有砟軌道混凝土軌枕枕下彈性墊板技術(shù)研究

朱超， 張正超， 尤瑞林

（1. 蒙西華中鐵路股份有限公司，北京100073；2. 中國(guó)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）

彈性軌枕是指在混凝土軌枕底部粘貼彈性墊板而構(gòu)成具有一定彈性的軌枕結(jié)構(gòu)，粘貼至軌枕底部的彈性墊板稱為枕下彈性墊板（Under Sleeper Pads，USP）。既有研究成果表明，彈性軌枕可減輕下部基礎(chǔ)振動(dòng)沖擊，使輪軌相互作用荷載在軌道結(jié)構(gòu)縱向分配的范圍更廣、枕底壓力更小。同時(shí)設(shè)置枕下彈性墊板可增大枕底道砟的接觸面積，從而減緩道砟粉化，延長(zhǎng)道床大修周期。鋪設(shè)彈性軌枕有利于后期降低養(yǎng)護(hù)維修工作和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，減小軌道結(jié)構(gòu)的全生命周期成本[1]。

枕下彈性墊板在歐洲鐵路應(yīng)用較多，法國(guó)、瑞士、德國(guó)、奧地利等國(guó)家都針對(duì)枕下彈性墊板開展了大量研究試驗(yàn)工作，日本也曾針對(duì)有砟軌道枕下彈性墊板開展了相關(guān)研究設(shè)計(jì)工作［1-2]。我國(guó)自20 世紀(jì)80年代初開始研制在混凝土枕枕下設(shè)置彈性墊板的彈性軌枕，并先后在中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司、中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司、中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司干線上及礦山重載專用線鋼軌接頭部位進(jìn)行了試鋪試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，于1995年制定了TB/T 2629—1995《鐵路混凝土軌枕枕下彈性墊板》標(biāo)準(zhǔn)［3]。2001年前后，考慮鐵路提速發(fā)展需求，相關(guān)鐵路局集團(tuán)公司與高校及廠家合作研發(fā)了Ⅲ型軌枕用枕下彈性墊板［4-5]。2011年，我國(guó)開展研究30 t軸重成套軌道技術(shù)方案［6]，結(jié)合原中國(guó)鐵路總公司相關(guān)科研課題以及朔黃鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)化改造課題，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司開展了重載鐵路枕下彈性墊板的研究和設(shè)計(jì)工作［1]。

目前，我國(guó)枕下彈性墊板的相關(guān)研究主要是基于室內(nèi)試驗(yàn)和有限的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段得出的，對(duì)枕下彈性墊板系統(tǒng)深入研究仍有欠缺。詳細(xì)總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外常用的枕下彈性墊板技術(shù)方案，闡述不同技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)與不足，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外枕下彈性墊板技術(shù)方案的總結(jié)分析，為我國(guó)枕下彈性墊板技術(shù)的深化研究提供參考。

1 國(guó)外枕下彈性墊板方案

1.1 奧地利Getzner公司

奧地利Getzner 公司生產(chǎn)的枕下彈性墊板見圖1。彈性墊板采用聚氨酯材料，墊層表面設(shè)置彈性絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，混凝土軌枕在生產(chǎn)制作過(guò)程中，通過(guò)絲網(wǎng)與混凝土粘接來(lái)固定墊層［7-8]。這種彈性墊板主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）與混凝土軌枕連接方便快捷；（2）分布式粘接結(jié)構(gòu)，粘接強(qiáng)度高；（3）枕下彈性墊板采用專門的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)方便。彈性墊板存在的不足有：彈性墊板與道砟接觸面光滑，摩擦力小，導(dǎo)致軌枕的橫向阻力降低。

圖1 Getzner枕下彈性墊板

Getzner 公司的枕下彈性墊板在國(guó)內(nèi)外鐵路均有應(yīng)用，使用最長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)20年，根據(jù)該公司提供的資料，全球已經(jīng)鋪設(shè)超過(guò)500多萬(wàn)根彈性軌枕（超過(guò)3000 km的軌道長(zhǎng)度）和1500多組彈性道岔［9]。Getzner彈性墊板在我國(guó)大秦線、石太線等鐵路中也曾鋪設(shè)試驗(yàn)段開展研究工作。

