小半徑曲線鋪設無縫線路適應性研究

高 琦

(成都鐵路局 工務處，四川成都 610081)

山區鐵路以曲線多、半徑小為主要特征，考慮到半徑越小，線路穩定性越差，加之小半徑曲線鋼軌傷損發展快，鋼軌更換周期短，一般采用普通線路。大量存在的鋼軌接頭破壞了軌道結構的連續性，加大了輪軌動力沖擊作用(最大時可達靜輪載的7倍以上)，軌道幾何形位劣化加快，成為鋼軌傷損和軌道病害的集中高發區域，是日常養護維修的重點和難點，工作量巨大，維修成本很高。據統計，對于普通線路，接頭養護工作量約占養護工作總量的40%，其投入費用約占維修成本的30%。由于無縫線路減少了接頭數量，改善了軌道結構，提高了列車運行的平穩性，減緩了線路病害的發生，延長了維修周期，提高了設備質量，因此是新鋪線路及線路大修改造的優先選擇。研究在小半徑曲線占較大比例的山區鐵路鋪設無縫線路，取消或部分取消鋼軌接頭，對減少養護維修工作量、節約成本等均具有重要意義。結合近年來我國鐵路維護技術的進步及成都局工務部門在小半徑曲線無縫化方面的努力，通過線路大修對管內部分小半徑曲線進行無縫化改造，消除部分鋼軌接頭，將大幅提高線路結構質量，但小曲率半徑線路的穩定性將是極大的挑戰。根據我國現行《鐵路線路修理規則》(鐵運［2006］146號)第3.10.4條及《無縫線路鋪設及養護維修方法》(TB/T 2098—2007)第5.1條規定，半徑＜400 m曲線應根據具體情況進行個別設計及檢算，并采取必要的加強措施。為研究合適的小半徑曲線無縫化方案，下面重點進行半徑400 m以下曲線區段線路無縫化方案的可行性分析，提出小半徑曲線地段線路無縫化改造的技術方案。

1 無縫線路計算分析理論

1.1 鋼軌強度要求

無縫線路鋼軌應有足夠的強度，以保證在動彎應力、溫度應力及其他附加應力共同作用下，強度滿足要求，即要求鋼軌所承受的各種應力之和不超過鋼軌強度值。一般采用式(1)檢算。

式中，σd為鋼軌承受的最大動應力(MPa);σt為鋼軌承受的最大溫度應力(MPa);σc為鋼軌承受的附加應力，路基地段一般考慮10 MPa的制動附加應力，橋梁地段還應考慮伸縮或撓曲附加應力與制動應力的組合;［σ］為鋼軌容許應力，取鋼軌的屈服強度σs，并考慮一定的安全系數K(一般取1.3)，［σ］=σs/K。

對于有砟軌道線路，鋼軌強度一般控制允許降溫幅度［Δts］，由式(2)計算。

式中，σgd為鋼軌下翼緣動拉應力。

1.2 無縫線路穩定性檢算

無縫線路穩定性檢算方法較多，有“統一公式”、“變波長公式”和有限元法等，“統一公式”是1977年為統一無縫線路穩定性計算而提出來的，應用廣泛。該公式假定軌道原始彎曲長與臌曲后的變形波長相等，將軌道彎曲的變形限制在2 mm，同時，為了保證一定的安全儲備量，考慮1.3安全系數，作為允許溫升。

計算溫度力P

式中，P為計算溫度力;E為鋼軌彈性模量;β為軌道框架剛度系數;l為軌道彎曲半波長;foe為軌道原始彈性彎曲矢度;f為軌道彎曲變形矢度;R為軌道曲線半徑;Q為等效道床阻力，R0為塑性初始彎曲半徑。

則允許溫升［ΔTc］為

1.3 斷縫限值要求

無縫線路發生斷軌后將嚴重影響行車安全，一般要求最不利情況下鋼軌斷縫不得造成脫軌等重大安全事故。我國無縫線路相關規范要求有砟軌道無縫線路斷縫值一般不得超過［λ］=70 mm。斷縫值計算按下式進行。

式中，λ為鋼軌折斷斷縫值;ΔTdmax為無縫線路最大降溫幅度。

2 主要參數取值

2.1 線路基本參數

根據成都局線路主要運營條件，確定線路基本參數如下:電力機車(SS1－7、ⅡXD)牽引，客貨混跑，最高運營速度V=90 km/h;鋼軌為60 kg/m的U71Mn軌，Ⅰ級道砟，砟肩寬度不小于40 cm，堆高15 cm，道床邊坡1∶1.75;軌道加強設備，拉桿10根/25 m;坡度最大24‰;軌枕類型有Ⅱ型枕(級配1 840根/km)，ⅢB型枕(級配1 667根/km)。

