重載鐵路用道砟墊設計研究

郄錄朝

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

有砟軌道結構是散粒體結構，道砟顆粒之間總是存在著空隙，在外荷載作用下，道砟顆粒相互錯動，空隙減小，道砟顆粒各接觸點(面)之間出現破碎、粉化，使顆粒排列更加緊密。

橋隧地段線下基礎為剛性，比路基區段的軌道剛度大，在30 t軸重重載列車作用下道砟更容易破碎臟污，降低道床彈性緩沖功能，加劇輪軌之間沖擊，增加養護維修難度和工作量。其主要表現在以下幾個方面:①路基與橋隧過渡段剛度改變，測試表明，橋上軌道模量比路基上軌道模量高出14 000～24 000 kN/m/m;②軌道剛度的差異使輪軌沖擊加劇，增加了軌道變形和沉降，導致軌道不平順;③橋上軌道剛度比路基區段大，而軌道阻尼的相對改變不明顯，這會導致軌道部件性能急速惡化，加速道砟的破碎和粉化。

因此，重載鐵路橋上有砟軌道結構應采取措施，降低軌道的剛度，減少道砟粉化，延長養護維修周期。

1 重載鐵路道砟墊應用概況

日本新干線、德國高速鐵路、臺灣高速鐵路均在橋上有砟軌道中使用道砟墊，以提高軌道的彈性，改善道砟的受力狀況。

1)國際鐵路聯盟的717R(UIC Code717R)規范建議，在橋上采用有砟軌道是保持軌道結構連續性最有效的方法，如有需要，可在道砟和橋面之間墊入彈性墊層以降低軌道的剛度，使橋上軌道與相鄰路基上軌道有相近的豎向剛度。

2)德國鐵路的《標準軌距鐵路軌道規范》(DS82001)中規定，在人工建筑物，如混凝土橋或鋼橋橋面、隧道或槽形結構物上應鋪設能提高軌道彈性的道砟墊。德國鐵路對剛性基礎上推薦使用的道砟墊型號為USM4015，靜態模量為0.150 N/mm3。

3)澳大利亞NSW鐵路運輸公司2011年8月新制定的道砟標準(ESC 240)明確規定在橋上要采取措施降低軌道剛度，建議采用道砟墊，道砟墊設計要考慮排水等橋梁設計的要求。道砟墊具體使用情況見表1。道砟墊的形式主要有鞋釘式、開孔式、板式等，不同形式道砟墊性能見圖1。

表1 橋、隧地段剛性基礎上道砟墊推薦剛度

4)我國南京長江大橋鐵路線路由兩側引橋上的有砟軌道和橋上無砟軌道組成。在經歷近40年的運營實踐后，特別是重載快速條件下軌道結構已明顯不適應運輸形勢的變化，表現為:由于引橋有砟軌道的道砟厚度不足，出現道床穩定性差、變形快、維修周期短等情況;沿線路縱向的明橋和有砟橋出現明顯的剛度差異，造成線路剛度不均勻，影響列車的運行品質。

圖1 不同形式道砟墊性能

根據南京長江大橋有砟橋的線路條件，設計鋪設道砟墊以改善其彈性。橋上道床厚25 cm，設計了3種厚度的橡膠道砟墊進行鋪設，厚度分別是20，25，30 mm。通過仿真計算和現場測試得出:鋪設道砟墊對低頻輪軌力、鋼軌和軌枕的垂向位移、鋼軌和軌枕的振動加速度有一定改善;對道床垂向位移、道床振動加速度有明顯改善效果(道床垂向位移可增加50%以上，道床振動加速度可降低45%以上);道砟墊對動力響應的影響與列車速度、軌道不平順波長和波深的關系不大;30 mm厚度的道砟墊對道床的彈性改善效果較好，且其產生的軌道整體動剛度與明橋面的較接近，有利于實現明橋面和引橋的剛度過渡。

2 道砟墊面剛度取值研究

使用道砟墊后橋上的軌道剛度應與路基上的軌道剛度一致，如果橋上和路基上采用軌道結構一致，則采用道砟墊后的道床剛度與路基道床剛度一致即可。表2為有砟軌道路基段和橋梁段道床剛度測試結果。

表2 有砟軌道道床剛度測試結果

根據鐵路軌道強度檢算，道砟墊的當量支承剛度Ks=Kb橋Kb路基/(Kb橋－Kb路基)，其中，Kb路基為路基道床支承剛度，取80 kN/mm;Kb橋為橋上道床支承剛度，取170 kN/mm;Ks則為151 kN/mm。根據德國資料，半根軌枕下砟下膠墊的受力面積為0.6 m2。德國采用B70混凝土軌枕，枕底面積5 930 cm2，中國Ⅲ型軌枕的枕底支承面積7 720 cm2，與德國B70枕面積比為1.3，因此Ⅲ型枕半根軌枕下砟下膠墊的受力面積為0.78 m2，道砟墊的面剛度(靜態模量)C=Ks/0.78=0.194 N/mm3。

