多年凍土區無縫線路設計鋪設及養護維修技術研究

張向民，高亮，崔日新，曾志平，陳憲麥

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；

2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

3.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

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多年凍土區無縫線路設計鋪設及養護維修技術研究

張向民1，2,3，高亮1，崔日新1，曾志平2，陳憲麥2

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；

2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

3.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

摘要:開展多年凍土區無縫線路設計研究，為無縫線路鋪設提供設計和理論依據；基于青藏鐵路多年凍土區試驗獲得的氣溫、軌溫變化規律，提出適合于多年凍土地區的無縫線路鋪軌季節和最佳時間；基于多年凍土區無縫線路養護維修作業軌溫條件的理論研究，提出需從嚴控制作業軌溫條件的技術要求，建議多年凍土區無縫線路維修作業軌溫應在實際鎖定軌溫加15 ℃減20 ℃范圍內進行。

關鍵詞：青藏鐵路；多年凍土區；鐵路無縫線路；設計；鋪設；養護維修

目前，我國青藏高原多年凍土區無縫線路設計、鋪設及養護維修技術研究鮮見相關研究報道，無縫線路的設計及養護維修仍沿用普通地區無縫線路的相關規則，在設計中并沒有考慮到高原氣候及凍土地質條件對無縫線路設計參數及穩定性計算的影響，也沒有依據多年凍土區鐵路的特點制定適宜的養護維修作業條件。青藏鐵路多年凍土區氣候和軌道結構上獨具的特點，使得無縫線路的設計與養護維修技術已不能再簡單效仿普通地區。我國《鐵路科技發展“十二五”規劃》也已將高原鐵路技術研究列入重點技術研究領域。因此，開展青藏鐵路高原多年凍土地區無縫線路研究，提出適用于多年凍土地區的設計、鋪設和養護維修方法及建議，對于我國青藏高原多年凍土區鐵路無縫線路的設計和養護維修技術規程的補充和完善、指導工程實踐等方面具有重要的意義[1～12]。

多年凍土區無縫線路獨具的特點。

1)多年凍土區軌溫日較差大。各測點觀測期內最大軌溫日較差為風火山地區48.2 ℃，其余測點最大軌溫日較差均超過40 ℃;

2)沿線年平均氣溫為-2 ℃以下。一年中6～9月的平均氣溫為正值，10月至次年5月氣溫為負值。7月平均氣溫最高，約為5.0～6.0 ℃，1月平均氣溫最低，約為-16.0～-20.0 ℃之間。即便是平均氣溫為正值的月份出現負溫的天數也很多，因此高原有“長冬無夏”之說;

3)沿線大氣透明度好，云量少，太陽直射強，總輻射量大，日照時數多，為2 600～3 000 h/a。高原上海拔5 000 m以下地區輻射平衡總量600～800 kcal/cm2a，為全國輻射量最大的地區;

4)20‰大坡道較為普遍;

5)基床多年凍土的衰退和融化，引起路基熱融下沉病害，是該區路基工程常見的主要病害。這種病害多發生于高含冰量多年凍土分布地段、厚層地下冰發育地段、路橋和路涵過渡段以及路塹地段[13]。據統計，在青藏鐵路格拉段多年凍土地區的447座橋梁中，有161座橋梁的橋頭路基發生了較大下沉病害(最大下沉量達2 m左右)。為保證線路的平順性，頻繁進行起道和補砟作業，造成多年凍土地區厚道床地段較多;

6)青藏鐵路多年凍土區地處海拔4 350～5 300 m之間，存在高寒缺氧、強紫外線、氣溫低且日較差大、人機效率低等不利因素，容易造成鋼軌接頭焊接質量波動。長鋼軌的焊接質量缺陷在幅度大、頻率快的交變溫度應力作用下產生斷軌的幾率增大。特別是青藏鐵路格拉段采用自動站間閉塞(電子路簽閉塞方式)，不設地面信號機和軌道電路，不能依靠軌道電路及時發現斷軌的發生，雖然配備軌道檢查車和探傷車定期巡道，但不設巡道工，對于及時發現斷軌非常不利;

