高速鐵路無(wú)砟軌道大超高區(qū)段軌道板更換技術(shù)

譚社會(huì), 夏海濤, 張建強(qiáng), 洪劍

（1.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 工務(wù)部, 上海 200071；2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所, 上海 200071）

0 引言

我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道包括CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式及雙塊式[1-2］等類型, 其中板式無(wú)砟軌道運(yùn)營(yíng)里程約1.3萬(wàn)km。隨著服役時(shí)間延長(zhǎng), 在列車荷載、外部環(huán)境、線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形等因素作用下, 部分軌道板出現(xiàn)裂紋、起鼓、掉塊等病害, 個(gè)別嚴(yán)重情況已影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[3］, 需進(jìn)行更換以恢復(fù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度, 保障高速鐵路行車安全。

高速鐵路板式無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)板主要參數(shù)見表1, 鑒于其結(jié)構(gòu)尺寸大、自重大, 換板作業(yè)采用移開鋼軌—吊裝軌道板的方式進(jìn)行, 由于鋸軌方式換板破壞了無(wú)縫線路連續(xù)性并增加了鋼軌焊接、探傷等工作量及焊接接頭潛在傷損等安全風(fēng)險(xiǎn), 目前主要通過(guò)撥軌法換板, 即以待更換軌道板為中心, 沿線路方向在前后一定范圍內(nèi)利用撥軌裝置[4］把2股鋼軌橫向撥開, 提供吊裝作業(yè)空間后, 運(yùn)用換板主平臺(tái)[5］或軌道吊等起重設(shè)備把舊軌道板吊出、新軌道板吊入的施工方法。

表1 板式無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)板主要參數(shù)

目前基于換板主平臺(tái)（軌道吊）、撥軌裝置的施工工法在現(xiàn)場(chǎng)得以大量應(yīng)用, 總體使用情況良好, 但在超高120 mm及以上曲線區(qū)段（簡(jiǎn)稱大超高區(qū)段）[6］, 由于曲線地段上股鋼軌外撥（下股鋼軌復(fù)位）應(yīng)力增大, 撥軌困難；吊裝時(shí)起重設(shè)備相對(duì)地面不垂直, 存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)。為此, 需對(duì)高速鐵路大超高區(qū)段軌道板更換技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

1 大超高區(qū)段撥軌技術(shù)

1.1 撥軌受力分析

撥軌過(guò)程撥軌力示意見圖1。大超高區(qū)段鋼軌與水平面呈一定角度α, 該工況下?lián)苘壛椋?/p>

圖1 撥軌過(guò)程撥軌力示意圖

式中：GX為鋼軌重力沿軌道板橫向方向分力；GY為鋼軌重力沿軌道板垂向方向分力；P1′為撥軌過(guò)程單側(cè)撥軌加載點(diǎn)鋼軌溫度力橫向分力（簡(jiǎn)稱回彈力）,PY為鋼軌溫度力垂向分力；μ為鋼軌與支承滑道摩擦系數(shù)。

大超高區(qū)段曲線半徑一般在1 000 m以下, 撥軌扣件松開長(zhǎng)度[7］一般為90~130 m, 加載點(diǎn)跨度[7］一般為6~8 m, 因松開扣件長(zhǎng)度與曲線半徑比極小, 可近似為直線,β為撥軌加載點(diǎn)單側(cè)鋼軌對(duì)應(yīng)圓心角,θ為松開扣件鋼軌長(zhǎng)度一半對(duì)應(yīng)圓心角, 加載點(diǎn)跨度與扣件松開長(zhǎng)度相比較小, 則β≈θ。

撥軌初始時(shí)鋼軌加載點(diǎn)一側(cè)長(zhǎng)度為L(zhǎng), 鋼軌撥開后被拉長(zhǎng)至L′, 則拉伸量ΔL為：

式中：R為曲線半徑；L為加載點(diǎn)單側(cè)松開扣件鋼軌長(zhǎng)度；L′為加載點(diǎn)單側(cè)松開扣件鋼軌撥軌過(guò)程長(zhǎng)度；h為撥軌量；Pt為溫度力；ΔT為軌溫差；h0為鋼軌中和軸距離鋼軌軌底面距離；e為一半軌底寬。

