鐵路線路糾偏維修技術(shù)與效果分析

崔 帆

（國(guó)能集團(tuán)鐵路裝備公司神維分公司府谷工務(wù)機(jī)械段，陜西 神木 719313）

隨著高鐵技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)鐵路運(yùn)輸進(jìn)行了又一次技術(shù)革命，全國(guó)范圍內(nèi)的鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大[1]。在我國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃方案中，將建成八橫八縱的主干鐵路網(wǎng)絡(luò)，而枝干鐵路將深入到全國(guó)大部分市縣，形成極為便利的鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。但是，需要指出的是，我國(guó)幅員遼闊、國(guó)土面積廣大。鐵路網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)范圍內(nèi)的延伸，將遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和氣象條件。再加上高速鐵路的承載量大，行駛速度快，長(zhǎng)期使用過(guò)程中，鐵路線路會(huì)出現(xiàn)各種鐵路病害[2]。這些病害輕者會(huì)影響鐵路的正常運(yùn)輸，重者會(huì)導(dǎo)致重大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。在各種鐵路線路病害中，因路基沉降導(dǎo)致的線路偏移最為常見(jiàn)，影響也較大[3]。線路偏移又有不同方向的區(qū)別，有垂直方向偏移即純沉降，也有水平方向上的偏移，還有水平和垂直方向同時(shí)發(fā)生的復(fù)合偏移。該文將根據(jù)千斤頂效應(yīng)模型，提出鐵路線路垂直偏移和水平偏移的具體糾正方法，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 基于千斤頂效應(yīng)模型的垂直偏移糾偏

鋼軌是鐵路線路的重要組成部分。為保持鋼軌的正確位置和姿態(tài)，鋼軌下方都要鋪設(shè)具有足夠承載力的軌基。構(gòu)成軌基的常見(jiàn)素材有混凝土支撐、道床板以及枕木等。但是，在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，在自然環(huán)境條件的雨水和風(fēng)力侵蝕下，軌跡可能會(huì)因沉降引發(fā)垂直方向上的鋼軌偏移。

在這種情況下，一個(gè)最直觀的想法，就是采用類似千斤頂?shù)闹喂ぞ?，通過(guò)在鋼軌下的合理排步形成對(duì)鋼軌的支撐作用，從而避免因軌基沉降導(dǎo)致的鋼軌線路垂直偏移。

千斤頂在垂直向完成鐵路線路偏移糾偏的原理，如圖1所示。

圖1 千斤頂在垂直向完成鐵路線路偏移糾偏的原理

如圖1所示，鋼軌下面是道床板，其下是支撐層，為了糾正因沉降產(chǎn)生的垂直方向上的鐵路線路偏移，可以在支撐層之間兩側(cè)植入千斤頂，利用千斤頂效應(yīng)限制沉降，從而起到對(duì)鐵路線路垂直方向上偏移的糾偏效果。

使用該糾偏方案應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：千斤頂應(yīng)在幾個(gè)支撐層之間嵌入，尤其是千斤頂上方的支撐層應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度，能夠配合千斤頂完成支撐糾偏的作用；千斤頂?shù)撞亢推湎碌闹螌颖仨氂蟹€(wěn)定的接觸面，確保千斤頂不發(fā)生滑移；千斤頂要從左右兩側(cè)對(duì)稱卡入，形成均衡的支撐效果。

根據(jù)千斤頂效應(yīng)，垂直向糾偏過(guò)程中使用的千斤頂?shù)囊?guī)格和數(shù)量，與軌道及軌基整體的質(zhì)量密切相關(guān)，其計(jì)算如公式（1）所示。

式中：Q為軌道及軌基即道床板、支撐層的總質(zhì)量，單位是kg；lD為道床板的總體長(zhǎng)度，單位是m；mD為道床板的總體寬度，單位是m；nD為道床板的總體厚度，單位是m；ρD為道床板的總體材料密度，單位是kg/m3；lZ為支撐層的總體長(zhǎng)度，單位是m；mZ為支撐層的總體寬度，單位是m；nZ為支撐層的總體厚度，單位是m；ρZ為支撐層的總體材料密度，單位是kg/m3；lG為鋼軌軌道的總體長(zhǎng)度，單位是m；mG為鋼軌軌道的總體寬度，單位是m；nG為鋼軌軌道的總體厚度，單位是m；ρG為鋼軌軌道的材料密度，單位是kg/m3。

