阜淮線鋪設跨區間無縫線路設計探討

肖 虎 上海鐵路局工務處

阜淮線西起阜陽，經穎上、鳳臺跨越淮河至淮南，是我國南北鐵路第二通道，年通過總重大于100 Mt·km/km。淮河特大橋是淮河上第一座公路、鐵路兩用橋，橋上鋪設無縫線路是跨區間無縫線路設計中的技術重點和難點。橋上鋼軌除了承受溫度力作用外，還承受梁軌相互作用引起的附加縱向力。為減小梁軌間相互作用，橋上往往鋪設小阻力扣件，但過小的扣件阻力可能導致鋼軌爬行，而且鋼軌一旦在低溫下折斷，將產生過大斷縫，威脅行車安全。特別在年溫差大、低溫天氣多的地區，這一問題顯得尤為突出。因此，需要合理設計橋上鋼軌的扣件布置方式。

1 既有線橋概況

阜淮線下行K93+000～K124+900，碎石道床，P60鋼軌。曲線8處，最小半徑400 m。混凝土岔枕P60單開道岔24組，狀態良好，部分道岔未無縫化。混凝土梁有碴橋21座，跨度≤24 m，橋長≤160 m；混合梁橋1座，為特大橋。路基線路上以Ⅱ型砼枕為主，有碴梁面上為Ⅱ型橋枕，配置數1760根/km（半徑≤600 m的曲線地段為1840根/km）。

淮河公路橋覆蓋在雙線鐵路橋上方。鐵路橋里程：K109+717.3～K113+164.8，全長3 447.5 m，并設有護軌。橋跨組成：（阜陽臺）26 m-31.7 m預應力混凝土簡支梁+（96+96+96）m連續鋼桁梁+（96+96+96）m連續鋼桁梁+61 m-31.7 m預應力混凝土簡支梁（淮南臺），固定支座在阜陽方。線路最大縱坡4.3‰，橋梁兩端曲線半徑R=1 000 m，其余為直線。鋼桁梁橋上每線設置了3組60 kg/m單向溫度調節器。31.7 m梁上為彈條Ⅰ型調高扣件、軌下為帶不銹鋼板的復合膠墊，鋼桁梁上為木枕明橋面，K型分開式扣件。其余地段為彈條Ⅱ型扣件、普通膠墊。

2 設計依據及參數

TB/T2098-2007《無縫線路鋪設及養護維修方法》；

TB10082-2005《軌道設計規范》；

鋼軌類型60 kg/m，鋼種采用U75V不淬火鋼軌，截面積F=7745 mm2，彈性模量E=2.1×105MPa，脹縮系數α=1.18×10-5/℃，有碴軌道容許斷縫值[λ]=8 cm。線路所處地區最高軌溫Tmax=61.0℃，最低軌溫Tmin=-20.6℃。

3 設計計算

3.1 鎖定軌溫

3.1.1 一般地段鎖定軌溫

當采用標準軌道結構的情況，可按TB/T2098-2007標準中所列允許溫降[ΔTd]、允許溫升[ΔTu]來計算中和溫度Te，由此確定設計鎖定軌溫幅度，公式參照TB10082-2005標準。考慮到無縫線路在軌道彎曲變形縱向力分布不均勻及經過長期運行后鎖定軌溫的衰減，應對計算鎖定軌溫予以修正。按行駛東風4型內燃機車，依據線路平面不同，查表并計算，如表1所示。

表1 一般地段鎖定軌溫

3.1.2 特大橋上鎖定軌溫

TB/T2098-2007標準中，對允許溫升考慮了縱向力不均的影響，但允許溫降未考慮這種影響。由于淮河大橋的溫度跨度較大，因此橋上無縫線路允許溫降應考慮梁端處長鋼軌應力峰ΔF的影響，取ΔF=150 kN，換算成溫差ΔtF=ΔF/FEα=8℃。因此，允許溫降[ΔTd]=66-ΔtF=58℃。

經現場調查，淮河大橋混凝土梁上均設置了擋碴板，但部分擋碴板過低，橋枕外露。為使碴肩道碴充填充分，要求結合道床清篩施工，更換或加高L型擋碴板。根據廣深線石龍大橋道床橫向阻力測試結果，設置擋碴板的道床橫向阻力比不設擋碴板的平均增加12.5%，橋上無縫線路穩定性也將提高。因此，允許溫升會適當提高，計算仍取允許溫升[ΔTu]=46℃。

取修正值ΔTk=1.8℃，則Te=28℃。設計鎖定軌溫幅度為28±5℃。

最大溫降幅度：ΔTdmax=Tm-Tmin=33-(-20.6)=53.6℃≤[ΔTd]=58℃；

最大溫升幅度：ΔTumax=Tmax-Tn=61-23=38℃≤[ΔTu]=46℃，滿足要求。

3.2 特大橋上軌道結構設計

為避免橋上鋼軌折斷時斷縫過大，同時考慮結構簡單、養護維修方便等因素，將31.7 m梁上原有的彈條Ⅰ型調高扣件均更換為與60 kg/m鋼軌相配套的彈條Ⅱ型扣件，并保留原有帶不銹鋼板的復合膠板，扣件鈕矩保持（80～150）N·m，線路縱向阻力r=8.8 kN/m/軌。

