既有曲線車(chē)站站線無(wú)縫化改造可行性研究

董昆靈 許釗榮 李瑩 楊榮山 郭利康 李江波

1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司重慶工務(wù)段，重慶 400053

無(wú)縫線路具有便于高速行車(chē)、易于養(yǎng)護(hù)維修等優(yōu)點(diǎn)，因此國(guó)內(nèi)鐵路正線基本都鋪設(shè)無(wú)縫線路［1-3］。為了保證行車(chē)平穩(wěn)性和降低維修成本，許多站線也采用了無(wú)縫道岔［4-5］和無(wú)縫線路［6-7］。由于實(shí)際軌枕間距較大、砟肩寬度不足等，部分線路出現(xiàn)了道床翻漿和板結(jié)等不良病害，嚴(yán)重時(shí)危及行車(chē)安全［8］。為了滿(mǎn)足正線鐵路提速需要，對(duì)重慶工務(wù)段管內(nèi)川黔線轉(zhuǎn)關(guān)口站和綦江站兩座曲線車(chē)站進(jìn)行無(wú)縫化改造。

考慮到無(wú)砟軌道一旦出現(xiàn)病害不易維修［9］，這兩座曲線車(chē)站采用易維修、造價(jià)低、彈性好［10］的有砟軌道。有砟道床為散粒體結(jié)構(gòu)，具有離散性和時(shí)變性［11］，會(huì)導(dǎo)致碎石道床不良和阻力不均勻分布，可能引起改造后的有砟道床無(wú)縫線路不穩(wěn)定。列車(chē)通過(guò)曲線段不同位置的動(dòng)力響應(yīng)不同［12］，會(huì)導(dǎo)致不同位置的無(wú)縫線路服役狀態(tài)有差異。曲線段中圓曲線的正矢比緩和曲線大，在無(wú)縫線路中被認(rèn)為是易脹軌跑道段［13］。因此，研究曲線段有砟軌道無(wú)縫化改造可行性具有現(xiàn)實(shí)意義。

道床縱向、橫向阻力使道床能夠抵抗軌道框架縱向、橫向位移［14］?？v向阻力是進(jìn)行線路爬行狀態(tài)研究和橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)的重要參數(shù)［15］；橫向阻力是進(jìn)行無(wú)縫線路穩(wěn)定性檢算的重要參數(shù)。為了能更加科學(xué)準(zhǔn)確地研究既有站線曲線段有砟軌道無(wú)縫化改造的可行性，應(yīng)先確定其道床縱向、橫向阻力。本文對(duì)轉(zhuǎn)關(guān)口站和綦江站的曲線段有砟道床阻力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，探討曲線段站線無(wú)縫化改造的可行性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和穩(wěn)定性分析提出相應(yīng)的改良措施。

1 試驗(yàn)概況

1.1 測(cè)試區(qū)段

測(cè)試地點(diǎn)為重慶工務(wù)段管內(nèi)川黔鐵路轉(zhuǎn)關(guān)口站站1線和綦江站站1線。兩區(qū)段線路主要鋪設(shè)Ⅱ型軌枕，有少量的69型軌枕，設(shè)計(jì)軌枕間距625 mm。轉(zhuǎn)關(guān)口站測(cè)試區(qū)段的圓曲線半徑為600 m，實(shí)際軌枕間距690 mm，最小砟肩寬度為110 mm。綦江站測(cè)試區(qū)段的圓曲線半徑為1000 m，實(shí)際軌枕間距630 mm，最小砟肩寬度為125 mm。

1.2 縱向阻力測(cè)試方法

縱向阻力測(cè)試采用現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試方法，如圖1所示。首先松開(kāi)待測(cè)試軌枕的扣件并抽出膠墊，確保軌枕不與軌底接觸。然后利用相鄰軌枕提供的支承，用一個(gè)千斤頂縱向推移待測(cè)試軌枕?？紤]到加力裝置位于軌枕中部，為避免軌枕左右位移不均勻造成測(cè)量誤差，在軌枕兩端各安裝1塊百分表，取其位移平均值作為軌枕位移觀測(cè)值。最后進(jìn)行加載，同時(shí)記錄百分表讀數(shù)（軌枕位移）和液壓千斤頂精密壓力表讀數(shù)（由其換算出加載力）。試驗(yàn)完成后，卸掉荷載，將軌枕恢復(fù)原位并搗實(shí)道砟。

圖1 縱向阻力測(cè)試布置

1.3 橫向阻力測(cè)試方法

橫向阻力測(cè)試采用現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試方法，如圖2所示。首先松開(kāi)待測(cè)試軌枕的扣件并抽出膠墊，確保軌枕不與軌底接觸。然后以鋼軌作為支撐，把加力架安裝在待測(cè)試軌枕上鋼軌的外側(cè)，將千斤頂橫置在加力架中，進(jìn)行預(yù)加載，把頂鐵的前端頂在鋼軌軌腰上，并在軌枕另一股鋼軌處布置百分表。最后進(jìn)行加載，同時(shí)記錄百分表讀數(shù)（軌枕位移）和液壓千斤頂精密壓力表讀數(shù)（由其換算出加載力）。試驗(yàn)完成后，卸掉荷載，將軌枕恢復(fù)原位并搗實(shí)道砟。

