吳啟新

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061)

1 引言

隨著鐵路建設(shè)快速發(fā)展，成貴、貴廣、西程等艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路項(xiàng)目相繼完成[1]，特別是川藏鐵路等工程難度極大的鐵路建設(shè)[2]，未來(lái)將面臨各種長(zhǎng)大坡道運(yùn)輸、鋪軌的難題。我國(guó)運(yùn)營(yíng)中的高速鐵路坡度最大值一般小于20‰，部分坡度超過(guò)20‰的線路長(zhǎng)度較短[3－4]。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)規(guī)定，區(qū)間正線的坡度最大值宜小于20‰，特殊工況下經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析及論證后不應(yīng)超過(guò)30‰。隨著我國(guó)山區(qū)鐵路建設(shè)，部分經(jīng)過(guò)地勢(shì)起伏較大的山區(qū)[5－6]，坡度最大值超過(guò)20‰，并持續(xù)出現(xiàn)長(zhǎng)大坡道，例如鄭萬(wàn)鐵路重慶段總體呈現(xiàn)隧道長(zhǎng)、坡道大的特點(diǎn)，20‰以上坡度地段達(dá)54.3 km，其中下坡地段達(dá)20.36 km，線路設(shè)計(jì)最大坡度高達(dá)30‰。采用長(zhǎng)大坡道，有利于線路選擇的便利性，減小了線路的長(zhǎng)度，節(jié)省工程的總投資，但給施工過(guò)程中的運(yùn)輸和鋪軌帶來(lái)挑戰(zhàn)，同時(shí)增加了線路施工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)[7－10]。針對(duì)長(zhǎng)大坡道運(yùn)輸、鋪軌問(wèn)題，很多學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鋪軌施工開展了研究工作。李云浩等[11]針對(duì)CPG500型機(jī)組在有砟軌道25‰長(zhǎng)大坡道鋪軌施工中的適應(yīng)性，重點(diǎn)研究分析了設(shè)備能力、施工工藝以及長(zhǎng)大坡道鋪軌特點(diǎn)，提出了通過(guò)減量鋪軌和增加動(dòng)力的施工方法解決長(zhǎng)大坡道鋪軌難題。李育朝[12]針對(duì)鐵路精河－霍爾果斯線蘇古爾至布列開段最大坡度為20‰的情況，重點(diǎn)研究了鋪軌施工中軌縫控制技術(shù)，提出了長(zhǎng)大下坡道鋪軌施工的施工質(zhì)量控制措施。長(zhǎng)大坡道給鋪軌施工帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也增加了鋪軌施工過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合鄭萬(wàn)鐵路重慶段鋪軌工程，通過(guò)優(yōu)化牽引機(jī)車配置、增加裝載加固措施和研究安全鋪軌施工技術(shù)等方法解決長(zhǎng)大坡道鋪軌技術(shù)難點(diǎn)，為類似的工程提供借鑒意義。

2 工程概況

鄭萬(wàn)鐵路重慶段是設(shè)計(jì)速度為350 km/h高速鐵路線，正線采用100 m定尺長(zhǎng)60 kg/m、U71MnG無(wú)螺栓孔新鋼軌，一次鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路。設(shè)計(jì)施工起止里程為DK635＋420～DK819＋278.697。鋪軌從萬(wàn)州北站站外鄭州端(DK819＋278.697)開始，經(jīng)過(guò)云陽(yáng)、奉節(jié)、巫山三個(gè)新建車站，至鄂渝省界(DK635＋420)結(jié)束，共“3站4區(qū)間”。鄭萬(wàn)鐵路重慶段總體呈現(xiàn)隧道長(zhǎng)、坡道大的態(tài)勢(shì)。鄭萬(wàn)鐵路重慶段橋隧比高達(dá)98%，線路設(shè)計(jì)最大坡度為30‰，坡度30‰達(dá)30 km，全線線路坡度大于15‰的地段累計(jì)18處，共166.46 km，其中下坡地段達(dá)73.66 km，20‰以上坡度地段達(dá)54.3 km，其中下坡地段達(dá)20.36 km。