1.2 法國(guó)Fimor公司

法國(guó)Fimor 公司生產(chǎn)的枕下彈性墊板見圖2。彈性墊板采用聚氨酯材料，墊層表面設(shè)置鉚釘結(jié)構(gòu)［10]，混凝土軌枕在生產(chǎn)制作過(guò)程中，通過(guò)鉚釘嵌入混凝土中來(lái)保證彈性墊板與混凝土軌枕的粘接性能。這種彈性墊板主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）與混凝土軌枕連接方便快捷；（2）與軌枕的粘接強(qiáng)度高；（3）枕下彈性墊板平整度高。存在的不足有：（1）彈性墊板與道砟接觸面光滑，摩擦力小，導(dǎo)致軌枕的橫向阻力降低；（2）彈性墊板設(shè)置鉚釘結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)制造工藝復(fù)雜。

圖2 Fimor枕下彈性墊板

1.3 法國(guó)Sateba公司

法國(guó)Sateba公司研發(fā)的PRA型枕下彈性墊板見圖3。彈性墊板由聚氨酯彈性層和碎石粘接形成，在混凝土軌枕生產(chǎn)過(guò)程中，碎石嵌入未凝固的混凝土后，彈性墊板與混凝土軌枕形成一體化結(jié)構(gòu)。

PRA 型彈性墊板的設(shè)計(jì)理念與Getzner 產(chǎn)品類似，都是彈性層復(fù)合一種連接結(jié)構(gòu)在混凝土軌枕生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行粘接。2種產(chǎn)品不同在于，前者通過(guò)碎石與混凝土軌枕連接，而后者通過(guò)彈性絲網(wǎng)與混凝土軌枕連接。根據(jù)Sateba公司介紹，PRA型枕下彈性墊板在法國(guó)的高鐵和普通線路中均有應(yīng)用，鋪設(shè)根數(shù)超過(guò)2萬(wàn)根。

1.4 英國(guó)Pandrol公司

英國(guó)Pandrol 公司作為全球頂級(jí)扣件生產(chǎn)廠家，也研發(fā)了枕下彈性墊板產(chǎn)品。其彈性墊板材料采用樹脂橡膠，墊板頂面帶有微纖絲結(jié)構(gòu)，在混凝土軌枕生產(chǎn)過(guò)程中，微纖絲結(jié)構(gòu)與混凝土粘接。另外，在彈性墊板與道砟接觸面設(shè)置凹凸紋理結(jié)構(gòu)（見圖4）。這種彈性墊板主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）與混凝土軌枕連接方便快捷；（2）分布式粘接結(jié)構(gòu)，粘接強(qiáng)度高；（3）與道砟接觸面設(shè)置紋理結(jié)構(gòu)，可在一定程度上增大摩擦力。存在的不足：紋理結(jié)構(gòu)增加摩擦力有限，導(dǎo)致軌枕的橫向阻力偏低。

圖3 PRA型枕下彈性墊板

圖4 Pandrol型枕下彈性墊板

1.5 西班牙V Systems公司

V Systems 公司主要開展改善軌道結(jié)構(gòu)性能的相關(guān)研究工作，該公司針對(duì)有砟軌道混凝土軌枕開發(fā)了V FIT 型枕下彈性墊板（見圖5）。V FIT 型枕下彈性墊板可用于整體式混凝土軌枕，也可用于雙塊式軌枕，其主要技術(shù)特點(diǎn)是在成品軌枕的底面直接澆筑聚氨酯材料，聚氨酯材料凝固后形成彈性墊板。

這種彈性墊板主要優(yōu)點(diǎn)有：在軌枕底面直接澆筑成形，形狀和面積易于控制。彈性墊板存在的不足有：（1）需軌枕成形后二次施工，工藝相對(duì)復(fù)雜；（2）粘接強(qiáng)度受所用材料的粘性制約；（3）形成的聚氨酯彈性層厚度均勻性難保證。

