道床板結對寬軌枕軌道動力性能的影響

劉全仁 許良善 潘振 吉克

1.中國鐵路太原局集團有限公司，太原030013；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

寬軌枕與普通混凝土軌枕長度相同，而寬度約為后者的2倍，為預制混凝土板。由于寬度較大，寬軌枕直接鋪設在預先壓實的道床面上，在制造中對其厚度的控制較嚴格。混凝土寬軌枕與道砟的接觸面積較大，具有較大的縱向、橫向阻力，道床累積殘余變形小，能很好地保持線路的幾何形位；軌道的養(yǎng)護維修工作量很小，有利于改善養(yǎng)護工作條件，減少作業(yè)次數，節(jié)省養(yǎng)護費用［1-2］。

我國從1958年開始研制混凝土寬軌枕，1966年開始試鋪，主要用于隧道內、特大橋橋頭引線以及大型客站的線路。截至1995年底，全路共鋪設混凝土寬軌枕軌道616.555 km。其中，北京局、廣州局、成都局、鄭州局、蘭州局五個鐵路局鋪設混凝土寬軌枕的隧道共79座，長度共計225.355 km。大秦鐵路共有52座隧道，其中20座采用了寬軌枕軌道結構，總長度約為54 km，占隧道總長度的80.4%，大部分鋪設時間為1987—1988年［3］。

在很長的一段時間內，寬軌枕發(fā)揮了積極的作用。但是，由于寬軌枕兩枕之間的間隙小，難以采用大型養(yǎng)路機械對道砟進行維修作業(yè)。在煤灰污染較重的大秦鐵路，隨著運營時間的增加，煤灰滲透到道床內部甚至道床底部，道床臟污板結嚴重，道床剛度普遍較大且離散不均，軌道結構出現(xiàn)了軌枕開裂、鋼軌波磨等病害。

通過調研，本文總結大秦鐵路隧道內寬軌枕軌道現(xiàn)狀，采用移動加載車對軌道剛度進行測試，并選取典型區(qū)段，通過對比分析來研究道床臟污板結對寬軌枕軌道結構動力性能的影響。

1 大秦鐵路寬軌枕軌道現(xiàn)狀

對大秦鐵路寬軌枕軌道進行現(xiàn)場調研，發(fā)現(xiàn)其道床、軌枕、軌道均有一定程度的病害及傷損，主要表現(xiàn)為道床臟污板結進而造成道床剛度增加，部分區(qū)段的寬軌枕出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，部分區(qū)段的扣件金屬件銹蝕嚴重。

1）道床臟污板結，道床剛度增加

在隧道漏水區(qū)段，寬軌枕軌道道床臟污板結會導致翻漿冒泥病害；如果覆蓋在扣件、鋼軌表面的煤灰不及時清理，極易產生紅光帶。經現(xiàn)場挖驗，大秦鐵路道床表面及隧道周邊被煤灰覆蓋，煤灰滲透到道床底部，個別位置板下道床全部板結，板結厚度在10 cm以上，軌枕板端頭外道床臟污嚴重。對9處寬軌枕軌道抽測顯示，道床剛度在193.8～2 437.4 kN/mm，其中大于1 000 kN/mm的有5處，數值普遍較大，且離散性較大。

2）部分區(qū)段寬軌枕出現(xiàn)裂紋、斷裂

現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，大秦鐵路寬軌枕傷損非常普遍，幾乎每根寬軌枕表面均存在程度不等的裂紋，隧道洞口附近寬軌枕的傷損比洞內更為嚴重。寬軌枕裂紋類型可分為中部環(huán)裂、縱向環(huán)裂、板頭網裂三種［4-5］。個別寬軌枕在承軌槽位置發(fā)生垂向斷裂，造成軌枕失效。

3）扣件銹蝕

在隧道漏水區(qū)段及沿海地區(qū)扣件金屬件銹蝕嚴重，彈條表面、螺旋道釘根部形成銹蝕剝離層，軌距擋板銹蝕變薄。空車線由于扣件更換周期較長，部分隧道也存在銹蝕情況。

寬軌枕與道砟的接觸面大，但軌枕之間的間隙小，難以采用大型養(yǎng)路機械對道砟進行維修作業(yè)。隨著煤炭運量的增加，隧道內寬軌枕有砟軌道結構自建成以來常年被煤沙侵襲，因維修困難，暴露出無法進行機械化作業(yè)、道床無法清篩、軌枕板不便起道搗固等嚴重影響軌枕板壽命的一系列問題。煤灰粉塵常年污染滲透道床，造成寬軌枕軌道道床臟污，板結逐年加重，道床剛度逐漸增加，最終引起軌道部件傷損，影響軌道部件壽命及行車安全。寬軌枕軌道的病害及傷損勢必引起軌道動力性能的變化。

2 移動加載車軌道剛度測試結果

2019年，研究人員利用移動加載車對大秦鐵路下行線軌道剛度狀態(tài)進行了普查。結果顯示，大秦鐵路下行線的軌道剛度平均值為136.3 kN/mm，路基、隧道區(qū)段的軌道剛度平均值分別為127.9、174.0 kN/mm，隧道區(qū)段的軌道剛度平均值明顯高于路基區(qū)段。

以全部下行線的不同結構區(qū)段（路基、隧道）測試數據為樣本，對不同軌道剛度的線路長度在本結構區(qū)段內的占比分別進行統(tǒng)計分析，結果見表1?？芍郝坊鶇^(qū)段軌道剛度主要集中在80～160 kN/mm，隧道區(qū)段軌道剛度主要集中在100～220 kN/mm；在隧道區(qū)段有22.72%的線路軌道剛度大于200 kN/mm，而在路基區(qū)段僅有3.21%。