圖2橫向阻力測(cè)試布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

兩個(gè)測(cè)試區(qū)段的軌道整體結(jié)構(gòu)均較弱，為了全面反映道床穩(wěn)定性，不僅要對(duì)所有測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，還要單獨(dú)對(duì)最小的一組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。

采用多項(xiàng)式回歸方法分別對(duì)單根軌枕道床阻力r（單位：kN）、單位道床分布阻力q（單位：N/mm）進(jìn)行擬合分析，其多項(xiàng)式公式分別為

式中：r0為初始單根軌枕道床阻力，kN；x為軌枕位移，mm；q0為初始單位道床阻力，N/mm；f為軌枕位移，mm；B、C、N、c1、c2為阻力系數(shù)，N取3/4。

2.1 縱向阻力

在轉(zhuǎn)關(guān)口站選取了6根69型軌枕進(jìn)行道床縱向阻力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果及擬合曲線見(jiàn)圖3。可知，對(duì)于69型軌枕，縱向位移2 mm時(shí)：?jiǎn)胃壵淼来部v向阻力擬合值為15.65 kN，最不利位置處為8.64 kN；單位道床縱向分布阻力擬合值為22.69 N/mm，最不利位置處為12.49 N/mm。

圖3 69型軌枕道床縱向阻力測(cè)試結(jié)果及擬合曲線

在綦江站與轉(zhuǎn)關(guān)口站共選取了11根Ⅱ型軌枕進(jìn)行道床縱向阻力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果及擬合曲線見(jiàn)圖4?？芍?，對(duì)于Ⅱ型軌枕，縱向位移2 mm時(shí)，單根軌枕道床縱向阻力擬合值為20.75 kN（總體），綦江站與轉(zhuǎn)關(guān)口站的單根軌枕道床縱向阻力擬合值分別為24.53、8.96 kN，最不利位置處分別為7.02、5.57 kN；單位道床縱向分布阻力擬合值為32.46 N/mm；綦江站與轉(zhuǎn)關(guān)口站的單位道床縱向分布阻力擬合值分別為39.00、13.00 N/mm，最不利位置處分別為11.13、8.09 N/mm。

圖4 Ⅱ型軌枕道床縱向阻力測(cè)試結(jié)果及擬合曲線

根據(jù)69型軌枕和Ⅱ型軌枕的道床縱向阻力可知，道床的縱向阻力具有明顯的彈塑性，但實(shí)際軌枕間距與設(shè)計(jì)值相差較大，導(dǎo)致各軌枕盒內(nèi)道砟密實(shí)度差異較大，進(jìn)而使道床的縱向阻力離散性較大。在這兩座曲線車(chē)站，Ⅱ型軌枕的總體單位道床縱向分布阻力是69型軌枕的143%；綦江站鋪設(shè)Ⅱ型枕區(qū)段的整體和最不利位置處單位道床縱向分布阻力分別是轉(zhuǎn)關(guān)口站鋪設(shè)Ⅱ型枕區(qū)段的300%、137%。

2.2 橫向阻力

在轉(zhuǎn)關(guān)口站選取6根69型軌枕，對(duì)其進(jìn)行道床橫向阻力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果及擬合曲線見(jiàn)圖5。可知，對(duì)于69型軌枕，橫向位移為2 mm時(shí)，軌枕道床橫向阻力擬合值為8.38 kN，最不利位置處為7.34 kN；單位道床橫向分布阻力擬合值為12.15 N/mm，最不利位置處為10.66 N/mm。

圖5 69型軌枕道床橫向阻力測(cè)試結(jié)果及擬合曲線

在綦江站與轉(zhuǎn)關(guān)口站共選取了24根Ⅱ型軌枕進(jìn)行道床橫向阻力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果及擬合曲線見(jiàn)圖6?？芍?，對(duì)于Ⅱ型軌枕，橫向位移2 mm時(shí)，單根軌枕道床橫向阻力擬合值為9.04 kN（總體），綦江站與轉(zhuǎn)關(guān)口站的單根軌枕道床橫向阻力擬合值分別為9.29、8.67 kN，最不利位置處分別為5.62、6.53 kN；單位道床橫向分布阻力擬合值為13.90 N/mm，綦江站與轉(zhuǎn)關(guān)口站的單位道床橫向分布阻力擬合值分別為14.70、12.58 N/mm，最不利位置處分別為8.92、9.47 N/mm。