為避免脹軌風(fēng)險(xiǎn), 撥軌換板施工一般在實(shí)際軌溫低于線路鎖定軌溫時(shí)進(jìn)行[9-10］, 由式（5）可知, 曲上股鋼軌外撥過(guò)程中, 回彈力P1′隨縱向拉伸量ΔL增大而增加, 存在鋼軌回彈風(fēng)險(xiǎn)。由式（6）、式（7）可知, 曲上股鋼軌外撥過(guò)程中鋼軌翻轉(zhuǎn)力矩M隨撥軌距離h增大而增加, 當(dāng)M翻＞M穩(wěn)時(shí), 鋼軌出現(xiàn)翻轉(zhuǎn), 且由于GX存在, 鋼軌較直線段更易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。曲下股鋼軌復(fù)位近似于曲上股鋼軌外撥, 但由于L為曲下股鋼軌復(fù)位終值, 所以鋼軌復(fù)位過(guò)程中需克服的鋼軌回彈力要小于曲上股鋼軌外撥回彈力。

1.2 撥軌技術(shù)方案

大超高區(qū)段鋼軌約束措施示意見圖2。如圖2（a）所示, 扣件松開前, 曲線上下股鋼軌各采用8個(gè)均勻分布的質(zhì)量1.5 kg的小型手拉葫蘆分別與擋砟墻連接形成約束。如圖2（b）所示, 曲上股鋼軌利用手拉葫蘆預(yù)緊合力Ft11抵消P1′和GX, 曲下股類似, 可避免鋼軌回彈力導(dǎo)致的鋼軌回彈及翻轉(zhuǎn)。撥軌過(guò)程中, 曲上股鋼軌利用手拉葫蘆收緊實(shí)現(xiàn)外撥, 曲下股鋼軌通過(guò)釋放手拉葫蘆實(shí)現(xiàn)鋼軌外撥, 避免鋼軌外撥過(guò)程鋼軌回彈、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。鋼軌復(fù)位時(shí)則為以上逆過(guò)程。

圖2 大超高區(qū)段鋼軌約束措施示意圖

2 大超高區(qū)段換板技術(shù)

2.1 吊裝受力分析

換板過(guò)程中起重裝備依靠液壓支腿增加吊裝跨距, 提升作業(yè)穩(wěn)定性。以換板主平臺(tái)為例, 起重裝備在超高175 mm工況下工作, 其液壓支腿、回轉(zhuǎn)中心中心線與水平面理論偏角為6.618°, 由于車輛重心偏移導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架兩側(cè)彈簧下壓不均勻, 實(shí)測(cè)角度γ約為7°（見圖3）, 該傾角的存在可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q板主平臺(tái)吊裝時(shí)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或部位失穩(wěn), 因此需核算支腳盤與枕木及枕木與枕木之間的自鎖角度、支腿油缸受力及吊機(jī)回轉(zhuǎn)中心回轉(zhuǎn)力矩等安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

圖3 大超高工況下不同行別換板主平臺(tái)支腿情況

2.1.1 自鎖角度核算

超高工況支腿-枕木-枕木自鎖角度核算示意見圖4,γ為支腿與枕木夾角,φ為自鎖角度,FN為支腿正壓力,FRY為枕木支反力。液壓支腿在超高工況下支腿作業(yè),F1=FN·tanγ,FRX=FRY·tanφ[11］, 由于FN=FRY, 即γ＜φ時(shí), 支腿支腳盤與枕木之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng), 吊裝作業(yè)支腿-枕木結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖4所示, 支腳盤與枕木結(jié)構(gòu)實(shí)際處于多層結(jié)構(gòu), 構(gòu)成支腳盤-枕木-枕木結(jié)構(gòu), 所以在進(jìn)行自鎖角度對(duì)比時(shí)應(yīng)取支腳盤與枕木、枕木與枕木之間自鎖角度較小的情況。不同超高工況下的自鎖角度核算見表2。

圖4 超高工況支腿-枕木-枕木自鎖角度核算示意圖

表2 自鎖角度核算

由表2可知, 支腳盤與枕木理論核算自鎖角度為11.3°, 枕木與枕木理論核算自鎖角度為14.0°, 在超高120~175 mm區(qū)間時(shí), 支腳盤與枕木夾角為[4.78°, 7.00°］, 理論上該種工況下吊裝時(shí)支腳盤與枕木、枕木與枕木之間不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。但實(shí)際施工過(guò)程中存在枕木潮濕或油污造成的摩擦系數(shù)下降、箱梁表面不平等因素, 存在大幅度降低自鎖角度可能, 有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 支腿徑向受力分析

