京滬線滬寧段成組更換道岔設(shè)計(jì)方案研究

肖 虎 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部

京滬線滬寧段年通過總重大，正線道岔的岔枕、零部件磨損嚴(yán)重，使用狀態(tài)變差，養(yǎng)護(hù)投入成本過高，基本已達(dá)到或超過大修周期。為確保設(shè)備和行車安全、平穩(wěn)，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，上海局于2016-2019年組織對(duì)該區(qū)段200余組正線道岔進(jìn)行成組更換道岔施工。道岔區(qū)無縫化是成組更換道岔設(shè)計(jì)與施工中的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)對(duì)無縫道岔的計(jì)算理論和營(yíng)業(yè)線換岔施工已有較多的研究和實(shí)踐，但影響無縫道岔使用的因素很多，仍需針對(duì)具體的工程情況對(duì)更換無縫道岔進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和檢算，以確保施工和運(yùn)營(yíng)的安全。在上海局管內(nèi)允許時(shí)速160 km/h的有砟線路上，專線4249型P60-1/12道岔得到了廣泛的應(yīng)用，近幾年更換量達(dá)到年均150組左右。因此，有必要在上述研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，以京滬線滬寧段碩放站內(nèi)的幾組道岔大修工程為例，通過方案設(shè)計(jì)和檢算，探討成組更換道岔的設(shè)計(jì)方案，用以指導(dǎo)同類工程的設(shè)計(jì)與施工。

1 既有設(shè)備概況

碩放站為中間站，位于京滬線滬寧段，上行線Ⅱ道共6組道岔，均為2003-2006年提速改造時(shí)鋪設(shè)上道的CZ2516型單開有砟道岔（直向允許通過速度200 km/h），累計(jì)通過總重710 Mt，達(dá)到大修周期，軌件成組磨損嚴(yán)重，整體狀態(tài)不良。正線為電氣化、P60鋼軌跨區(qū)間無縫線路，允許速度160 km/h，Ⅲa型枕（1667根/km），Ⅱ型彈條扣件。到發(fā)線4道為普通線路，與N19、N10道岔側(cè)向鋼軌用接頭夾板進(jìn)行連接。道岔平面布置示意見圖1。

圖1 碩放站道岔平面布置示意圖

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 道岔參數(shù)

京滬線滬寧段線路當(dāng)前允許時(shí)速為160 km/h，為滿足軌道結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)相匹配的要求，以及合理降低投入成本，新道岔全部采用專線4249型道岔（直向允許通過速度160 km/h），并將合金鋼叉心拼裝式轍叉應(yīng)用于道岔中，以提高耐磨性能及強(qiáng)度。鋼種為P60-U75V鋼軌。道岔采用分動(dòng)外鎖閉裝置，轍跟處為限位器結(jié)構(gòu)。新舊兩種類型的道岔相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 新舊道岔主要參數(shù)對(duì)比

2.2 中交定位方案

2.2.1 中交移位方案

道岔中交是直股中線與側(cè)股中線相交的點(diǎn)，原則上新鋪道岔的中交位置與原道岔保持不變。根據(jù)站場(chǎng)條件及設(shè)計(jì)道岔的要求進(jìn)行了逐組勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)碩放站N4～N2之間的渡線線型不良。為改善岔間渡線線型，經(jīng)計(jì)算：N4道岔中交位置需向北京方向縱向移位120 mm，渡線間橫向撥量最大為10 mm，如圖2所示。

圖2 碩放站N4道岔中交移位示意圖

2.2.2 中交保持原位方案

其余各組道岔按照中交位置不變的原則布置新道岔。因新鋪道岔前長(zhǎng)與舊道岔前長(zhǎng)相同，此方案中N1、N19、N6岔前位置存在絕緣及信號(hào)機(jī)，其位置可保持不變，有效地減少了電纜鋪設(shè)、信號(hào)改移等電務(wù)工作量。

2.3 配軌方案

2.3.1 相鄰道岔間直向鋼軌

道岔中交位置確定后，即可根據(jù)道岔參數(shù)確定岔首與岔尾處基本軌接頭的里程，據(jù)此計(jì)算道岔間直向鋼軌長(zhǎng)度。當(dāng)兩組道岔采用對(duì)接形式（尖對(duì)尖）時(shí)，公式見式1。此時(shí)，若中交位置保持不變，因新道岔前長(zhǎng)與舊道岔一致，道岔間鋼軌長(zhǎng)度等于原鋼軌長(zhǎng)度；當(dāng)兩組道岔采用順接形式（尖對(duì)尾）時(shí)，公式見式2。此時(shí)，若中交位置保持不變，因新鋪道岔后長(zhǎng)比舊道岔短5.4 m，道岔間鋼軌比原鋼軌長(zhǎng)5.4 m。