3 長(zhǎng)大坡道對(duì)鋪軌的影響

3.1 主要影響分析

3.1.1 對(duì)機(jī)車運(yùn)行的影響

長(zhǎng)大坡道對(duì)機(jī)車運(yùn)行的影響主要由于上坡地段牽引力不足和下坡地段制動(dòng)力不足，即上坡地段機(jī)車運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)車的運(yùn)行狀況不良或數(shù)量不足，牽引力不足，導(dǎo)致車輪打滑、空轉(zhuǎn)，對(duì)鋼軌造成損傷；下坡地段機(jī)車運(yùn)行時(shí)，由于列車充風(fēng)時(shí)間不夠，造成長(zhǎng)鋼軌列車制動(dòng)力不足，不能較好控制速度及穩(wěn)定運(yùn)行，造成長(zhǎng)鋼軌沖撞溜逸、列車放飏。同時(shí)工程線運(yùn)輸作業(yè)受外部施工環(huán)境影響較大，如站前、站后單位無(wú)計(jì)劃或超范圍施工，極易造成行車安全事故發(fā)生。

3.1.2 對(duì)鋪軌的影響

長(zhǎng)大坡道上坡地段，對(duì)鋪軌的主要影響:

(1)長(zhǎng)大上坡道鋪軌施工時(shí)，當(dāng)長(zhǎng)鋼軌解鎖以后，由于重力作用會(huì)出現(xiàn)向后溜逸的現(xiàn)象，造成沖撞設(shè)備的事故，并導(dǎo)致設(shè)備損壞，以及人員傷亡。

(2)牽引車設(shè)備性能不良，動(dòng)力不足，拖軌鏈條斷裂，造成設(shè)備損壞、人員傷亡。

長(zhǎng)大坡道下坡地段，對(duì)鋪軌的主要影響:

(1)長(zhǎng)大下坡道鋪軌施工時(shí)，當(dāng)長(zhǎng)鋼軌解鎖以后，由于重力作用會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)向前溜逸的現(xiàn)象，造成沖撞設(shè)備的事故，并導(dǎo)致設(shè)備損壞，以及人員傷亡。

(2)牽引車拖拉長(zhǎng)軌時(shí)，當(dāng)鋼軌全部從列車牽出后，由于牽引車自重較小，阻力不足，極易造成牽引車制動(dòng)不了，導(dǎo)致長(zhǎng)鋼軌沖出道床，并導(dǎo)致側(cè)翻。

(3)鋪軌列車司機(jī)操作不當(dāng)，列車速度過(guò)快，制動(dòng)力不足，列車沖出施工軌道盡頭，造成車輛、設(shè)備損壞。

4 施工技術(shù)的研究應(yīng)用

4.1 牽引機(jī)車優(yōu)化配置

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)線路情況，工程線列車運(yùn)行速度不超過(guò)20 km/h時(shí)，牽引質(zhì)量宜小于啟動(dòng)質(zhì)量限制，并按照運(yùn)行安全系數(shù)不小于120%，優(yōu)化各種工況機(jī)車的配置。

4.1.1 坡道上運(yùn)行牽引質(zhì)量

列車在限制坡道上以持續(xù)速度運(yùn)行時(shí)機(jī)車牽引質(zhì)量Mg1按公式(1)計(jì)算。

式中，F(xiàn)c為列車持續(xù)牽引力(V＝20 km/h時(shí)，查表為164.8 kN)；W′0為內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行單位基本阻力(N/kN)；Mp為內(nèi)燃機(jī)車計(jì)算質(zhì)量(DF4型為135 t)；λy為內(nèi)燃機(jī)車牽引力使用系數(shù)(取0.914)；W″0為貨車運(yùn)行單位基本阻力(N/kN)；ix為內(nèi)燃機(jī)車、車輛坡度加算值(‰)；g為重力加速度(m/s2)；v為機(jī)車、貨車運(yùn)行速度(km/h)。

4.1.2 機(jī)車啟動(dòng)牽引質(zhì)量上限

列車啟動(dòng)時(shí)最大牽引質(zhì)量上限Mg按公式(2)計(jì)算。

式中，F(xiàn)q為列車起動(dòng)時(shí)的機(jī)車牽引力，查表為401.7 kN；W′q為內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)單位基本阻力，取5 N/kN；Wq″ 為貨車啟動(dòng)單位基本阻力，取 3.5 N/kN；iq為內(nèi)燃機(jī)車、車輛坡度加算值(‰)。

4.1.3 機(jī)車制動(dòng)力、制動(dòng)距離

列車制動(dòng)時(shí)，由閘瓦壓力產(chǎn)生的列車制動(dòng)力B按公式(3)計(jì)算，不考慮摩擦系數(shù)與閘瓦壓力的變化。

列車制動(dòng)有效距離Se按公式(4)計(jì)算。

式中，Kh為列車中每種閘瓦的換算閘瓦壓力(kN)；φh為換算摩擦系數(shù)；βc為常用制動(dòng)系數(shù)；?h為列車換算制動(dòng)率，是列車換算總閘瓦壓力與列車重力之比；W0為列車運(yùn)行單位基本阻力(N/kN)；ij為機(jī)車車輛的單位加算附加阻力換算的加算坡度千分?jǐn)?shù)；v1、v2為速度間隔的初速和終速(km/h)。

