35～40 t軸重軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

許良善 郄錄朝 司道林 梁晨

（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）

國際上35～40 t 軸重重載鐵路多為礦石鐵路，且由大型企業(yè)運(yùn)營［1］。在澳大利亞，力拓集團(tuán)（Rio Tinto Group）運(yùn)營著哈默斯利和羅伯河鐵路（Hamersley and Robe River Railway）；必和必拓公司（BHP Billiton Ltd.-Broken Hill Proprietary Billiton Ltd.）運(yùn)營著戈茲沃西河紐曼山鐵路（Goldsworthy&Mount Newman Railway）；FMG 集團(tuán)（Fortescue Metals Group）運(yùn)營著福特斯鐵路（Fortescue Railway）。在巴西，淡水河谷鐵路公司（Companhia Vale do Rio Doce）運(yùn)營著維多利亞—米納斯鐵路（Estrada de Ferro Vitória a Minas，EFVM）和卡拉斯加斯鐵路（Estrada de Ferro Carajás，EFC）。在2019 年，贏聯(lián)盟（SMB-Winning Consortium）中標(biāo)了幾內(nèi)亞西芒杜1 號(hào)和2 號(hào)礦塊，并將配套建設(shè)及運(yùn)營馬瑞巴亞港至西芒杜礦區(qū)鐵路。35～40 t軸重重載鐵路軌道技術(shù)在國際上有一定的市場需求。

鐵路軌道結(jié)構(gòu)方案能否在保證運(yùn)輸安全的前提下降低鐵路的建設(shè)、運(yùn)營、維修成本是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。本文以中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司提出的35～40 t 軸重有砟軌道結(jié)構(gòu)方案為基礎(chǔ)，結(jié)合幾內(nèi)亞西芒杜鐵路可能的運(yùn)營條件及設(shè)計(jì)參數(shù)，探討35～40 t 軸重有砟軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方式，以適應(yīng)國際重載礦石鐵路的建設(shè)和運(yùn)營需求。

1 優(yōu)化思路

為推進(jìn)重載鐵路技術(shù)國際化，鐵科院研究提出了35～40 t 軸重重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)方案［2］：68 kg/m鋼軌，無螺栓彈條Ⅷ型或有螺栓彈條Ⅸ型扣件；2.6 m長Ⅴb 型混凝土軌枕，軌枕間距600 mm；特級(jí)或一級(jí)材質(zhì)道砟，砟肩寬度為400～500 mm；道床邊坡坡率為1∶1.75，道床厚度為350 mm。

參照TB/T 2329—2002《彈條Ⅰ型、Ⅱ型扣件彈條疲勞試驗(yàn)方法》、Q/CR 481—2015《30 t 軸重重載鐵路彈條Ⅶ型扣件》附錄B 和附錄C 的試驗(yàn)方法、TB/T 3396—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法》、TB/T 1879—2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》、TB/T 1878—2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗(yàn)方法》及美國AREMA（The American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association）頒布的《鐵路工程手冊(cè)》（Manual for Railway Engineering）第4 部分的規(guī)定，研究人員對(duì)Ⅷ型和Ⅸ型扣件性能、軌枕強(qiáng)度、軌道部件疲勞性能等進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。結(jié)果表明，扣件、軌枕均符合中國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和美國AREMA 標(biāo)準(zhǔn)要求。在TTCI（Transportation Technology Center，Inc.，美國運(yùn)輸技術(shù)中心公司）的HTL（Heavy Tonnage Loop，重載環(huán)線）上鋪設(shè)試驗(yàn)段，開展了35.6～40 t軸重實(shí)車動(dòng)力性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示列車通過試驗(yàn)段時(shí)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力各項(xiàng)安全參數(shù)均在安全限值范圍內(nèi)［3］。經(jīng)過300 MGT運(yùn)營考核試驗(yàn)，軌道部件無傷損，軌距變化量小于標(biāo)準(zhǔn)限值，軌道幾何狀態(tài)穩(wěn)定。因此，該方案滿足40 t軸重重載鐵路運(yùn)營需求。

鐵科院提出的軌道結(jié)構(gòu)方案中，68 kg/m 鋼軌是35～40 t 軸重重載鐵路普遍使用的軌型；為減少建設(shè)和維修成本，Ⅷ型和Ⅸ型扣件均采用預(yù)埋鐵座結(jié)構(gòu)，減少了零部件數(shù)量；與既有的Ⅳa 型軌枕相比，適應(yīng)40 t軸重的Ⅴb型軌枕通過增加配筋提升了承載能力，且關(guān)鍵截面尺寸增加不多，單根軌枕的質(zhì)量僅增加了8 kg。因此，鋼軌、扣件及軌枕部分已很難通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低成本。