2.2 線路縱、橫向阻力

由于不同文獻公開的線路縱、橫向阻力差別較大，下文分別考慮現行參考規范及主要相關文獻取值。根據《鐵路無縫線路設計規范》(送審稿)，Ⅱ型混凝土枕縱向阻力取為11.5 kN/m，等效橫向阻力取為8.43 kN/m;ⅢB型混凝土枕縱向阻力取為15.0 kN/m，等效橫向阻力取為11.5 kN/m。根據秦沈、大秦線現場測試情況，Ⅱ型混凝土枕縱向阻力取為11.5 kN/m，等效橫向阻力取為15.39 kN/m;ⅢB型混凝土枕縱向阻力取為15.2 kN/m，等效橫向阻力取為17.78 kN/m。

2.3 線路軌溫

為保證方案在成都局管內的普遍適應性，以成、渝、黔地區主要城市歷年最高、最低軌溫為計算依據，取最高軌溫61.3℃，最低軌溫 －7.8℃，中間軌溫26.8℃，設計鎖定軌溫(31±5)℃，進行分析計算。

3 小半徑曲線線路無縫化方案分析

為盡可能地實現線路無縫化目標，將小半徑曲線分R≥300 m和250 m≤R＜300 m兩類，分別分析鋪設的可行性及存在的問題。

3.1 R≥300 m曲線區段無縫化檢算

根據無縫線路基本理論，對Ⅱ、ⅢB型混凝土枕R=300 m線路進行無縫化檢算。結果如表1所示，從表1可知，在半徑R=300 m的曲線上鋪設跨區間無縫線路，依據《鐵路無縫線路設計規范(送審稿)》參數計算，采用Ⅱ型混凝土枕，由線路穩定性控制的最大溫升超限，需提高線路橫向道床阻力或提高設計鎖定軌溫。經計算，最小曲線半徑300 m時，道床橫向阻力須大于9.5 kN/m才能滿足“統一公式”有關線路穩定性的要求。

3.2 250 m≤R＜300 m曲線區段無縫化檢算

取曲線半徑R=250 m區段，分別就采用Ⅱ、ⅢB型混凝土枕線路進行無縫化檢算。結果如表2所示。表2結果表明，在半徑R=250 m的曲線上鋪設跨區間無縫線路，依據《鐵路無縫線路設計規范(送審稿)》參數計算，采用Ⅱ型混凝土枕，由線路穩定性控制的最大溫升超限;采用ⅢB型軌枕，最大溫升也非常接近線路穩定性確定的最大溫升限值。經計算，要保證最小曲線半徑250 m時線路的穩定，道床橫向阻力須＞11.5 kN/m才能滿足“統一公式”有關線路穩定性的要求。

表1 R=300 m曲線線路無縫化檢算結果 ℃

表2 250 m≤R＜300 m曲線線路無縫化檢算結果 ℃

4 小半徑曲線地段關鍵參數測試

為進一步確認小半徑曲線地段線路無縫化的可行性，隨機抽取了半徑＜400 m的大修一月后的線路，對其中的關鍵參數——道床橫向阻力進行了測試。大修時，道床砟肩達到相關規范的加寬與堆高要求，測試時道床狀態:砟肩平均寬約55 cm，砟肩堆高約12 cm。測試結果如圖1和圖2。

圖1 Ⅱ型混凝土枕單枕橫向阻力

圖2 ⅢB型混凝土枕單枕橫向阻力

經換算，實測Ⅱ型混凝土枕道床等效橫向阻力約為10.5 kN/m，ⅢB型混凝土枕道床等效橫向阻力約為11.5 kN/m。測試結果表明，在日常狀態下，Ⅱ型、ⅢB型混凝土枕道床橫向阻力可以滿足R≥300 m曲線線路鋪設無縫線路的要求，250 m≤R＜300 m曲線鋪設無縫線路安全儲備明顯不足。

5 結論

綜合上述分析與現場實測結果，考慮到小半徑曲線劇烈的輪軌橫向作用等因素，形成小半徑曲線線路鋪設無縫線路方案:

1)在R≥300 m曲線線路區段，可采用Ⅱ型(1 840根/km)、ⅢB型(1 667根/km)混凝土枕鋪設無縫線路，要求砟肩應達到并保持相關規范要求。

2)250 m≤R＜300 m曲線地段鋪設無縫線路道床橫向阻力無法滿足軌道穩定性要求，應鋪設有縫線路。

3)小半徑曲線上鋪設無縫線路對線路的穩定性要求較高，在曲線區段應設置軌道穩定加強措施，如設置拉桿、加大軌枕鋪設密度等。

4)小半徑曲線鋪設無縫線路應加設位移觀測樁，在日常運營中，應加強對無縫線路的縱向、橫向位移觀測，做好變化規律分析，特別是極端氣候季節，一旦出現非正常情況及時采取措施。

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