式中，L為相鄰道岔間直向鋼軌長(zhǎng)度（m）；K1、K2為兩相鄰道岔的中交位置里程（m）；ɑ為新鋪道岔前長(zhǎng)（m）；b為新鋪道岔后長(zhǎng)（m）。

2.3.2 道岔前后保護(hù)軌

道岔前后鋼軌與道岔鋼軌采用相同軌型。道岔前后為區(qū)間長(zhǎng)軌時(shí)，直股更換一節(jié)25 m標(biāo)準(zhǔn)軌；側(cè)股設(shè)置1～2節(jié)新鋼軌與既有鄰線道岔側(cè)股鋼軌進(jìn)行連接。碩放站4道為普通線路，N19、N10岔后側(cè)股設(shè)置一節(jié)保護(hù)軌后，與4道既有線路用接頭夾板進(jìn)行聯(lián)接。鋼軌長(zhǎng)度按照現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料進(jìn)行計(jì)算確定，結(jié)果見表2，表中均為一對(duì)鋼軌長(zhǎng)度。

表2 道岔前后配軌表

2.4 無縫道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

道岔內(nèi)部接頭采用焊接、膠接和凍結(jié)等方式全部進(jìn)行無縫化處理。道岔前后接頭直股焊接（有絕緣時(shí)膠接）、側(cè)股凍結(jié)。N1、N11、N6、N4道岔側(cè)向過渡至上行線，其保護(hù)軌與既有鋼軌進(jìn)行膠接（有絕緣）。N19、N10道岔側(cè)向過渡至到發(fā)線（普通線路），其保護(hù)軌與既有鋼軌用接頭夾板進(jìn)行聯(lián)接。各組道岔前后接頭處理方式見圖3。

圖3 碩放站道岔前后配軌及焊聯(lián)方式示意圖

2.4.2 設(shè)計(jì)鎖定軌溫

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象資料，當(dāng)?shù)剀墱豑max=60.7℃，Tmin=-14.0℃。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，無縫道岔設(shè)計(jì)鎖定軌溫采用與區(qū)間相同的鎖定軌溫范圍32±5℃。

2.5 配套工程方案

2.5.1 道床及軌枕

對(duì)道床進(jìn)行清篩并補(bǔ)充石碴，并同步對(duì)岔間線和渡線進(jìn)行清篩換砟，使道床達(dá)到鋪設(shè)無縫線路技術(shù)條件。既有線路縱斷面保持不變。岔區(qū)若存在基床病害，施工中同步對(duì)岔區(qū)基床病害進(jìn)行整治。采用一級(jí)碎石道砟，并使道床飽滿、密實(shí)。枕下凈砟厚度≥300 mm，砟肩寬度≥450 mm，砟肩堆高≥150 mm，以提高道床阻力，確保無縫道岔穩(wěn)定。

2.5.2 位移觀測(cè)樁

在道岔岔首、限位器、岔尾處各設(shè)置1對(duì)位移觀測(cè)樁。另外，距離道岔前后50 m處各設(shè)1對(duì)。當(dāng)兩組道岔距離較近時(shí)，可共用1對(duì)觀測(cè)樁，并設(shè)置在兩組道岔之間。在無縫道岔鎖定后，立即進(jìn)行位移標(biāo)記。標(biāo)記應(yīng)明顯、耐久、可靠。養(yǎng)護(hù)維修單位應(yīng)定期對(duì)無縫道岔進(jìn)行縱橫向位移、左右尖軌相錯(cuò)量等項(xiàng)目進(jìn)行觀測(cè)、記錄。發(fā)現(xiàn)觀測(cè)項(xiàng)目超過允許值等非正常現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)查明原因，采取整治措施。

3 受力分析與檢算

3.1 縱向力及位移檢算

無縫道岔位于無縫線路固定區(qū)，除受到機(jī)車車輛的動(dòng)荷載作用外，還受到的縱向溫度力作用。岔前將受到區(qū)間傳來的兩股溫度力作用，岔后受到四股溫度力作用，岔區(qū)前后的縱向溫度力不平衡。道岔尖軌、導(dǎo)軌及轍叉因只在岔后受外部區(qū)間傳來的力，尖軌尖端及跟端將發(fā)生位移。并通過限位器、岔枕和扣件等傳力部件，在基本軌上產(chǎn)生附加溫度力并發(fā)生位移變形。