7)多年凍土區鐵路穿越無人區，大氣含氧量低，生活和工作環境極為艱苦，養護維修十分不便。

本文根據多年凍土區氣候和軌道結構上獨具的特點，研究確定了多年凍土區無縫線路鎖定軌溫、養護維修作業軌溫條件、無縫線路鋪設條件以及有關技術規定，提出了適合于高原多年凍土地區的無縫線路設計、鋪設和養護維修方法及建議。

1多年凍土區無縫線路設計

2多年凍土區無縫線路養護維修作業軌溫條件

無縫線路的養護維修作業，如起道、撥道、搗固、更換軌枕、維修扣件等，會暫時降低線路阻力。因此，為了作業中和作業后線路工作狀態正常，防止脹軌跑道、鋼軌折斷和過大伸縮，要求對不同作業內容和范圍的作業軌溫加以限制。養護維修作業大致可分為降低道床阻力作業和減少扣件扣壓力的作業。對于降低道床阻力的作業，根據道床阻力的性質，作業結束后道床阻力不會立即恢復到規定數值，所以還必須考慮作業后的溫度上升或下降情況，對于多年凍土區由于日溫差急劇，這一點尤為重要。下面從作業引起道床阻力下降和作業后軌溫急劇變化(此時道床阻力尚未完全恢復)這兩個方面確定多年凍土區混凝土枕無縫線路養護維修作業軌溫條件。

2.1由道床阻力下降得出的作業軌溫限值

C6l6+C5l5+C4l4+C3l3+C2l2+C1l+C0=0

(1)

式中：

C5=-0.155 6tQ2

C2=0.725 6fW2-0.362 8fW1+193.826 4EIt2+

C1=145.369 8EIbtf+145.369 8EItf

C0=96.913 2EIf2

式中：E為鋼軌鋼彈性模量；I為2根鋼軌截面對垂直中性軸的慣性矩；l為軌道彎曲波長；t為軌道原始彎曲矢長比；b為軌道原始彈性彎曲所占比例；f為軌道彎曲變形矢度；R為曲線半徑；Q1和Q2為等效道床阻力；W1和W2為等效扣件阻矩。

(2)

式中：β為軌道框架剛度系數，取1.0；f0為軌道原始彎曲矢度；f0e為軌道彈性原始彎曲矢度；q0為道床橫向初始阻力。

圖1　鋼軌所受溫度拉力情況Fig.1 Temperature tension in rail

2.2由作業后軌溫急劇變化得出的作業軌溫限值

圖2　06-26～06-27軌溫變化Fig.2 Rail temperature in June 26th ～ 27th

如圖3所示，不凍泉地區03-26軌溫在作業軌溫范圍內，若當天進行了維修作業，曲線軌道半徑800 m，軌道產生變形的溫度力臨界值P

圖3　03-26～03-27軌溫變化Fig.3 Rail temperature in March 26th ～ 27th

由養護維修作業引起道床阻力下降和本區由于日溫差大，存在當日符合作業軌溫，當日或次日就急劇降溫或升溫現象，因此容易發生軌道彎曲變形，降低無縫線路穩定性，應從嚴控制作業容許溫度范圍。計算表明，《鐵路線路修理規則》中作業軌溫范圍的上限在多年凍土地區應用時應降低5 ℃。無縫線路養護維修作業軌溫條件見表1所示。

表1　混凝土枕無縫線路維修作業軌溫條件表

注：表中括號內是現有的《鐵路線路修理規則》中的維修作業軌溫條件。

多年凍土區無縫線路維修作業軌溫應在實際鎖定軌溫加15 ℃減20 ℃范圍內進行，試驗段的施工鎖定軌溫為14 ℃，因此作業軌溫范圍即為-6～29 ℃。根據實測軌溫如圖4可知，4月～11月平均軌溫在作業軌溫范圍內，如果避開中午11∶00～16∶00的時段，還是有充足的作業時間。

圖4　2011年旬軌溫Fig.4 Ten day average temperature of rail in 2011

無縫線路維修作業，必須遵守上述作業軌溫條件。同時還須嚴格執行高溫或低溫季節不得進行減小道床阻力的作業。

1)本地區在高溫季節軌溫有低于0 °的現象，如6月下旬7 d(6 d)，7月14 d(7 d)，8月16 d(9 d)，9月上旬5 d(5 d)。括號內為氣溫低于零度的天數。雖符合作業軌溫范圍，但也應嚴格執行高溫季節不得進行減小道床阻力的作業的要求。因為這個季節如果天氣晴朗軌溫就會快速上升。

