高速鐵路無砟軌道超大調(diào)整量扣件研發(fā)

肖俊恒 李子睿 張晟 蔡世生，2 李彥山 張歡 吳玥，2

1.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司， 北京 102206； 2.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

2022年1月8日青海省門源縣發(fā)生6.9級(jí)地震，致使蘭新客運(yùn)專線K1965 + 525—K1981 + 874 段（包括大梁隧道、硫磺溝大橋、祁連山隧道）軌道線路受到不同程度破壞［1-2］。蘭新客運(yùn)專線正線原設(shè)計(jì)采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道和W300-1 型扣件。本次地震引起隧道基礎(chǔ)巨大變形，進(jìn)而導(dǎo)致無砟軌道變形過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過既有軌道結(jié)構(gòu)調(diào)整能力［3-4］。因此，既有軌道結(jié)構(gòu)不具備可修復(fù)性，只能拆除重建。

根據(jù)勘察、設(shè)計(jì)及施工資料，蘭新客運(yùn)專線K1971 + 385—K1971 + 680 段地處地震斷層帶。為避免未來由于地震造成軌道幾何形位偏移進(jìn)而引起列車停運(yùn)的情況發(fā)生，亟待研發(fā)一種超大調(diào)整量扣件，用于快速修復(fù)地震造成的軌道幾何形位偏移。本文在WJ-8 型扣件和既有高速鐵路長(zhǎng)枕埋入式岔枕基礎(chǔ)上，開展增大鋼軌左右、高低位置調(diào)整量措施的研究。

1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)蘭新客運(yùn)專線大梁隧道內(nèi)線路條件和運(yùn)營(yíng)要求［5］，結(jié)合既有大調(diào)整量扣件的使用經(jīng)驗(yàn)，開展大調(diào)整量扣件的研究設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)原則如下：

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成熟穩(wěn)定。WJ-8型扣件在我國高速鐵路無砟軌道中廣泛應(yīng)用，具有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。因此，在WJ-8 型扣件［6］基礎(chǔ)上開展大調(diào)整量扣件研究設(shè)計(jì)，力求結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，零部件數(shù)量少，通用性強(qiáng)。

2）鋼軌位置調(diào)整量大，便于鋼軌位置調(diào)整，易于維修。由于地處地震斷裂帶，線路下部基礎(chǔ)穩(wěn)定性極易受地震影響。為快速恢復(fù)線路平順性，要求扣件具有較大的鋼軌位置調(diào)整能力，且用于鋼軌位置調(diào)整的零部件數(shù)量少，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整和維修作業(yè)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 左右位置特殊調(diào)整設(shè)計(jì)

由于扣件鋼軌左右位置目標(biāo)調(diào)整量為 ±150 mm，現(xiàn)有混凝土承軌臺(tái)不能滿足，因此取消現(xiàn)有混凝土承軌臺(tái)，采用鑄鐵承軌臺(tái)代替，再通過錨固螺栓和套管固定鐵承軌臺(tái)。

為提高扣件左右位置調(diào)整量，將鐵承軌臺(tái)的錨固螺栓孔設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓孔，鐵承軌臺(tái)承軌面設(shè)置1∶40的軌底坡，混凝土枕承軌面不再設(shè)置軌底坡，如圖1（a）所示。為提高鋼軌左右位置調(diào)整后扣件的橫向穩(wěn)定性和調(diào)整精度，設(shè)計(jì)一種與鐵承軌臺(tái)長(zhǎng)圓孔相匹配的鑄造偏心調(diào)距塊［圖1（b）］，通過調(diào)距塊上螺栓孔的偏心量進(jìn)行鋼軌左右位置的調(diào)整。當(dāng)鐵承臺(tái)長(zhǎng)圓孔配合調(diào)距塊進(jìn)行鋼軌左右位置調(diào)整量不足時(shí)，將常用的單套管改為三聯(lián)套管［圖1（c）］。通過錨固螺栓與不同的套筒配合，實(shí)現(xiàn)更大的鋼軌左右位置調(diào)整量。

