寧西線線路大中修設(shè)計(jì)探討

孟維剛 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)公司工務(wù)部

從2012年起，集團(tuán)公司對(duì)管內(nèi)寧西線增建二線并對(duì)既有線路進(jìn)行改造提升。寧西線我局管內(nèi)正線全長(zhǎng)135.470 km，新建二線長(zhǎng)度為96.447 km。2015年12月改造完成并投入運(yùn)營(yíng)。由于是既有線的改造提升，有很大部分是利舊線路，軌道、道床等部位傷損病害很多，例如部分線路還是2004年鋪設(shè)的60 kg/m普通線路，軌道魚鱗傷損、波磨、側(cè)磨嚴(yán)重，鋼軌疲勞重傷嚴(yán)重；部分道床板結(jié)冒漿嚴(yán)重，日常的養(yǎng)護(hù)維修不能從根本上解決問題。為使新建線路和原利舊線路“結(jié)構(gòu)等強(qiáng)、質(zhì)量均衡”，充分發(fā)揮寧西線改建二線后的經(jīng)濟(jì)效益，減輕設(shè)備管理單位日常養(yǎng)護(hù)維修工作量，從2017年開始，集團(tuán)公司利用年度大修計(jì)劃對(duì)寧西線部分線路進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

1 跨區(qū)間無縫線路設(shè)計(jì)方案

寧西線下行K842+150.72-K848+283.6，寧西線上行K849+055.8-K854+110.25間為P60軌普通線路。對(duì)本段線路設(shè)計(jì)為P60整修軌跨區(qū)間無縫線路，從而在根本上消滅普通接頭，減小設(shè)備管理單位的養(yǎng)修維護(hù)工作量，實(shí)現(xiàn)寧西線全線無縫化。

1.1 無縫線路穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)于無縫線路來說，穩(wěn)定性應(yīng)滿足軌道的計(jì)算允許溫升應(yīng)大于實(shí)際最大溫升。允許溫升利用盧耀榮提出的波長(zhǎng)不等的穩(wěn)定性計(jì)算公式計(jì)算。

假設(shè)軌道是無限長(zhǎng)梁，受到橫向均勻約束，軌道初始彎曲的線性函數(shù)是正弦函數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，將首先在軌道初始彎曲出變形。曲線變形后繼續(xù)保持連續(xù)，變形曲線的特性與初始彎曲的波形相似，波長(zhǎng)不等。由勢(shì)能駐值原理，取不同的軌道彎曲變形波長(zhǎng)計(jì)算軌道彎曲變形矢度等于0.02 cm時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小溫度壓力，再計(jì)算所對(duì)應(yīng)的允許溫升。寧西線溫度壓力變化見圖1。

圖1 溫度壓力變化圖

將圖1計(jì)算結(jié)果代入臨界溫升計(jì)算公式 ：

式中，Pmin—最小臨界溫度壓力；

E—鋼軌彈性模量，取 2.1×107N/cm2；

α—鋼軌線膨脹系數(shù)，取1.18×10-5℃；

F—鋼軌截面積，60 kg/m取77.45cm2。

當(dāng)R=1 600 m，溫度壓力隨彎曲變形波長(zhǎng)取值情況變化如圖1所示，則當(dāng)l=440 cm時(shí)，可得鋼軌的允許最小溫度壓力值Pmin=2.424398×106N，在Pmin條件下的臨界溫升△Tμ=63.16℃，受溫度力縱向不均勻分布影響，臨界溫升減去8℃，所以允許溫升 [△Tμ]=55℃。

1.2 無縫線路強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于無縫線路來說，鋼軌強(qiáng)度必須滿足鋼軌的容許應(yīng)力應(yīng)大于溫度降低時(shí)鋼軌所受溫度拉力，受輪載影響的彎曲應(yīng)力以及其它附加力三者之和。即：

式（2）中σ—軌底動(dòng)彎應(yīng)力

底d為軌底動(dòng)彎矩，W底為軌底截面參數(shù)，取3.75×105mm3；f為橫向水平力系數(shù)，曲線半徑不同，取值不同，當(dāng)800 m＜R≤2 000 m時(shí)可取1.45，當(dāng)R＞2 000 m時(shí)可取1.30。

σt—鋼軌溫度應(yīng)力，計(jì)算公式為σt=E·α·△Tdmax，△Tdmax為無縫線路最大降溫幅度。

σz—鋼軌附加應(yīng)力，在此為制動(dòng)應(yīng)力σ制=10 MPa。

[σ]—鋼軌容許應(yīng)力為鋼軌的屈服強(qiáng)度，取457MPa，K為安全系數(shù)，取1.35。

由以上可得臨界溫降計(jì)算公式：

強(qiáng)度計(jì)算過程中，將鋼軌視為連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的無限長(zhǎng)梁。由均勻連續(xù)彈性基礎(chǔ)理論以及力的獨(dú)立作用線性疊加原理，分別將不同輪位作為計(jì)算截面，逐輪計(jì)算，取其中最大值進(jìn)行無縫線路鋼軌強(qiáng)度檢算。

