易 勇， 羅川萍， 李 群

(武漢地鐵運(yùn)營有限公司， 武漢 430030 )

彈性短軌枕在武漢地鐵應(yīng)用中的問題及解決方法

易 勇， 羅川萍， 李 群

(武漢地鐵運(yùn)營有限公司， 武漢 430030 )

為減少振動及噪聲，武漢地鐵1號線使用了彈性短軌枕，但在長時(shí)間運(yùn)營后出現(xiàn)了軌枕—套靴—道床之間剝離、間隙擴(kuò)大、軌枕空吊、軌距變化大、減振量下降、短軌枕破裂等現(xiàn)象，分析出現(xiàn)問題的原因，并對軌道狀態(tài)較差路段的鋼軌、軌枕變形測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，最后針對彈性短軌枕軌道病害總結(jié)出軌枕更換、空吊整治、減振方式改造3種維修方案。

軌道交通； 短軌枕； 套靴； 減振； 維護(hù)

1 研究背景

對于中等減振地段，國際上廣泛采用彈性短軌枕軌道結(jié)構(gòu)，其垂直彈性主要由短軌枕下彈性墊板提供。彈性短軌枕的橡膠套靴設(shè)置于短軌枕與道床之間，主要起彈性緩沖作用，應(yīng)具有良好的耐磨性、絕緣性、耐久性及一定的彈性[1]。

武漢地鐵1號線彈性短軌枕在使用過程中由于橡膠套靴發(fā)生老化、變形，導(dǎo)致軌枕—套靴—道床之間出現(xiàn)剝離，間隙擴(kuò)大，出現(xiàn)軌枕吊空、軌距變化大、減振性能下降、短軌枕破裂等現(xiàn)象，給行車安全埋下了較大的隱患。為了避免這種情況的持續(xù)惡化，計(jì)劃對嚴(yán)重病害路段進(jìn)行改造，以提高軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)減振效果。為了深入了解問題線路的嚴(yán)重程度，并為后期改造提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，在改造之前對問題線路的軌道狀態(tài)進(jìn)行了動態(tài)測試。

2 彈性短軌枕簡介

彈性短軌枕由塊下膠墊、橡膠套靴提供彈性，為防止套靴滲入雨水及直接暴曬，并方便套靴組裝及更換，彈性支承塊外形不同于其他支承塊，彈性支承塊高190 mm，自頂部向下48 mm處設(shè)有一周14 mm寬的“帽沿”，再沿梯形向下142 mm至底面。支承塊的頂面(承軌面)、底面及4個(gè)側(cè)面均應(yīng)平整光滑。橡膠套靴及塊下膠墊由橡膠制品廠供貨，支承塊與塊下膠墊及橡膠套靴裝配時(shí)，采用膠粘方法，彈性支承塊內(nèi)底部不得有空隙。組裝好的彈性支承塊應(yīng)用條帶材料在承軌面兩側(cè)綁扎以確保道床施工時(shí)支承塊、塊下膠墊、橡膠套靴三者之間垂向無縫隙配合。

2.1 塊下膠墊

塊下膠墊為最新研制的微孔發(fā)泡橡膠墊板，采用抗老化性能強(qiáng)的三元乙丙(EPDM)橡膠加工成封閉的蜂窩結(jié)構(gòu)，而不再采用傳統(tǒng)的溝槽墊板[2]。其最大優(yōu)點(diǎn)是殘余變形小，動彈性損失少，能最大限度提供系統(tǒng)所需要的彈性。它與扣件組合在一起，提供系統(tǒng)垂向彈性，其普通減振段設(shè)計(jì)編號為P的塊下膠墊，其靜剛度為30～35 kN/mm，與扣件組合剛度為20 kN/mm左右，在滿足軌道安全變形前提下，可為系統(tǒng)提供較好的減振性能。

尺寸為590 mm×280 mm×12 mm，動、靜剛度之比不大于1.35，吸水率不超過10.0 kg/m3。此外，還設(shè)計(jì)了過渡段編號分別為G1、G2的塊下膠墊，其靜剛度分別為56～64 kN/mm、75～85 kN/mm。

