無縫線路應力均衡法的應用與分析

毛 帥 中國鐵路上海局集團有限公司阜陽工務段

1 概述

在《鐵路線路修理規則》第4.6.8條中提到，無縫線路應力調整主要有滾筒撞軌法、拉伸撞軌法以及列車碾壓法。其中列車碾壓法需要列車配合施工，已經不適用當前安全管理要求。本文提出均衡法，其基本條件與列車碾壓法一樣，適用于單元軌節內一部分鎖定軌溫較高、一部分鎖定軌溫較低無縫線路的恢復，同時在《鐵路線路修理規則》中沒有提及列車碾壓法計劃鎖定軌溫的計算方法、施工流程以及限制條件等。本文從均衡法計劃鎖定軌溫的計算方法入手，對均衡法的施工流程進行了介紹，并通過施工實例檢驗了均衡法的有效性和科學性，最后對該施工方法進行了總結。

2 計算公式

已知條件有：兩相鄰軌條參與均衡線路的長度（L）、既有鎖定軌溫（T）以及無縫線路基本公式，依據虎克定律原理：在相鄰軌條應力均衡過程中，較高軌溫軌條的縮短量等于較低軌溫軌條伸長量，推倒得出計劃鎖定軌溫的計算公式：

由ΔL=α·L·Δt，ΔL1-ΔL2=0

即α·L1·Δt1-α·L2·Δt2=0，L1/L2=Δt2/Δt1；

又由Δt2+Δt1=T1-T2，

所以Δt2=Δt1*L1/L2=（T1-T2-Δt2）*L1/L2，

即Δt2=（T1-T2）*L1/（L1+L2），

式中ΔL—鋼軌長度變化量（m）；

α—鋼軌線膨脹系數，為0.0118mm/（m·℃）；

L—鋼軌長度（m）；

Δt—軌溫變化量（℃）；

T—計劃鎖定軌溫（℃）。

角標為“1”的代表較高軌溫軌條的長度、鎖定軌溫或軌溫變化量；角標為“2”的代表較低軌溫軌條的長度、鎖定軌溫或軌溫變化量。

3 施工流程

首先，確認施工現狀是否滿足均衡法施工條件，即兩相鄰軌條是否其中一軌條軌溫較高、另一條軌條軌溫較低；并根據公式（1）計算得出計劃鎖定軌溫，與相鄰單元軌條和同一區間其它軌條的鎖定軌溫進行對比驗證。若滿足相關要求，則可編制方案進行施工交底，即完成技術準備。

其次，根據施工交底要求和應力調整工作量，施工前完成人員組織、工機具準備等各項工作。

再次，在開始均衡前，要每（50～100）m做位移觀測標記，并在各點標注計劃位移值，并確保每個扣件松到位。

最后，在施工完成后，記錄各觀測點實際位移量，將其與計劃位移值進行對比，同時進行應力調整效果分析，在各觀測點位移量與計劃位移值均較吻合的情況下，該步驟可忽略。均衡法施工流程圖見圖1。

圖1均衡法施工流程圖

4 實例分析

4.1 施工概況

線路狀態：道床鋪設一級優質道砟，Ⅱ型混泥土枕、配置1 760根/km，主要為Ⅱ型彈條扣件，跨區間無縫線路、鋼軌型號P60，電氣化區段。該區段無縫線路設計軌溫為（25～37）℃。施工背景：京九線下行K898+531-K899+977換枕大修施工后鎖定軌溫較低（見表1），為滿足防脹期間無縫線路鎖定軌溫要求，保障行車設備安全，需要進行應力調整。

表1 配合換枕大修地段應力調整施工資料及計算表

4.2 計劃鎖定軌溫計算

由表1可知，本次施工的主要目標是將鎖定軌溫較高的第1、5單元與較低的第2、3、4單元進行應力均衡，根據公式（1）計算得出內部均衡軌溫為26.9℃，即為K897+982-K900+500的計劃鎖定軌溫。

4.3 觀測記錄表準備

施工前，根據施工工作量，每（50～100）m計算理論位移量，用于現場均衡過程中的各點觀測。同時，根據各撞軌點位移量的正負值確定其撞軌方向，其基本要領為促使高溫地段鋼軌回縮和低溫地段鋼軌伸長，見表2。

表2 均衡法應力調整處所位移觀測記錄分析表

由表2計算分析得出，均衡后K899+390處的理論位移量為0 mm，可解釋為以K899+370為分界點，K897+982-K899+370、K899+370-K900+500分別可以完成本部分的軌溫均衡，且均衡后兩部分的鎖定軌溫一致。

4.4 現場施工與位移量記錄

根據施工流程，施工前分別對各部分進行觀測點設置、標記。施工過程中，根據各部分線路長度合理設置撞軌器數量，并且按計劃的撞軌方向進行均衡作業，在撞軌過程中，各撞軌器的步驟盡量協調一致，方能發揮最大功效。

4.5 觀測數據分析

完成施工后，將現場觀測數據進行記錄，并與理論計算值進行對比分析，以驗證施工效果（見表2）。

將兩個部分現場測量所得左右股數據和理論計算值共同建立折線分析圖（見圖2），可以較直觀地發現：大部分觀測點的實際位移量均小于理論位移量，其原因可能與無縫線路的應力衰減、鋼軌摩擦阻力等因素有關，但各單元左右股各觀測點實際位移量與理論計算值的整體趨勢較為吻合，達到了均衡應力的目的。

圖2 各觀測點位移量分析圖

其次，對各單元左右股各點位移量趨勢線線性擬合優度進行分析（圖3～圖7），除第③單元右股線性擬合優度判定系數R2＜0.8，其它單元線性擬合優度判定系數R2＞0.9，線性擬合優度均為高度及以上相關，說明應力均衡效果良好。對第③單元均衡效果進行分析，主要與其線型在曲線內有關。

圖3 第①單元線性趨勢分析圖

圖4 第②單元線性趨勢分析圖

圖5 第③單元線性趨勢分析圖

圖6 第④單元線性趨勢分析圖

圖7 第⑤單元線性趨勢分析圖

5 結論與思考

2016年10月10 日-11月8日，阜陽工務段采用單元軌條間的應力均衡法，對京九線14個單元軌條（其中7個岔區和7個區間單元）進行應力調整施工，恢復原單元軌條里程，并將原施工鎖定軌溫調整至（27.4～36.8）℃，滿足了本地區設計鎖定軌溫要求。通過對2017年1月爬行觀測數據分析，無超限處所，線路設備總體穩定，達到了均衡應力的目的。同時對該施工方法總結如下：

（1）應力均衡法能夠較好地應用于無縫線路相鄰單元軌條間的應力調整，達到均衡鋼軌內部溫度力的目的。尤其對大修換枕后無縫線路單元軌條的恢復可以起到事半功倍的作用，降低了施工風險，減少了設備維修成本。

（2）一般來說，施工時的自然軌溫略低于當地設計鎖定軌溫時施工效果較佳。其次，受應力衰減和列車運行等因素影響，應力均衡越及時，施工的效果越佳。

（3）當施工自然軌溫過高或過低時，從宏觀上看，施工效果較不理想，但是能否夠起到應力調整的作用，需要進一步研究。其次，對應力均衡法的有效作業軌溫進行量化也是下一步研究的主要內容。