超高工況下液壓支腿與水平面呈一定角度, 如圖3所示不同行別支腿吊裝時(shí), 液壓支腿徑向力為Fr1、Fr2, 以質(zhì)量較輕的CRTSⅠ型板為例, 核算吊裝質(zhì)量為6.7 t, 計(jì)算支腿徑向受力情況見表3。

表3 支腿受力情況

由表3可知, 超高120 mm時(shí), 在不同行別情況下?lián)Q板主平臺(tái)支腿最大徑向力分別為1.47 t和2.02 t。因此, 大超高工況下起重設(shè)備支腿承受較大徑向力, 存在液壓支腿折損及吊裝時(shí)整車失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算

由圖3可知, 在超高工況下吊機(jī)回轉(zhuǎn)中心中心線與豎直方向呈一定角度, 該工況下吊機(jī)吊裝軌道板直接回轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)中心負(fù)載爬行或負(fù)載制動(dòng)情況。以CRTSⅠ型板為例, 核算不同超高工況下回轉(zhuǎn)中心負(fù)載情況見表4。

表4 回轉(zhuǎn)中心負(fù)載情況

由表4可知, 換板主平臺(tái)在超高120 mm工況時(shí), 吊裝CRTSⅠ型板式的阻力矩為43 084 N·m, 已接近其回轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。因此, 超高達(dá)到一定值時(shí), 吊機(jī)在不同行別吊裝時(shí)存在動(dòng)力矩不足或制動(dòng)力矩不足問題, 可能導(dǎo)致吊裝失穩(wěn)。

對(duì)自鎖角度、液壓支腿受力及回轉(zhuǎn)中心回轉(zhuǎn)力矩的分析表明, 大超高區(qū)段采用既有吊裝裝備存在安全風(fēng)險(xiǎn), 3種不利因素疊加可能會(huì)導(dǎo)致受力更為惡化, 造成安全事故, 因此優(yōu)化軌道板吊裝設(shè)備極為關(guān)鍵。

2.2 換板技術(shù)方案

2.2.1 換板主平臺(tái)自調(diào)平

在換板主平臺(tái)與平車之間加裝調(diào)平機(jī)構(gòu)（見圖5）, 調(diào)平機(jī)構(gòu)卡扣于平車上方并通過(guò)螺栓與平車拴柱進(jìn)行剛性連接[11］, 調(diào)平機(jī)構(gòu)帶回轉(zhuǎn)功能一側(cè)與換板主平臺(tái)栓接, 頂升一側(cè)沿平車長(zhǎng)度方向安裝調(diào)平油缸同步頂升, 使換板主平臺(tái)圍繞調(diào)平機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)側(cè)回轉(zhuǎn)角度γ, 達(dá)到換板主平臺(tái)調(diào)至水平目的。換板主平臺(tái)調(diào)平后其液壓支腿與地面垂直, 在超高工況下吊裝時(shí)不存在支腳盤相對(duì)枕木滑移可能, 可避免液壓支腿承受徑向力及回轉(zhuǎn)中心負(fù)載回轉(zhuǎn)、負(fù)載制動(dòng)。

圖5 換板主平臺(tái)自調(diào)平示意圖

（1）雙線作業(yè)時(shí), 可將軌道車編組停至傷損軌道板鄰線, 換板主平臺(tái)調(diào)平后進(jìn)行新舊軌道板的吊裝更換（見圖6）。

圖6 基于換板主平臺(tái)鄰線換板示意圖

（2）單線作業(yè)時(shí), 可將車載換板主平臺(tái)先行解編, 換板主平臺(tái)吊機(jī)側(cè)停至傷損軌道板處, 調(diào)平支腿后, 將新板吊至傷損軌道板鄰板上, 換板主平臺(tái)和軌道車駛離撥軌區(qū)域, 利用移動(dòng)式龍門吊完成新舊軌道板的更換（見圖7）。