2.2 橡膠套靴

橡膠套靴套在支承塊及塊下膠墊的外部，也采用三元乙丙橡膠制造，套靴底部不提供垂向彈性，僅在套靴的縱橫側(cè)面提供縱、橫向彈性，與塊下膠墊一起，為軌枕系統(tǒng)提供三向均衡彈性，并保護(hù)塊下膠墊。

橡膠套靴截面與其支承塊配套，要求其抗熱空氣老化、抗臭氧化能力強(qiáng)。

3 現(xiàn)場調(diào)查分析

武漢地鐵1號線為全高架線路，彈性短軌枕工作環(huán)境較為惡劣，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，線路存在如下問題：

橡膠套靴與道床之間存在間隙；橡膠套靴高度方向外露；短軌枕空吊(短軌枕四邊破裂)；軌高差與道床面坡度不匹配；軌枕間距不均勻；彈性短軌枕翻漿冒泥。

經(jīng)初步分析，造成武漢地鐵1號線彈性短軌枕線路狀況差的原因如下：

1) 現(xiàn)場施工質(zhì)量差，在鋪設(shè)彈性短軌枕的過程中，軌枕擺放有誤差。焊接鋼軌時(shí)，鋼軌拖動后彈性短軌枕的位置未調(diào)整到位，造成短軌枕偏離設(shè)計(jì)位置，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、錯(cuò)位、高低不一等問題，使施工完成的軌道狀態(tài)難以達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，影響軌道的減振效果及穩(wěn)定狀態(tài)。

2) 在運(yùn)營過程中扣件橡膠墊老化，露天環(huán)境下道床長期浸水，引起彈性短軌枕空吊[3]，導(dǎo)致軌道減振效果不穩(wěn)定，空吊嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致彈性墊板失效，軌枕的沖擊碰撞使道床振動放大[4]，進(jìn)而出現(xiàn)軌枕破裂等現(xiàn)象(見圖1)。

圖1 現(xiàn)場短軌枕破裂現(xiàn)象Fig.1 Broken shorter sleepers

3) 短軌枕坑內(nèi)套靴與坑壁之間出現(xiàn)很大縫隙的問題，主要為施工程序不當(dāng)導(dǎo)致，在混凝土強(qiáng)度尚未達(dá)到可以承受較大擾動的情況下，即進(jìn)行軌道狀態(tài)的調(diào)整工作，攢動與撥動鋼軌等，導(dǎo)致軌枕塊強(qiáng)力擠壓坑壁，從而引起坑壁變形，出現(xiàn)縫隙(見圖2)。

圖2 現(xiàn)場離縫現(xiàn)象Fig.2 Separation of the sleeper and the ballast bed

4) 縫隙的出現(xiàn)，不僅會影響軌道的穩(wěn)定,不利軌距的保持，而且為灰塵雜物以及雨雪水的進(jìn)入敞開了通道，行車時(shí)會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的翻漿冒泥現(xiàn)象(見圖3)，翻漿冒泥的頻繁出現(xiàn)，惡化了彈性套靴、塊下膠墊的工作環(huán)境，嚴(yán)重影響了軌道的減振效果。

圖3 現(xiàn)場彈性短軌枕翻漿現(xiàn)象Fig.3 Mud pumping of the ballast bed

4 現(xiàn)場變形測試分析

4.1 鋼軌的變形分析

改造路段、對比路段鋼軌動態(tài)變形的平均值分別列在表1、2中，當(dāng)變形值為負(fù)值時(shí)，對于垂直方向的變形表示向下，對于橫向或扭轉(zhuǎn)變形則表示水平向外(軌距增加)，計(jì)算的軌頭橫向變形也列在表中。

表1 改造路段鋼軌動態(tài)變形數(shù)據(jù)

表2 對比路段鋼軌動態(tài)變形數(shù)據(jù)