圖5 V FIT型枕下彈性墊板

1.6 日本新干線

日本新干線高架橋上有砟軌道為減少養(yǎng)護(hù)維修工作量和降低振動(dòng)噪聲，從20 世紀(jì)70年代開始研制、試鋪枕下彈性墊板，經(jīng)歷了由初始型—標(biāo)準(zhǔn)型—實(shí)用型—廉價(jià)型枕下彈性墊板的試鋪試驗(yàn)過(guò)程，取得了良好效果。新干線初始型枕下彈性墊板是在既有3T 型混凝土枕的底面和側(cè)面覆置彈性橡膠層。標(biāo)準(zhǔn)型枕下彈性墊板以4H 型PC 枕為基礎(chǔ)改進(jìn)制作。實(shí)用型枕下彈性墊板是以4T 型PC 枕為基礎(chǔ)改進(jìn)制作（見圖6）。近年來(lái)，為降低新造枕下彈性墊板的造價(jià)和推進(jìn)既有PC枕的彈性化，開發(fā)了只在軌枕底面粘接彈性橡膠墊板的廉價(jià)型枕下彈性墊板［5，11]。

日本枕下彈性墊板經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，期間采用了不同的結(jié)構(gòu)形式?？傮w來(lái)看，日本的枕下彈性墊板以橡膠材料為主，與混凝土軌枕的連接方式為包裹粘接或直接粘接為主。

圖6 日本新干線實(shí)用型枕下彈性墊板

2 我國(guó)枕下彈性墊板方案

2.1 TDZ Ⅲ型復(fù)合枕下彈性墊板

2006年青島泰達(dá)軌道墊板有限公司聯(lián)合中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，研制開發(fā)了對(duì)應(yīng)Ⅲ型枕的TDZ Ⅲ型復(fù)合枕下彈性墊板［4，12]（見圖7）。該型彈性墊板主要技術(shù)特點(diǎn)為：枕下墊板由上層減振膠和下層承壓膠復(fù)合而成，上層減振膠帶有若干溝槽與混凝土枕底面粘接，下層承壓膠與道砟接觸底面內(nèi)深約1 mm 處復(fù)合一層骨架綿綸布，以增強(qiáng)抗穿刺能力。枕下墊板與道砟接觸的底面進(jìn)行特形設(shè)計(jì)，以保證彈性軌枕的縱、橫向阻力。枕下彈性墊板與混凝土枕除了使用膠粘劑粘接外，還使用錨桿錨結(jié)。

圖7 TDZ Ⅲ型枕下彈性墊板

這種彈性墊板主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）與道砟接觸面采用不同類型的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了與道床的摩擦力；（2）下層與道砟接觸承壓橡膠層內(nèi)置綿綸布，因此墊層的抗穿刺力強(qiáng)、耐磨性好；（3）與混凝土軌枕粘接的彈性橡膠層表面采用溝槽形狀設(shè)計(jì)，一定程度上利于提高兩者間粘接性能。彈性墊板存在的不足有：（1）主要采用粘接和錨固的方式連接彈性墊板與混凝土軌枕，因此生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜；（2）枕下彈性墊板采用雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，成本較高。

2.2 高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板

西南交通大學(xué)針對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)條件研究設(shè)計(jì)了高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板［11]（見圖8）。該類枕下彈性墊板的主要技術(shù)特征是：軌枕生產(chǎn)過(guò)程中，在軌下的枕底位置設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)；軌枕養(yǎng)護(hù)完成后，對(duì)枕底凹槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行打磨處理，然后粘接彈性墊板。

圖8 高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板

高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）與混凝土軌枕粘接表面采用溝槽形狀設(shè)計(jì)，一定程度上利于與混凝土枕底面粘接；（2）與道砟接觸面采用波浪形凹槽設(shè)計(jì)，一定程度增加了與道床的摩擦阻力。枕下彈性墊板存在的不足有：（1）紋理結(jié)構(gòu)增加摩擦力有限，導(dǎo)致軌枕的橫向阻力偏低；（2）與混凝土軌枕粘接工藝復(fù)雜，粘接效果難以保證。

2.3 重載枕下彈性墊板

圖9 重載枕下彈性墊板結(jié)構(gòu)

