聚氨酯彈性軌枕墊在有砟軌道的應用探索

武志剛

(中國鐵路太原局集團有限公司工務處，山西太原030013)

1)隨著我國社會經濟的快速發展，鐵路運輸業已進入了一個空前的發展時期。現代鐵路運輸對軌道的高平順性、高穩定性、高耐久性的要求越來越嚴格。有砟軌道結構作為重載鐵路最常用的軌道結構形式，在高速重載列車載荷長期反復作用下已達到承載能力的極限，表現在碎石道床的破壞不斷加劇，維修周期越來越短，而限于運輸量壓力，重載貨運線路可容許占用的維修時間越來越少。

2)為了緩解重載有砟軌道的破壞影響，曾采用鋪設重型鋼軌和重型軌枕強化有砟軌道的技術來減少有砟軌道結構的磨耗。但是，實踐經驗表明，這雖然有利于提高軌道的穩定性，保持軌道狀態的持久均衡性，提高列車的運行速度，但軌道剛度也會隨之增大。軌道剛度過大時，如果車輪踏面或軌道表面有微小的不平順，輪軌相互動力作用就十分明顯，并且隨著列車速度和軸重的提高而急劇增長和惡化，同時由此引發的軌道振動噪聲，在城市周邊產生的影響更為突出。特別是在橋梁和隧道等剛性基礎上的有砟軌道，因道砟厚度不足，混凝土枕軌道剛度過大，道砟粉化速率過快，道床翻白、板結嚴重，甚至道砟出現“液化”現象，大大增加了養護維修工作量及其費用，降低了線路的利用率。嚴重者，道床剛度過大會加大列車的沖擊力，降低軌道幾何質量，從而影響混凝土結構的受力狀態，降低承載能力。

3)由于行車密度的提高，行車間隔的縮短，可用于養護維修的作業時間卻在不斷減少，工務設備維修與運輸的矛盾十分突出，行車安全隱患也潛在的增多。此外隨著行車速度和軸重的提高，機車車輛對軌道的振動強度加大，作用在軌道上的動荷載越大，軌道的幾何形位越難保持，軌道結構和部件破壞越快。當軌道彈性不足時，將加速有砟軌道的道床板結和道砟粉化速度，導致軌道使用壽命縮短、零部件損壞嚴重。在引入淬火硬化鋼軌和預應力混凝土軌枕后，道砟無疑成為了有砟軌道設計中的薄弱環節。相比鋼軌、扣件和混凝土軌枕等部件的維修更換，道砟的清篩和更換在有限的天窗時間內要復雜和困難得多。現代鐵路的發展主要朝著重載化，高軸重和增加行車密度來提高線路運能和運營效率，但是隨之而引起的相關問題是導致軌道部件的使用壽命縮短，道床劣化速度加快，增加線路的維護需求，以及線路的高應力狀態導致了軌道壽命的縮短。

4)有砟軌道除了道砟提供彈性之外，還可以通過安裝軌下墊板、彈性軌枕墊和道砟墊等多種方式增加軌道結構彈性，如圖1所示。由于軌下墊板能夠提供的彈性非常有限，而道砟墊的鋪設工程量大，成本相對較高，既有線的維修天窗難以實現安裝更換。因此相較而言，彈性軌枕墊是增加有砟軌道結構彈性最為經濟有效的手段。

1 彈性軌枕墊的歷史發展

作為一種增強有砟軌道道床彈性的技術措施，彈性軌枕，即在混凝土軌枕或岔枕底部設置彈性墊層，通過不斷改進完善，目前在世界多國鐵路得到應用。

1)我國最新頒布的《重載鐵路設計規范》中提到，為減緩有砟軌道道砟顆粒的破碎與粉化，增加軌道彈性，減小對線下結構物的振動影響，橋上和隧道地段的道床建議采用減緩道床粉化速率的技術措施，如鋪設彈性軌枕及砟下彈性墊層(道砟墊)等。在山西中南部鐵路通道重載綜合試驗中，橋梁試鋪了道砟墊，隧道地段試鋪了彈性軌枕，兩種技術措施能夠滿足重載鐵路運營的安全性要求和穩定性要求。彈性軌枕地段較普通軌枕地段軌枕支承剛度明顯降低，且均勻性好，彈性軌枕可降低枕下道床及隧道基底的加速度，減少振動沖擊作用。