要對(duì)軌道結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，還要有針對(duì)性地分析線路運(yùn)營條件和可能設(shè)計(jì)參數(shù)。公開資料顯示［4］，幾內(nèi)亞西芒杜鐵路為礦石鐵路，軸重約為40 t，線路為單線，最小曲線半徑為800 m。參照澳大利亞戈茲沃西河紐曼山鐵路的運(yùn)輸組織模式，西芒杜鐵路年運(yùn)量預(yù)計(jì)約1 億t，鐵路線路條件較好，線路運(yùn)輸壓力不大。西芒杜鐵路途經(jīng)幾內(nèi)亞弗雷卡迪亞、金迪亞、馬木、法拉納、康康、麻省塔6 省至西芒杜礦山區(qū)，近年來鐵路沿線地區(qū)最高氣溫為34 ℃，最低氣溫為13 ℃，溫差較小，對(duì)無縫線路穩(wěn)定性非常有利［5］。根據(jù)TB 2034—1988《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》，一級(jí)道砟道床的容許應(yīng)力為0.5 MPa。國際上道床頂面應(yīng)力限值可取為0.586 MPa，底層道砟容許應(yīng)力可取為301.2 kPa［5］。參照國際取值標(biāo)準(zhǔn)，軌道結(jié)構(gòu)方案存在優(yōu)化空間。

根據(jù)幾內(nèi)亞西芒杜鐵路運(yùn)營條件、氣溫資料及國際上相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本文從軌枕間距、道床斷面參數(shù)方面探討35～40 t軸重重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

2 軌枕間距的優(yōu)化

增加軌枕間距可以節(jié)約投資，但動(dòng)彎應(yīng)力、軌枕彎矩、道床應(yīng)力均會(huì)隨軌枕間距的增加而增加。因此，優(yōu)化軌枕間距時(shí)須滿足軌道結(jié)構(gòu)各參數(shù)的限值要求。

采用軌道強(qiáng)度計(jì)算理論，建立連續(xù)彈性支承梁軌道結(jié)構(gòu)受力模型，計(jì)算不同軌枕間距條件下的軌道部件受力特性。計(jì)算時(shí)，鋼軌類型為136RE 鋼軌，扣件剛度取180 kN/mm，軌枕支承剛度取120 kN/mm，鋼軌支點(diǎn)剛度取72 kN/mm；道床厚度取350 mm，道床壓力擴(kuò)散角取35°，道床應(yīng)力檢算時(shí)不均勻系數(shù)取1.6。根據(jù)TB 2034—1988 中動(dòng)力系數(shù)取值方法，計(jì)算軌底應(yīng)力和軌下基礎(chǔ)部件應(yīng)力時(shí)速度系數(shù)分別取0.006 0，0.004 5，偏載系數(shù)取0.002 2，以最小曲線半徑800 m確定橫向力系數(shù)為1.45。以軸重40 t、速度100 km/h、不均衡超高110 mm 為例進(jìn)行檢算，鋼軌應(yīng)力的檢算動(dòng)輪載為517.8 kN，軌下基礎(chǔ)部件的檢算動(dòng)輪載為327.7 kN。

軌枕間距計(jì)算范圍取500～700 mm，間隔50 mm取值。計(jì)算不同軌枕間距條件下鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力及位移、枕上壓力及軌枕彎矩、道床頂面應(yīng)力和路基表層應(yīng)力，結(jié)果見表1。

表1 軌枕間距對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響

2.1 軌枕間距對(duì)鋼軌受力和變形的影響

隨著軌枕間距的增加，鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力和位移近似呈線性增加。軌枕間距由500 mm 增至700 mm 時(shí)，鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力由180.26 MPa 增至190.79 MPa，增幅為5.8%；鋼軌位移由1.585 mm 增至2.064 mm，增幅為30.2%。軌枕間距每增加50 mm，鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力和位移的平均增幅分別為1.45%，7.55%。

溫度荷載導(dǎo)致的鋼軌拉應(yīng)力取145 MPa，制動(dòng)應(yīng)力取30 MPa，與最大動(dòng)彎應(yīng)力190.79 MPa 疊加后得到鋼軌應(yīng)力最大值為365.79 MPa。鋼軌焊縫的容許屈服極限為504 MPa［5］，安全系數(shù)取1.3，則鋼軌屈服極限為387.69 MPa。顯然，軌枕間距在500～700 mm變化時(shí)，鋼軌應(yīng)力最大值小于屈服極限。在TTCI試驗(yàn)段動(dòng)態(tài)測試中，實(shí)測得到的鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力最大值為62.00 MPa［3］，小于計(jì)算結(jié)果（190.79 MPa）。從計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果分析，軌枕間距由500 mm 增至700 mm時(shí)，鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力與溫度應(yīng)力、制動(dòng)應(yīng)力的總和不會(huì)超過鋼軌的容許應(yīng)力。