4.1.4 裝載長(zhǎng)鋼軌機(jī)車配置

通過(guò)公式(1)～(4)計(jì)算，并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)線路情況，工程線列車運(yùn)行速度不超過(guò)20 km/h時(shí)，牽引質(zhì)量宜小于啟動(dòng)質(zhì)量限制，同時(shí)按照運(yùn)行安全系數(shù)大于120%，確定各種坡道的機(jī)車配置。

(1)坡度≤12‰地段，采用9 km雙機(jī)車動(dòng)力頂推運(yùn)輸。

(2)12‰＜坡度≤22‰地段，擬采用雙機(jī)動(dòng)力載6 km長(zhǎng)軌頂推運(yùn)輸。

(3)22‰＜坡度≤25‰地段，按照運(yùn)行安全系數(shù)不小于180%，擬采用三機(jī)動(dòng)力最大裝載6 km長(zhǎng)軌運(yùn)輸。

(4)坡度＞25‰地段，擬采用三機(jī)動(dòng)力最大裝載3 km長(zhǎng)軌運(yùn)輸。

4.2 長(zhǎng)軌列車裝載加固技術(shù)

4.2.1 長(zhǎng)軌支架組裝

(1)長(zhǎng)軌支架車的組成

500 m長(zhǎng)鋼軌運(yùn)輸車組由鐵路通用車輛N17平車38輛組成，其中36輛為組裝長(zhǎng)軌支架車(34輛換長(zhǎng)1.3，2輛換長(zhǎng)1.5)、1輛為升降車(換長(zhǎng)1.3)、1輛為長(zhǎng)軌推送車(換長(zhǎng)1.3)。中部3輛為長(zhǎng)軌鎖定車，首車、尾車各安裝安全防撞門1個(gè)。鎖定車位于列車中部第17、18和19車，上中下三層分開鎖緊并各安裝鎖緊裝置鎖定每層6對(duì)長(zhǎng)軌，每輛車安裝長(zhǎng)軌支架及滾輪2組。

(2)長(zhǎng)軌支架的安裝、加固

普通支架由鋼支架、橫梁、滾輪組成，鎖定支架由鋼支架、橫梁、滾輪、鎖緊架、鎖緊壓塊、T型高強(qiáng)度螺栓組成。

普通平車上設(shè)2組普通支架，鎖定平車上設(shè)普通支架一個(gè)，鎖定支架一個(gè)。

安裝時(shí)，支架底部安裝孔與平車耳孔對(duì)齊，用壓塊、螺栓上緊。鎖定支架因受力大，需另外采用8＃鐵絲或彈條呈八字型加固，必要時(shí)需采用間接措施，使鎖定支架底座與平車固定在一起。

4.2.2 長(zhǎng)鋼軌鎖定

(1)每層長(zhǎng)鋼軌裝齊后，用電動(dòng)扳手將鎖緊螺栓上緊，再采用加長(zhǎng)扳手加力，扭力不得小于250 N·M。

(2)每層長(zhǎng)鋼軌上畫一道橫線，作為運(yùn)輸過(guò)程中檢查鋼軌竄動(dòng)的參考依據(jù)。

4.2.3 長(zhǎng)軌運(yùn)輸支架檢查

(1)每列長(zhǎng)軌吊裝加固完畢后，吊裝工班自檢長(zhǎng)軌加固情況，如不符合要求，及時(shí)整改加固，包括支架橫梁的鎖定。

(2)大列運(yùn)行到每一個(gè)車站，車長(zhǎng)下車檢查鎖定車情況，查看鎖定裝置是否松動(dòng)脫落，查看標(biāo)注橫線確定長(zhǎng)軌是否竄動(dòng)。

(3)長(zhǎng)軌鋪設(shè)完畢返回前，由添乘干部及車長(zhǎng)檢查是否有超限或加固不良情況。

(4)長(zhǎng)軌空列返回基地后，由鋪運(yùn)一隊(duì)安排專人檢查支架，查看支架是否有變形、脫焊、竄動(dòng)情況，及時(shí)調(diào)整修復(fù)。

