金千線鋪設無縫線路設計方案分析

汪明玉 上海鐵路局工務處

金千線鋪設無縫線路設計方案分析

汪明玉 上海鐵路局工務處

通過對金千線上存在的R=250 m、300 m、400 m及以上小半徑曲線鋪設無縫線路在溫度力作用下的穩定性及強度進行分析，提出半徑R≥400 m地段鋪設無縫線路以及R<400 m采取有縫線路的設計方案，消除了部分鋼軌接頭，從而提高了經濟效益。

大坡度；小半徑；無縫線路；穩定性

1 引言

金千線（金華-千島湖）位于浙江省境內，是為了修建新安江水庫而建設的單線鐵路，沿線多山，具有曲線多且半徑小，線路坡度大的特點。線路中大量存在的鋼軌接頭破壞了道床結構的連續性，加大了輪軌動力沖擊，軌道幾何形位劣化加快，成為鋼軌傷損和軌道病害的高發區域，是日常養護維修的重點和難點。據統計，對于普通線路，接頭養護工作約占養護工作總量的40%，其投入費用約占維修成本的30%。由于無縫線路可以減少接頭數量，改善軌道結構，提高列車平穩性，減緩了病害的發生頻率，延長了維修周期，因此是線路大修改造的優先選擇。此區域由于P50木枕道岔的存在，本次大修考慮將此區域設計為區間無縫線路。

2 線路既有狀態

金千線全長79 km，本工程地點在K14+837.65～K46+ 135.79間，自功塘站2#道岔岔首開始，途經蘭溪、溪西、永昌、排塘4個站，止于排塘與壽昌間K46+135.78處，途經線路車間1個(蘭溪)，工區3個(功塘、溪西、壽昌)。既有線路為P50普通線路，鋼軌狀態較差。經過道岔13組，除溪西站N2道岔為P50-1/9木枕道岔外，其余全部為P50-1/12木枕道岔。經過橋梁16座，其中帶護軌橋5座（鋼梁橋2座），Lmax=75.3 m。

經過曲線38處,其中半徑400 m及以下23處，占區域總長18.7%，半徑300 m及以下12處，占區域總長9.9%，Rmin= 249 m。線路軌枕以Ⅱ型鉿枕為主，Ⅰ型彈條扣件，配置數以1 680根/km為主，部分地段配置1 760根/km；道岔區為木枕、道釘。道床缺碴比較嚴重，部分地段道床頂寬為3.0 m左右有堆高。本區段內線路縱斷面狀態較差，其中坡度≥10‰的有32處，最大坡度19.6‰。本區域小半徑曲線為設計瓶頸，故對小半徑曲線進行檢算。

3 無縫線路穩定性分析及強度計算

3.1 計算參數

現場Ⅱ型枕,半徑R≤800曲線軌枕布置按1 840根/km計算，直線地段按1 760根/km，更換再用軌鋪設區間無縫線路。查《鐵路軌道設計規范》可知P60再用軌9 mm垂磨,鋼軌截面面積F=77.45 cm2，Ix=2 690 cm4，Iy=524 cm4，W頭=264 cm3，W底=363 cm3。鋼軌材料彈性模量E=2.1×105MPa，鋼的線脹系數α=1.18×10-5/℃，鋼軌支座剛度D=30 000 N／mm。

3.2 穩定性計算

無縫線路失穩的根本原因是軌溫上升引起的鋼軌軸向溫度壓力，而軌道原始橫向彎曲是影響穩定的直接因素，脹軌跑道大多發生在軌道的初始彎曲處。一般通過控制軌道原始彎曲、設置合適的鎖定軌溫來減小溫度力，防止無縫線路失穩。現行無縫線路穩定性計算方法是將相應于軌道產生橫向位移f=2 mm時的溫度力Pw除以一個安全系數K后得出保證無縫線路穩定的允許溫度力 [P]，從而計算出允許溫升[ΔTu]。計算溫度力的定曲率法統一公式為：

Pw-----鋼軌的溫度壓力；

β------軌道框架剛度系數，取1.0；

f------軌道彎曲變形矢度，采用0.2 cm；

l------軌道彎曲變形半波長（cm）；

l0------軌道原始彈性彎曲半波長（cm），l0=400 cm；

Q------等效道床阻力，取87 N/cm；

1/R0----軌道原始塑性彎曲曲率，1/R0=8f0p/l02；

f0e------軌道原始彈性彎曲矢量；

f0p------軌道原始塑性彎曲矢量，取0.25cm；

令f0e=0.25 cm代入式（2）計算出l≠l0且差值較大，為保證彈性初彎曲率不變，需要新計算，將代入式（2）再次計算l，直至l與上一次的假定l0差值在0.1 cm停

止迭代。將最后算得的f0e及其相應的l代入式（1）得到Pw，由公式

式中K為安全系數，取K=1.3

得到允許溫升（見表1）.