圖7 基于換板主平臺(tái)本線換板示意圖

2.2.2 移動(dòng)式龍門吊+運(yùn)板小車

（1）雙線作業(yè)時(shí)（見圖8）, 先在鄰線利用軌道車在超高小于120 mm線路區(qū)段將新板吊至運(yùn)板小車上, 使用運(yùn)板小車將新板在鋼軌上推行至換板區(qū)段, 然后利用移動(dòng)式龍門吊將新板放置傷損軌道板一側(cè)（圖8鄰板1處）, 橫向撥軌完成后, 利用移動(dòng)式龍門吊將傷損軌道板吊至另一側(cè)（圖8鄰板2處）, 再利用移動(dòng)式龍門吊進(jìn)行新板的吊挪和鋪放, 待鋼軌復(fù)位后將換下傷損軌道板運(yùn)送、吊裝至軌道車上。

圖8 移動(dòng)式龍門吊+運(yùn)板小車鄰線方案

（2）單線作業(yè)時(shí)（見圖9）, 軌道車編組與運(yùn)板小車、移動(dòng)龍門吊在同一線路, 需通過(guò)軌道車編組解編完成軌道板的下放, 平車及軌道車向大超高方向駛過(guò)撥軌區(qū)域, 利用運(yùn)板小車將新軌道板運(yùn)至傷損軌道板一側(cè)（圖9鄰板1處）完成換板作業(yè)。

圖9 移動(dòng)式龍門吊+運(yùn)板小車本線方案

2.2.3 固定式龍門吊+軌道車

固定式龍門吊+軌道車換板方案在雙線、單線線路均于本線作業(yè), 即首先在傷損軌道板兩側(cè)澆筑混凝土基座, 并將龍門吊固定在混凝土基座上方。橫向撥軌后, 利用固定式龍門吊將傷損軌道板提升至軌道車可通行的高度, 之后利用木枕替代軌道板, 將鋼軌復(fù)位。軌道車駛至傷損軌道板下方, 通過(guò)龍門吊卸下傷損軌道板、吊裝新軌道板。待軌道車駛離撥軌區(qū)域后, 再次橫向撥軌, 拆除過(guò)渡木枕, 鋪設(shè)新軌道板。

3 大超高區(qū)段換板工程實(shí)踐

大超高區(qū)段換板現(xiàn)場(chǎng)見圖10。如圖10（a）所示, 改進(jìn)后的撥軌方案通過(guò)手拉葫蘆預(yù)緊鋼軌的方式使撥軌過(guò)程穩(wěn)定可靠, 增加手拉葫蘆作業(yè)、撥軌作業(yè)可與起重軌道車支腿等準(zhǔn)備工作并行, 未增加總的換板作業(yè)時(shí)間；圖10（b）（c）（d）分別為3種換板方案均可完成換板作業(yè), 其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表5。移動(dòng)式龍門吊+運(yùn)板小車是在超高小于120 mm區(qū)段上進(jìn)行軌道板吊裝, 增大了軌道板運(yùn)送距離, 未從根本上解決大超高區(qū)段軌道板吊裝問題。固定式龍門吊+軌道車方案存在準(zhǔn)備工作時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)流程復(fù)雜、適用范圍有限等不足。綜合比較, 換板主平臺(tái)自調(diào)平方案能較高效地完成軌道板更換。

圖10 大超高區(qū)段換板現(xiàn)場(chǎng)

表5 3種換板方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)論

（1）通過(guò)分析曲線半徑、撥軌量等因素對(duì)撥軌受力的影響可知, 隨著曲線地段撥軌量增加, 鋼軌回彈力增大、鋼軌扭轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)增大。提出手拉葫蘆預(yù)緊、收放鋼軌方法, 相比于液壓油缸撥軌更為安全可靠。

（2）大超高區(qū)段軌道板吊裝時(shí)存在支腿-枕木結(jié)構(gòu)自鎖角度失效、液壓支腿承受徑向力失穩(wěn)、回轉(zhuǎn)中心動(dòng)力矩不足等問題, 提出并實(shí)踐了換板主平臺(tái)自調(diào)平方案、移動(dòng)式龍門吊+運(yùn)板小車換板方案、固定式龍門吊+軌道車換板方案?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明, 換板主平臺(tái)自調(diào)平方案能較高效地完成鄰線、本線軌道板更換。

（3）我國(guó)高速鐵路大部件更換[12］裝備機(jī)械化水平不高, 為適應(yīng)大超高、長(zhǎng)大坡道、單線及隧道等不同工況的多類型軌道板更換, 需進(jìn)一步研制集成化、自動(dòng)化、智能化的換板裝備, 為我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修提供裝備保障。