多年凍土區(qū)無縫線路設計鋪設及養(yǎng)護維修技術研究

張向民，高亮，崔日新，曾志平，陳憲麥

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；

2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

3.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

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多年凍土區(qū)無縫線路設計鋪設及養(yǎng)護維修技術研究

張向民1，2,3，高亮1，崔日新1，曾志平2，陳憲麥2

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；

2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

3.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

摘要:開展多年凍土區(qū)無縫線路設計研究，為無縫線路鋪設提供設計和理論依據(jù)；基于青藏鐵路多年凍土區(qū)試驗獲得的氣溫、軌溫變化規(guī)律，提出適合于多年凍土地區(qū)的無縫線路鋪軌季節(jié)和最佳時間；基于多年凍土區(qū)無縫線路養(yǎng)護維修作業(yè)軌溫條件的理論研究，提出需從嚴控制作業(yè)軌溫條件的技術要求，建議多年凍土區(qū)無縫線路維修作業(yè)軌溫應在實際鎖定軌溫加15 ℃減20 ℃范圍內進行。

關鍵詞：青藏鐵路；多年凍土區(qū)；鐵路無縫線路；設計；鋪設；養(yǎng)護維修

目前，我國青藏高原多年凍土區(qū)無縫線路設計、鋪設及養(yǎng)護維修技術研究鮮見相關研究報道，無縫線路的設計及養(yǎng)護維修仍沿用普通地區(qū)無縫線路的相關規(guī)則，在設計中并沒有考慮到高原氣候及凍土地質條件對無縫線路設計參數(shù)及穩(wěn)定性計算的影響，也沒有依據(jù)多年凍土區(qū)鐵路的特點制定適宜的養(yǎng)護維修作業(yè)條件。青藏鐵路多年凍土區(qū)氣候和軌道結構上獨具的特點，使得無縫線路的設計與養(yǎng)護維修技術已不能再簡單效仿普通地區(qū)。我國《鐵路科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》也已將高原鐵路技術研究列入重點技術研究領域。因此，開展青藏鐵路高原多年凍土地區(qū)無縫線路研究，提出適用于多年凍土地區(qū)的設計、鋪設和養(yǎng)護維修方法及建議，對于我國青藏高原多年凍土區(qū)鐵路無縫線路的設計和養(yǎng)護維修技術規(guī)程的補充和完善、指導工程實踐等方面具有重要的意義[1～12]。

多年凍土區(qū)無縫線路獨具的特點。

1)多年凍土區(qū)軌溫日較差大。各測點觀測期內最大軌溫日較差為風火山地區(qū)48.2 ℃，其余測點最大軌溫日較差均超過40 ℃;

2)沿線年平均氣溫為-2 ℃以下。一年中6～9月的平均氣溫為正值，10月至次年5月氣溫為負值。7月平均氣溫最高，約為5.0～6.0 ℃，1月平均氣溫最低，約為-16.0～-20.0 ℃之間。即便是平均氣溫為正值的月份出現(xiàn)負溫的天數(shù)也很多，因此高原有“長冬無夏”之說;

3)沿線大氣透明度好，云量少，太陽直射強，總輻射量大，日照時數(shù)多，為2 600～3 000 h/a。高原上海拔5 000 m以下地區(qū)輻射平衡總量600～800 kcal/cm2a，為全國輻射量最大的地區(qū);

4)20‰大坡道較為普遍;

5)基床多年凍土的衰退和融化，引起路基熱融下沉病害，是該區(qū)路基工程常見的主要病害。這種病害多發(fā)生于高含冰量多年凍土分布地段、厚層地下冰發(fā)育地段、路橋和路涵過渡段以及路塹地段[13]。據(jù)統(tǒng)計，在青藏鐵路格拉段多年凍土地區(qū)的447座橋梁中，有161座橋梁的橋頭路基發(fā)生了較大下沉病害(最大下沉量達2 m左右)。為保證線路的平順性，頻繁進行起道和補砟作業(yè)，造成多年凍土地區(qū)厚道床地段較多;

6)青藏鐵路多年凍土區(qū)地處海拔4 350～5 300 m之間，存在高寒缺氧、強紫外線、氣溫低且日較差大、人機效率低等不利因素，容易造成鋼軌接頭焊接質量波動。長鋼軌的焊接質量缺陷在幅度大、頻率快的交變溫度應力作用下產生斷軌的幾率增大。特別是青藏鐵路格拉段采用自動站間閉塞(電子路簽閉塞方式)，不設地面信號機和軌道電路，不能依靠軌道電路及時發(fā)現(xiàn)斷軌的發(fā)生，雖然配備軌道檢查車和探傷車定期巡道，但不設巡道工，對于及時發(fā)現(xiàn)斷軌非常不利;

7)多年凍土區(qū)鐵路穿越無人區(qū)，大氣含氧量低，生活和工作環(huán)境極為艱苦，養(yǎng)護維修十分不便。

本文根據(jù)多年凍土區(qū)氣候和軌道結構上獨具的特點，研究確定了多年凍土區(qū)無縫線路鎖定軌溫、養(yǎng)護維修作業(yè)軌溫條件、無縫線路鋪設條件以及有關技術規(guī)定，提出了適合于高原多年凍土地區(qū)的無縫線路設計、鋪設和養(yǎng)護維修方法及建議。