在垂直向糾偏的支撐過(guò)程中，需要重點(diǎn)考察支撐形成的抗剪切效果，其能承受的剪切力滿足下面2個(gè)校核公式，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：τ為支撐整體截面達(dá)到的抗剪切力，β為支撐截面整體對(duì)應(yīng)的高度影響參數(shù)，b為支撐整體截面的寬度，h為支撐整體截面的高度，f為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

式中：τ為支撐整體截面達(dá)到的抗剪切力，G為鐵路鋼軌軌道的重力，p為支撐整體中的總層數(shù)Lp，為支撐整體中每層的寬度，q為支撐整體中的總板數(shù)，Lq為支撐整體中每層板的寬度。

進(jìn)一步考察垂直向糾偏后，支撐需發(fā)揮的抗彎效果，如公式（4）所示。

式中：M為支撐整體截面達(dá)到的抗彎強(qiáng)度，γ為支撐截面整體抵抗塑性變形的系數(shù)，b為支撐整體截面的寬度，h為支撐整體截面的高度，f為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

支撐整體截面達(dá)到的抗彎強(qiáng)度的計(jì)算，還應(yīng)該滿足下面的條件。，如公式（5）所示。

式中：M為支撐整體截面達(dá)到的抗彎強(qiáng)度，G為鐵路鋼軌軌道的重力，p為支撐整體中的總層數(shù)，Gp為支撐層的整體重力，q為支撐整體中的總板數(shù)，Gq為支撐板的整體重力，L為支撐之間的最大跨度，L1為為支撐之間整體跨度的第一組成跨度，L2為為支撐之間整體跨度的第二組成跨度。

2 基于千斤頂效應(yīng)模型的水平偏移糾偏

鑒于千斤頂可以發(fā)揮的支撐效果，同樣可以將其應(yīng)用于水平偏移發(fā)生后的糾偏處理。對(duì)于水平偏移的糾偏處理方案，如圖2所示。

圖2 千斤頂在水平向完成鐵路線路偏移糾偏的原理

如圖2所示，并行的兩條鋼軌線路是從西南向東北方向延伸，如果因某些條件導(dǎo)致其在水平面內(nèi)發(fā)生偏移，仍然可以采用千斤頂支撐的方法進(jìn)行糾偏維修。此時(shí)，千斤頂也應(yīng)從垂直方向改變?yōu)樗椒较颉Ｔ谒矫鎯?nèi)的合理角度，應(yīng)該正好垂直于鋼軌。這樣的情況下，千斤頂就可以發(fā)揮出水平支撐力。

該方案在實(shí)際執(zhí)行的過(guò)程中，要充分考慮每一條鋼軌發(fā)生偏移的位置，在對(duì)應(yīng)位置時(shí)加千斤頂支撐。同時(shí)，要注意千斤頂配置的合理數(shù)量和千斤頂?shù)囊?guī)格，避免支撐力過(guò)大導(dǎo)致糾偏過(guò)量，也避免多支撐形成的彎扭效應(yīng)。

根據(jù)糾偏維修經(jīng)驗(yàn)，水平方向上鋼軌線路進(jìn)行的糾偏處理，主要和長(zhǎng)度、頂推力等因素有關(guān)。糾偏過(guò)程中，需要考慮的撓度參數(shù)計(jì)算如公式（6）所示。

式中：y為鋼軌線路在發(fā)生水平方向偏移時(shí)的撓度大小；l為糾偏過(guò)程中的跨度；q為鋼軌線路上的均勻分布的載荷；E為鋼軌線路結(jié)構(gòu)的彈性模量；I為鋼軌線路截面的慣性矩。

據(jù)此，可以計(jì)算出所使用的千斤頂需要承受的載荷，如公式（7）所示。

式中：F為千斤頂需要承受的載荷的大小，L為兩個(gè)千斤頂之間的跨度距離的大小，E為鋼軌線路結(jié)構(gòu)的彈性模量大小，I為鋼軌線路截面的慣性矩大小，y為鋼軌線路在發(fā)生水平方向偏移時(shí)的撓度大小，l為糾偏過(guò)程中的跨度大小。