2)本地區負溫期長，全年軌溫低于作業軌溫下限的時段為1～5月，6月有2 d，8月有2 d，9月有7 d，10～12月。可見，高溫季節也有軌溫低于作業軌溫下限的情況。這種情況在養護維修中應加以注意，防止不當作業引起鋼軌收縮。

3關于多年凍土區無縫線路鋪設

鋪設無縫線路的時間，要選擇在溫度相對穩定的時間段內。

1)由圖5可知，5月下旬至6月中旬以及8月中旬至9月中旬，軌溫的均值落入設計鎖定軌溫范圍內，因此在這段時間鎖定鋼軌較為有利。由于春季白天的軌溫變化比秋季的大，另外秋季鋪設無縫線路對穩定性有利，所以本區推薦8月中旬至9月中旬鋪軌較為有利。

圖5　2011年旬平均軌溫Fig.5 Ten day average temperature of rail in 2011

2)鋪設無縫線路很關鍵的一點，就是在施工時間內，要求軌溫的變化始終保持在設計鎖定軌溫范圍之內。若鋪設時的溫度變化比較快時，就會使長鋼軌不同部分的施工鎖定軌溫不同，長鋼軌內部縱向力不均勻，導致養護維修工作極為不便，而且也非常危險，所以必須選擇軌溫相對穩定的時間范圍內以及軌溫接近于鎖定軌溫的季節進行鋪設。從圖6～7可看出，晚10∶00至次日8∶00，軌溫趨于平穩，軌溫與氣溫值接近；中午12∶00至16∶00軌溫也趨于平穩，但如果不是雨雪天氣影響，軌溫一般都高于氣溫20 ℃左右。8∶00至12∶00為軌溫上升階段，16∶00至20∶00為軌溫下降階段，平均每10 min上升或下降約1 ℃。

圖6　高溫季節日氣溫軌溫變化Fig.6 Rail and air temperature in high temperature season

圖7　低溫季節日氣溫軌溫變化Fig.7 Rail and air temperature in high temperature season

4結論

1)采用本文所推導的穩定性公式計算允許溫升。確定不凍泉地區鎖定軌溫為12±5 ℃，伸縮區長度為60 m，長軌條與緩沖軌之間的預留軌縫取10 mm，緩沖軌之間預留軌縫取5 mm。

2)從作業引起道床阻力下降和作業后軌溫急劇變化這2個方面對多年凍土區無縫線路養護維修作業軌溫條件進行了研究。研究表明：本區存在作業后道床阻力下降，作業當日或次日軌溫急劇降溫或升溫引起軌道變形的理論可能。因此，需從嚴控制作業容許軌溫范圍。建議多年凍土區無縫線路維修作業軌溫應在實際鎖定軌溫加15 ℃減20 ℃范圍內進行。另外，本地區在高溫季節軌溫有低于0 ℃的現象，雖符合作業軌溫范圍，但必須嚴格執行高溫季節不得進行減小道床阻力的作業；本地區負溫期長，高溫季節也有軌溫低于作業軌溫下限的情況，在養護維修中應加以注意。

3)研究表明：本區推薦8月中旬至9月中旬進行無縫線路鋪軌較為有利。每天晚10∶00至次日8∶00，軌溫趨于平穩，軌溫與氣溫值接近；中午12∶00至16∶00軌溫也趨于平穩，但如果不是雨雪天氣影響，軌溫一般都高于氣溫20 ℃左右。

參考文獻：

[1] 盧耀榮. 無縫線路研究與應用[M]. 北京：中國鐵道出版社，2004.

LU Yaorong. Research and application of continuous welded rail track[M] . Beijing: China Railway Press, 2004.

[2] 李金城. 青藏鐵路工程地質選線[M]. 蘭州：蘭州大學出版社，2009.

LI Jincheng. Engineering geology siting for the Qinghai-Tibet Railway[M]. Lanzhou：Lanzhou University Press，2009.

[3] Kerr A D. On the stability of the railroad track in the vertical plane[J]. Department of Civil and Geological Engineering, 1974,12(1)：131-142.

