國內外彈性軌枕的研究與應用

尤瑞林,劉偉斌,仇 鵬,杜香剛

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

我國重載鐵路和高速鐵路正經歷著快速發展的時期。軌道是鐵路建設中重要的基礎設施,良好的軌道結構是鐵路運營安全可靠、舒適高效的重要保證。我國鐵路軌道結構分為無砟軌道和有砟軌道2大類型,前者主要用于高速鐵路和其他類型鐵路的特殊區段(如長大隧道內)[1-2]。從鋪設的長度來看,有砟軌道仍然是我國鐵路的主要軌道結構形式。有砟軌道結構的主要優點是建設成本低、養護維修方便,但同時也存在著養護維修工作量較大的缺點。有砟軌道結構及部件的養護維修工作的主要內容包括道床搗固清篩、鋼軌打磨更換、扣件維修、軌枕更換等。其中道床搗固清篩是工務部門的一項重要工作,耗費了大量的人力、物力和財力。

導致道床粉化、下沉等劣化現象的主要原因是輪軌動態荷載的反復作用。前期的相關研究[3]表明輪軌疲勞荷載會導致道床傷損快速發展,直接影響道床的穩定性和使用壽命。因此降低傳遞至道床內的動態輪軌荷載是延長道床養護維修周期的關鍵。目前,國內外對于降低道床動態應力的措施主要有鋪設道砟墊和鋪設彈性軌枕2種。道砟墊的成本較高,應用的范圍較小,而彈性軌枕是目前世界各國研究的熱點。本文總結國內外對于彈性軌枕的研究和應用情況,從而為我國有砟軌道結構技術發展提供借鑒。

1 彈性軌枕軌道結構特點

1.1 彈性軌枕軌道結構概況

鋪設彈性軌枕的有砟軌道結構如圖1所示。軌道結構包括鋼軌、扣件、軌枕、枕下彈性墊板(Under Sleeper Pad,USP)以及有砟道床。相對于傳統有砟軌道結構,彈性軌枕有砟軌道結構僅在軌枕底部增設了枕下彈性墊板。

圖1 鋪設彈性軌枕的有砟軌道結構

枕下彈性墊板在軌枕底面有全部粘貼和僅在鋼軌支承部位的有效承載范圍內粘貼2種方式。彈性軌枕用枕下彈性墊板通常采用橡膠、聚氨酯或者乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA)發泡的材料制作。枕下彈性墊板制作完成以后與軌枕粘連形成彈性軌枕有2種方式：①直接粘貼在成品軌枕底面；②在軌枕生產過程中,在混凝土硬化前粘貼在軌枕底面[4]。枕下彈性墊板通常由3層組成：中間為彈性層,與道砟接觸的為保護層,與軌枕底面接觸的為黏結層。也有的枕下彈性墊板將其中的2層合二為一。

對于鋪設彈性軌枕的有砟軌道結構,由于在軌枕底部額外設置了1層彈性層,因此軌道結構的受力特征有所改變,以下就枕下彈性墊板對軌道結構受力特征的影響開展相關分析。

1.2 枕下彈性墊板對軌道結構受力特征的影響

1.2.1 對荷載分布范圍的影響

設置枕下彈性墊板可增加輪軌相互作用時荷載沿鋼軌縱向的分布長度。這主要是由于枕下彈性增加,鋼軌在垂向荷載作用下的位移增大,從而使得承受輪載的軌枕數量增加、枕底道床承受的動壓應力減小。上述使用效果對延長道床使用壽命是有利的。普通有砟軌道結構及鋪設彈性軌枕有砟軌道結構在輪軌相互作用時荷載分布范圍的對比如圖2所示。

1.2.2 對軌枕受力特征的影響

國際鐵路聯盟UIC曾針對不同類型的軌下墊板和枕下彈性墊板的組合進行了理論計算分析,主要研究不同工況下設置枕下彈性墊板對軌枕靜態和動態受力特征的影響。計算結果見表1[5]。多種軌下墊板與枕下彈性墊板的組合導致軌枕的靜態和動態彎矩值不同。硬的軌下墊板與非常軟的枕下彈性墊板組合使用可能會導致軌枕出現裂紋,軟的軌下墊板與硬的枕下彈性墊板組合使用可允許通過更大軸重的列車,為較合理的配置方式。

圖2 輪軌相互作用時荷載的分布范圍示意

表1 設置枕下彈性墊板對軌枕受力特征的影響

2 瑞士鐵路彈性軌枕應用情況

2.1 試驗段的設置

彈性軌枕早在20世紀80年代就已經出現,國內外針對彈性軌枕都曾開展過相關研究和試用工作。在最近10年歐洲又重新開展彈性軌枕的試驗研究。根據UIC彈性軌枕項目研究報告[5],瑞士聯邦鐵路SBB于2005年在Kiesen/CH建立了1個現場試驗段。該試驗段分為6個區間,其中5個區間(USP1—USP5)鋪設了不同廠家提供的5種材料的枕下彈性墊板,每種材料的枕下彈性墊板鋪設長度均為216 m；另外一個區間(Ref.)為沒有鋪設枕下彈性墊板的對比區間,長度亦為216 m。這個試驗段按照UIC鐵路分級標準為D4級,最大軸重為22.5 t。

2.2 試驗段內彈性軌枕應用情況

1)軌道幾何狀態

SBB采用軌道檢測車檢測了試驗段內線路的幾何狀態參數,其中不同區間線路扭曲和高低的測試結果見圖3。可以看出：鋪設彈性軌枕的5個區間內線路軌道幾何狀態保持良好,優于普通軌枕區間。