表1 允許溫升

3.3 強度檢算

對于無縫線路鋼軌來說，應該具備足夠的強度，從而能夠保證鋼軌在動彎應力以及其他各種附加力的作用下不會被損壞，此時要求鋼軌所承受的基本應力與附加應力之和應滿足鋼軌強度，即：

（7）

式中σd為鋼軌承受的最大動彎應力 (MPa)，σf為鋼軌承受的制動應力，一般按9.8 MPa計算，σt鋼軌承受的溫度應力(MPa)，[σ]為鋼軌所用材料的允許應力(MPa)。再用軌安全系數K=1.35。鋼軌屈服強度405 MPa，查資料可知，金千線走行DF11型內燃機車，但電氣化是其長遠趨勢，以爬坡能力較強的SS9型電力機車為計算依據，輪載P=103 kN，轉向架內軸距x=215 cm，轉向架間軸距X=727 cm。

用“連續支承法”計算如下：

計算結果如表2所示。

表2 允許溫降

3.4 小半徑曲線鋪設無縫線路可行性分析

查表可知金華地區最高軌溫61.2℃最低軌溫-9.6℃，某一地區能否鋪設溫度應力式無縫線路，主要決定于軌道的允許溫升與允許溫降之和是否大于該地區的年軌溫變化幅度，即：

但是我們知道，鋼軌上的作用力除溫度力外還應考慮車輛荷載作用在鋼軌上的縱向水平力，包括：

（1）大坡道上坡道分力，坡道分力等于列車重量乘以坡度值。由于列車分布在一定軌道長度上,單位長度上坡道分力顯得很小。如14‰坡道,其坡道分力為14 kg/t,因此其影響可忽略不計；

（2）鋼軌爬行力，在長大坡道上，由于列車的牽引和制動，鋼軌向下坡方向爬行，產生的鋼軌縱向爬行力，此影響也較小；

（3）制動力，有試驗表明，制動對軌道穩定的影響根據穩定理論分析可以提高鋼軌溫度壓力的2℃-3℃；

制動力提高的鋼軌溫度壓力取3℃，從而進一步得到公式為：

根據本區域計算允許溫升、允許溫降繪制情況如圖1所示。

圖1 計算允許溫升、允許溫降繪制情況

從圖1可以看出：當R=300 m時 小于12℃故不適合鋪設無縫線路；當R=400 m時 大于12℃可以鋪設無縫線路，故在本區域設計無縫線路時，曲線R≥400 m時鋪設無縫線路。

4 無縫線路前期工程

因該區段既有為有縫線路且狀態較差，部分地段缺碴嚴重，施工前需補充道碴，使道床滿足頂寬3.4 m（曲線R≤600 m地段加寬0.1 m）、肩寬0.45 m、碴肩堆高0.15 m、邊坡1: 1.75，枕底石碴厚度確保不小于25 cm的無縫線路要求。 要求鋪設無縫線路范圍內直線地段軌枕配置加密至1 760根/ km，R≤800 m的曲線地段軌枕配置為1 840根/km。

5 小半徑大坡度線路施工注意事項

（1）由于長軌車需運行于小半徑曲線上,當長軌車通過小半徑曲線時,內股長軌條將相對伸長,故長軌條裝車時須保證端頭距橫梁1.5 m以上,以免運行途中頂撞橫梁。

（2）在小半徑曲線換軌時，由于曲上股的伸長造成鋼軌鼓曲量較大，采取措施防止鋼軌擠壞電務或其他設備。

（3）小半徑曲線地段鋪設區間無縫線路,必須先埋設好抗位移裝置后方可換軌,并在換軌當天將抗位移樁拉桿安裝完畢。

（4）在大坡度線路卸軌時加強措施防止長軌車溜車與長軌條在重力的作用下滑動。

（5）地處山區，需保證作業人員通信暢通。時鋪設無縫線路的可行性，當曲線半徑在300 m時，鎖定線路時軌溫波動范圍8.96℃接近于12℃，故采取加固措施鋪設無縫線路也是可以實現的，如更換Ⅲ型枕 (加強道床橫向阻力）、使用新軌淬火軌（提高安全性即降低安全系數）等。

（2）小曲線半徑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。

6 結論及建議

（1）通過穩定性與強度計算證明了曲線半徑R≥400 m

[1]盧耀榮.無縫線路研究與應用.北京：中國鐵道出版社.2004.

[2]盧祖文.鐵路無縫線路.北京.中國鐵路出版社.2005.

[3]周悌先.長大坡道上鋪設無縫線路的試驗研究.鐵道學報.1987（9）.

[4]張小勇.車輛荷載對無縫線路穩定性的影響分析.鐵道建筑2008(2).

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2015-01-15