[4] Kerr A D. Analysis of thermal track buckling in the lateral plane[J]. Acta Mechanica,1978,30(2): 17-50.

[5] 高亮, 劉衍峰, 田新宇. 鐵路跨區間無縫線路關鍵技術的試驗研究[J]. 土木工程學報, 2005, 38(11): 128-131.

GAO Liang, LIU Yanfeng, TIAN Xinyu. An experimental study on key techniques of trans- section CWR[J]. China Civil Engineering Journal, 2005, 38(11): 128-131.

[6] 張向民, 陳秀方, 曾志平, 等. 青藏鐵路無縫線路試驗段軌道參數試驗[J]. 鐵道科學與工程學報, 2005, 2(6): 40- 43.

ZHANG Xiangmin, CHEN Xiufang, ZENG Zhiping, et al. Track parameters of experiment in experimental section of Qinghai- Tibet railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2005, 2(6): 40-43.

[7] 張向民, 陳秀方. 內外力矩平衡法計算無縫線路軌道穩定性[J]. 鐵道科學與工程學報, 2007, 4(1)：49-52.

ZHANG Xiangmin，CHEN Xiufang. Stability of tracks with continuous welded rails using equilibrium of inner and external moment of force[J]. Journal of Railway Science and Engineering，2007, 4(1)：49-52.

[8] 陳秀方, 婁平, 向延念, 等. 無縫線路原始彎曲的極值概率分析[J].中國鐵道科學, 1999, 20(1):17 -22.

CHEN Xiufang , LOU Ping , XIANG Yannian. The Probability analysis of the extreme values of initial inflections in CWR[J]. China Railway Science , 1999 , 20(1)：18-22.

[9] TB10082—2005,鐵路軌道設計規范[S].

TB10082—2005,Design on railway track[S].

[10] Kish A , Samavedam G.Risk analysis based CWR track bucking safety evaluations[R]. Technique Report，NTISPB2001-103170 , 2001:1-24.

[11] 柏拉希F.金屬結構的屈曲強度[M].同濟大學鋼木結構教研室,譯. 北京：科學出版社， 1965.

Bleich F.Bucking strength of metal structures[M]. Tongji University，Trans. Beijing：Science Press，1965.

[12] 朱正旺, 練松良. 軌道參數對無縫線路穩定性影響的敏感性分析[J]. 中國鐵道科學，2004，25(1)：72-75.

ZHU Zhengwang，LIAN Songliang. Analysis of track parameter sensitivity to CWR stability[J]. China Railway Science，2004，25(1)：72-75.

[13] 丁靖康，韓龍武，徐兵魁,等. 多年凍土與鐵路工程[M]. 北京：中國鐵道出版社，2011.

DING Jingkang，HAN Longwu，XU Bingkui，et al. Permafrost and railway engineering[M]. Beijing: China Railway Press, 2011.

[14] 鐵運[2006]146號, 鐵路線路修理規則[S].

TieYun[2006]146, Railway line repair rules[S].

[15] 廣鐘巖，高慧安. 鐵路無縫線路[M]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

GUANG Zhongyan, GAO Huian. Continuous welded rail track[M]. Beijing：China Railway Press，2005.

(編輯蔣學東)

Research on the technology of design, laying and maintenance for CWR in permafrost regions

ZHANG Xiangmin1,2,3，GAO Liang1，CUI Rixin1，ZENG Zhiping2，CHEN Xianmai2

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；

2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

3. Instruction of National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Abstract:The design of CWR in permafrost zone was carried out, which provided theoretical basis for the laying of CWR. Based on the variation laws of temperature in permafrost zone, suitable laying season and time for CWR were proposed. The research on the maintenance temperature of CWR in permafrost zone shows that the maintenance temperature should be no more than actual stress-free temperature adding 15 ℃ and no less than it reducing 20 ℃.

Key words:Qinghai-Tibet Railway；permafrost regions；continuously welded rails；design；laying；maintenance

中圖分類號：U213.9

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0257-06

通訊作者：張向民(1973-)，男，遼寧興城人，講師，博士研究生，從事鐵路軌道結構研究；E-mail: zxmzk6298@163.com

基金項目：鐵道部科技研究開發計劃重點資助項目(2010G015-A，2010G026，Z2013-G006)

收稿日期：2015-06-15