寧西線為電氣化線路，計(jì)算機(jī)車采用SS8型電力機(jī)車，SS8型電力機(jī)車其構(gòu)造速度V=160 km/h。根據(jù)不同線路平面，取不同的橫向水平力系數(shù)，可得計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 鋼軌應(yīng)力計(jì)算表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及公式（2）、（3），可得無縫線路鋼軌允許溫降[△Td]=61.9℃。

1.3 無縫線路檢算

寧西線當(dāng)?shù)貧v年最高軌溫61℃，當(dāng)?shù)貧v年最低軌溫-18.9℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫按27℃～37℃，其中，淠河特大橋上設(shè)計(jì)鎖定軌溫按27℃～32℃?？鐓^(qū)間無縫線路相鄰單元軌節(jié)的鎖定軌溫差不超過5℃，寧西線線路允許速度在160 km/h以下，左右股鎖定軌溫差不超過5℃，同一區(qū)間內(nèi)單元軌節(jié)最高、最低鎖定軌溫差不超過10℃。

1.3.1 一般地段無縫線路

由以上確定的設(shè)計(jì)鎖定軌溫，寧西線鋼軌最大溫升△Tumax=61-27=34℃＜[△Tu]=55℃，寧西線最大溫降△Tdmax=37-（-18.9）℃=55.9℃＜[△Td]=61.9℃，檢算合格。

1.3.2 橋上無縫線路

在此次鋪設(shè)無縫線路區(qū)段，橋梁共計(jì)4座，其中1座橋?yàn)閹ёo(hù)輪軌特大橋（淠河特大橋），橋梁中心里程為寧西線上行K850.231，長(zhǎng)度L=749.09 m，其橋跨組成為13×16 m先張預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁＋16×32 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T形梁，Ⅱ型混凝土枕。相比于一般地段的無縫線路，橋上無縫線路要受到額外的附加力作用，附加力由橋梁的撓曲變形以及伸縮變形位移而引起。根據(jù)李斌、韓峰研究，當(dāng)在跨度L≤32 m的剛性墩臺(tái)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋上鋪設(shè)無縫線路，不論橋梁有多長(zhǎng)，只要鋼軌溫升△T≤44℃，鋼軌溫降△T≤49℃時(shí)，無縫線路鋼軌能夠滿足斷縫、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，可對(duì)橋梁全長(zhǎng)不作限制，也可對(duì)軌道結(jié)構(gòu)不進(jìn)行檢算。由于原作者計(jì)算時(shí)鋼軌容許拉應(yīng)力為[σ]=311.5 MPa，近年，上海局集團(tuán)公司大修鋪設(shè)整修軌無縫線路軌源多數(shù)為U75 V鋼軌整修再用，U75 V鋼軌屈服強(qiáng)度可以達(dá)到510 MPa，即使屈服強(qiáng)度較低的U71 Mn鋼軌的屈服強(qiáng)度也可以達(dá)到457 MPa，△σ=457 1.35-311.5=27.02 MPa，換算成軌溫變化幅度達(dá)到10.9℃，則原約束條件可調(diào)整為鋼軌溫降△T≤（49+10.9）=59.9℃時(shí)，無縫線路軌道結(jié)構(gòu)可以滿足穩(wěn)定性、強(qiáng)度和斷縫的要求，橋梁全長(zhǎng)可不作限制，軌道結(jié)構(gòu)亦可不需檢算。

由以上設(shè)計(jì)鎖定軌溫，淠河特大橋鋼軌最大溫升△Tumax=61-27=34℃＜44℃，鋼軌最大溫降△Tdmax=32-（-18.9）=50.9℃＜59.9℃，滿足上文約束條件，不必對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算。

2 焊接方案

目前，現(xiàn)場(chǎng)焊接方式主要有三種：鋁熱焊、移動(dòng)氣壓焊和移動(dòng)閃光焊。

鋁熱焊具有工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備輕便，作業(yè)時(shí)間需求相對(duì)較短，適用于復(fù)雜地段焊接等特點(diǎn)。但是，根據(jù)其原理鋁熱焊縫作為鑄造組織，強(qiáng)度只有母材70%左右，由于不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，整個(gè)焊接過程還是以人控為主，焊接質(zhì)量不能持續(xù)穩(wěn)定。

移動(dòng)氣壓焊的原理是將待焊軌端利用乙炔-氧氣火焰加熱，待其達(dá)到塑性狀態(tài)時(shí)，施加頂鍛力，使得兩待焊軌端重新結(jié)晶，融為一體。其焊縫強(qiáng)度能達(dá)到母材95%以上。

