汪明玉 上海鐵路局工務(wù)處

金千線鋪設(shè)無縫線路設(shè)計(jì)方案分析

汪明玉 上海鐵路局工務(wù)處

通過對(duì)金千線上存在的R=250 m、300 m、400 m及以上小半徑曲線鋪設(shè)無縫線路在溫度力作用下的穩(wěn)定性及強(qiáng)度進(jìn)行分析，提出半徑R≥400 m地段鋪設(shè)無縫線路以及R<400 m采取有縫線路的設(shè)計(jì)方案，消除了部分鋼軌接頭，從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。

大坡度；小半徑；無縫線路；穩(wěn)定性

1 引言

金千線（金華-千島湖）位于浙江省境內(nèi)，是為了修建新安江水庫而建設(shè)的單線鐵路，沿線多山，具有曲線多且半徑小，線路坡度大的特點(diǎn)。線路中大量存在的鋼軌接頭破壞了道床結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，加大了輪軌動(dòng)力沖擊，軌道幾何形位劣化加快，成為鋼軌傷損和軌道病害的高發(fā)區(qū)域，是日常養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)和難點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于普通線路，接頭養(yǎng)護(hù)工作約占養(yǎng)護(hù)工作總量的40%，其投入費(fèi)用約占維修成本的30%。由于無縫線路可以減少接頭數(shù)量，改善軌道結(jié)構(gòu)，提高列車平穩(wěn)性，減緩了病害的發(fā)生頻率，延長(zhǎng)了維修周期，因此是線路大修改造的優(yōu)先選擇。此區(qū)域由于P50木枕道岔的存在，本次大修考慮將此區(qū)域設(shè)計(jì)為區(qū)間無縫線路。

2 線路既有狀態(tài)

金千線全長(zhǎng)79 km，本工程地點(diǎn)在K14+837.65～K46+ 135.79間，自功塘站2#道岔岔首開始，途經(jīng)蘭溪、溪西、永昌、排塘4個(gè)站，止于排塘與壽昌間K46+135.78處，途經(jīng)線路車間1個(gè)(蘭溪)，工區(qū)3個(gè)(功塘、溪西、壽昌)。既有線路為P50普通線路，鋼軌狀態(tài)較差。經(jīng)過道岔13組，除溪西站N2道岔為P50-1/9木枕道岔外，其余全部為P50-1/12木枕道岔。經(jīng)過橋梁16座，其中帶護(hù)軌橋5座（鋼梁橋2座），Lmax=75.3 m。

經(jīng)過曲線38處,其中半徑400 m及以下23處，占區(qū)域總長(zhǎng)18.7%，半徑300 m及以下12處，占區(qū)域總長(zhǎng)9.9%，Rmin= 249 m。線路軌枕以Ⅱ型鉿枕為主，Ⅰ型彈條扣件，配置數(shù)以1 680根/km為主，部分地段配置1 760根/km；道岔區(qū)為木枕、道釘。道床缺碴比較嚴(yán)重，部分地段道床頂寬為3.0 m左右有堆高。本區(qū)段內(nèi)線路縱斷面狀態(tài)較差，其中坡度≥10‰的有32處，最大坡度19.6‰。本區(qū)域小半徑曲線為設(shè)計(jì)瓶頸，故對(duì)小半徑曲線進(jìn)行檢算。

3 無縫線路穩(wěn)定性分析及強(qiáng)度計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)Ⅱ型枕,半徑R≤800曲線軌枕布置按1 840根/km計(jì)算，直線地段按1 760根/km，更換再用軌鋪設(shè)區(qū)間無縫線路。查《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》可知P60再用軌9 mm垂磨,鋼軌截面面積F=77.45 cm2，Ix=2 690 cm4，Iy=524 cm4，W頭=264 cm3，W底=363 cm3。鋼軌材料彈性模量E=2.1×105MPa，鋼的線脹系數(shù)α=1.18×10-5/℃，鋼軌支座剛度D=30 000 N／mm。