2)法鐵SCNF從1989年開始在實驗室研究聚氨酯彈性軌枕墊，認為可以在混凝土軌枕使用周期內減少道砟和混凝土磨損。在法鐵SNCF的國家實驗室對混凝土軌枕進行“VIBROGIR”的磨耗試驗發現：在經過200 h的振動加載試驗，加軌枕墊的軌枕和道砟沒有磨耗。此外，對于采用極硬的道砟時，進行了更多的試驗確定聚氨酯材料的質量以及彈性軌枕墊的厚度。測試了軌道內軌枕的橫向穩定性，發現彈性軌枕不低于標準軌枕。

目前，經過在法鐵地中海高速鐵路(LN5)中超過10年的應用經驗表明：在速度超過300 km/h，尤其是速度超過320 km/h的線路上時，必須采用彈性軌枕墊來控制維修成本，尤其是減少搗固作業頻次和它帶來的技術影響。彈性軌枕墊應該在整個路網內的新建線路和高速鐵路大修時進行安裝。

3)德國鐵路公司(DB)自1996年起開始在部分預應力軌枕上安裝軌枕墊，經過多年軌枕墊的應用和實踐，最新的德鐵標準RIL 820—2010A05(2013年6月1日起實施)正式將軌枕墊作為一個標準部件進行了規定，對于日運載量1萬t～3萬t的線路和3萬t以上的線路，對新建線路和線路改造以及不同運營速度等配備軌枕墊和道砟墊都作出了規定。

4)奧地利聯邦鐵路公司從2007年起，正式將彈性軌枕墊作為一個標準部件，規定以下地段應采用彈性軌枕來改進軌道性能、減少小半徑曲線地段的鋼軌波磨：a.所有道岔地段；b.A類軌道區段(曲線半徑<500 m或日運量>3萬t)。

5)國際鐵路聯盟UIC制定了《彈性軌枕墊使用指南》(Under Sleeper Pad (USP) Recommendations for Use)，針對彈性軌枕墊應用的歐洲標準EN 16730鐵路應用—軌道—帶彈性軌枕墊的混凝土軌枕和岔枕已經于2016年6月起正式實施。

6)在高速鐵路、重載鐵路以及干線鐵路等各等級的線路，出于維持軌道質量和減少養護維修的目的，彈性軌枕墊越來越受到重視。在滿足線路安全性和穩定性的前提下，彈性軌枕墊的經濟性已經被歐洲各大鐵路公司所驗證，國內的試鋪以及大運量和高密度的行車尤其需要彈性軌枕墊把我們的線路變得更好，減輕工務養護維修的壓力。

2 彈性軌枕墊的原理

彈性軌枕墊不改變原軌枕的任何設計，只是在軌枕底部加入聚氨酯彈性墊層。聚氨酯彈性軌枕墊的作用原理主要體現在以下幾個方面：

1)Zimmermann理論。沿著鋼軌更好的荷載分布以及軌枕的受力更均勻。

2)增加接觸面積。軌枕墊被用作軌枕底部的彈性層，從而將軌枕底部與道砟層的接觸面積從2%～8%增加到30%以上。廣泛的應用證明，增加接觸面積能夠改善道床的荷載傳遞性能并減少對路基的作用力。因此能夠阻止道砟顆粒由于過載而碎裂并減少道床的沉降，而且軌枕下方的空吊和懸吊也能有效地得到緩解。

3)隔振作用。彈性軌枕墊的積極作用體現在維持線路的幾何形位處于良好水平，保持軌道的高平順性，從而減少了高速和/或重載引起的列車沖擊作用，使道床和軌道部件均處于良性狀態，從而減少了搗固和養護維修的需求。

為了保證彈性軌枕墊與軌枕底面的粘接工藝要求，分別在各軌枕廠分批次進行了抗拔力測試，平均抗拔力分別為0.719 N/mm2和0.646 N/mm2。經計算，彈性軌枕與道砟層有效接觸面積為25.1%(左軌)和25.7%(右軌)，平均約為25%。而普通軌枕的平均接觸面積約為5%(取決于道砟狀態，通常為3%～8%)。因此彈性軌枕的接觸面積較普通軌枕增加了5倍左右。

