mm。

3）列車運(yùn)行安全性指標(biāo)

列車運(yùn)行過程中相關(guān)安全性指標(biāo)見表1。CRH3列車設(shè)計(jì)軸重取15 t，則輪軸橫向力H≤60 kN。

表1 列車運(yùn)行安全性指標(biāo)

3.2 結(jié)果分析

列車限速45 km/h運(yùn)行，對6次列車行駛過程中臨時(shí)架空線路的工作狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1）梁體豎向變形

定義豎向位移向上為正、向下為負(fù)，列車行駛過程中第一片鋼墊梁豎向位移時(shí)程曲線見圖6?？芍后w豎向位移曲線呈現(xiàn)出較明顯的周期性變化，且兩梁端豎向位移曲線吻合性較好，說明該架空裝置穩(wěn)定、可靠，測試數(shù)據(jù)有效。

梁體豎向位移監(jiān)測結(jié)果見表2?？芍?，梁體跨中最大動撓度為2.79 mm，方向向下。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼墊梁動力系數(shù)為1+ μ = 1+[1.44/(Lφ-0.2)- 0.18]= 1+[1.44/( 7.8 - 0.2)- 0.18]= 1.375，其中Lφ為加載長度，Lφ= 5.2 × 1.5= 7.8 m，為每片鋼墊梁跨度與跨度調(diào)整系數(shù)相乘后數(shù)值。則將動撓度換算成靜撓度δ= 2.79/1.375= 2.03 mm，滿足豎向撓度限值要求。

圖6 梁體豎向位移時(shí)程曲線

表2 梁體豎向位移監(jiān)測結(jié)果

2）梁體橫向變形

為梁體跨中及梁端橫向位移監(jiān)測結(jié)果見表3?？芍?，實(shí)測梁體跨中橫向撓度絕對值最大為0.21 mm，滿足相關(guān)限值要求。

表3 梁體橫向位移監(jiān)測結(jié)果

左、右梁端扣件處橫向位移絕對值的最大值分別為0.06，0.07 mm。鋼墊梁左梁端與正常軌道板相接，設(shè)軌道板上扣件支點(diǎn)橫向位移為0，則左梁端鋼軌支點(diǎn)與相鄰軌道板上鋼軌支點(diǎn)橫向相對位移為0.06 mm，遠(yuǎn)小于限值要求。第一片鋼墊梁右梁端與第二片鋼墊梁連接。根據(jù)對稱性，假設(shè)第一、二片梁相鄰梁端鋼軌支點(diǎn)處最大橫向位移相等，則相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)處橫向相對位移最大值為0.14 mm，滿足限值要求。

3）安全性指標(biāo)監(jiān)測

列車行駛過程中各項(xiàng)安全性指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果最大值見表4?？芍谒O(jiān)測的6 次列車中，脫軌系數(shù)和減載率最大值分別為0.15，0.10，輪軸橫向力最大值為18.04 kN，均小于相關(guān)限值要求。

表4 安全性指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果最大值

4 結(jié)論

結(jié)合一高速鐵路車站無砟軌道沉降整治工程，設(shè)計(jì)了適用于高速鐵路無砟軌道線路的臨時(shí)架空裝置，并對該裝置現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行了測試和分析，得出主要結(jié)論如下：

1）所設(shè)計(jì)的架空裝置施工快速便捷、穩(wěn)定性好、安全可靠，對高速鐵路無砟軌道線路的臨時(shí)架空具有較好的適用性。鋼墊梁作為架空裝置的主體，是與軌道板尺寸相當(dāng)?shù)目蚣芙Y(jié)構(gòu)，可采用一片鋼墊梁替換一塊軌道板架設(shè)臨時(shí)線路，也可采用多片鋼墊梁替換多塊連續(xù)軌道板，構(gòu)成多跨連續(xù)的架空結(jié)構(gòu)。

2）架空裝置所架設(shè)的臨時(shí)線路滿足高速鐵路列車以45 km/h 速度通行的要求?，F(xiàn)場測試表明，列車通行時(shí)，鋼墊梁豎向撓度、橫向撓度以及梁端橫向相對位移均滿足相關(guān)限值要求，列車通行時(shí)的脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力也均滿足相關(guān)限值要求。