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

無縫線路失穩(wěn)的根本原因是軌溫上升引起的鋼軌軸向溫度壓力，而軌道原始橫向彎曲是影響穩(wěn)定的直接因素，脹軌跑道大多發(fā)生在軌道的初始彎曲處。一般通過控制軌道原始彎曲、設(shè)置合適的鎖定軌溫來減小溫度力，防止無縫線路失穩(wěn)。現(xiàn)行無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算方法是將相應(yīng)于軌道產(chǎn)生橫向位移f=2 mm時(shí)的溫度力Pw除以一個(gè)安全系數(shù)K后得出保證無縫線路穩(wěn)定的允許溫度力 [P]，從而計(jì)算出允許溫升[ΔTu]。計(jì)算溫度力的定曲率法統(tǒng)一公式為：

Pw-----鋼軌的溫度壓力；

β------軌道框架剛度系數(shù)，取1.0；

f------軌道彎曲變形矢度，采用0.2 cm；

l------軌道彎曲變形半波長(zhǎng)（cm）；

l0------軌道原始彈性彎曲半波長(zhǎng)（cm），l0=400 cm；

Q------等效道床阻力，取87 N/cm；

1/R0----軌道原始塑性彎曲曲率，1/R0=8f0p/l02；

f0e------軌道原始彈性彎曲矢量；

f0p------軌道原始塑性彎曲矢量，取0.25cm；

令f0e=0.25 cm代入式（2）計(jì)算出l≠l0且差值較大，為保證彈性初彎曲率不變，需要新計(jì)算，將代入式（2）再次計(jì)算l，直至l與上一次的假定l0差值在0.1 cm停

止迭代。將最后算得的f0e及其相應(yīng)的l代入式（1）得到Pw，由公式

式中K為安全系數(shù)，取K=1.3

得到允許溫升（見表1）.

表1 允許溫升

3.3 強(qiáng)度檢算

對(duì)于無縫線路鋼軌來說，應(yīng)該具備足夠的強(qiáng)度，從而能夠保證鋼軌在動(dòng)彎應(yīng)力以及其他各種附加力的作用下不會(huì)被損壞，此時(shí)要求鋼軌所承受的基本應(yīng)力與附加應(yīng)力之和應(yīng)滿足鋼軌強(qiáng)度，即：

（7）

式中σd為鋼軌承受的最大動(dòng)彎應(yīng)力 (MPa)，σf為鋼軌承受的制動(dòng)應(yīng)力，一般按9.8 MPa計(jì)算，σt鋼軌承受的溫度應(yīng)力(MPa)，[σ]為鋼軌所用材料的允許應(yīng)力(MPa)。再用軌安全系數(shù)K=1.35。鋼軌屈服強(qiáng)度405 MPa，查資料可知，金千線走行DF11型內(nèi)燃機(jī)車，但電氣化是其長(zhǎng)遠(yuǎn)趨勢(shì)，以爬坡能力較強(qiáng)的SS9型電力機(jī)車為計(jì)算依據(jù)，輪載P=103 kN，轉(zhuǎn)向架內(nèi)軸距x=215 cm，轉(zhuǎn)向架間軸距X=727 cm。

用“連續(xù)支承法”計(jì)算如下：

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 允許溫降

3.4 小半徑曲線鋪設(shè)無縫線路可行性分析

查表可知金華地區(qū)最高軌溫61.2℃最低軌溫-9.6℃，某一地區(qū)能否鋪設(shè)溫度應(yīng)力式無縫線路，主要決定于軌道的允許溫升與允許溫降之和是否大于該地區(qū)的年軌溫變化幅度，即：

但是我們知道，鋼軌上的作用力除溫度力外還應(yīng)考慮車輛荷載作用在鋼軌上的縱向水平力，包括：

（1）大坡道上坡道分力，坡道分力等于列車重量乘以坡度值。由于列車分布在一定軌道長(zhǎng)度上,單位長(zhǎng)度上坡道分力顯得很小。如14‰坡道,其坡道分力為14 kg/t,因此其影響可忽略不計(jì)；

