劉競

（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）

板式無砟軌道是我國建造高速鐵路所采用的主要軌道結構形式。目前，我國板式無砟軌道主要有3種，即CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型［1-2］。板式無砟軌道取消了傳統(tǒng)有砟軌道的軌枕和道床，采用預制鋼筋混凝土軌道板直接支承鋼軌，在軌道板與混凝土底座之間填充水泥乳化瀝青砂漿或自密實混凝土充填層。板式無砟軌道具有平順性高、穩(wěn)定性好、使用壽命長、耐久性好、維修工作量少等技術優(yōu)勢［3-4］。

隨著服役時間的延長，在溫度應力、列車荷載、風化等綜合作用下，個別軌道板會出現開裂、掉塊、起鼓等劣化情況，劣化到一定程度時須利用天窗封鎖時間（即在鐵路24 h不間斷的運行圖內不鋪畫列車運行線或減少列車運行次數而為鐵路維修養(yǎng)護及施工預留的空閑時間）對個別傷損的軌道板進行更換，以恢復線路良好狀態(tài)，確保無砟軌道的安全性、穩(wěn)定性和長期耐久性［5-7］。

目前高速鐵路運營線更換軌道板多采用切軌更換法［8-9］，即先切斷鋼軌，再用軌道車的起吊設備將傷損軌道板移出并將新軌道板移入，然后重新焊接鎖定鋼軌。該方法須在換板前對鋼軌進行切割，且當日天窗須對鋼軌進行臨時連接恢復，換板后還須對鋼軌進行焊接、打磨及焊縫探傷等，工序較多；此外由于增加了鋼軌接頭，對鋼軌損傷較大，并增加了后續(xù)焊縫處易斷軌的潛在風險［10］。

針對切軌更換法的不足，亟需開展單天窗期在不切斷鋼軌情況下更換無砟軌道軌道板的技術研究。目前不切斷鋼軌的換板法主要有2種：抬高鋼軌換板法和橫向撥軌換板法。中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所在總結抬高鋼軌換板技術的基礎上，結合理論分析、模擬試驗與工程實踐，創(chuàng)新性地提出了一種在不切斷鋼軌條件下利用單天窗期采用橫向撥軌的方式對傷損軌道板進行更換的技術。本文簡單介紹抬高鋼軌換板法的原理、工序及特點，重點介紹橫向撥軌換板法的原理、可行性、工藝流程等，并通過實際工程應用進行驗證。

1 抬高鋼軌換板法

抬高鋼軌換板法［3，6］是采用機械抬升的方式將松開一定長度扣件的鋼軌抬高，利用千斤頂或電葫蘆從側向加載，將損壞軌道板從線路一側頂出，用隨車軌道吊將其移走，再按逆路徑將新軌道板移入，并對損壞的充填層材料或凸臺樹脂進行修復或更換。該方法須根據待更換軌道板的結構尺寸特點，確定鋼軌的調高量及松開扣件的長度。對于CRTSⅠ型無砟軌道板，鋼軌抬高量應超過凸形擋臺的高度；對于CRTSⅡ型無砟軌道板，鋼軌抬高量應超過承軌臺擋肩的高度；對于CRTSⅢ型無砟軌道板，鋼軌抬高量應超過底座板限位槽深度和承軌臺擋肩的總高度。

抬高鋼軌換板法雖然避免了切軌更換法對鋼軌的傷損，但是其缺點有：①工裝較重，不適于天窗期施工；②對于雙線無砟軌道線路，受線間作業(yè)空間限制，軌道板橫移后會造成侵線，給軌道吊作業(yè)造成極大困難；③對于單線無砟軌道線路，尤其是橋梁段，受線外作業(yè)空間限制，軌道板無法橫向移出或移入。

2 橫向撥軌換板法

橫向撥軌換板法是采用專用工裝將松開一定長度扣件的鋼軌沿橫向撥開，預留傷損無砟軌道板的垂直吊出空間，利用線路上方空間，采用專用設備進行軌道板更換，如圖1所示。在作業(yè)過程對軌道狀態(tài)進行監(jiān)控，確保換板過程中鋼軌鎖定軌溫不變且不產生塑性變形，換板后線路軌道狀態(tài)恢復良好，不影響行車。該方法可滿足CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型無砟軌道板更換的需要，對于雙線和單線無砟軌道軌道板更換均適用。

圖1 橫向撥軌換板示意

2.1 橫向撥軌換板法可行性研究

橫向撥軌換板法的技術核心是針對特定的鋼軌軌道狀態(tài)，確定待更換軌道板（長L0）前后的撥軌距離f與松開扣件最小長度L的相關關系（圖1），確保撥軌過程鋼軌處于彈性變形且不損傷鋼軌。這決定了采用橫向撥軌更換傷損軌道板的技術可行性。