3 國內聚氨酯彈性軌枕墊的試鋪情況

2013年和2014年分別在豐沙線、石太線和豐臺西站等不同地段(分別為隧道內、曲線上和道岔區)進行了彈性軌枕墊的試鋪和試驗工作，取得了積極的試驗成果，驗證了聚氨酯彈性軌枕墊在保護道砟、避免道床板結、保持軌道幾何線型方面的效果。在2015年和2016年又分別在大秦線進行了試鋪。2017年在石太線隧道地段線路鋪設試驗。具體情況如表1所示。

表1 試鋪試驗情況

試驗試鋪情況表明，聚氨酯彈性軌枕墊在保護道砟，避免道床板結，保持軌道幾何線型方面具有顯著的效果(見圖2)，從而達到減少維修和延長搗固周期，實現減少全壽命周期成本的目的。彈性軌枕墊能夠改善有砟軌道曲線、橋梁和隧道內以及岔區等特殊路段的軌道質量。

4 聚氨酯彈性軌枕墊的試鋪效果

1)經試驗試鋪，安裝聚氨酯彈性軌枕墊的混凝土軌枕可提供軌道所需要的彈性，以增加輪軌舒適度。聚氨酯材料的彈塑性特性，能使道砟穩定的嵌入軌枕墊表面，道砟與軌枕的接觸面積從未安裝軌枕墊前的5%～8%增大到安裝軌枕墊后的35%，從而有效地降低作用在道砟上的動態荷載及振動，減緩道砟的粉化與磨損。線路的平縱線型能夠被較好的維持，延長了軌道搗固周期，增加了線路的使用率。

2)對于線下結構剛度驟變(例如土質路基與橋梁過渡段)的區段，也可以通過安裝不同剛度的彈性軌枕墊來實現軌道剛度的均勻變化，以降低列車的動態沖擊力。安裝了軌枕墊的岔枕，能克服因道岔鋼軌斷面變化及岔枕長度不同所產生的剛度變化，確保軌道剛度平順性，延長部件的使用壽命。經過多年的彈性軌枕墊應用研究表明，彈性軌枕墊具有以下優點：減少維護需求并延長搗固周期2倍～2.5倍以上；延長軌道使用壽命25%以上；減少小曲線區段的鋼軌波磨；減少50%的線路占用時間；提高軌道質量，減少道床的移位并延緩道床沉降；減少軌枕空吊(減少100%)。

減少道床的振動從而減少對周圍環境的傳遞。

3)大秦鐵路重車線目前已經試鋪一年多，通過總重超過5億t，枕下道砟狀態良好，未進行搗固，軌檢車的波形圖顯示整個試鋪地段仍處于良好的狀態，整個線路無泛白翻漿冒泥現象。2016年4月，大秦重車線延慶—下莊間K296+700～K298+160鋪設彈性枕1.46 km，該地段處于長大下坡道，最大坡度12‰，包含曲線1條R=700 m，L=760.49 m，l=150 m，h=70 mm，F=72 mm，三座橋梁共計375.9 m，三座隧道共計277 m，碎石道床，加強Ⅱ型彈條，鋼軌鋪設年限為2014年4月，鋼軌材質為U78Crv，該地段包含兩個軌條，左右股鎖溫均為28°，更換彈性枕至今累計通過總重為2.25億t。以297+150～297+350為例，對該地段2016年3月、6月兩次軌檢車波形圖進行對比，高低、三角坑在更換彈性試驗枕后，該地段的綜合設備狀態得到了有效改善，且通過對比6月、9月份兩月軌檢車波形圖，可以看出設備狀態一直保持在較高水平，設備質量較為穩定。

4)彈性軌枕地段的道床加速度明顯較普通軌枕地段的道床加速度小，約為普通軌枕地段的43.9%～45.8%。這主要是由于彈性軌枕的軌枕墊起到了良好的減振、隔振作用，從而使得彈性軌枕墊下方的道床加速度明顯減小，道床的振動減小表明道砟的相互作用減少。彈性軌枕墊的軌枕可以滿足軌道結構的穩定性要求，因為在軌道發生屈曲之前，它們能夠比普通軌枕承受更高的溫度升幅。