（2）鋼軌爬行力，在長(zhǎng)大坡道上，由于列車的牽引和制動(dòng)，鋼軌向下坡方向爬行，產(chǎn)生的鋼軌縱向爬行力，此影響也較??；

（3）制動(dòng)力，有試驗(yàn)表明，制動(dòng)對(duì)軌道穩(wěn)定的影響根據(jù)穩(wěn)定理論分析可以提高鋼軌溫度壓力的2℃-3℃；

制動(dòng)力提高的鋼軌溫度壓力取3℃，從而進(jìn)一步得到公式為：

根據(jù)本區(qū)域計(jì)算允許溫升、允許溫降繪制情況如圖1所示。

圖1 計(jì)算允許溫升、允許溫降繪制情況

從圖1可以看出：當(dāng)R=300 m時(shí) 小于12℃故不適合鋪設(shè)無縫線路；當(dāng)R=400 m時(shí) 大于12℃可以鋪設(shè)無縫線路，故在本區(qū)域設(shè)計(jì)無縫線路時(shí)，曲線R≥400 m時(shí)鋪設(shè)無縫線路。

4 無縫線路前期工程

因該區(qū)段既有為有縫線路且狀態(tài)較差，部分地段缺碴嚴(yán)重，施工前需補(bǔ)充道碴，使道床滿足頂寬3.4 m（曲線R≤600 m地段加寬0.1 m）、肩寬0.45 m、碴肩堆高0.15 m、邊坡1: 1.75，枕底石碴厚度確保不小于25 cm的無縫線路要求。 要求鋪設(shè)無縫線路范圍內(nèi)直線地段軌枕配置加密至1 760根/ km，R≤800 m的曲線地段軌枕配置為1 840根/km。

5 小半徑大坡度線路施工注意事項(xiàng)

（1）由于長(zhǎng)軌車需運(yùn)行于小半徑曲線上,當(dāng)長(zhǎng)軌車通過小半徑曲線時(shí),內(nèi)股長(zhǎng)軌條將相對(duì)伸長(zhǎng),故長(zhǎng)軌條裝車時(shí)須保證端頭距橫梁1.5 m以上,以免運(yùn)行途中頂撞橫梁。

（2）在小半徑曲線換軌時(shí)，由于曲上股的伸長(zhǎng)造成鋼軌鼓曲量較大，采取措施防止鋼軌擠壞電務(wù)或其他設(shè)備。

（3）小半徑曲線地段鋪設(shè)區(qū)間無縫線路,必須先埋設(shè)好抗位移裝置后方可換軌,并在換軌當(dāng)天將抗位移樁拉桿安裝完畢。

（4）在大坡度線路卸軌時(shí)加強(qiáng)措施防止長(zhǎng)軌車溜車與長(zhǎng)軌條在重力的作用下滑動(dòng)。

（5）地處山區(qū)，需保證作業(yè)人員通信暢通。時(shí)鋪設(shè)無縫線路的可行性，當(dāng)曲線半徑在300 m時(shí)，鎖定線路時(shí)軌溫波動(dòng)范圍8.96℃接近于12℃，故采取加固措施鋪設(shè)無縫線路也是可以實(shí)現(xiàn)的，如更換Ⅲ型枕 (加強(qiáng)道床橫向阻力）、使用新軌淬火軌（提高安全性即降低安全系數(shù)）等。

（2）小曲線半徑鋪設(shè)無縫線路應(yīng)加設(shè)位移觀測(cè)樁，在日常運(yùn)營(yíng)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無縫線路的縱向、橫向位移觀測(cè)，做好變化規(guī)律分析。

6 結(jié)論及建議

（1）通過穩(wěn)定性與強(qiáng)度計(jì)算證明了曲線半徑R≥400 m

[1]盧耀榮.無縫線路研究與應(yīng)用.北京：中國(guó)鐵道出版社.2004.

[2]盧祖文.鐵路無縫線路.北京.中國(guó)鐵路出版社.2005.

[3]周悌先.長(zhǎng)大坡道上鋪設(shè)無縫線路的試驗(yàn)研究.鐵道學(xué)報(bào).1987（9）.

[4]張小勇.車輛荷載對(duì)無縫線路穩(wěn)定性的影響分析.鐵道建筑2008(2).

責(zé)任編輯：宋 飛

來稿時(shí)間：2015-01-15