半徑250 m曲線無縫線路穩(wěn)定性分析及加強(qiáng)措施

張大超

(中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司， 北京 100038)

受到我國鐵路對鋪設(shè)無縫線路允許條件的限制，2014年以前半徑250 m的曲線地段均采用普通有縫線路，接頭病害和晃車問題嚴(yán)重，軌道幾何尺寸變化大，曲線線型難以保持，養(yǎng)護(hù)維修成本高且影響行車安全。2014-2016年，河北承德地區(qū)開展了半徑250 m曲線地段鋪設(shè)無縫線路的綜合研究并成功鋪設(shè)[1]。

因國內(nèi)首次在半徑250 m曲線地段鋪設(shè)無縫線路，在養(yǎng)護(hù)維修方面還存在一些技術(shù)難點(diǎn)[2]。《普速鐵路線路修理規(guī)則》[3]中沒有明確半徑250 m曲線無縫線路作業(yè)的軌溫要求，且鋪設(shè)后大機(jī)搗固作業(yè)、人工撥道、更換軌枕等作業(yè)都將使道床阻力降低，影響軌道的穩(wěn)定性。為減少對軌道穩(wěn)定性的影響，保障鋪設(shè)后可開展正常的維修作業(yè)，確定半徑250 m曲線無縫線路容許作業(yè)軌溫范圍十分必要。此外，曲線半徑越小，溫度力作用下軌道的“徑向呼吸”越大，鋼軌內(nèi)部應(yīng)力越大，因此如何通過科學(xué)的養(yǎng)護(hù)維修方式和合理的加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)控制鋼軌的橫移，提升半徑250 m曲線無縫線路的穩(wěn)定性也成為亟需解決的問題。

本文針對上述問題，研究分析了不同參數(shù)對半徑250 m曲線無縫線路穩(wěn)定性的影響，提出了無縫線路容許作業(yè)軌溫范圍和軌道加強(qiáng)措施，為國內(nèi)小半徑曲線無縫線路鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修提供一定的借鑒。

1 線路概況

京承鐵路地處山區(qū)，線路最大坡度為19.3‰，正線有10條半徑250 m的曲線，曲線長4.333 km。歷史最高、最低軌溫分別為61.5 ℃、-23.3 ℃，最大軌溫差84.8 ℃。半徑250 m曲線無縫線路上股鋼軌采用60 kg/m U78CrV鋼軌，下股鋼軌采用60 kg/m U75V鋼軌，軌枕采用Ⅲ型混凝土枕(按1 667根/km鋪設(shè))，道床采用Ⅰ級道砟，曲線段砟肩寬度500 mm、砟肩堆高150 mm，道床邊坡坡度1∶1.75。

2 半徑250 m曲線無縫線路穩(wěn)定性分析

正常道床阻力下，在軌溫變化30 ℃時， 半徑250 m曲線無縫線路鋼軌的橫向變形如圖1所示。從圖1可以看出，軌道隨軌溫變化存在明顯的“徑向呼吸”情況。

圖1 軌溫升溫30 ℃、降溫30 ℃時鋼軌橫向變形圖

2.1 初始不平順對小半徑曲線無縫線路的影響

軌道初始不平順是影響無縫線路穩(wěn)定性最直接的因素[4]。建立曲線半徑250 m、300 m的曲線軌道模型，如圖2所示。在其它參數(shù)條件保持不變的情況下，選取①初始彎曲波長4 m，初始彎曲矢度分別為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm；②初始彎曲矢度為6mm，初始彎曲波長分別為4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、16 m、20 m進(jìn)行溫度臌曲軌道失穩(wěn)過程分析。軌溫升高30 ℃時，以半徑300 m的軌道位移量為基準(zhǔn)點(diǎn)計算，不同初始彎曲狀態(tài)下鋼軌的最大橫向位移，結(jié)果如表1、表2所示。施加不同初始不平順時的線路變形如圖3所示。

圖2 半徑250 m、300 m的曲線軌道模型圖

從表1、表2可以看出，初始不平順波長保持不變時，線路最大橫向位移隨著不平順矢度的增大而增大，但線路橫向位移變化率保持不變。初始不平順矢度保持不變時， 線路最大橫向位移隨著不平順波長增大而減小，同時線路橫向位移的變化率也逐漸減小。