5)道岔區相比普通線路，道岔區的軌道剛度變化較大，動態受力復雜，維修工作量大，為實現道岔區軌道剛度的均勻化，通過建立道岔區有限元仿真分析模型，動態模擬分析列車駛過的作用機理，預測分析列車荷載作用下鋼軌動變形，以道岔區范圍內鋼軌動態變形的變化量不超過0.5 mm為目標，確定道岔不同區段混凝土岔枕下彈性墊層的剛度。通過試鋪，道岔區采用彈性軌枕墊可增加軌道的彈性，降低負載，從而保護道岔軌道結構的其他部件，可降低道砟應力，延長維修周期，降低道岔全壽命周期成本。

5 彈性軌枕墊的主要功能及優點

1)彈性軌枕墊的使用為混凝土軌枕引入了必要的彈性，從而降低上部結構的動態作用力。國內外既有研究成果表明，在軌枕底設置彈性墊層可有效降低輪軌相互作用，減緩道砟粉化、減少軌道養護維修工作量。彈性軌枕具有以下主要功能：彈性墊設置于軌枕底部，可提高軌道結構的垂向彈性；均衡軌枕上的荷載分布，增加軌枕與道砟間的接觸面積，降低作用到道砟面的荷載，減緩道砟的粉化和磨損，延長清篩周期；減緩道床的累積變形，線路幾何形位易于保持，延長道床搗固周期，結果分析表明，可延長搗固周期達2.75倍；在路橋過渡段、道岔區應用，通過設置不同模量的彈性墊層，可實現軌道剛度的均勻變化；減緩線路的短波不平順和小半徑曲線的鋼軌磨耗；具有一定的減振降噪效果。

2)軌枕墊在各種工況下對軌道上部結構都具有積極作用，而且軌枕墊在軌道荷載或軸重增加時效果更好。所有安裝軌枕墊的區段都表明軌道劣化速度大大降低。軌枕墊主要應用于以下情況：減少所有類型有砟軌道結構的沉降；限制小曲線區段鋼軌波磨的產生；在道砟厚度不足區段調整軌道剛度；改善不同軌道結構之間的過渡段；減少軌道振動；避免軌枕空吊；調整道岔區內鋼軌豎向撓度的一致性。

3)普通軌枕的接觸面積通常小于5%，而聚氨酯軌枕墊的接觸面積高達27.8%。道砟的有效接觸面積越大，荷載傳遞就越均勻，從而降低了道砟接觸應力。彈性軌枕墊的優勢主要有：

粘接方式的創新，在軌枕生產的同時壓入彈性軌枕墊，簡化了粘接的工藝，可以實現工廠化的生產，并且確保彈性軌枕墊與軌枕底部的牢固粘接能夠經受軌道的重復荷載；

根據線路的軸重等級和應用目的，系統性地確定了彈性軌枕墊的設計剛度(基礎模量)，可以針對性地解決線路的問題；

通過材料的設計實現軌道剛度的優化。

6 結語

1)彈性軌枕墊在豐沙線、石太線以及大秦線的試鋪可以看到，彈性軌枕墊在增加彈性、減少軌件的損耗，提高軌道質量，減少養護維修需求方面有著明顯的效果，是“科學養路”的重要實踐。

2)國內外既有研究成果表明，在軌枕底設置彈性墊層可有效降低輪軌相互作用，減緩道砟粉化、減少軌道養護維修工作量。彈性軌枕枕下墊層靜剛度取值是彈性軌枕結構體系中重要參數，直接影響彈性軌枕的應用效果。

3)使用經驗表明，聚氨酯彈性軌枕墊可以實現與混凝土軌枕的同壽命；減少維護需求并延長搗固周期2倍～2.5倍以上；彈性軌枕墊工廠安裝簡便，無需二次倒運和粘接。

4)通過在石太線、大秦重載鐵路等應用彈性軌枕墊。顯著地延長了線路的搗固周期，軌道彈性得以保持，整個區段的日常維修大大減少，減少了道床的臟污和板結現象；線路質量維持在一個較高的水平，TQI均值一直維持在低位，從而延長了線路大修和中修的需求；縱向高低的扣分很少。