3 我國重載鐵路用道砟墊設計研究

3.1 道砟墊性能和結構設計

根據國內外道砟墊技術資料和計算分析，提出我國重載鐵路用道砟墊剛度技術參數:靜態模量為(0.15±0.01)N/mm3;動態模量與靜態模量比不大于2.4。考慮制造和鋪設，根據經驗，道砟墊總厚度取15 mm，另外道砟墊表面用簾子布保護防破損。道砟墊寬1.25 m，長度按生產需要設計，道砟墊結構形式如圖2所示。

圖2 道砟墊尺寸(單位:mm)

3.2 道砟墊室內試驗

1)道砟墊靜動剛度試驗

進行道砟墊靜動剛度試驗時，最大荷載加載至0.25 N/mm2，取0.02～0.10 N/mm2的割線模量為道砟墊模量。

試驗結果表明:0.02～0.10 N/mm2對應的道砟墊割線模量為0.140～0.154 N/mm3，滿足靜態模量(0.15±0.01)N/mm3的技術要求，5 Hz荷載作用下的動靜剛度比為1.30～1.58，滿足德國道砟墊供貨技術條件[1]要求(＜2.4)。

2)道砟墊疲勞性能試驗

在室內采用兩塊1.0 m×0.5 m道砟墊試件，按30 t的換算荷載，進行總計1 250萬次的疲勞荷載試驗(圖3)。疲勞試驗前后道砟墊靜態模量變化率為3.76%，試驗后未發現有明顯的破損，道砟墊接頭也未發現傷損。

圖3 道砟墊疲勞試驗(單位:mm)

3)道砟墊使用效果試驗

為測試道砟墊使用效果，結合疲勞荷載試驗測試了試驗前后道砟粒徑級配、道砟粉化、道床剛度和累積變形。

試驗前后道砟粒徑級配曲線變化見圖4。由圖可見:試驗前后道砟粒徑級配均無明顯變化，道砟損失率僅為1.02%，但室內試驗由于設備限制，不能完全模擬現場的高頻沖擊，具體使用效果還需現場試驗進一步驗證。道床累積變形統計見圖5，由圖可見，在初始時道床還不穩定，道床累積變形較大，在加載10萬次以后，累積變形開始趨于收斂。道床靜、動剛度變化統計見圖6和圖7，由圖可見，鋪設道砟墊后道床始終保持良好的彈性。

圖4 疲勞試驗前后道砟粒徑級配曲線

圖5 道床累積變形

圖6 道床靜剛度變化

圖7 道床動剛度變化

4 結語

道砟墊靜態模量為0.140～0.154 N/mm3，滿足(0.15±0.01)N/mm3的技術要求;5 Hz荷載作用下的動靜剛度比為1.30～1.58，滿足＜2.4的技術要求。

疲勞試驗前后道砟墊靜態模量變化率為3.76%，試驗后未發現有明顯的破損，道砟墊接頭也未發現傷損。鋪設道砟墊后道床道砟粉碎率很小，軌道彈性保持能力較好。

目前，道砟墊已在山西中南部鐵路通道長鎮道大橋進行了鋪設試驗。

[1]German Federal Railways Specification.DB-TL918071 Technical Conditions for the Supply of Ballast Mat[S].Munchen:German Federal Railways Specification，1998.

[2]DEUTSCHE NORM.DIN 45673-5 Mechanische Schwingungen-Elastische Elemente des Oberbaus von Schienenfahrwegen-Teil 5:Labor-Prüfverfahren für Unterschottermatten[S].Berlin:DEUTSCHE NORM，2010.

[3]NSW Transport Railcorp.ESC 240 Ballast[S].New South Wales:NSW Transport Railcorp，2011.

[4]周宇，徐玉德，周紅青，等.南京長江大橋有砟道床彈性改善的研究[J].鐵道工程學報，2009(1):53-57.

[5]曾樹谷.鐵路散粒體道床[M].北京:中國鐵道出版社，1997.

[6]郝瀛.鐵道工程[M].北京:中國鐵道出版社，2000.

[7]國際重載協會.國際重載鐵路最佳應用指南——線路施工與運營維修[M].北京:中國鐵道出版社，2011.

[8]中華人民共和國鐵道部.TB 2034—88 鐵路軌道強度檢算方法[S].北京:中國鐵道出版社，1988.

[9]中國鐵道科學研究院.30噸軸重重載鐵路有砟軌道關鍵技術研究總報告[R].北京:中國鐵道科學研究院，2013.