2011年，我國(guó)開展研究軸重30 t 成套軌道技術(shù)方案，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司開展了重載鐵路彈性軌枕的研究和設(shè)計(jì)工作。重載枕下彈性墊板（見圖9）由混凝土軌枕和枕下彈性墊板通過(guò)粘接劑粘接成為一體，枕下彈性墊板形狀為矩形，主要尺寸為1000 mm（長(zhǎng)）×240 mm（寬）×15 mm（厚）。為提高枕下墊板在列車荷載作用下的耐久性，在墊板與道砟接觸面設(shè)置耐穿刺和耐磨損材料，同時(shí)在墊板與道砟接觸面設(shè)計(jì)凹凸槽來(lái)提高枕下彈性墊板底面與道床之間的摩擦阻力，從而保證軌道結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。在墊板與軌枕粘接面設(shè)計(jì)有一定粗糙度，進(jìn)一步提高墊板與軌枕底面的粘接性能。該彈性軌枕在我國(guó)山西中南部鐵路通道內(nèi)鋪設(shè)試用［2]。

高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）彈性墊板內(nèi)采用耐穿刺和耐磨損性能的材料；（2）與道砟接觸面采用凹槽設(shè)計(jì)，一定程度增加了與道床的摩擦阻力。枕下彈性墊板存在的不足有：（1）凹槽增加摩擦力有限，導(dǎo)致軌枕的橫向阻力偏低；（2）與混凝土軌枕粘接工藝復(fù)雜，粘接效果難以保證。

3 技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

基于對(duì)國(guó)內(nèi)外枕下彈性墊板的總結(jié)分析，從彈性墊板的粘接方式、彈性軌枕成形工藝等不同方面，國(guó)內(nèi)外典型枕下彈性墊板技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 國(guó)內(nèi)外典型枕下彈性墊板技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)論與建議

通過(guò)以上對(duì)比分析，可以看出：

（1）國(guó)內(nèi)外不同類型枕下彈性墊板的設(shè)計(jì)理念不同，技術(shù)特點(diǎn)各不相同?？傮w來(lái)看，枕下彈性墊板與混凝土軌枕主要通過(guò)軌枕成形后粘接、錨固或軌枕生產(chǎn)過(guò)程中自粘接方式連接成為一體，而軌枕成形后的粘接、錨固作業(yè)，需對(duì)軌枕進(jìn)行二次施作，工序相對(duì)復(fù)雜。

（2）目前國(guó)外產(chǎn)品更加注重在混凝土軌枕生產(chǎn)過(guò)程中直接連接枕下墊板，從而減少作業(yè)工序和生產(chǎn)成本，尤其是減少人工成本，而我國(guó)前期相關(guān)產(chǎn)品對(duì)此關(guān)注不夠，未開展相關(guān)設(shè)計(jì)。

（3）彈性墊板與道砟接觸底表面總體上可分為光滑面和粗糙面2種類型，后者對(duì)于提高軌枕與有砟道床之間的阻力更為有利。

（4）彈性墊板與軌枕連接面的形式主要跟彈性墊板與軌枕連接方式有關(guān)，若彈性墊板自身設(shè)計(jì)了連接體，將方便彈性墊板與軌枕連接。

基于國(guó)內(nèi)外枕下彈性墊板的技術(shù)特點(diǎn)分析，對(duì)我國(guó)枕下彈性墊板技術(shù)的深化研究提出以下建議：

（1）枕下彈性墊板在設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮產(chǎn)品性能和生產(chǎn)制造方面等因素，在保證枕下彈性墊板性能的前提下，盡可能便于生產(chǎn)制造。

（2）枕下彈性墊板的主要優(yōu)勢(shì)在于改善軌道剛度、減少道床應(yīng)力、減輕道床及下部基礎(chǔ)的沖擊效應(yīng)，因此在枕下彈性墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮合理剛度的設(shè)置。

（3）枕下彈性墊板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮有砟軌道散粒體道床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮枕下彈性墊板對(duì)道床阻力的影響以及在道砟支承條件下受力特點(diǎn)，確保彈性軌枕強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性滿足軌道結(jié)構(gòu)的總體要求。