寧西線線路大中修設計探討

孟維剛 中國鐵路上海局集團公司工務部

從2012年起，集團公司對管內寧西線增建二線并對既有線路進行改造提升。寧西線我局管內正線全長135.470 km，新建二線長度為96.447 km。2015年12月改造完成并投入運營。由于是既有線的改造提升，有很大部分是利舊線路，軌道、道床等部位傷損病害很多，例如部分線路還是2004年鋪設的60 kg/m普通線路，軌道魚鱗傷損、波磨、側磨嚴重，鋼軌疲勞重傷嚴重；部分道床板結冒漿嚴重，日常的養(yǎng)護維修不能從根本上解決問題。為使新建線路和原利舊線路“結構等強、質量均衡”，充分發(fā)揮寧西線改建二線后的經濟效益，減輕設備管理單位日常養(yǎng)護維修工作量，從2017年開始，集團公司利用年度大修計劃對寧西線部分線路進行補強。

1 跨區(qū)間無縫線路設計方案

寧西線下行K842+150.72-K848+283.6，寧西線上行K849+055.8-K854+110.25間為P60軌普通線路。對本段線路設計為P60整修軌跨區(qū)間無縫線路，從而在根本上消滅普通接頭，減小設備管理單位的養(yǎng)修維護工作量，實現寧西線全線無縫化。

1.1 無縫線路穩(wěn)定性計算

對于無縫線路來說，穩(wěn)定性應滿足軌道的計算允許溫升應大于實際最大溫升。允許溫升利用盧耀榮提出的波長不等的穩(wěn)定性計算公式計算。

假設軌道是無限長梁，受到橫向均勻約束，軌道初始彎曲的線性函數是正弦函數，當溫度升高時，將首先在軌道初始彎曲出變形。曲線變形后繼續(xù)保持連續(xù)，變形曲線的特性與初始彎曲的波形相似，波長不等。由勢能駐值原理，取不同的軌道彎曲變形波長計算軌道彎曲變形矢度等于0.02 cm時所對應的最小溫度壓力，再計算所對應的允許溫升。寧西線溫度壓力變化見圖1。

圖1 溫度壓力變化圖

將圖1計算結果代入臨界溫升計算公式 ：

式中，Pmin—最小臨界溫度壓力；

E—鋼軌彈性模量，取 2.1×107N/cm2；

α—鋼軌線膨脹系數，取1.18×10-5℃；

F—鋼軌截面積，60 kg/m取77.45cm2。

當R=1 600 m，溫度壓力隨彎曲變形波長取值情況變化如圖1所示，則當l=440 cm時，可得鋼軌的允許最小溫度壓力值Pmin=2.424398×106N，在Pmin條件下的臨界溫升△Tμ=63.16℃，受溫度力縱向不均勻分布影響，臨界溫升減去8℃，所以允許溫升 [△Tμ]=55℃。

1.2 無縫線路強度計算

對于無縫線路來說，鋼軌強度必須滿足鋼軌的容許應力應大于溫度降低時鋼軌所受溫度拉力，受輪載影響的彎曲應力以及其它附加力三者之和。即：

式（2）中σ—軌底動彎應力

底d為軌底動彎矩，W底為軌底截面參數，取3.75×105mm3；f為橫向水平力系數，曲線半徑不同，取值不同，當800 m＜R≤2 000 m時可取1.45，當R＞2 000 m時可取1.30。

σt—鋼軌溫度應力，計算公式為σt=E·α·△Tdmax，△Tdmax為無縫線路最大降溫幅度。

σz—鋼軌附加應力，在此為制動應力σ制=10 MPa。

[σ]—鋼軌容許應力為鋼軌的屈服強度，取457MPa，K為安全系數，取1.35。

由以上可得臨界溫降計算公式：

強度計算過程中，將鋼軌視為連續(xù)彈性基礎上的無限長梁。由均勻連續(xù)彈性基礎理論以及力的獨立作用線性疊加原理，分別將不同輪位作為計算截面，逐輪計算，取其中最大值進行無縫線路鋼軌強度檢算。