4.3 長(zhǎng)軌鋪設(shè)安全施工技術(shù)

4.3.1 長(zhǎng)軌列車對(duì)位

列車從前方站運(yùn)行到鋪軌場(chǎng)地時(shí)，必須嚴(yán)格遵守列車調(diào)度員的命令，同時(shí)列車最前端車輛應(yīng)安裝緊急制動(dòng)閥，以供運(yùn)轉(zhuǎn)車長(zhǎng)值乘使用。列車應(yīng)距離鋪軌場(chǎng)地100 m處停車，同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)車長(zhǎng)應(yīng)與鋪軌負(fù)責(zé)人聯(lián)系，掌握鋪軌現(xiàn)場(chǎng)的施工情況，并及時(shí)通知機(jī)車乘務(wù)員。動(dòng)車前應(yīng)確保已完成準(zhǔn)備工作，行車區(qū)域內(nèi)的人員不在線路上，車輛運(yùn)行狀態(tài)良好，同時(shí)線路內(nèi)無(wú)障礙物。對(duì)位過(guò)程中，運(yùn)轉(zhuǎn)車長(zhǎng)向司機(jī)正確顯示10、5、3 車及5、3、1 m 距離信號(hào)，司機(jī)鳴笛回應(yīng)，如司機(jī)無(wú)回應(yīng)，運(yùn)轉(zhuǎn)車長(zhǎng)應(yīng)顯示停車信號(hào)或盡快采取制動(dòng)措施。

多機(jī)重聯(lián)時(shí)，前方鋪軌對(duì)位作業(yè)由本務(wù)機(jī)車負(fù)責(zé)，作業(yè)過(guò)程中要保證各機(jī)車司機(jī)呼喚應(yīng)答，確保動(dòng)作同步。前方運(yùn)轉(zhuǎn)車長(zhǎng)、鋪軌機(jī)車乘務(wù)員交接班時(shí)，必須保證交接順暢，并必須對(duì)鋪軌位置坡度以及線路質(zhì)量等交接清楚。

4.3.2 長(zhǎng)軌鋪設(shè)過(guò)程解鎖安全技術(shù)

長(zhǎng)軌列車對(duì)位完成后，開始解鎖1對(duì)長(zhǎng)鋼軌，解鎖前將長(zhǎng)軌防溜裝置壓緊準(zhǔn)備解鎖的一對(duì)鋼軌。長(zhǎng)軌防溜裝置(見圖1)是自行研制，防止大坡道長(zhǎng)鋼軌在重力影響下溜逸的裝置，有效防止施工中鋼軌自溜，造成事故，防溜裝置安裝示意如圖2所示。

圖1 防溜裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2 防溜裝置安裝示意

為防止長(zhǎng)大坡道解鎖時(shí)長(zhǎng)鋼軌出現(xiàn)自溜，通過(guò)防溜裝置施加垂直于長(zhǎng)鋼軌的豎向力N3，此時(shí)長(zhǎng)鋼軌的受力如圖3所示。圖3中α為鋪軌的坡度(按照30‰即sinα＝0.03)；F2為防溜裝置施加豎向力后產(chǎn)生的摩擦力即鋼軌與壓片間的摩擦力(鋼軌與壓片的摩擦系數(shù)f2取0.3)；F1為鋼軌與滾輪的摩擦力(鋼軌與滾輪間屬于滾動(dòng)摩擦，其摩擦系數(shù)f1取0.005)；G為鋼軌的重力(取30 t)；G1為鋼軌沿坡道方向的重力分力；G2為鋼軌沿垂直坡道方向的重力分力；n為安全系數(shù)，取1.2。

圖3 長(zhǎng)鋼軌受力示意

摩擦力:F1＝G×cosα×f1＝1.46 kN

重力分力:G1＝G×sinα＝8.82 kN

防溜裝置產(chǎn)生的摩擦力:F2＝N3×f2＝0.3N3

防溜裝置加載后，摩擦力需大于下滑力，即:

根據(jù)公式(5)，防溜裝置至少需加載3.04 t。

根據(jù)理論計(jì)算出的加載值為理想狀況下的數(shù)值，現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中因鋼軌生銹、滾輪生銹、滾輪故障，摩擦系數(shù)比理論值偏大，實(shí)際使用防溜裝置時(shí)，防溜裝置所需的加載遠(yuǎn)小于3.04 t，因此根據(jù)理論計(jì)算出的防溜裝置加載值能滿足要求，能夠有效阻止鋼軌自溜。

