超高速有砟道床運(yùn)營(yíng)影響分析與解決措施

井國(guó)慶， 杜文博， 鄧雯婧， 付琪璋

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路運(yùn)輸設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710043）

1 研究背景

近年來，高速鐵路速度不斷提高。如莫斯科—喀山高速鐵路為客貨共線鐵路，擬采用1520mm軌距，客車最高設(shè)計(jì)速度400 km/h；英國(guó)HS2高速鐵路設(shè)計(jì)最高速度400 km/h，運(yùn)營(yíng)速度為360 km/h；法國(guó)在運(yùn)營(yíng)最高速度320 km/h基礎(chǔ)上，進(jìn)行一系列速度360 km/h相關(guān)測(cè)試，并得出結(jié)論：在既有線路條件下，速度320 km/h時(shí)高鐵維修成本最低，速度360 km/h時(shí)可做到飛砟風(fēng)險(xiǎn)可控［1］。同時(shí)，法國(guó)SNCF繼續(xù)努力研發(fā)設(shè)計(jì)最高速度400 km/h有砟道床。以上項(xiàng)目和研究中的關(guān)鍵技術(shù)均涉及超高速有砟道床（超高速有砟道床是指運(yùn)營(yíng)速度超過350 km/h的有砟軌道結(jié)構(gòu)），已逐漸成為研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)［2］。

有砟軌道在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中存在諸多問題，如：道砟飛濺、道床劣化和臟污、道床流化、空吊板等［2］。意大利ETR500在羅馬—那不勒斯，以速度300 km/h試運(yùn)行期間發(fā)生飛砟現(xiàn)象。有砟道床在列車引起的荷載下高頻振動(dòng)，特別是橋上等基礎(chǔ)剛度較大地區(qū)，易發(fā)生流化與飛砟，使得道床斷面難以保持?？盏醢瀣F(xiàn)象使軌枕受力惡化，易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致道砟、軌枕接觸力增大，加快道砟粉化，影響道床壽命［3］。并且，隨著速度的不斷提高，以上問題更加突出。超高速有砟道床對(duì)橫向阻力提出了更高要求，橫向阻力作為影響道床穩(wěn)定性的重要參數(shù)，對(duì)列車行駛的安全性和旅客舒適性起保證性作用［2，4］。以上問題嚴(yán)重制約我國(guó)有砟高速鐵路發(fā)展，使得我國(guó)高速鐵路大多采用建設(shè)成本高、維修困難的無砟軌道。

針對(duì)超高速有砟道床所面臨的問題，提出解決措施，可為今后我國(guó)有砟道床發(fā)展和“一帶一路”建設(shè)提供借鑒。

2 運(yùn)營(yíng)影響

2.1 飛砟

飛砟是指高速列車運(yùn)行過程中，道砟在列車風(fēng)和軌道振動(dòng)共同作用下離開道床表面，擊打轉(zhuǎn)向架、鋼軌等引起車輛和軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷的現(xiàn)象，一般發(fā)生在速度300 km/h及以上有砟道床［1］（見圖1）。飛砟現(xiàn)象危害大、分布廣，影響主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：第一，飛濺的道砟顆粒有概率落在鋼軌表面，此時(shí)車輪和鋼軌間的受力發(fā)生改變，易使車輛脫軌；第二，道砟擊打列車轉(zhuǎn)向架，導(dǎo)致車輛損傷；第三，鋼軌踏面的道砟在列車荷載作用下將引起鋼軌核傷和車輪扁疤［5］。

圖1 飛砟機(jī)理示意圖［2］

秦沈客運(yùn)專線在行車試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)速度達(dá)到250 km/h時(shí)發(fā)生飛砟現(xiàn)象，而法國(guó)通過優(yōu)化道床結(jié)構(gòu)、密實(shí)道床質(zhì)量、及時(shí)清掃軌枕和扣件上道砟等措施使得TGV列車速度在574.8 km/h時(shí)并未發(fā)生飛砟［5］。因此，飛砟現(xiàn)象制約我國(guó)既有線路的提速，給鐵路運(yùn)營(yíng)管理部門帶來困難，成為超高速有砟道床設(shè)計(jì)急需突破之處。

2.2 道床劣化與臟污

有砟道床具有散體特性，在列車循環(huán)荷載作用下，道砟將會(huì)發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)，使得顆粒之間產(chǎn)生磨耗和粉化，郭云龍等通過洛杉磯磨耗試驗(yàn)結(jié)合圖形分析得出道砟劣化主要為顆粒表面磨損，而不是顆粒破碎［6］。隨著荷載循環(huán)次數(shù)的不斷增加，由于顆粒的磨耗和粉化導(dǎo)致道床劣化、臟污、透水性變差，最終使道床產(chǎn)生不均勻沉降、板結(jié)后失去彈性和承載力、翻漿冒泥等病害。如果列車速度提高，道砟顆粒振動(dòng)加速度將增大，道砟劣化和磨耗加速。同時(shí)，空吊板現(xiàn)象的出現(xiàn)也會(huì)加快上述進(jìn)程，影響道床壽命。道床劣化、臟污示意見圖2。