寧西線為電氣化線路，計算機車采用SS8型電力機車，SS8型電力機車其構造速度V=160 km/h。根據不同線路平面，取不同的橫向水平力系數，可得計算結果見表1。

表1 鋼軌應力計算表

根據以上計算結果及公式（2）、（3），可得無縫線路鋼軌允許溫降[△Td]=61.9℃。

1.3 無縫線路檢算

寧西線當地歷年最高軌溫61℃，當地歷年最低軌溫-18.9℃，設計鎖定軌溫按27℃～37℃，其中，淠河特大橋上設計鎖定軌溫按27℃～32℃?？鐓^(qū)間無縫線路相鄰單元軌節(jié)的鎖定軌溫差不超過5℃，寧西線線路允許速度在160 km/h以下，左右股鎖定軌溫差不超過5℃，同一區(qū)間內單元軌節(jié)最高、最低鎖定軌溫差不超過10℃。

1.3.1 一般地段無縫線路

由以上確定的設計鎖定軌溫，寧西線鋼軌最大溫升△Tumax=61-27=34℃＜[△Tu]=55℃，寧西線最大溫降△Tdmax=37-（-18.9）℃=55.9℃＜[△Td]=61.9℃，檢算合格。

1.3.2 橋上無縫線路

在此次鋪設無縫線路區(qū)段，橋梁共計4座，其中1座橋為帶護輪軌特大橋（淠河特大橋），橋梁中心里程為寧西線上行K850.231，長度L=749.09 m，其橋跨組成為13×16 m先張預應力鋼筋混凝土梁＋16×32 m預應力鋼筋混凝土T形梁，Ⅱ型混凝土枕。相比于一般地段的無縫線路，橋上無縫線路要受到額外的附加力作用，附加力由橋梁的撓曲變形以及伸縮變形位移而引起。根據李斌、韓峰研究，當在跨度L≤32 m的剛性墩臺鋼筋混凝土簡支梁橋上鋪設無縫線路，不論橋梁有多長，只要鋼軌溫升△T≤44℃，鋼軌溫降△T≤49℃時，無縫線路鋼軌能夠滿足斷縫、強度和穩(wěn)定性的要求，可對橋梁全長不作限制，也可對軌道結構不進行檢算。由于原作者計算時鋼軌容許拉應力為[σ]=311.5 MPa，近年，上海局集團公司大修鋪設整修軌無縫線路軌源多數為U75 V鋼軌整修再用，U75 V鋼軌屈服強度可以達到510 MPa，即使屈服強度較低的U71 Mn鋼軌的屈服強度也可以達到457 MPa，△σ=457 1.35-311.5=27.02 MPa，換算成軌溫變化幅度達到10.9℃，則原約束條件可調整為鋼軌溫降△T≤（49+10.9）=59.9℃時，無縫線路軌道結構可以滿足穩(wěn)定性、強度和斷縫的要求，橋梁全長可不作限制，軌道結構亦可不需檢算。

由以上設計鎖定軌溫，淠河特大橋鋼軌最大溫升△Tumax=61-27=34℃＜44℃，鋼軌最大溫降△Tdmax=32-（-18.9）=50.9℃＜59.9℃，滿足上文約束條件，不必對軌道結構進行檢算。

2 焊接方案

目前，現場焊接方式主要有三種：鋁熱焊、移動氣壓焊和移動閃光焊。

鋁熱焊具有工藝簡單、設備輕便，作業(yè)時間需求相對較短，適用于復雜地段焊接等特點。但是，根據其原理鋁熱焊縫作為鑄造組織，強度只有母材70%左右，由于不能實現自動化、智能化，整個焊接過程還是以人控為主，焊接質量不能持續(xù)穩(wěn)定。