改造路段平均車速為55.1 km/h，鋼軌的凈垂直變形平均值為1.86 mm，最大軌頭橫向變形平均值為0.22 mm，鋼軌的扭轉(zhuǎn)變形平均值為0.88 mm；對比路段平均車速為63.0 km/h，鋼軌的凈垂直變形平均值為1.11 mm，最大軌頭橫向變形平均值為0.13 mm，鋼軌的扭轉(zhuǎn)變形平均值為0.21 mm。

在表1中，曲上股鋼軌相對于道床基礎(chǔ)在外側(cè)的垂直變形為3.23 mm，在內(nèi)側(cè)的垂直變形為1.91 mm，外側(cè)鋼軌處于外翻狀態(tài)，外側(cè)鋼軌的平均垂直變形為2.57 mm。改造路段的鋼軌變形及軌道幾何尺寸變化較大，軌道幾何狀態(tài)不穩(wěn)定。

4.2 軌枕的變形分析

對軌道狀態(tài)較差的頭道街站至黃浦路上行線區(qū)間段(改造路段)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，具體里程為K0+772；對比測試地點(diǎn)選擇在軌道狀態(tài)較好的循禮門站至友誼路上行線區(qū)間段(對比路段)，具體里程為K5+260。主要測試在列車正常運(yùn)行條件下，2個(gè)測試點(diǎn)鋼軌和軌枕的動態(tài)變形。

改造路段平均車速為55.1 km/h，軌枕相對于道床基礎(chǔ)的垂向變形為1.46 mm，橫向變形為0.42 mm，軌枕的扭轉(zhuǎn)變形角度為0.21°(軌枕向外翻轉(zhuǎn))，其中曲上股變形比較大，軌枕相對于道床基礎(chǔ)的垂向變形為2.17 mm，軌枕的橫向變形為0.91 mm，軌枕的扭轉(zhuǎn)角度為0.40°(見表3)。

表3 軌枕的動態(tài)變形數(shù)據(jù)

對比路段平均車速為63.0 km/h，軌枕相對于道床基礎(chǔ)的垂直變形為0.71 mm，橫向變形為0.03 mm，軌枕的扭轉(zhuǎn)角度為0.03°(軌枕向外翻轉(zhuǎn))?？梢钥闯?對比路段的軌枕垂向變形基本比較穩(wěn)定，曲上股的垂向變形為0.65 mm，曲下股的垂向變形為0.76 mm(見表4)。

表4 對比路段軌枕的動態(tài)變形數(shù)據(jù)結(jié)果

5 彈性短軌枕維修方案

彈性短軌枕軌道具有較好的噪聲和振動衰減特性，彌補(bǔ)了無砟軌道彈性不足的缺陷，制造成本低，減振效果好。但其存在橡膠套靴及微孔墊板維修更換不方便、需要進(jìn)行長壽命設(shè)計(jì)的問題，造成經(jīng)濟(jì)成本大幅度提高；彈性短軌枕道床如施工不當(dāng)，對軌道初期幾何形位有影響，施工精度要求較高；雨水或臟物進(jìn)入橡膠套靴內(nèi)部時(shí)可能對結(jié)構(gòu)性能或壽命產(chǎn)生不利影響。按照施工條件及病害情況，提出以下3種彈性短軌枕軌道維修方案。

5.1 更換工藝

當(dāng)發(fā)現(xiàn)短軌枕破損嚴(yán)重、預(yù)埋套管失效、橡膠套靴嚴(yán)重?fù)p壞等病害，導(dǎo)致不能保持鋼軌幾何狀態(tài)時(shí)，應(yīng)及時(shí)局部更換彈性短軌枕。

1) 首先將待換的彈性短軌枕兩側(cè)在一定長度范圍內(nèi)(≥30 m)的扣件松開，使該范圍的鋼軌處于自由狀態(tài)。

2) 在待更換的彈性短軌枕兩側(cè)各用起道器將鋼軌連同待更換支承塊抬高，進(jìn)行更換。作業(yè)軌溫范圍小于鎖定軌溫5 ℃。

3) 將待換支承塊從鋼軌一側(cè)抽出道床。

4) 取下枕下橡膠墊板，檢查原橡膠墊板性能，根據(jù)具體情況確定是否需要更換。

5) 將同型號的彈性支承塊放回原位。如由于尺寸誤差，放入困難時(shí)可重新抬出，對側(cè)面進(jìn)行適當(dāng)打磨，直至恢復(fù)正確狀態(tài)。