表1 軌溫升高30 ℃時不同初始矢度的線路最大橫向位移表

表2 軌溫升高30 ℃時不同初始波長的線路最大橫向位移表

圖3 半徑250 m線路軌溫升高30 ℃時的變形圖

在軌溫升高30 ℃時，半徑300 m與半徑250 m的曲線線路最大橫向位移差值隨著矢度的增加而逐漸減小，隨著波長的增加逐漸增大。當(dāng)初始不平順波長不變時，最大橫向位移與不平順矢度成正比，與不平順波長成反比，而且半徑250 m線路較半徑300線路更容易失穩(wěn)。

2.2 道床橫向阻力對小半徑曲線無縫線路的影響

道床橫向阻力對軌道橫移量起著決定性作用。小半徑曲線受結(jié)構(gòu)因素影響，在列車作用下，幾何狀態(tài)變化較大，養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)頻繁，導(dǎo)致道床橫向阻力下降明顯[5-6]。線路維修作業(yè)前后道床橫向阻力的變化情況如表3所示。

表3 維修作業(yè)前后道床橫向阻力表

線路中修、大機(jī)清篩、更換軌枕等作業(yè)都會擾動道床，導(dǎo)致道床阻力大幅下降，道床破底清篩前后道床橫向阻力的變化如表4所示。

表4 破底清篩前后道床橫向阻力表

為確定半徑250 m曲線無縫線路的合理作業(yè)軌溫范圍，對半徑250 m、300 m、400 m和800 m 4種曲線無縫線路進(jìn)行受力與變形分析，分別以更換軌枕、大機(jī)作業(yè)、人工起道、撥道作業(yè)4種情況為例對曲線無縫線路的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究確定半徑250 m曲線無縫線路的作業(yè)軌溫范圍。

2.2.1更換軌枕作業(yè)

TG/GW 102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》中規(guī)定連續(xù)更換 2根軌枕作業(yè)的在允許軌溫范圍為：-20 ℃～-10 ℃和+10 ℃～+20 ℃。4種半徑曲線無縫線路連續(xù)更換2根軌枕時鋼軌最大橫向位移隨溫升變化情況如圖4所示。

圖4 換枕時鋼軌最大橫向位移隨溫升變化曲線圖

從圖4中可以看出，升溫30 ℃時，在線路平順性良好的情況下，更換軌枕處的鋼軌最大橫向位移量小于2 mm；當(dāng)線路存在不平順時，半徑400 m、300 m、250 m曲線的鋼軌橫向位移分別達(dá)到了2.5 mm，3.2 mm和3.8 mm，臨界溫升分別為18.5 ℃、21.2 ℃和24.9 ℃。

取安全系數(shù)K=1.3時，半徑250 m、400 m曲線臨界溫升分別為14.2 ℃和19.1 ℃，半徑250 m曲線與TG/GW 102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》中明確規(guī)定的半徑400 m曲線無縫線路作業(yè)軌溫范圍(-10 ℃～10 ℃)相差4.9 ℃。

2.2.2大機(jī)維修作業(yè)

大機(jī)維修作業(yè)時，道床阻力下降，鋼軌橫向位移2 mm時，作業(yè)后實(shí)測道床橫向阻力約為線路未作業(yè)時的41.0%，等效道床阻力約為線路未作業(yè)時的39.1%。大機(jī)維修作業(yè)后，鋼軌最大橫向位移隨溫升變化如圖5所示。

圖5 大機(jī)維修作業(yè)后鋼軌最大橫向位移隨溫升變化曲線圖

由圖5可以看出，大機(jī)維修作業(yè)后，軌道平順性良好的情況下，鋼軌最大橫向位移達(dá)到的失穩(wěn)限界值2 mm，半徑250 m與半徑300 m曲線無縫線路臨界溫升為20.7 ℃和24.5 ℃。當(dāng)軌道存在不平順時，半徑250 m、300 m和400 m曲線無縫線路臨界溫升分別為15.4 ℃、17.6 ℃、和21.6 ℃。軌道存在不平順時，取安全系數(shù)K=1.3，半徑250 m曲線無縫線路與TG/GW 102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》中明確規(guī)定的半徑400 m曲線無縫線路作業(yè)軌溫相差4.8 ℃。大機(jī)維修作業(yè)下曲線無縫線路允許溫升如表5所示。

表5 大機(jī)維修作業(yè)下曲線無縫線路允許溫升表

2.2.3小型起道機(jī)起道作業(yè)