1多年凍土區(qū)無縫線路設計

2多年凍土區(qū)無縫線路養(yǎng)護維修作業(yè)軌溫條件

無縫線路的養(yǎng)護維修作業(yè)，如起道、撥道、搗固、更換軌枕、維修扣件等，會暫時降低線路阻力。因此，為了作業(yè)中和作業(yè)后線路工作狀態(tài)正常，防止脹軌跑道、鋼軌折斷和過大伸縮，要求對不同作業(yè)內容和范圍的作業(yè)軌溫加以限制。養(yǎng)護維修作業(yè)大致可分為降低道床阻力作業(yè)和減少扣件扣壓力的作業(yè)。對于降低道床阻力的作業(yè)，根據(jù)道床阻力的性質，作業(yè)結束后道床阻力不會立即恢復到規(guī)定數(shù)值，所以還必須考慮作業(yè)后的溫度上升或下降情況，對于多年凍土區(qū)由于日溫差急劇，這一點尤為重要。下面從作業(yè)引起道床阻力下降和作業(yè)后軌溫急劇變化(此時道床阻力尚未完全恢復)這兩個方面確定多年凍土區(qū)混凝土枕無縫線路養(yǎng)護維修作業(yè)軌溫條件。

2.1由道床阻力下降得出的作業(yè)軌溫限值

C6l6+C5l5+C4l4+C3l3+C2l2+C1l+C0=0

(1)

式中：

C5=-0.155 6tQ2

C2=0.725 6fW2-0.362 8fW1+193.826 4EIt2+

C1=145.369 8EIbtf+145.369 8EItf

C0=96.913 2EIf2

式中：E為鋼軌鋼彈性模量；I為2根鋼軌截面對垂直中性軸的慣性矩；l為軌道彎曲波長；t為軌道原始彎曲矢長比；b為軌道原始彈性彎曲所占比例；f為軌道彎曲變形矢度；R為曲線半徑；Q1和Q2為等效道床阻力；W1和W2為等效扣件阻矩。

(2)

式中：β為軌道框架剛度系數(shù)，取1.0；f0為軌道原始彎曲矢度；f0e為軌道彈性原始彎曲矢度；q0為道床橫向初始阻力。

圖1　鋼軌所受溫度拉力情況Fig.1 Temperature tension in rail

2.2由作業(yè)后軌溫急劇變化得出的作業(yè)軌溫限值

圖2　06-26～06-27軌溫變化Fig.2 Rail temperature in June 26th ～ 27th

如圖3所示，不凍泉地區(qū)03-26軌溫在作業(yè)軌溫范圍內，若當天進行了維修作業(yè)，曲線軌道半徑800 m，軌道產生變形的溫度力臨界值P

圖3　03-26～03-27軌溫變化Fig.3 Rail temperature in March 26th ～ 27th

由養(yǎng)護維修作業(yè)引起道床阻力下降和本區(qū)由于日溫差大，存在當日符合作業(yè)軌溫，當日或次日就急劇降溫或升溫現(xiàn)象，因此容易發(fā)生軌道彎曲變形，降低無縫線路穩(wěn)定性，應從嚴控制作業(yè)容許溫度范圍。計算表明，《鐵路線路修理規(guī)則》中作業(yè)軌溫范圍的上限在多年凍土地區(qū)應用時應降低5 ℃。無縫線路養(yǎng)護維修作業(yè)軌溫條件見表1所示。

表1　混凝土枕無縫線路維修作業(yè)軌溫條件表

注：表中括號內是現(xiàn)有的《鐵路線路修理規(guī)則》中的維修作業(yè)軌溫條件。

多年凍土區(qū)無縫線路維修作業(yè)軌溫應在實際鎖定軌溫加15 ℃減20 ℃范圍內進行，試驗段的施工鎖定軌溫為14 ℃，因此作業(yè)軌溫范圍即為-6～29 ℃。根據(jù)實測軌溫如圖4可知，4月～11月平均軌溫在作業(yè)軌溫范圍內，如果避開中午11∶00～16∶00的時段，還是有充足的作業(yè)時間。

圖4　2011年旬軌溫Fig.4 Ten day average temperature of rail in 2011

無縫線路維修作業(yè)，必須遵守上述作業(yè)軌溫條件。同時還須嚴格執(zhí)行高溫或低溫季節(jié)不得進行減小道床阻力的作業(yè)。

1)本地區(qū)在高溫季節(jié)軌溫有低于0 °的現(xiàn)象，如6月下旬7 d(6 d)，7月14 d(7 d)，8月16 d(9 d)，9月上旬5 d(5 d)。括號內為氣溫低于零度的天數(shù)。雖符合作業(yè)軌溫范圍，但也應嚴格執(zhí)行高溫季節(jié)不得進行減小道床阻力的作業(yè)的要求。因為這個季節(jié)如果天氣晴朗軌溫就會快速上升。