移動(dòng)閃光焊是利用強(qiáng)電流通過兩軌端之間的極大電阻，產(chǎn)生熱量將兩軌端融化至塑性狀態(tài)，快速施加頂鍛力使兩軌焊連成一體。焊縫強(qiáng)度接近母材強(qiáng)度，閃光焊在電氣化鐵路線上焊接時(shí)，必須保持左右兩股鋼軌之間不能導(dǎo)通，對(duì)施工效率有一定影響。

通過比較3種焊接方式的優(yōu)缺點(diǎn)，施工單位應(yīng)因地制宜，選擇合適的焊接方式，鋁熱焊可用于分路口站道岔內(nèi)部接頭的處理以及在道岔前后鋪設(shè)無縫線路時(shí)的龍口焊接和其它因素制約不能使用大型焊機(jī)地段的焊接；因?qū)幬骶€為電氣化線路，故區(qū)間換軌線上焊接可以使用移動(dòng)氣壓焊焊機(jī)，線下焊接可以使用移動(dòng)閃光

3 線路中修設(shè)計(jì)

寧西線改建二線工程中，寧西上行線K800.4-K835.52，K848.91-K922.13，寧西下行線K834.91-K848.43間線路為利用既有線改造，道床狀態(tài)較差，除上行K854+120-K863+800在2008年中修過以外，其余線路上次中修時(shí)間為2003年，道床板結(jié)冒漿嚴(yán)重。

對(duì)于道床一般臟污地段采用大型機(jī)械清篩施工作業(yè)，道床翻漿臟污地段采用大型機(jī)械拋床作業(yè)，利用捷力大修軟件進(jìn)行拉坡設(shè)計(jì)。

本區(qū)段橋梁共計(jì)48座，其中原碴厚小于25 cm的橋梁有23座，其中44A#橋石碴厚度僅為9 cm。本次拉坡設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其中19座橋進(jìn)行了抬道，且抬道以后石碴厚度達(dá)到25 cm及以上。其余4座橋梁因受接觸網(wǎng)導(dǎo)高缺陷或者現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備限制，拉坡時(shí)僅在原來基礎(chǔ)上進(jìn)行改善，對(duì)于改善后橋上道床厚度仍然不能滿足25 cm要求的，須在道床以下軌枕垂直投影面下的梁面上鋪設(shè)DCY橡膠墊增加道床彈性，以增加道床彈性及確保列車安全運(yùn)營(yíng)。

本次施工區(qū)段寧西線原大顧店站、俞大莊站、十里橋站站臺(tái)均已廢棄，為改善站臺(tái)地段線路道床排水及滿足大機(jī)清篩作業(yè)影響范圍的要求，將以上廢棄站臺(tái)結(jié)合線路大修予以部分拆除，拆除站臺(tái)寬度1.4 m左右，拆除深度至路基面。為有利于剩余站臺(tái)的安全穩(wěn)定，按寬0.4 m的漿砌片石恢復(fù)站臺(tái)墻，恢復(fù)后線路中心至站臺(tái)墻外側(cè)的距離應(yīng)不小于2.5 m。

4 結(jié)束語

普通60 kg/m軌線路換鋪為跨區(qū)間無縫線路施工時(shí)，應(yīng)提前對(duì)缺碴，道床翻漿，路基冒漿地段進(jìn)行整治，即現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)也可按照先清篩，后換軌的流程進(jìn)行施工，確保線路滿足鋪設(shè)無縫線路條件。

當(dāng)在跨度L≤32 m的剛性墩臺(tái)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋上鋪設(shè)無縫線路，不論橋梁有多長(zhǎng)，只要鋼軌溫升△T≤44℃，鋼軌溫降△T≤59.9℃時(shí)，無縫線路軌道結(jié)構(gòu)可以滿足穩(wěn)定性、強(qiáng)度和斷縫的要求，橋梁全長(zhǎng)可不作限制，軌道結(jié)構(gòu)亦可不需檢算。

從2017年開始，集團(tuán)公司有計(jì)劃地對(duì)寧西線進(jìn)行大修補(bǔ)強(qiáng)，2017年和2018年分別對(duì)二線改造后利舊道床完成了清篩作業(yè)。2017年完成對(duì)普通線路區(qū)段的跨區(qū)間無縫線路鋪設(shè)作業(yè)。從實(shí)施效果來看，以上設(shè)計(jì)方案得到了有效驗(yàn)證，全面改善了既有的線路狀態(tài)，寧西線全線軌道結(jié)構(gòu)基本等強(qiáng)，線路質(zhì)量更加均衡，線路承載能力大幅提升，并且大幅度減小了設(shè)備管理單位養(yǎng)護(hù)維修工作量，有力地保障了鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)秩序。