道床阻力試驗(yàn)表明，小型起道機(jī)起道作業(yè)后鋼軌橫向位移達(dá)到2 mm時，道床橫向阻力約為未作業(yè)時的66.2%，等效道床阻力約為未作業(yè)時的63.5%。全面起道作業(yè)后鋼軌最大橫向位移隨溫升變化如圖6所示。

圖6 起道作業(yè)后鋼軌最大橫向位移隨溫升變化曲線圖

從圖6可以看出，軌溫升高30 ℃時，軌道平順性良好的情況下，4種半徑曲線無縫線路鋼軌最大橫向位移均小于2 mm。當(dāng)軌道存在不平順時，半徑250 m和半徑300 m的線路在溫升22.4 ℃和25 ℃時達(dá)到了失穩(wěn)限界值2 mm。

當(dāng)安全系數(shù)取K=1.3時，半徑250 m和300 m曲線無縫線路臨界溫升分別為17.2 ℃、18.8 ℃，兩者相差1.6 ℃。

因此，半徑250 m曲線無縫線路現(xiàn)場作業(yè)軌溫范圍參照TG/GW 102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》第4.8.6條“半徑400 m曲線無縫線路作業(yè)軌溫范圍相差5 ℃ ”的要求進(jìn)行控制。

3 半徑250 m曲線無縫線路穩(wěn)定性控制措施

在軌溫變化一定的情況下，無縫線路的穩(wěn)定性主要受軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、道床阻力及線路平順性等因素影響。提升軌道強(qiáng)度、增加道床阻力，同時合理開展養(yǎng)護(hù)維修確保線路狀態(tài)優(yōu)良是維系小半徑曲線狀態(tài)穩(wěn)定的主要手段。

3.1 更換十字頭軌枕

十字頭軌枕是在Ⅲ型鋼筋混凝土軌枕截面處增加了“十字頭”，通過增加軌枕橫向面積和軌枕底部道床承壓面積，提升道床橫向阻力，減少道床壓應(yīng)力。十字頭軌枕鋪設(shè)間距為568 mm，兩軌枕間凈距曲線下股約為260 mm，曲線上股約為270 mm。

鋪設(shè)十字頭軌枕后道床縱橫向阻力如圖7、圖8所示。

圖7 十字頭軌枕道床橫向阻力測試曲線圖

圖8 十字頭軌枕道床縱向阻力測試曲線圖

從阻力測試結(jié)果可以看出，原Ⅲ型軌枕道床橫向阻力為5.43 kN/枕，更換為十字頭軌枕后，經(jīng)大機(jī)搗固道床橫向阻力為9.92 kN/枕；原Ⅲ型軌枕道床縱向阻力為15.49 kN/枕，更換為十字頭軌枕，且經(jīng)大機(jī)搗固后道床縱向阻力為26.02 kN/枕。結(jié)果表明，道床橫、縱向阻力均有所增加，有利于小半徑地段無縫線路的穩(wěn)定性。

3.2 鋪設(shè)小半徑曲線專用枕和高彈膠墊

(1)ⅢX型軌枕較Ⅲ型枕主要區(qū)別在于軌枕擋肩角度由120°調(diào)整為110°；優(yōu)化了承軌槽及擋肩設(shè)計，承軌槽深度由25 mm增加至35 mm；軌距中心線距離由 1 817 mm增加至 1 834 mm，斷面如圖9所示。通過增加軌枕體積實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng)和道床阻力提升。

圖9 ⅢX型軌枕斷面圖(mm)

(2)膠墊的彈性直接影響軌底坡變化及鋼軌受力狀態(tài)?？蓛?yōu)先選用熱塑體耐磨高彈膠墊，并在運(yùn)營過程中結(jié)合運(yùn)量，針對膠墊狀態(tài)每半年組織1次專項(xiàng)鑒定，明確曲線地段膠墊更換周期。

3.3 增設(shè)軌道加強(qiáng)設(shè)備

(1)設(shè)置地錨拉桿

設(shè)置地錨拉桿可有效地控制軌道橫向移動，研究及試驗(yàn)表明地錨拉桿在緩和曲線段按5 m間距、圓曲線段按10 m間距設(shè)置效果最優(yōu)。