圖6 Ⅱ型軌枕道床橫向阻力測(cè)試結(jié)果及擬合曲線

根據(jù)69型軌枕和Ⅱ型軌枕的道床橫向阻力可知，道床的橫向阻力具有明顯的彈塑性，但部分道床砟肩寬度不足，導(dǎo)致滑動(dòng)體的重量減少，進(jìn)而使道床的橫向阻力離散性較大。在這兩座曲線車(chē)站，Ⅱ型軌枕的總體單位道床橫向阻力是69型軌枕的114%；綦江站鋪設(shè)Ⅱ型枕區(qū)段的整體和最不利位置處單位道床橫向分布阻力分別是轉(zhuǎn)關(guān)口站鋪設(shè)Ⅱ型枕區(qū)段的117%、94%。

3 無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

資料顯示，綦江區(qū)的最高軌溫為60℃，最低軌溫為-3℃。轉(zhuǎn)關(guān)口站和綦江站的設(shè)計(jì)鎖定軌溫分別為34、35℃?？紤]到施工影響，設(shè)計(jì)鎖定軌溫的變化范圍為±5℃。測(cè)試區(qū)段實(shí)際最大降溫幅度為43℃，實(shí)際最大升溫幅度為31℃。由于實(shí)際升降溫幅度較大，為了保證無(wú)縫化改造后線路的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)關(guān)口站和綦江站曲線段無(wú)縫線路的軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行檢算。

3.1 軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算

兩個(gè)測(cè)試區(qū)段所在線路采用60 kg/m的U75鋼軌，通過(guò)車(chē)輛主要為韶山Ⅲ型電力機(jī)車(chē)，設(shè)計(jì)時(shí)速90 km。根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行無(wú)縫化軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算，轉(zhuǎn)關(guān)口站的容許降溫幅度為60.0℃，實(shí)際最大降溫幅度為42.0℃；綦江站的容許降溫幅度為69.0℃，實(shí)際最大降溫幅度為43.0℃。

轉(zhuǎn)關(guān)口站和綦江站的實(shí)際最大降溫幅度均小于容許降溫幅度，滿(mǎn)足規(guī)范要求；轉(zhuǎn)關(guān)口站的容許降溫幅度較綦江站低9.0℃，說(shuō)明不同曲線半徑段進(jìn)行無(wú)縫化改造后軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差異較大。

3.2 無(wú)縫線路穩(wěn)定性檢算

根據(jù)TB 10015—2012進(jìn)行無(wú)縫化線路穩(wěn)定性檢算，轉(zhuǎn)關(guān)口站的69型軌枕整體的容許升溫幅度為60.2℃，最不利的容許升溫幅度為56.1℃，實(shí)際最大升溫幅度為31.0℃；轉(zhuǎn)關(guān)口站的Ⅱ型軌枕整體的容許升溫幅度為60.7℃，最不利的容許升溫幅度為51.4℃，實(shí)際最大升溫幅度為31.0℃。綦江站的Ⅱ型軌枕整體的容許升溫幅度為71.1℃，最不利的容許升溫幅度為50.2℃，實(shí)際最大升溫幅度為30.0℃。

轉(zhuǎn)關(guān)口站和綦江站的實(shí)際最大升溫幅度均小于容許升溫幅度，滿(mǎn)足規(guī)范要求；對(duì)于Ⅱ型軌枕，轉(zhuǎn)關(guān)口站、綦江站最不利位置處容許升溫幅度分別比整體降低了9.3、20.9℃，說(shuō)明不同區(qū)段無(wú)縫化穩(wěn)定性的差異較大。

4 結(jié)論及建議

1）轉(zhuǎn)關(guān)口站和綦江站的69型軌枕道床縱向、橫向阻力分別為22.69、12.15 N/mm；Ⅱ型軌枕道床縱向、橫向阻力分別為32.46、13.90 N/mm，但受道床狀態(tài)等諸多因素的影響，道床阻力的離散性較大。

2）轉(zhuǎn)關(guān)口站和綦江站無(wú)縫線路軌道實(shí)際最大降溫幅度均小于容許降溫幅度，實(shí)際最大升溫幅度均小于容許升溫幅度，鋼軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿(mǎn)足規(guī)范要求，可以進(jìn)行無(wú)縫化改造。

3）由于最不利軌溫偏低，建議嚴(yán)格監(jiān)控鎖定軌溫的變化，對(duì)軌溫進(jìn)行定期測(cè)量，并加強(qiáng)鋼軌的位移觀測(cè)，以無(wú)縫線路軌溫及鋼軌位移條件為依據(jù)，保障無(wú)縫線路的穩(wěn)定性。

4）測(cè)試區(qū)間的69型軌枕強(qiáng)度低于Ⅱ型軌枕，建議條件允許情況下全部換成Ⅱ型軌枕；由于實(shí)際軌枕間距與設(shè)計(jì)軌枕間距相差較大，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及線路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均造成一定影響，建議在線路維修時(shí)作出調(diào)整，恢復(fù)軌枕設(shè)計(jì)間距，增鋪軌枕；該地段線路路基翻漿、道床板結(jié)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且部分道床砟肩寬度不足，建議進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，恢復(fù)道床斷面及狀態(tài)。