圖2 道床劣化、臟污示意圖［7］

2.3 道床流化

橋上有砟軌道由于下部基礎(chǔ)剛度大，當(dāng)列車以較高速度通過時(shí)，道床振動(dòng)效應(yīng)明顯，道砟出現(xiàn)趨于液體般流動(dòng)的現(xiàn)象稱為流化。道床流化將會(huì)惡化軌道的幾何形位，影響軌道穩(wěn)定性，增加車輛行駛風(fēng)險(xiǎn)。

3 解決措施

3.1 飛砟防治方案

道砟材質(zhì)方面：根據(jù)飛砟平衡方程［3］和西班牙鐵路管理局研究表明［8］，提高道砟密度有利于防治飛砟，因此建議采用高密度巖石母巖生產(chǎn)道砟，尤其是在道床表面。通過對(duì)道砟顆粒形狀的研究，帶棱角、近等長(zhǎng)、帶有粗糙紋理的顆粒會(huì)使道床更穩(wěn)定，同時(shí)針片狀道砟更容易產(chǎn)生飛砟，因此應(yīng)控制針片狀道砟含量［9-10］。參考俄羅斯B類道砟，其粒徑范圍和平均最大粒徑均較我國(guó)大，在高速線路運(yùn)營(yíng)中不易飛砟［11］，但大粒徑道砟在壓實(shí)和搗固方面難以操作，綜合考慮可將道砟粒徑控制在30～70 mm。

道床方面：可在保證道床阻力的同時(shí)，采用降低道床頂面高度和砟肩堆高的方法防治飛砟［12］。如法國(guó)有砟軌道采用平肩式道床結(jié)構(gòu)并降低枕心道砟高度［13］；意大利早期采用砟肩堆高形式，產(chǎn)生飛砟后采用平肩式。此外，也可采用聚氨酯固化道床從而防治飛砟。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司在采用聚氨酯道砟膠的濟(jì)青高鐵上進(jìn)行試驗(yàn)，最高速度達(dá)到385 km/h時(shí)，未見飛砟。

軌枕結(jié)構(gòu)方面：西班牙對(duì)軌枕形狀進(jìn)行優(yōu)化，采用空氣動(dòng)力學(xué)軌枕（見圖3）。該軌枕頂部表面與側(cè)面過渡緩和，軌枕中部呈現(xiàn)圓潤(rùn)凸起的流線型，使道砟不易落在軌枕上部，可降低風(fēng)壓分布30%以上［5，14］。

圖3 空氣動(dòng)力學(xué)軌枕

養(yǎng)護(hù)維修方面：可定期清掃散落在軌枕和扣件上的道砟；重視建造和維修過程中的穩(wěn)定作用，法國(guó)有砟道床采取2搗3穩(wěn)的作業(yè)方式，保證道床壓實(shí)性。

3.2 道床壽命延長(zhǎng)方案

枕下墊結(jié)構(gòu)見圖4。研究表明，將彈性墊層應(yīng)用于軌枕底部：一方面，可以增加軌枕與道砟的接觸面積，增加輪軌相互作用沿鋼軌縱向的分布長(zhǎng)度，減少道砟的粉化以及軌枕與道砟的磨耗，有利于保持軌道的幾何形位，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量；另一方面，該結(jié)構(gòu)具有良好的減振效果，減振頻率可達(dá)40 Hz以上［15-16］。1989年，法國(guó)獲得枕下墊的專利，之后德國(guó)、奧地利等國(guó)家均提倡采用枕下墊結(jié)構(gòu)。值得注意的是，枕下墊的使用會(huì)降低道床橫向阻力，所以在使用過程中應(yīng)保證一定的橫向阻力；同時(shí)，枕下墊剛度的設(shè)計(jì)應(yīng)與軌道結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行考慮，采用硬的軌下墊板和軟的枕下墊時(shí)，軌枕易開裂，采用軟的軌下墊和硬的枕下墊較為合理［17］。

圖4 枕下墊結(jié)構(gòu)