2.2 軌枕間距對(duì)軌枕受力的影響

隨著軌枕間距的增加，枕上壓力和軌枕彎矩近似呈線性增加。軌枕間距由500 mm 增至700 mm 時(shí)，枕上壓力由114.11 kN 增至148.62 kN，增幅為30.2%；軌枕正彎矩由15.63 kN·m 增至20.36 kN·m，增幅為30.3%；軌枕負(fù)彎矩由8.18 kN·m 增至10.66 kN·m，增幅為30.3%。軌枕間距每增加50 mm，枕上壓力和軌枕彎矩的平均增幅分別為7.55%，7.58%。

動(dòng)態(tài)測試結(jié)果顯示［3］，40 t軸重列車車輛在低速通過不利條件下的半徑350 m 曲線線路時(shí)產(chǎn)生的枕中負(fù)彎矩的最大值為21.0 kN·m，軌下正彎矩的最大值為10.3 kN·m。而Ⅴb 型混凝土軌枕設(shè)計(jì)軌下正彎矩為29.23 kN·m，枕中負(fù)彎矩為22.6 kN·m［1］?？芍S著軌枕間距的增加，實(shí)測軌下正彎矩始終小于設(shè)計(jì)軌下正彎矩。根據(jù)理論計(jì)算得出的規(guī)律，軌枕間距650 mm時(shí)的枕中負(fù)彎矩比軌枕間距600 mm 時(shí)的21.0 kN·m增加7.58%，即可達(dá)到22.6 kN·m，這與枕中負(fù)彎矩設(shè)計(jì)值一致。

綜合考慮，為確保軌枕荷載彎矩有一定余量，軌件間距應(yīng)小于650 mm，建議取625 mm。

2.3 軌枕間距對(duì)道床頂面及路基表層應(yīng)力的影響

隨著軌枕間距的增加，道床頂面應(yīng)力及路基表層應(yīng)力近似呈線性增加。軌枕間距由500 mm增至700 mm時(shí)，道床頂面應(yīng)力由0.480 MPa 增至0.625 MPa，路基表層應(yīng)力由0.192 MPa 增至0.250 MPa，增幅均為30.2%。軌枕間距每增加50 mm，道床頂面應(yīng)力及路基表層應(yīng)力平均增幅均為7.55%。

軌枕間距為700 mm 時(shí)，路基表層應(yīng)力及底層道砟應(yīng)力均小于301.2 kPa。軌枕間距由600 mm 增至650 mm時(shí)，道床頂面應(yīng)力由0.553 MPa增至0.589 MPa，超過了TB 2034—1988 的限值，也超過了0.586 MPa。軌枕間距取625 mm 時(shí)，道床頂面應(yīng)力為0.571 MPa，滿足0.586 MPa的限值要求，且有一定余量。因此，采用道床頂面應(yīng)力0.586 MPa 的限值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，軌枕間距可取為625 mm。

綜上所述，軌枕間距優(yōu)化為625 mm，鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力、軌枕彎矩、道床頂面應(yīng)力、路基表層應(yīng)力均可滿足限值要求。

3 道床斷面參數(shù)的優(yōu)化

3.1 道床厚度

當(dāng)軌枕間距取625 mm 時(shí)，通過插值計(jì)算，支點(diǎn)壓力為135.8 kN。取40 t 軸重荷載作用下支點(diǎn)壓力為135.0 kN，參照軌枕間距優(yōu)化時(shí)的計(jì)算參數(shù)，根據(jù)TB 2034—1988 的計(jì)算方法，計(jì)算得到道床厚度從350 mm 減小至300 mm 時(shí)道床底部應(yīng)力從227 kPa 增加至265 kPa，增幅為16.7%。TTCI 動(dòng)態(tài)測試時(shí)［3］，最不利條件下實(shí)測支點(diǎn)壓力最大值為149.7 kN，比理論計(jì)算值增加了10.9%。按此規(guī)律計(jì)算，道床厚度為350，300 mm 時(shí)，道床底部應(yīng)力分別為252，294 kPa，均小于301.2 kPa。因此，道床厚度取300 mm 時(shí)，道砟底部應(yīng)力在容許應(yīng)力范圍內(nèi)。按道床底部應(yīng)力隨著道床厚度減小而線性增加考慮，道床厚度取250 mm 時(shí)，底部應(yīng)力比道床厚度為300 mm 時(shí)增加42 kPa，為336 kPa，超過了容許應(yīng)力。因此，道床厚度可優(yōu)化為300 mm。