6) 移除起道器，將鋼軌放回原位置。

7) 安裝扣件，恢復(fù)軌道幾何狀態(tài)。

5.2 吊空及維護(hù)工藝

彈性短軌枕出現(xiàn)空吊時(shí)，應(yīng)根據(jù)吊空量及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，以改善軌道的不穩(wěn)定狀態(tài)。

1) 吊空量≤5 mm。采取在鐵墊板下加調(diào)高墊板的方法處理：松開扣件；將彈性短軌枕壓入道床；加墊鐵墊板下調(diào)高墊板；安裝扣件，恢復(fù)軌道幾何狀態(tài)。

2) 吊空量≤5～7 mm。采取在軌下和鐵墊板下加調(diào)高墊板的方法處理，軌下調(diào)高墊板最大調(diào)高為2 mm：松開扣件；將彈性短軌枕壓入道床；鐵墊板下調(diào)高墊板、軌下調(diào)高墊板；安裝扣件，恢復(fù)軌道幾何狀態(tài)。

3) 吊空量≤7～20 mm。采取在軌下和鐵墊板下加調(diào)高墊板并加長雙頭螺柱的方法處理，軌下調(diào)高墊板最大調(diào)高為2 mm，鐵墊板下調(diào)高墊板最大調(diào)高為18 mm。雙頭螺柱的加長長度，可根據(jù)現(xiàn)場需要的調(diào)高量確定，最大可加長13 mm：松開扣件；將彈性短軌枕壓入道床；更換加長型的雙頭螺柱；加墊軌下調(diào)高墊板、鐵墊板下加調(diào)高墊板；安裝扣件，恢復(fù)軌道幾何狀態(tài)[5]。

5.3 軌道減振方式改造

當(dāng)線路狀態(tài)持續(xù)惡化，需大面積更換彈性短軌枕時(shí)，建議進(jìn)行彈性短軌枕整治，以改變軌道線路的減振方式，從而根治本問題。一般采用其他類型減振扣件代替原本的道床減振方式。以下介紹使用GJ-III型雙層非線性扣件+普通短枕的軌道結(jié)構(gòu)代替原彈性短軌枕+WJ-2扣件形式的施工方法。

使用GJ-III型雙層非線性扣件更換彈性短軌枕及WJ-2扣件。先對一股鋼軌進(jìn)行改造，松開接頭夾板，上緊改造單元的扣件系統(tǒng)(WJ-2扣件)，另一股鋼軌保持不變?！案羧龘Q一”拔出既有短軌枕，軌底墊上支撐木塊[6]。此時(shí)，套靴留在坑內(nèi)，抬升高度在250 mm左右，取出彈性套靴。在抬起的短軌枕下墊上支撐薄鋼板，松開待更換軌枕上的扣件，取出舊軌枕和WJ-2扣件。

用GJ-III型扣件把專用短軌枕和鋼軌連接起來，將專用短軌枕放入軌枕坑內(nèi)，調(diào)節(jié)短軌枕位置，盡量保證短軌枕居于軌枕坑中間，其余未改造單元的扣件按照原來安裝順序重新安裝復(fù)位，必要時(shí)可借助撬杠使鋼軌落槽。

根據(jù)另一股鋼軌的正常狀態(tài)，調(diào)整改造單元所在鋼軌的軌道狀態(tài)，調(diào)節(jié)鋼軌位置(軌距、軌高、軌底坡)，以滿足軌道幾何要求，用楔形定位塊預(yù)定位并保證短軌枕四邊間隙均勻(錘擊定位楔塊不可用力過猛，以防調(diào)整好的軌道狀態(tài)遭到破壞)。