采用無縫線路實際鎖定軌溫檢測系統(tǒng)（Neutral Temperature Detecting System，NTS）［11］進行鎖定軌溫的測試。根據換板區(qū)實測鋼軌溫度、鋼軌實際鎖定軌溫，通過有限元分析與迭代計算確定需松開扣件的最小長度L，并通過模擬試驗進行驗證。結果顯示：當待換板兩側松開扣件特定長度且其撥軌寬度滿足軌道板垂直吊裝空間要求時，測得的鋼軌松開扣件的尾端A，D處均無位移；A，B，C，D這4處最大應變不超過250×10-6；鋼軌恢復后，殘余應變小于20×10-6，鋼軌處于彈性變形且未影響鋼軌原鎖定軌溫。這為橫向撥軌換板法的創(chuàng)新與應用提供了技術支撐。

2.2 橫向撥軌換板法工藝流程

橫向撥軌換板法主要工藝流程如圖2所示，更換軌道板時可實現1個天窗至少更換1塊以上的軌道板。

圖2 橫向撥軌換板法工藝流程

2.2.1 準備階段

準備階段包括現場踏勘調研、軌道板試吊、原軌道板位置采集與定位線標注、零配件編號、實際鎖定軌溫與軌溫測試、軌道狀態(tài)測試元件布設等。由于運營中長軌條因輪軌相互作用而被輾長、維修作業(yè)不當引起長軌條不均勻爬行等原因，長軌條鎖定軌溫發(fā)生改變（一般比施工鎖定軌溫下降5～8℃），導致無縫線路施工鎖定溫度記錄不準確，在運營中存在一個實際的鎖定軌溫。因此，須準確掌握換板地段無縫線路的實際鎖定軌溫，為撥軌施工方案中確定換板作業(yè)時松開扣件的長度提供基礎數據，確保在天窗期換板作業(yè)后及時恢復線路并避免對無縫線路產生不利影響。該階段的關鍵工序是采用NTS系統(tǒng)進行實際鎖定軌溫的測試。NTS系統(tǒng)無需鋸切鋼軌且無需鋼軌材質和殘余應力等資料，采用無損方法進行實際無縫線路鎖定軌溫檢測，該系統(tǒng)由液壓提升架、拉力傳感器、位移傳感器、軌溫傳感器、數字采集儀和NTS軟件（筆記本電腦內）組成。采用NTS系統(tǒng)進行無損檢測前對其拉力傳感器和位移傳感器進行標定，測試精度為1.5℃。根據測試結果，NTS系統(tǒng)自動給出軌溫安全區(qū)域圖形，并給出軌溫及鎖定軌溫對無縫線路的影響評價。完成實際鎖定軌溫測試后，對現場鋼軌溫度進行測試并與實際鎖定軌溫比較，根據相關有限元分析與迭代計算，確定換板兩側松開扣件的長度。

2.2.2 換板階段

換板階段包括接觸網停電、零配件拆除、原凸臺樹脂鑿除、橫向撥軌與實時監(jiān)控、軌道板與砂漿脫粘、舊板移出、充填層表面清理、新板移入、鋼軌恢復、軌道板粗鋪與精調、新凸臺樹脂澆筑、板底注膠、線路測量與微調、回檢清場、軌道狀態(tài)跟蹤監(jiān)測共15個步驟。該階段的關鍵工序是橫向撥軌與實時監(jiān)控，包括：①實測鋼軌溫度并與實際鎖定軌溫進行比較，根據不同軌道溫差下鋼軌最大允許撥軌量與不同松開扣件長度對照情況，將換板兩側一定長度區(qū)間內的扣件松開；②撥軌時嚴格控制撥軌量，待撥軌量達到設計要求時在緊鄰起道點處及每間隔一定距離設置尺寸合適的撐桿，對撥軌后的鋼軌予以支撐穩(wěn)固；③在鋼軌撥軌作業(yè)中實時監(jiān)控撥軌力及鋼軌的應力應變演變狀態(tài)，如有異常立即停止作業(yè)。

2.2.3 后續(xù)階段

后續(xù)階段包括線路測量、軌道精調等。利用精測小車對作業(yè)區(qū)段及前后50 m進行測量，對線形進行分析，制定精調方案并按照精調方案對線路進行調整。