長(zhǎng)軌大列解鎖前，提前將阻尼裝置壓緊，松開安全擋板與要拖拉的一對(duì)鋼軌鎖定裝置(鋪軌結(jié)束后需恢復(fù)安全擋板)。如拖拉上層鋼軌，應(yīng)預(yù)先將升降滾輪架調(diào)整到合適高度。指揮人員拉軌應(yīng)跟著鋼軌走，觀察鋼軌動(dòng)態(tài)，預(yù)防鋼軌卡子掛架子或安全門，通知鎖定解鎖應(yīng)二號(hào)車指揮通知鎖定解鎖，解鎖時(shí)指揮應(yīng)隨時(shí)注意鋼軌動(dòng)向。

4.3.3 牽引車拖軌安全技術(shù)

牽引車拖拉鋼軌，鋼軌離開運(yùn)輸支架后，阻力變小，易導(dǎo)致牽引車無(wú)法制動(dòng)，采用增加滑動(dòng)木塊取代滾輪支墊在鋼軌下，增加長(zhǎng)鋼軌滑動(dòng)阻力，保障長(zhǎng)鋼軌不會(huì)自由下滑推動(dòng)一號(hào)車造成傷害，以牽引車加裝剎車裝置確保安全。

在長(zhǎng)大下坡道牽引長(zhǎng)鋼軌時(shí)，指揮應(yīng)時(shí)刻注意牽引車吊具的動(dòng)向，吊具吊鏈呈后拉時(shí)正常牽引長(zhǎng)鋼軌，在20‰至30‰的下坡道上牽引長(zhǎng)鋼軌時(shí)，長(zhǎng)鋼軌脫離推送車200 m、300 m道床上放置方木(滑動(dòng)摩擦代替滾動(dòng)摩擦)，若長(zhǎng)鋼軌速度未能降下來(lái)可視情況加墊阻尼方木。牽引車拖拉長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)到位后，落軌前推送車卷?yè)P(yáng)設(shè)備鋼絲繩掛住長(zhǎng)鋼軌尾部，保持受力狀態(tài)后落軌，防止落軌后鋼軌自由下滑。

5 結(jié)束語(yǔ)

鄭萬(wàn)鐵路重慶段總體呈現(xiàn)隧道長(zhǎng)、坡道大的態(tài)勢(shì)，最大坡度達(dá)到30‰，20‰以上坡度地段達(dá)54.3 km，其中下坡地段為20.36 km。長(zhǎng)大坡道給鋪軌施工帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)鋪軌施工過(guò)程中也存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)鄭萬(wàn)鐵路坡度陡，長(zhǎng)大坡道多的特點(diǎn)，從牽引機(jī)車優(yōu)化配置、列車裝載加固和長(zhǎng)軌鋪設(shè)安全施工等方面研究了長(zhǎng)大坡道施工技術(shù)，主要結(jié)論如下:

(1)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)線路特點(diǎn)，在確保牽引質(zhì)量不超過(guò)啟動(dòng)質(zhì)量限制的條件下，同時(shí)保證機(jī)車制動(dòng)力和制動(dòng)距離滿足安全要求，對(duì)不同坡道地段的機(jī)車進(jìn)行優(yōu)化配置，優(yōu)化配置后的機(jī)車能滿足上坡地段牽引力和下坡地段制動(dòng)力的要求。

(2)長(zhǎng)鋼軌運(yùn)輸車主要有普通平車和鎖定平車，通過(guò)鎖定平車的鎖定支架與平車固定保證了長(zhǎng)軌支架的安全穩(wěn)定，每層長(zhǎng)鋼軌裝齊后，通過(guò)鎖緊螺栓將長(zhǎng)鋼軌進(jìn)行鎖定，同時(shí)在運(yùn)輸和鋪軌過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)軌支架的檢查。

(3)長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)鋪軌對(duì)位作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)和管理，同時(shí)利用自主研發(fā)的長(zhǎng)軌防溜裝置確保長(zhǎng)鋼軌解鎖的安全；牽引車拖拉鋼軌時(shí)，通過(guò)增加滑動(dòng)木塊取代滾輪支墊，增加了長(zhǎng)鋼軌滑動(dòng)阻力，從而保證了長(zhǎng)大坡道鋪軌的安全性。

(4)在鄭萬(wàn)鐵路重慶段鋪軌過(guò)程中，采用以上鋪軌施工技術(shù)完成了最大坡度高達(dá)30‰的長(zhǎng)大坡道段的鋪軌任務(wù)，為今后同類工程施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。