道床在道砟層和路基層之間鋪設(shè)有1層底砟，一般由級(jí)配良好的砂礫和碎石組成。一方面，阻止上部道砟侵入基床表層，另一方面防止下部細(xì)顆粒和水進(jìn)入道砟層。為了減少道床沉降和變形，日本、意大利、法國(guó)采用瀝青底砟層結(jié)構(gòu)。其中，法國(guó)在2007年鋪設(shè)3 km瀝青底砟層試驗(yàn)段，線路平均運(yùn)行速度320 km/h，效果至今良好。瀝青底砟層為一種半剛性層，作用主要體現(xiàn)在以下幾方面［2，18-19］：（1）瀝青底砟層可承受拉力，有利于提高軌道結(jié)構(gòu)抗拉能力，提高結(jié)構(gòu)承載能力；（2）瀝青底砟層剛度大，可減少道床豎向永久變形，同時(shí)有利于道床的壓實(shí)，提高道床穩(wěn)定性；（3）瀝青底砟層防滲能力強(qiáng)，可以防止下部泥漿、細(xì)粒進(jìn)入道砟層，避免道床板結(jié)；（4）可以增加結(jié)構(gòu)彈性模量，減緩道床劣化和道砟磨耗；（5）減小振動(dòng)和噪聲；（6）可降低路基層30 cm高度，節(jié)約底砟和路基填土量［2］（見圖5）。

圖5 降低路基層高度30 cm

上述2種措施均可防治道砟劣化和道床流化，此外針對(duì)橋上道床流化還可采用寬軌枕或有砟道床橫向約束裝置。井國(guó)慶等發(fā)明一種防流化裝置，該發(fā)明通過在橋上安裝固定高強(qiáng)擠塑板，限制道砟的側(cè)向流動(dòng)，可有效防治道床流化［20］。

3.3 橫向阻力增強(qiáng)方案

超高速有砟道床的發(fā)展和有砟軌道在復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)用對(duì)道床的橫向阻力提出更高要求。砟肩堆高、枕心道砟高度、砟肩寬度的增大都可以增加橫向阻力，但隨著高速鐵路速度的增加，尤其是速度達(dá)350 km/h時(shí)，以上方法會(huì)增加飛砟風(fēng)險(xiǎn)。因此為降低飛砟幾率，需從其他方面提高道床橫向阻力。法國(guó)采用雙塊式軌枕，占鐵路網(wǎng)的50%，該軌枕增加1對(duì)枕端-道砟剪切帶，從而增大橫向阻力［21］。日本的梯形軌枕采用橫向圓鋼連接2根混凝土梁，井國(guó)慶等［22］對(duì)該軌枕橫向阻力進(jìn)行研究，結(jié)果表明：梯形軌枕在平肩式道床上的阻力值較條形軌枕在砟肩寬度500 mm、砟肩堆高150 mm的工況下大13%。井國(guó)慶等人提出3種框架型軌枕，橫向阻力均有不同程度提高［23］（見圖6）。

圖6 3種框架型軌枕

3.4 道床穩(wěn)固方案

用于劣化道床加固的土工格柵見圖7。該結(jié)構(gòu)具有大孔徑、高抗拉強(qiáng)度等特點(diǎn)。通過格柵孔徑與道砟之間的互鎖、固定作用，進(jìn)行有砟道床的橫向穩(wěn)定和垂向加固，減緩道砟劣化，提高道床穩(wěn)定性，同時(shí)能有效改善排水。

圖7 用于劣化道床加固的土工格柵

道砟膠主要作用是對(duì)道砟進(jìn)行粘結(jié)和加固。應(yīng)用主要有以下2種：（1）表面膠結(jié)，阻止道床表面道砟移動(dòng)防止飛砟，如噴射道砟膠4～7 cm深度（超過1個(gè)道砟平均粒徑）；（2）結(jié)構(gòu)膠結(jié)，防止道砟流化，可提高道床承載力、增加道床縱橫向阻力［2］。道砟膠用在風(fēng)沙線路上，可防止外界因素引起的臟污，同時(shí)已證實(shí)該材料屬于環(huán)保材料。

4 結(jié)論

根據(jù)國(guó)內(nèi)外有砟道床研究情況，分類、總結(jié)有砟道床常見問題以及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的解決方法，所得結(jié)論如下：

（1）采取相應(yīng)措施，可以避免高速有砟道床所出現(xiàn)的問題，且可滿足超高速有砟道床的運(yùn)營(yíng)要求。

（2）針對(duì)飛砟需從道砟材質(zhì)、道床斷面、軌枕結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)維修等多方面進(jìn)行綜合考慮。

（3）通過軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可在不影響?zhàn)B護(hù)維修前提下，提高道床橫向阻力。

（4）軌道工程新材料、新結(jié)構(gòu)的使用，可減緩道砟劣化、流化，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)維修周期。