圖1 左右位置特殊調(diào)整構(gòu)件

2.2 特殊調(diào)高、調(diào)低設(shè)計(jì)

在既有WJ-8型扣件基礎(chǔ)上，通過在鐵承軌臺(tái)下增設(shè)橡塑調(diào)高墊板、鋼調(diào)高墊板、緩沖墊板，加大鐵承軌臺(tái)厚度，加長(zhǎng)錨固螺栓等技術(shù)措施，結(jié)合WJ-8 型扣件自身的調(diào)高量，可實(shí)現(xiàn)最大100 mm的鋼軌調(diào)高量。

鐵承軌臺(tái)下預(yù)墊有一塊20 mm 厚的橡塑調(diào)高墊板。進(jìn)行鋼軌位置特殊調(diào)低時(shí)，可撤除該橡塑調(diào)高墊板，結(jié)合WJ-8型扣件原有的4 mm調(diào)低量，可實(shí)現(xiàn)最大24 mm的鋼軌調(diào)低量。

2.3 超大調(diào)整量扣件結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，能夠?qū)崿F(xiàn)超大調(diào)整量的承軌臺(tái)可調(diào)式WJ-8型扣件增加了鐵承軌臺(tái)、調(diào)距塊、緩沖墊板、錨固螺栓、重型彈簧墊圈、三聯(lián)套管等，同時(shí)將WJ-8型扣件緊固彈條的螺旋道釘、預(yù)埋套管替換為螺栓和嵌套組件（包括嵌套和小圓螺母）。另外，為滿足高低位置調(diào)整的需要，在鐵承軌臺(tái)下增設(shè)了橡塑調(diào)高墊板和鋼調(diào)高墊板。單個(gè)扣件新增零部件見表1。

表1 單個(gè)扣件新增零部件

圖2 承軌臺(tái)可調(diào)式WJ-8型扣件結(jié)構(gòu)

承軌臺(tái)可調(diào)式WJ-8型扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①將鐵承軌臺(tái)兩側(cè)的螺栓孔設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓孔，可進(jìn)行較大范圍的橫向調(diào)整；鐵承軌臺(tái)承軌槽部分設(shè)計(jì)為不同厚度，便于鋼軌高低位置調(diào)整。②增設(shè)與鐵承軌臺(tái)長(zhǎng)圓孔相匹配的調(diào)距塊，通過調(diào)距塊上的偏心螺栓孔進(jìn)行鋼軌左右位置調(diào)整，同時(shí)提高橫向穩(wěn)定性。③將單套管改為三聯(lián)套管，使用不同的套筒進(jìn)行鋼軌左右位置的調(diào)整。④增設(shè)緩沖墊板、橡塑調(diào)高墊板和鋼調(diào)高墊板。為緩沖鐵承軌臺(tái)與混凝土枕接觸面的沖擊，在二者之間增設(shè)緩沖墊板。緩沖墊板摞疊使用或增加調(diào)高墊板，可進(jìn)行鋼軌高低位置調(diào)整；當(dāng)需要更大調(diào)高量時(shí)，采用鋼調(diào)高墊板和緩沖墊板疊加使用。

3 扣件結(jié)構(gòu)配置

3.1 鋼軌左右位置調(diào)整

WJ-8 型扣件自身具有單股鋼軌左右位置 ±5 mm的調(diào)整能力。當(dāng)單股鋼軌左右位置調(diào)整量超出 ±5 mm時(shí)，采用不同號(hào)碼的調(diào)距塊配合WJ-8 型扣件進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)螺栓孔偏心距將調(diào)距塊分為13種號(hào)碼，最大調(diào)整量可達(dá) ±77 mm；單股鋼軌左右位置調(diào)整量超出±77 mm 時(shí)，再結(jié)合三聯(lián)套管進(jìn)行調(diào)整，單股鋼軌左右位置最大調(diào)整量可達(dá) ±150 mm。單股鋼軌左右位置調(diào)整時(shí)扣件配置見表2。。