3 鐵路線路糾偏效果試驗(yàn)與分析

在前面的工作中，依托千斤頂效應(yīng)模型，針對(duì)鐵路線路的糾偏維修問(wèn)題，分別提出了垂直方向上的糾偏方案和水平方向上的糾偏方案，并給出了對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型及核心公式的推導(dǎo)。在該部分的工作中，將通過(guò)試驗(yàn)對(duì)糾偏效果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

觀察垂直向糾偏后得到的效果，如圖3所示。

圖3 垂直向糾偏效果的試驗(yàn)結(jié)果

圖3中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位是s；縱坐標(biāo)為施加千斤頂糾偏后，鋼軌軌道在垂直向上的動(dòng)位移，單位是mm。在橫坐標(biāo)方向，當(dāng)?shù)谝幻腴_始計(jì)時(shí)，以0.1s為一個(gè)間隔單位，此后逐步增加到1.8s。在縱坐標(biāo)方向，以0位移量為參考位置，以0.1mm為步進(jìn)單位，逐步向下增加到-0.9mm。

在靜態(tài)情況下，鋼軌自身質(zhì)量不足以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)位移，即便考慮周圍環(huán)境復(fù)雜因素等產(chǎn)生的震動(dòng)效果，垂直方向上的動(dòng)態(tài)位移量也非常小。試驗(yàn)過(guò)程中，以一個(gè)四輪的載重小車，從鋼軌上滑過(guò)，單側(cè)會(huì)形成2個(gè)輪同鋼軌軌道面的接觸，從而產(chǎn)生外力施壓。這時(shí)，會(huì)先后兩次產(chǎn)生垂直方向上的動(dòng)位移，曲線形成2個(gè)向下的峰值。

從圖3中的結(jié)果可以看出，測(cè)試載重小車的經(jīng)過(guò)，導(dǎo)致了1.2s～1.3s、1.4～1.5s先后出現(xiàn)了2個(gè)較大的垂直方向上的動(dòng)態(tài)位移量。但是，在該文構(gòu)建的基于千斤頂效應(yīng)模型的垂直向糾偏處理方案下，兩次動(dòng)態(tài)位移量非常小，≤0.9mm。這充分表明，該文糾偏方案對(duì)于垂直方向上的偏移，產(chǎn)生了很好的糾偏效果。

進(jìn)一步觀察水平方向上糾偏方案所達(dá)成的效果，如圖4所示。

圖4 水平向糾偏效果的試驗(yàn)結(jié)果

圖4中，橫坐標(biāo)為糾偏長(zhǎng)度，單位是m；縱坐為千斤頂發(fā)揮的頂推力大小，單位是kN；橫坐標(biāo)方向上，從20m的位置開始計(jì)起，以2m為一個(gè)步進(jìn)單位，以4m為一個(gè)標(biāo)記刻度，一直記錄到56m的糾偏長(zhǎng)度位置；縱坐標(biāo)方向上，從0kN的大小開始計(jì)起，以100kN為一個(gè)步進(jìn)單位，以100kN為一個(gè)標(biāo)記刻度，一直記錄到1000kN的頂推力大小。

從圖4中的曲線可以看出，水平方向上的軌道糾偏處理中，千斤頂頂推力和糾偏長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線表現(xiàn)為反比例曲線。也就是說(shuō)，隨著糾偏長(zhǎng)度逐漸遠(yuǎn)離施力點(diǎn)，千斤頂?shù)捻斖屏?huì)逐漸變小。這樣，就可以在即校正水平方向軌道偏移的同時(shí)，又不至于導(dǎo)致軌道糾偏過(guò)激的情況發(fā)生。

4 結(jié)論

因沉降、地質(zhì)因素、氣候因素、各種復(fù)雜環(huán)境因素等導(dǎo)致的鐵路線路偏移，會(huì)極大地威脅鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?。該文針?duì)鐵路線路糾偏及維修問(wèn)題，在千斤頂效應(yīng)模型的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)垂直方向和水平方向上的鐵路軌道偏移，進(jìn)行了糾偏方案的設(shè)計(jì)，并給出了具體的數(shù)學(xué)模型和關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法。試驗(yàn)過(guò)程中，軌道垂直向的動(dòng)態(tài)位移量變化曲線在很小的幅度內(nèi)變化，軌道水平方向上頂推力變化曲線的逐漸削弱，都證實(shí)了該文糾偏處理方案的有效性。