2)本地區(qū)負溫期長，全年軌溫低于作業(yè)軌溫下限的時段為1～5月，6月有2 d，8月有2 d，9月有7 d，10～12月。可見，高溫季節(jié)也有軌溫低于作業(yè)軌溫下限的情況。這種情況在養(yǎng)護維修中應加以注意，防止不當作業(yè)引起鋼軌收縮。

3關于多年凍土區(qū)無縫線路鋪設

鋪設無縫線路的時間，要選擇在溫度相對穩(wěn)定的時間段內。

1)由圖5可知，5月下旬至6月中旬以及8月中旬至9月中旬，軌溫的均值落入設計鎖定軌溫范圍內，因此在這段時間鎖定鋼軌較為有利。由于春季白天的軌溫變化比秋季的大，另外秋季鋪設無縫線路對穩(wěn)定性有利，所以本區(qū)推薦8月中旬至9月中旬鋪軌較為有利。

圖5　2011年旬平均軌溫Fig.5 Ten day average temperature of rail in 2011

2)鋪設無縫線路很關鍵的一點，就是在施工時間內，要求軌溫的變化始終保持在設計鎖定軌溫范圍之內。若鋪設時的溫度變化比較快時，就會使長鋼軌不同部分的施工鎖定軌溫不同，長鋼軌內部縱向力不均勻，導致養(yǎng)護維修工作極為不便，而且也非常危險，所以必須選擇軌溫相對穩(wěn)定的時間范圍內以及軌溫接近于鎖定軌溫的季節(jié)進行鋪設。從圖6～7可看出，晚10∶00至次日8∶00，軌溫趨于平穩(wěn)，軌溫與氣溫值接近；中午12∶00至16∶00軌溫也趨于平穩(wěn)，但如果不是雨雪天氣影響，軌溫一般都高于氣溫20 ℃左右。8∶00至12∶00為軌溫上升階段，16∶00至20∶00為軌溫下降階段，平均每10 min上升或下降約1 ℃。

圖6　高溫季節(jié)日氣溫軌溫變化Fig.6 Rail and air temperature in high temperature season

圖7　低溫季節(jié)日氣溫軌溫變化Fig.7 Rail and air temperature in high temperature season

4結論

1)采用本文所推導的穩(wěn)定性公式計算允許溫升。確定不凍泉地區(qū)鎖定軌溫為12±5 ℃，伸縮區(qū)長度為60 m，長軌條與緩沖軌之間的預留軌縫取10 mm，緩沖軌之間預留軌縫取5 mm。

2)從作業(yè)引起道床阻力下降和作業(yè)后軌溫急劇變化這2個方面對多年凍土區(qū)無縫線路養(yǎng)護維修作業(yè)軌溫條件進行了研究。研究表明：本區(qū)存在作業(yè)后道床阻力下降，作業(yè)當日或次日軌溫急劇降溫或升溫引起軌道變形的理論可能。因此，需從嚴控制作業(yè)容許軌溫范圍。建議多年凍土區(qū)無縫線路維修作業(yè)軌溫應在實際鎖定軌溫加15 ℃減20 ℃范圍內進行。另外，本地區(qū)在高溫季節(jié)軌溫有低于0 ℃的現(xiàn)象，雖符合作業(yè)軌溫范圍，但必須嚴格執(zhí)行高溫季節(jié)不得進行減小道床阻力的作業(yè)；本地區(qū)負溫期長，高溫季節(jié)也有軌溫低于作業(yè)軌溫下限的情況，在養(yǎng)護維修中應加以注意。

3)研究表明：本區(qū)推薦8月中旬至9月中旬進行無縫線路鋪軌較為有利。每天晚10∶00至次日8∶00，軌溫趨于平穩(wěn)，軌溫與氣溫值接近；中午12∶00至16∶00軌溫也趨于平穩(wěn)，但如果不是雨雪天氣影響，軌溫一般都高于氣溫20 ℃左右。

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(編輯蔣學東)

Research on the technology of design, laying and maintenance for CWR in permafrost regions

ZHANG Xiangmin1,2,3，GAO Liang1，CUI Rixin1，ZENG Zhiping2，CHEN Xianmai2

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；

2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

3. Instruction of National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Abstract:The design of CWR in permafrost zone was carried out, which provided theoretical basis for the laying of CWR. Based on the variation laws of temperature in permafrost zone, suitable laying season and time for CWR were proposed. The research on the maintenance temperature of CWR in permafrost zone shows that the maintenance temperature should be no more than actual stress-free temperature adding 15 ℃ and no less than it reducing 20 ℃.

Key words:Qinghai-Tibet Railway；permafrost regions；continuously welded rails；design；laying；maintenance

中圖分類號：U213.9

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0257-06

通訊作者：張向民(1973-)，男，遼寧興城人，講師，博士研究生，從事鐵路軌道結構研究；E-mail: zxmzk6298@163.com

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃重點資助項目(2010G015-A，2010G026，Z2013-G006)

收稿日期：2015-06-15