鋼桁梁上溫度調節器之間用長軌條焊聯，溫調器基本軌始端外至鋼梁梁端范圍內K型扣件按“1-5-1”進行布置，其余按“1-2-1”布置。如圖1所示。

橋臺兩端路基上不小于300 m范圍內長鋼軌加強鎖定，扣件扭矩（120～150）N·m。

圖1 淮河大橋無縫線路軌道結構示意圖

3.3 斷縫檢算

低溫時，橋上鋼軌存在溫度拉力和伸縮力，鋼軌一旦折斷，應力按縱向阻力梯度在折斷處放散，形成較大斷縫。斷縫的大小與線路縱向阻力、溫度拉力及鋼軌折斷位置有關。低溫時，活動端橋臺處鋼軌產生最大伸縮拉力，固定端橋臺處產生最大伸縮壓力。但伸縮力所引起的鋼軌位移很小，可略去不計。

混凝土梁上軌條最大溫度力Pt=FEαΔTdmax=19.2×53.6=1029 kN/軌。鋼軌斷縫值λ=Pt2/rEF=7.4cm≤[λ]=8cm，檢算合格。

鋼桁梁上由于設置溫度調節器，且有公路橋面遮蓋，橋梁與鋼軌溫差較小，經觀測，其值不超過5℃。這里取Δt=5℃計算，溫調器之間的軌條最大溫度力P′t=FEαΔt=96 kN/軌。圖1中，鋼桁梁左起第1聯連續梁上長鋼軌溫度力得到放散，第2聯連續梁溫度力按96 kN/軌計。因此，鋼桁梁上可不檢算斷縫。

4 無縫線路鋪設方案

4.1 無縫線路前期工程

無縫線路鋪設前，應對線路進行綜合整治，以達到鋪設條件。要求路基穩定、無翻漿冒泥，線路排水狀態良好。該區段同步安排道床清篩，優化線路縱斷面，使用一級碎石道碴，道床飽滿清潔、密實均勻，道床橫斷面尺寸符合《鐵路線路修理規則》的規定。有碴橋上安裝L型擋碴板，道岔范圍內道床肩寬應達到450 mm。更換線路上的失效軌枕，并對銹蝕嚴重及失效的螺桿進行改錨。

4.2 軌條方案

長軌條在工廠用60 kg/m百米定尺新鋼軌制作，運輸至施工現場后進行焊聯。聯合接頭避開道口、橋墩臺或不作單獨設計的橋上，距橋臺邊墻不小于2m。位于橋上時應布置在1/4～1/2橋跨處，并避開邊跨。線下采用焊軌車進行大型移動閃光焊；線上宜采用移動閃光焊，條件不足時，可采用法（德）鋁熱焊，鋁熱焊焊縫距軌枕邊不得小于40mm。軌條鋪設時，應在設計的鎖定軌溫范圍內進行作業，相鄰單元軌條的施工鎖定溫差≯5℃，區間內施工鎖定軌溫最高、最低差≯10℃。

4.3 道岔及前后處理

道岔全部進行無縫化處理。道岔直股所有接頭全部焊接或凍結，絕緣接頭全部膠接；曲股接頭與岔后側線接頭全部凍結。道岔前后引導軌與長軌條進行焊聯。岔間線路長度大于50 m時應采用廠焊長軌條，其余配軌采用25 m無孔軌。

4.4 位移觀測樁

線路及道岔的位移觀測樁設置應符合《修規》，橋上設置于固定支座附近穩固的橋面擋碴墻上。必須預先埋設牢固，在單元軌節兩端就位后立即進行標記，標記必須穩固、耐久、可靠，便于觀測。

5 結論及建議

（1）R=400 m小半徑曲線上，允許溫差值較低。對此，建議采取一系列加強措施：

①從提高鋼軌的強韌性出發，曲線上宜采用全長淬火鋼軌；

②從提高軌道穩定性出發，一是設法提高道床橫向阻力。根據北京交大在京廣線許昌段對Ⅱ、Ⅲ型砼枕線路在相同線路條件且彼此鄰近的情況下的道床橫向阻力的測試結果，Ⅲ型枕比Ⅱ型枕的道床橫向阻力值提高29%。因此，可將曲線上軌枕更換為Ⅲ型砼枕。同時，要求道床石碴飽滿，按《修規》加寬道床肩寬及堆高碴肩。二是設法提高軌道整體框架剛度，可在曲線上設置軌距拉桿及安裝軌撐。三是加設橫向位移觀測樁，加強對線路橫向變形的定期觀測。

（2）淮河大橋有碴梁上采用彈條Ⅱ型扣件并鋪設帶不銹鋼板的復合膠墊，將線路縱向阻力設定在合理值，避免了冬季斷軌時產生過大軌縫，并減少了養護維修工作量。理論與實踐均證明，在我局溫差大、低溫天氣多的地區，這是合理的。

（3）TB/T 2098-2007標準中允許溫降系考慮了鋁熱焊焊縫的強度。為使由鋼軌強度條件決定的允許溫降達到設計要求，必須嚴格控制鋁熱焊質量。

運營實踐證明，以上設計滿足阜淮線跨區間無縫線路的強度、穩定性要求，亦對施工及養護維修提供了理論依據。