(2)加密軌距桿

按照《普速鐵路線路修理規(guī)則》標(biāo)準(zhǔn)要求，軌撐每25 m設(shè)置14根，軌距桿由每25 m設(shè)置10根加密至14根。

(3)更換彈性軌撐

為防止鋼軌外移，在曲線外側(cè)安裝彈性軌撐保證軌道穩(wěn)定性。

3.4 增加道床斷面尺寸

增加道床斷面尺寸是提升道床橫向阻力最有效的手段之一，為保證半徑250 m曲線無縫線路的穩(wěn)定性，將砟肩寬度由450 mm增加至500 mm，現(xiàn)場驗(yàn)證取得了顯著效果。

3.5 和諧輪軌關(guān)系

(1)優(yōu)化鋼軌類型

應(yīng)結(jié)合運(yùn)量、線路等級及機(jī)車類型等因素合理選用鋼軌類型，半徑250 m曲線應(yīng)優(yōu)先采用鋪設(shè)100 m定尺、U78CrV鋼軌，為優(yōu)化軌距角部位受力狀態(tài)，曲線地段鋼軌優(yōu)先選用60N廓形軌。

(2)優(yōu)化鋼軌輪廓，持續(xù)開展鋼軌周期性修理

因半徑250 m曲線不滿足大機(jī)打磨列車作業(yè)條件，應(yīng)每年定期組織小機(jī)打磨，消除波磨，有效控制動態(tài)抖車問題。

(3)優(yōu)化軌底坡，消除集中受力

將半徑250 m曲線段的膠墊更換為楔形膠墊，同時優(yōu)化設(shè)置軌底坡，可有效緩解曲線上股側(cè)磨、軌距角處魚鱗紋病害問題。

(4)加強(qiáng)觀測，合理制定放散方案。

對線路幾何狀態(tài)不好的試驗(yàn)段進(jìn)行了無縫線路應(yīng)力放散，消除應(yīng)力衰減帶來的脹軌隱患。

(5)堅持車載干式潤滑涂覆。

車載干式潤滑涂覆可延長鋼軌使用壽命，減緩小半徑曲線鋼軌的磨耗。

3.6 道床周期性修理

(1)道床臟污板結(jié)、翻漿冒泥會造成軌道基礎(chǔ)彈性不良，加大列車通過時對軌道的沖擊，最終導(dǎo)致幾何狀態(tài)惡化、連接配件損壞，形成惡性循環(huán)。因此,半徑250 m曲線無縫線路鋪設(shè)前應(yīng)先更換優(yōu)質(zhì)道砟，保證道床彈性。

(2)大機(jī)清篩周期

應(yīng)綜合考慮通過總重和曲線半徑的影響，合理調(diào)整大機(jī)清篩周期為2～3 a。同時結(jié)合路基土質(zhì)以及含水量，大機(jī)清篩期間增加1次邊坡清篩以改善排水，保持道床清潔和良好的彈性。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況曲線下股水平高3～5 mm，保持大機(jī)作業(yè)后曲線整體狀態(tài)穩(wěn)定。

4 效果分析

軌道加強(qiáng)和科學(xué)開展養(yǎng)護(hù)維修是控制半徑250 m曲線無縫線路穩(wěn)定性的主要手段，現(xiàn)已取得顯著效果。選取K 144.119～K 144.628試驗(yàn)段進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，設(shè)備質(zhì)量得到了有效提升。

表6 K 144.119～K1 44.628 TQI均值對比表

5 結(jié)論與展望

針對半徑250 m曲線無縫線路鋪設(shè)面臨的問題，本文研究分析了不同參數(shù)對半徑250 m曲線無縫線路穩(wěn)定性的影響，提出了無縫線路容許作業(yè)軌溫范圍和軌道加強(qiáng)措施，主要研究結(jié)論如下：

(1)軌道平順性可影響半徑250 m曲線無縫線路穩(wěn)定性。初始不平順波長一定時，最大橫向位移與不平順矢度成正比，與不平順波長成反比。

(2)半徑250 m曲線無縫線路現(xiàn)場作業(yè)軌溫可參照半徑400 m曲線無縫線路作業(yè)軌溫范圍相差5 ℃執(zhí)行。

(3)無縫線路應(yīng)力放散和軌距精調(diào)，可消除大軌距及軌距變化率不良病害問題。合理的軌道加強(qiáng)、科學(xué)的養(yǎng)護(hù)維修和管理是設(shè)備質(zhì)量得以保持的主要因素。

今后應(yīng)結(jié)合運(yùn)營過程中存在的問題及難點(diǎn)，不斷完善半徑250 m曲線無縫線路各類維修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步為國內(nèi)小半徑曲線無縫線路鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修提供有效數(shù)據(jù)支撐。