整體道床采用樹脂砂漿灌注，為加強(qiáng)短軌枕與既有道床的連接強(qiáng)度，在填充樹脂砂漿前，需用沖擊鉆在既有道床坑內(nèi)壁及四周進(jìn)行鑿毛處理(鑿毛深度不小于10 mm)，并用棉紗、吸塵器等工具將軌枕槽內(nèi)雜物清理干凈。在道床坑內(nèi)采用植筋膠植入螺紋鋼筋，并將植入的鋼筋與新軌枕底部的道床鋼筋網(wǎng)焊接起來。

將拌制好的樹脂砂漿從一側(cè)倒入軌枕坑內(nèi)，使其從軌枕一側(cè)流入另一側(cè)，便于排除短軌枕基坑四周內(nèi)的空氣，并與原道床面平齊，道床坑內(nèi)填充樹脂砂漿初凝后，在軌枕四周的道床頂面涂抹環(huán)氧樹脂封閉層作為防水處理。

為便于新澆注填充漿料養(yǎng)生，在漿料達(dá)到適當(dāng)強(qiáng)度后，拆除錨固螺栓及扣件彈條，使新更換的短軌枕處在不受鋼軌及扣件牽制的自由狀態(tài)。按作業(yè)先后順序，在每個(gè)改造單元灌漿1 h后拆除GJ-III型扣件(先拆錨固系統(tǒng)，再拆彈條)。待填充材料養(yǎng)護(hù)充分后安裝GJ-III型扣件。

由于雙層非線性減振扣件較既有WJ-2型扣件結(jié)構(gòu)高30 mm左右，為了避免曲線段軌枕安裝后,出現(xiàn)軌枕頂面低于既有道床頂面的“凹陷”從而引起積水的現(xiàn)象，應(yīng)在灌注樹脂砂漿之前做好開槽等預(yù)留排水措施。

6 結(jié)語

目前已成功完成頭道街站至黃浦路上行線區(qū)間段，共計(jì)2 589 m軌道狀態(tài)惡劣地段的彈性短軌枕軌道改造工作，改造路段軌道狀態(tài)良好，已順利投入使用。

[1] 吳建忠,曾向榮.天津地鐵軌道減振降噪創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].都市快軌交通,2007,20(3):60-63.

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WANG Xin. Appliction of the technology for vibration attenuation & noise reduction in the urban rail transit[J]. Metro and light rail, 2003(1): 35-39, 60.

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LIAO XIangzhi. Application and maintenance of elastic shorter sleeper[J]. Sichuan architecture, 2012, 32(3): 82-84.

[6] 郭春華.地鐵運(yùn)營線路既有彈性短軌枕扣件地段更換Vanguard(先鋒)扣件施工工藝[J].科技傳播,2013(4)153-154.

GUO Chunhua. Construction technology of replacing elastic shorter sleeper with vanguard fastening system[J]. Public communication of science & technology, 2013(4)： 153-154.

ProblemsandSolutions:ApplicationofElasticShortSleeperTrackinWuhanMetro

YIYong,LUOChuanping,LIQun

(Wuhan Metro Operation Co., LTD., Wuhan 430030)

The elastic short sleeper track was employed to reduce vibration and noise of the track in Wuhan metro. Many problems arise after a long period of operation, such as separation among the sleepers, rubber boots and the ballast bed, the expanding gaps, theafter voided sleepers, track gauge variations, damping performance deterioration and crack of the short sleeper. The cause, harm and effect of those problems were discussed, than the rail, sleeper deformation test data are analyzed. Three solutions are proposed to solve the problems of the short elastic sleeper tracks: replacing of the sleepers, maintenance of the voided sleepers, and change of the vibration-reducing methods type.

rail transit; shorter sleeper; rubber boot; vibration reduction; maintenance

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.014

U231

A

1672-6073(2017)06-0079-05

2016-12-14

2017-04-17

易勇，男，助理工程師，從事城市軌道交通線路運(yùn)營管理工作，297311168@qq.com

(編輯：郝京紅)