移動氣壓焊的原理是將待焊軌端利用乙炔-氧氣火焰加熱，待其達到塑性狀態(tài)時，施加頂鍛力，使得兩待焊軌端重新結晶，融為一體。其焊縫強度能達到母材95%以上。

移動閃光焊是利用強電流通過兩軌端之間的極大電阻，產生熱量將兩軌端融化至塑性狀態(tài)，快速施加頂鍛力使兩軌焊連成一體。焊縫強度接近母材強度，閃光焊在電氣化鐵路線上焊接時，必須保持左右兩股鋼軌之間不能導通，對施工效率有一定影響。

通過比較3種焊接方式的優(yōu)缺點，施工單位應因地制宜，選擇合適的焊接方式，鋁熱焊可用于分路口站道岔內部接頭的處理以及在道岔前后鋪設無縫線路時的龍口焊接和其它因素制約不能使用大型焊機地段的焊接；因寧西線為電氣化線路，故區(qū)間換軌線上焊接可以使用移動氣壓焊焊機，線下焊接可以使用移動閃光

3 線路中修設計

寧西線改建二線工程中，寧西上行線K800.4-K835.52，K848.91-K922.13，寧西下行線K834.91-K848.43間線路為利用既有線改造，道床狀態(tài)較差，除上行K854+120-K863+800在2008年中修過以外，其余線路上次中修時間為2003年，道床板結冒漿嚴重。

對于道床一般臟污地段采用大型機械清篩施工作業(yè)，道床翻漿臟污地段采用大型機械拋床作業(yè)，利用捷力大修軟件進行拉坡設計。

本區(qū)段橋梁共計48座，其中原碴厚小于25 cm的橋梁有23座，其中44A#橋石碴厚度僅為9 cm。本次拉坡設計時對其中19座橋進行了抬道，且抬道以后石碴厚度達到25 cm及以上。其余4座橋梁因受接觸網導高缺陷或者現場其他設備限制，拉坡時僅在原來基礎上進行改善，對于改善后橋上道床厚度仍然不能滿足25 cm要求的，須在道床以下軌枕垂直投影面下的梁面上鋪設DCY橡膠墊增加道床彈性，以增加道床彈性及確保列車安全運營。

本次施工區(qū)段寧西線原大顧店站、俞大莊站、十里橋站站臺均已廢棄，為改善站臺地段線路道床排水及滿足大機清篩作業(yè)影響范圍的要求，將以上廢棄站臺結合線路大修予以部分拆除，拆除站臺寬度1.4 m左右，拆除深度至路基面。為有利于剩余站臺的安全穩(wěn)定，按寬0.4 m的漿砌片石恢復站臺墻，恢復后線路中心至站臺墻外側的距離應不小于2.5 m。

4 結束語

普通60 kg/m軌線路換鋪為跨區(qū)間無縫線路施工時，應提前對缺碴，道床翻漿，路基冒漿地段進行整治，即現場施工時也可按照先清篩，后換軌的流程進行施工，確保線路滿足鋪設無縫線路條件。

當在跨度L≤32 m的剛性墩臺鋼筋混凝土簡支梁橋上鋪設無縫線路，不論橋梁有多長，只要鋼軌溫升△T≤44℃，鋼軌溫降△T≤59.9℃時，無縫線路軌道結構可以滿足穩(wěn)定性、強度和斷縫的要求，橋梁全長可不作限制，軌道結構亦可不需檢算。

從2017年開始，集團公司有計劃地對寧西線進行大修補強，2017年和2018年分別對二線改造后利舊道床完成了清篩作業(yè)。2017年完成對普通線路區(qū)段的跨區(qū)間無縫線路鋪設作業(yè)。從實施效果來看，以上設計方案得到了有效驗證，全面改善了既有的線路狀態(tài)，寧西線全線軌道結構基本等強，線路質量更加均衡，線路承載能力大幅提升，并且大幅度減小了設備管理單位養(yǎng)護維修工作量，有力地保障了鐵路運輸安全生產秩序。