圖3 不同區間線路扭曲和高低的測試結果

2)垂向位移

采用SBB位移檢測車測量鋼軌垂向位移,測試過程中線路承受20 t軸重的垂向荷載。由測試結果可得：鋪設較軟的枕下彈性墊板地段(USP5)鋼軌垂向位移約為1.70 mm,其他彈性軌枕地段鋼軌垂向位移平均值在0.80～0.85 mm,而普通軌枕地段鋼軌垂向位移平均值為0.70 mm。彈性墊板地段鋼軌的垂向位移比普通軌枕地段更加均勻。

3)軌枕橫向阻力

測試結果表明[6],現場試驗段內彈性軌枕橫向阻力低于普通軌枕橫向阻力,而且枕下彈性墊板的剛度越小,橫向阻力越小(見圖4)。需要說明的是,軌枕橫向阻力不僅跟道床狀態、軌枕的結構設計等因素有關,而且與枕下彈性墊板的自身特性有關。

圖4 軌枕橫向阻力現場測試結果

4)振動及噪聲測試

除了改進軌道幾何狀態和延長道床使用壽命外,彈性軌枕其他重要的用途是降低基礎荷載振動。UIC的研究結果[5]表明：彈性軌枕有效的減振頻率范圍是40 Hz以上,降低的振動水平為8～15 dB。在SBB現場測試過程中,還得到所有類型枕下彈性墊板的共振頻率范圍均在25～40 Hz,在該頻率范圍內試驗段彈性軌枕地段所產生的基礎振動加速度比普通軌枕地段要高。

關于彈性軌枕對空氣噪聲的影響,目前大部分測試結果表明,在列車通過彈性軌枕軌道結構時產生的空氣噪聲有少量的增大;SBB現場測試結果顯示噪聲增大約5 dB[5]。

3 澳大利亞鐵路彈性軌枕應用情況

2011—2012年澳大利亞南威爾士州Austimer鐵路,在鋼軌接頭處鋪設了彈性軌枕,目的是減輕列車對鋼軌接頭處軌道結構的沖擊效應。該線路運行30 t軸重重載列車,現場鋪設了12根彈性軌枕,鋪設時間為2011年8月,此后進行了現場動態測試和跟蹤觀測。測試結果(見圖5[7])表明：彈性軌枕對于改善軌道結構彈性、道床及路基的高頻振動是有效果的,但同時增大了鋼軌及軌枕的振動。

圖5 軌道結構振動加速度測試結果

4 我國彈性軌枕應用情況

我國自20世紀80 年代初開始研究在混凝土軌枕下設置彈性墊板,并先后在沈陽、北京、上海鐵路局干線上及攀枝花重載礦山專用線鋼軌接頭部位進行了試鋪試驗,取得了一定的成果[8-10]。在此基礎上于1995 年制定了TB/T 2629—1995《鐵路混凝土軌枕枕下彈性墊板》標準。我國從2011年開始研究30 t軸重成套軌道技術,依托新建山西中南部鐵路通道(瓦日線),在重載鐵路隧道內鋪設新型重載彈性軌枕,并進行了實車試驗[3]。試驗結果表明：

1)隧道內彈性軌枕地段軌道剛度明顯降低,且均勻性較好；30 t軸重試驗列車不同運行速度下彈性軌枕地段鋼軌垂向位移最大值1.94 mm,軌枕垂向位移最大值1.87 mm,可顯著提高軌道結構彈性。

2)隧道內彈性軌枕與普通軌枕的單根橫向靜態阻力平均值分別為10.5 kN及11.3 kN,彈性軌枕的單根橫向靜態阻力略低于普通軌枕。30 t軸重試驗列車不同運行速度下彈性軌枕地段軌枕動態橫向位移最大值0.24 mm,普通軌枕地段軌枕動態橫向位移最大值0.10 mm,彈性軌枕的動態橫向位移大于普通軌枕。從量值來看,普通軌枕地段及彈性軌枕地段軌枕動態橫向位移均較小,可滿足重載鐵路穩定性要求。

3)彈性軌枕地段鋼軌加速度及軌枕加速度均高于普通軌枕地段,彈性軌枕地段道床加速度小于普通軌枕地段。彈性軌枕對于道床具有減振效果,但對于隧道基底的減振效果不明顯。

5 結論

根據國內外彈性軌枕的研究和應用情況,可總結出以下3點：

1)彈性軌枕自20世紀80年代前后,在國內外都已經開展了相關研究工作,彈性軌枕對于軌道的剛度均勻化、減少道床應力、減輕道床及下部基礎的沖擊效應具有一定的效果。但是彈性軌枕仍存在軌枕橫向阻力降低、鋼軌和軌枕的振動加速度增大、道床不穩定、線路噪聲增大等問題。

2)結構設計時,枕下彈性墊板的剛度應與軌道結構的整體受力統一考慮。國外的研究分析結果表明,硬的軌下墊板與非常軟的枕下彈性墊板組合使用可能會導致軌枕出現裂紋；軟的軌下墊板與硬的枕下彈性墊板組合為較合理的配置方式。

3)總體來看,彈性軌枕由于在軌枕底部增加了一個彈性層,對于改善整個軌道結構的彈性是有利的,可作為軌道結構特殊區段的處理措施，如既有線改造中道床厚度不足、下部基礎過渡剛度差異較大等工況。