表2 單股鋼軌左右位置調(diào)整時(shí)扣件配置

3.2 鋼軌高低位置調(diào)整

承軌臺(tái)可調(diào)式WJ-8型扣件通過緩沖墊板、橡塑調(diào)高墊板、鋼調(diào)高墊板和鐵承軌臺(tái)，結(jié)合WJ-8 型扣件自身調(diào)整量，對(duì)鋼軌高低位置的調(diào)整量可達(dá)-24 ～+100 mm。調(diào)整時(shí)扣件配置見表3。

表3 鋼軌高低位置調(diào)整時(shí)扣件配置

4 室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 組裝靜剛度試驗(yàn)

為研究承軌臺(tái)可調(diào)式WJ-8 型扣件在不同調(diào)高狀態(tài)下的組裝靜剛度變化，根據(jù)TB/ T 3396.3—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第3 部分：組裝靜剛度的測(cè)定》，對(duì)不同調(diào)高狀態(tài)下的組裝靜剛度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試裝置見圖3。測(cè)試結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和最大調(diào)高100 mm 狀態(tài)下，扣件組裝靜剛度分別為24.8、23.3 kN/mm。調(diào)高狀態(tài)對(duì)組裝靜剛度的影響不大。

圖3 組裝靜剛度試驗(yàn)裝置

4.2 組裝疲勞性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證承軌臺(tái)可調(diào)式WJ-8 型扣件系統(tǒng)的疲勞性能，根據(jù)TB/ T 3396.4—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第4 部分：組裝疲勞性能試驗(yàn)》和TB/ T 3395.5—2015《高速鐵路扣件 第5 部分：WJ-8 型扣件》，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和最大調(diào)高100 mm 狀態(tài)的扣件進(jìn)行了組裝疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)為：垂直力63 kN，橫向力30.7 kN；試驗(yàn)鋼軌高度161 mm；加載頻率4 Hz，荷載循環(huán)300萬次。

扣件組裝疲勞試驗(yàn)（圖4）結(jié)果表明：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)扣件，經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后，扣件各零部件均未傷損，軌距擴(kuò)大量不大于6 mm，組裝靜剛度變化率不大于25%，見表4；對(duì)于最大調(diào)高100 mm 狀態(tài)扣件，經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后，扣件各零部件均未傷損，軌距擴(kuò)大量3 mm，滿足技術(shù)條件要求。

表4 扣件標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

圖4 扣件組裝疲勞試驗(yàn)

4.3 三聯(lián)套管抗拔力試驗(yàn)

為研究三聯(lián)套管埋置于軌枕中的抗拔力，根據(jù)TB/ T 3396.7—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第7部分：預(yù)埋件抗拔力試驗(yàn)》，對(duì)三聯(lián)套管抗拔力測(cè)試，試驗(yàn)加載力75 kN，荷載保持3 min，見圖5。試驗(yàn)共測(cè)試3 組套管，試驗(yàn)后套管周邊混凝土無肉眼可見的裂紋，套管抗拔力滿足要求。

圖5 三聯(lián)套管抗拔力試驗(yàn)

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

承軌臺(tái)可調(diào)式WJ-8 型扣件系統(tǒng)已在蘭新客運(yùn)專線K1971 + 385—K1971 + 680 段大橋隧道鋪設(shè)。目前蘭新客運(yùn)專線正線正常運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試表明：該扣件服役狀態(tài)良好，零部件沒有出現(xiàn)損壞，扣件各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且能夠滿足列車運(yùn)營(yíng)和日常養(yǎng)護(hù)維修要求。

6 結(jié)論

1）通過三聯(lián)套管、調(diào)距塊和鐵承軌臺(tái)進(jìn)行鋼軌左右位置的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)單股鋼軌左右位置最大調(diào)整量±150 mm。

2）通過緩沖墊板、鐵承軌臺(tái)下調(diào)高墊板、鋼調(diào)高墊板、鐵承軌臺(tái)進(jìn)行鋼軌高低位置的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)鋼軌高低位置調(diào)整量為-24 mm ～ +100 mm。

3）扣件的組裝靜剛度、組裝疲勞性能和三聯(lián)套管抗拔性能測(cè)試結(jié)果表明，各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)要求。