表1 大秦鐵路下行線軌道剛度分布

根據調研結果，大秦鐵路隧道中軌道剛度大于240 kN/mm且長度大于20 m的區(qū)段共有6處，分別位于5個隧道內，即和尚坪隧道、大團尖隧道、趙家二號隧道、張家灣隧道、河南寺隧道。其中張家灣隧道中有一長26.8 m的區(qū)段，軌道剛度均值415.5 kN/mm；河南寺隧道中有一長41.2 m的區(qū)段，軌道剛度均值477.0 kN/mm。

綜上，大秦鐵路隧道內寬軌枕軌道剛度數值較大且離散不均。隧道區(qū)段的軌道剛度主要與鋼軌剛度、扣件及軌下墊層剛度、道床剛度相關，在鋼軌剛度、扣件及軌下墊層剛度變化不大的情況下，軌道剛度的檢測結果直接反映了道床剛度的現(xiàn)狀。

3 寬軌枕軌道動力性能測試

為掌握既有運輸條件下大秦鐵路軌道結構及部件的動力響應規(guī)律，2019年在大秦鐵路選擇典型軌道結構開展了綜合試驗，包含了寬軌枕隧道區(qū)段、直線路基區(qū)段、R500（半徑500 m）曲線路基區(qū)段。

該寬軌枕隧道區(qū)段位于大黑山隧道內，隧道長度為2 715 m，鋪設寬軌枕軌道，測試斷面位于距離直緩點較近的緩和曲線上。直線路基區(qū)段和R500曲線路基區(qū)段均鋪設Ⅲ型軌枕。

試驗中分別采集了運營列車和試驗列車的數據。試驗列車編組為機車+30輛C80貨車（載重80 t）+10輛C80E貨車（載重80 t）+機車。試驗列車通過各測試區(qū)段時速度一致。運營列車共采集了29趟次，試驗列車采集了9趟次。

3.1 運行穩(wěn)定性參數

運營列車作用下，三個測試區(qū)段的運行穩(wěn)定性參數測試結果見表2?？芍簩捾壵硭淼绤^(qū)段的脫軌系數與鋪設Ⅲ型枕的R500曲線路基區(qū)段一致；寬軌枕隧道區(qū)段的輪重減載率、輪軌橫向力大于鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段；寬軌枕隧道區(qū)段的脫軌系數、輪重減載率均較大。

表2 運行穩(wěn)定性參數測試結果

3.2 軌道部件作用力

試驗列車通過時，寬軌枕隧道區(qū)段和鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段的動彎應力及支點壓力測試結果見表3。

表3 動彎應力及支點壓力測試結果

由表3可知：寬軌枕隧道區(qū)段的軌道部件受到的作用力較大，其動彎應力平均值、支點壓力平均值比鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段的動彎應力平均值、支點壓力平均值分別高出42.7%、53.6%。

3.3 軌道結構橫向變形

軌道結構橫向變形可以反映扣件的軌距保持能力，主要由鋼軌軌頭橫向位移和動態(tài)軌距擴大量來描述。運營列車作用下，寬軌枕隧道區(qū)段和鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段的軌道結構橫向變形測試結果見表4。

表4 軌道結構橫向變形測試結果

由表4可知，寬軌枕隧道區(qū)段的鋼軌軌頭橫向位移和動態(tài)軌距擴大量明顯較大，分別是直線路基區(qū)段的鋼軌軌頭橫向位移和動態(tài)軌距擴大量的3.0倍和2.4倍?？梢妼捾壵硭淼绤^(qū)段的扣件軌距保持能力比鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段差。

3.4 軌道結構振動特性

運營列車作用下，軌道結構振動特性測試結果見表5?？芍?，列車經過寬軌枕隧道區(qū)段時，列車對軌道結構及部件的振動沖擊作用較大。寬軌枕隧道區(qū)段鋼軌振動加速度、軌枕振動加速度分別是鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段的20倍和12倍，是鋪設Ⅲ型枕的R500曲線路基區(qū)段的2.4倍和2.2倍。這主要是因為寬軌枕隧道區(qū)段下部道床臟污板結嚴重，進而造成道床剛度過大。

表5 軌道結構振動特性測試結果

綜上，寬軌枕區(qū)段道床臟污板結，導致道床剛度增加，已經使寬軌枕軌道處的列車運行穩(wěn)定性參數增加，軌道部件受到的垂向作用力及振動沖擊較大，軌道部件易產生傷損。

4 結論與建議

針對大秦鐵路寬軌枕軌道病害情況展開調研，并分析道床臟污板結導致的道床剛度增大對寬軌枕軌道結構動力性能的影響。主要結論如下：

1）根據調研情況，大秦鐵路寬軌枕軌道道床臟污板結，道床剛度增加，部分區(qū)段寬軌枕出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，部分區(qū)段扣件銹蝕嚴重。

2）根據移動加載車測試結果，大秦鐵路隧道內寬軌枕區(qū)段軌道剛度數值較大且離散不均。

3）寬軌枕隧道區(qū)段的各項穩(wěn)定性參數測試值均在限值范圍內，但脫軌系數、輪重減載率較大，與鋪設Ⅲ型枕的R500曲線路基區(qū)段相當；與鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段相比，寬軌枕隧道區(qū)段的軌道部件受到的作用力、鋼軌軌頭橫向位移、動態(tài)軌距擴大量、鋼軌及軌枕振動加速度增加明顯。

4）大秦鐵路隧道內寬軌枕軌道正常服役已受到影響，建議盡快開展隧道內新型軌道結構研究，為隧道內寬軌枕軌道結構的升級改造做好技術儲備。