當(dāng)兩組道岔相隔較近而彼此影響時(shí)，其受力與變形將變得復(fù)雜。兩道岔間夾直線長(zhǎng)度越小，相互間的影響越大，當(dāng)兩道岔間距離小于25 m時(shí)，應(yīng)按道岔群考慮。碩放站N11與N9間夾直線長(zhǎng)度13.15 m，應(yīng)視作兩組道岔對(duì)接形式而進(jìn)行分析；其余道岔間距均大于25 m，可按單組進(jìn)行分析。

計(jì)算參數(shù)選取：道床換算縱向阻力32 N/cm；扣件縱向常阻力12.5 kN；扣件阻矩2.6 kN·m；限位器阻力6×104kN/m。溫變幅度51℃時(shí)，基于有限單元法，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 最大縱向力和位移量計(jì)算表

結(jié)果表明：道岔對(duì)接方式使基本軌附加溫度力增加12%，但對(duì)鋼軌伸縮位移及限位器受力影響較小。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明：當(dāng)?shù)来病⒖奂目v向阻力變低時(shí)，這種影響將變大。尖軌尖端位移小于允許量20 mm，位移檢算合格。

3.2 鋼軌強(qiáng)度檢算

道岔基本軌因有附加縱向力影響，在轉(zhuǎn)轍器跟端傳力部件附近形成溫度力峰，選取此處為檢算斷面。計(jì)算參數(shù)：機(jī)車類型SS8、HXD3，鋼軌支座剛度D=33 kN/mm，屈服強(qiáng)度472 MPa，容許應(yīng)力[σ]=472/1.3=363 MPa。根據(jù)無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算結(jié)果見表4，兩種工況條件下作用在鋼軌上的總應(yīng)力均小于容許值，檢算合格。

表4 鋼軌應(yīng)力計(jì)算表（MPa）

3.3 無縫線路穩(wěn)定性檢算

因?qū)€四根軌線和轍叉部分橫向抗彎剛度較大，一般不會(huì)發(fā)生脹軌跑道。岔區(qū)無縫線路穩(wěn)定性僅對(duì)最不利位置，即轍跟處的基本軌斷面做檢算。計(jì)算參數(shù)：原始塑性彎曲矢度2 mm，容許變形矢度1 mm，道床橫向阻力11.5 kN/m，安全系數(shù)1.3。基于統(tǒng)一公式進(jìn)行計(jì)算，允許溫度壓力[P]=Pw/1.3=2085 kN。鋼軌的最大附加壓力容許值為[P]/2-Ptmax=396 kN，大于鋼軌最大附加縱向力255.46 kN，穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 傳力部件強(qiáng)度檢算

尖軌跟端限位器聯(lián)結(jié)螺栓的剪切強(qiáng)度，按下式進(jìn)行：

式中，P0為限位器承受的最大作用力（N）；d為螺栓直徑（mm）；[τ]為容許剪切應(yīng)力，取 415 MPa。

經(jīng)計(jì)算，τ=43.3 MPa<[τ]，檢算合格。

4 實(shí)施效果及建議

2018年5月，京滬線碩放站上行線6組道岔成組更換施工已順利實(shí)施。目前，道岔結(jié)構(gòu)及各部位尺寸狀態(tài)較佳，運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定，大大地減輕了日常養(yǎng)護(hù)維修量，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，并對(duì)既有線成組更換道岔工程提供了借鑒。結(jié)合設(shè)計(jì)和施工的實(shí)踐，提出幾點(diǎn)建議：

（1）設(shè)計(jì)階段，若多組道岔更換時(shí)，應(yīng)整體考慮道岔間配軌的整體配套，減少雜短軌，減少接頭數(shù)量。

（2）道岔鋪設(shè)時(shí)，轍跟處限位器子母塊位置應(yīng)保持嚴(yán)格居中，以避免過早貼靠，從而降低作用力。

（3）轍跟處基本軌存在附加應(yīng)力，應(yīng)確保此處焊接接頭質(zhì)量，盡量保證焊頭與鋼軌母材等強(qiáng)，或?qū)⒑附咏宇^位置后延5 m～10 m，使最大附加溫度力遠(yuǎn)離焊接接頭。加強(qiáng)轍跟處軌道養(yǎng)護(hù)，確保該處不出現(xiàn)較大的軌面及軌道不平順，降低該處鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力。

（4）應(yīng)保證在設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍內(nèi)對(duì)無縫道岔進(jìn)行鎖定，并與相鄰單元軌節(jié)的鎖定軌溫差應(yīng)滿足規(guī)范要求，以盡量減少區(qū)間溫度力對(duì)道岔產(chǎn)生的附加作用。