3.2 砟肩寬度

在TTCI的試驗(yàn)段，軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)完成而未開始運(yùn)營考核時(shí)，選取砟肩寬度為300，400 mm 的區(qū)段，分別測試了7 根軌枕的橫向阻力。結(jié)果顯示：在砟肩寬度為300 mm 的區(qū)段，軌枕橫向阻力最小值為12.9 kN，平均值為14.3 kN；在砟肩寬度為400 mm 的區(qū)段，軌枕橫向阻力最小值為12.8 kN，平均值為14.4 kN。通過質(zhì)量10 MGT 后，兩處的軌枕橫向阻力平均值分別為19.5，21.6 kN。

基于該橫向阻力測試數(shù)據(jù)，選取軌枕橫向阻力為12 kN?？紤]無縫線路鋼軌縱向力不均勻性的影響和后期運(yùn)營影響，采用不等變形波長理論對(duì)西芒杜鐵路允許溫升進(jìn)行檢算。結(jié)果顯示：西芒杜鐵路曲線半徑R=600，800 m 的曲線區(qū)段及直線區(qū)段的允許溫升分別為48.9，55.8，65.1 ℃，滿足無縫線路應(yīng)用需求。因此，砟肩寬度建議取值不小于300 mm。

為了對(duì)比直線與不同半徑曲線區(qū)段的軌道動(dòng)態(tài)響應(yīng)，選取朔黃線30 t 軸重列車作用下的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。相比直線區(qū)段，R=500～1 000 m 的曲線區(qū)段橫向作用力較高，輪軸橫向力提高2.3 倍以上。軸重增加到40 t，曲線區(qū)段的輪軌橫向作用力比直線區(qū)段提高更多。因此，曲線地段的砟肩寬度應(yīng)適當(dāng)加寬。

綜合考慮，對(duì)于橫向作用力較小的直線區(qū)段及R＞1 000 m 的曲線區(qū)段，砟肩寬度可采用300 mm；對(duì)于R≤1 000 m 的曲線區(qū)段，砟肩寬度可采用曲線內(nèi)側(cè)300 mm、外側(cè)400 mm。

3.3 道床邊坡坡率

世界各國鐵路采用的道床邊坡坡率有所不同［1］。在普速鐵路上，前蘇聯(lián)、法國、英國為1∶1.5，中國為1∶1.75，美國為1∶2。在高速鐵路上，日本東海道新干線為1∶1.6，繼東海道之后修建的其他新干線為1∶2.2，法國TGV 線路為1∶1.5，中國為1∶1.75。在重載鐵路上，澳大利亞、俄羅斯、瑞典為1∶1.5，中國大秦線為1∶1.75，美國為1∶2。

幾內(nèi)亞西芒杜鐵路服役時(shí)間較短，1∶1.5 的邊坡在國際上也有廣泛的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，能夠保證重載鐵路的邊坡穩(wěn)定。為節(jié)約投資，幾內(nèi)亞西芒杜鐵路道床邊坡坡率可選用1∶1.5。

4 結(jié)語

幾內(nèi)亞西芒杜鐵路為礦石單線鐵路，最小曲線半徑800 m，年運(yùn)量預(yù)計(jì)約1 億t，當(dāng)?shù)販夭钚?，線路服役周期短，線路條件較好。參照國外道床頂面應(yīng)力0.586 MPa、底層道砟容許應(yīng)力301.2 kPa 的取值標(biāo)準(zhǔn)，以我國提出的35～40 t 軸重重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)方案為基礎(chǔ)，經(jīng)計(jì)算分析，在軌枕間距、道床斷面參數(shù)方面進(jìn)行了一定的優(yōu)化。

優(yōu)化后的軌道結(jié)構(gòu)方案為：68 kg/m 鋼軌，無螺栓彈條Ⅷ型或有螺栓彈條Ⅸ型扣件；Ⅴb型混凝土軌枕，軌枕間距625 mm；特級(jí)或一級(jí)材質(zhì)道砟，砟肩寬度300～400 mm，無砟肩堆高；道床邊坡坡率1∶1.5，道床厚度300 mm。相比原方案，該方案軌枕、道砟使用量均有一定程度減少，可節(jié)約鐵路建設(shè)成本。