3 橫向撥軌換板法工程實踐

在不切斷鋼軌情況下，在一客專鐵路采用橫向撥軌換板法更換傷損軌道板。該線采用CRTSⅠ型板式無砟軌道結構、WJ-7型扣件，采用60 kg/m、100 m定尺長、U71MnG鋼軌一次鋪設跨區(qū)間無縫線路，全線設計鎖定軌溫為（28±5）℃。軌道板更換作業(yè)前，NTS系統(tǒng)測試的實際鎖定軌溫為26℃，撥軌作業(yè)前測得的鋼軌溫度為20℃。根據測試結果及有限元分析與迭代計算，確定撥軌換板時兩側松開扣件的長度。

3.1 橫向撥軌力

為確保撥軌力在可控范圍內且橫向撥軌時鋼軌不被頂傷或產生硬彎，每次換板撥軌時均對鋼軌的撥軌力進行監(jiān)測。實測數據顯示，鋼軌撥軌力均在預期范圍內。

3.2 鋼軌變形

鋼軌撥開后，對比實測鋼軌撥開線形與理論線形，發(fā)現鋼軌每個測試點的撥開量與理論計算撥開量基本相符。鋼軌所產生的最大附加壓、拉應力均遠小于鋼軌允許應力，鋼軌應變在彈性范圍內。經現場仔細檢查，鋼軌無硬彎、無損傷。

3.3 軌道動態(tài)性能響應

為評估更換軌道板處的軌道動態(tài)性能響應是否滿足列車運行時的安全性和平穩(wěn)性要求，布設測點實測列車通過更換軌道板時的軌道動態(tài)響應，測點布設如圖3所示。其中，在更換軌道板板縫位置選取1處斷面布設2個輪軌力測試通道，在新軌道板兩端各布設1個軌道板加速度測試通道，在相鄰的原軌道板板端各布設1個加速度對比測試通道，共計2個輪軌力測試通道和4個加速度測試通道。共測試3 d，其中前2 d列車限速120 km/h運行，第3天恢復常速。測試期間，共采集有效通過列車54列，列車通過測點速度最高269.9 km/h，最低70.7 km/h。

圖3 軌道動態(tài)性能響應測試點位分布

1）列車運行安全性指標

動車組通過測試工點時，測得不同車速下脫軌系數、輪重減載率等。結果表明，動車組通過時的脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力均在其相應評判標準限值內。其中，實測脫軌系數最大值0.18（對應車速79.7 km/h），實測輪重減載率最大值0.14（對應車速254.6 km/h）。

2）軌道結構振動

動車組通過測試工點時，測得不同車速下軌道板振動加速度。結果表明，動車組通過時軌道板振動加速度在其相應評判標準限值內。其中，實測新軌道板振動加速度最大值為56.6 m/s2（對應車速191.4 km/h），相鄰原軌道板振動加速度最大值為66.5 m/s2（對應車速95.9 km/h）。

工務部門采用添乘儀對換板區(qū)段的線路運行狀況進行檢測，結果顯示換板前后無添乘儀偏差，與軌道動態(tài)性能響應的測試結果基本一致，進一步說明了軌道板更換施工未對軌道結構動態(tài)響應帶來不利影響，能夠滿足動車組安全舒適的運輸要求。

綜上，用橫向撥軌換板法更換軌道板后，橫向撥軌力測試及鋼軌變形情況良好；動車通過時的安全參數、軌道板振動加速度等相關實測結果均在標準限值內，且新軌道板與相鄰原軌道板的振動加速度相差不大，軌道動態(tài)性能響應滿足列車運行時的安全性和平穩(wěn)性要求，技術應用效果較好。

4 結論

針對切軌更換法及抬高鋼軌換板法更換軌道板的弊端，創(chuàng)新性提出了在不切斷鋼軌情況下單天窗期采用橫向撥軌換板法更換軌道板的全套技術。

1）橫向撥軌法實現了在不切斷鋼軌的前提下更換傷損軌道板，避免了無縫長鋼軌的切割及焊縫處易斷軌的潛在風險。

2）根據換板區(qū)鋼軌實際鎖定軌溫、實測鋼軌溫度及相關有限元分析與迭代計算等，確定待換板前后需松開扣件的最小長度；通過試驗與工程驗證，輔以撥軌作業(yè)時可靠的軌道狀態(tài)監(jiān)控，可確保撥軌后長鋼軌鎖定軌溫不變、無塑性變形或硬彎損傷。

3）采用橫向撥軌法更換軌道板后，動車組通過時安全參數、軌道板振動加速度等相關實測結果均在標準限值內，且新軌道板與相鄰原軌道板的振動加速度相差不大。軌道板更換施工未對軌道結構動態(tài)響應帶來不利影響，能夠滿足動車組安全舒適的運輸要求。