35～40t軸重重載鐵路有砟軌道結構方案及試驗研究

許良善，郄錄朝，全順喜

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.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；3 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063；4.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，湖北武漢 430063）

在礦石資源豐富的國家，如美國、澳大利亞、巴西，均已發展了35～40 t 軸重重載鐵路。澳大利亞FMG 鐵路軸重已達40 t，美國重載鐵路軸重多集中在32.5～35.7 t，巴西淡水河谷重載鐵路軸重已達32.5 t以上，計劃將軸重提升到37.5 t。我國在30 t 軸重新建鐵路技術方面積累了豐富的經驗。2014年，國內首條軸重30 t 重載鐵路——瓦日鐵路開通運營；蒙華鐵路也是按照30 t 軸重標準修建。但目前我國尚無成熟的35～40 t 軸重軌道結構技術體系。隨著國家的發展，鐵路成為“走出去”的重要領域和與周邊國家互聯互通的重要基礎設施，“兩洋鐵路”的提出及國內企業參與國際鐵路貨運市場建設的現實需求也對國內重載鐵路技術的發展提出了迫切要求。為了滿足重載鐵路“走出去”的需求，推進重載鐵路技術國際化，完善軌道結構技術體系，目前我國開展35～40 t 軸重軌道結構的相關研究工作。本文提出35～40 t 軸重重載鐵路有砟軌道結構方案，鋪設實尺軌道模型，并對實尺軌道結構的相關性能進行試驗測試。

1 國外重載鐵路軌道現狀

目前重載鐵路運輸在世界范圍內迅速發展，重載運輸已被國際公認為鐵路貨運發展的方向［1］。

美國70%的鐵路為重載鐵路，其聯運線路軸重為32.5 t，而美國聯合太平洋鐵路UP公司的1條線路軸重為35.7 t，主要采用列車編組為108輛的重載單元列車運輸方式，車輛為263K、286K、315K 型貨車。UP 公司的鋼軌一般采用美國CF ＆ I119 鋼軌，軌枕采用混凝土軌枕或長2.7 m 的硬質木枕，鋪設至少230 mm 厚的清潔道砟，局部路基軟弱區段鋪設300 mm 厚的道床墊層。在UP 公司西部大型試驗段，軌道采用68 kg/m 鋼軌、混凝土軌枕、環氧樹脂墊板、彈條扣件、碎石道床鋪設，線路為無縫線路，軌距為1 435 mm，軌枕間距為60 cm。

澳大利亞軸重較大的鐵路主要位于以鐵礦石運輸為主的皮爾巴拉地區，在該地區，BHP 公司的紐曼山鐵路全長426 km，單線，最小曲線半徑528 m，列車編組192～240 輛，年運量超過1 億t，采用多機車分散動力牽引。紐曼山鐵路運營列車軸重為37.5 t，部分40 t，鋪設68 kg/m 的軌頭硬化鋼軌，軌枕采用質量為309 kg 的預應力混凝土軌枕，軌枕間距為60 cm，道床厚度為300 mm。

EFVM 鐵路是巴西運量最大的一條鐵路，采用136RE型鋼軌和彈性扣件，軌枕中木枕約占29%，鋼枕約占71%。在木枕上采用分開式扣件，鐵墊板通過螺旋道釘與木枕連接，彈條固定于鐵墊板上的鐵座；在鋼枕上采用彈條扣件，鐵座直接焊接在鋼枕上，彈條固定在鐵座上。EFVM 鐵路使用的道砟材質主要為花崗巖或水泥礦渣。在一些復線地段及計劃將軸重提升至37.5 t 的區段進行了軌道結構強化，采取的措施有：更換失效軌枕、扣件，將道床厚度由20 cm 增加至30 cm，將木枕更換為混凝土軌枕。

從國外發展現狀看，35～40 t軸重重載鐵路有砟軌道結構具有下述特征：

1）從國外重載鐵路使用的鋼軌類型看，在美國、澳大利亞、巴西等軸重已達37.5，40.0 t 的國家，主要采用136RE型鋼軌，重視鋼軌的打磨以及潤滑工作。

2）各國根據不同的運輸條件及軌枕類型選用適合本國的強化型扣件，常見的有SAFELOK扣件、e型彈條扣件、FASTCLIP FE 扣件、Vossloh W30 HH 重載扣件。扣件滿足35～40 t 軸重的使用條件，大部分結構采用預埋鐵座抵抗橫向荷載，以減少后期養護維修工作量。

3）重載鐵路使用的軌枕有木枕、混凝土枕和鋼枕。美國典型重載軌枕為Pocla 公司生產的混凝土軌枕，德國RAIL ONE 公司為美國和巴西研發了適用于40 t 軸重的重載軌枕。總體來看，混凝土軌枕仍然是重載軌枕發展的主流方向，其能夠提供較高的承載力和軌枕阻力，提高軌道穩定性，減小養護維修工作量。

4）美國重載鐵路道砟主要采用優質花崗巖和深色火成巖，巴西重載鐵路道砟主要采用花崗巖或水泥礦渣。美國既有4.75～63.50 mm 的寬級配道砟，又有12.7～50.8 mm 的窄級配道砟，而13.2～63.0 mm道砟級配是澳大利亞重載鐵路主要級配。美國道床邊坡為1∶2，澳大利亞為1∶1.5。

2 35～40t軸重重載鐵路有砟軌道方案

我國目前已有成熟的136RE 型PG4 鋼軌生產加工工藝，該型鋼軌出口巴西、澳大利亞等國，先后通過了澳大利亞FMG 和BHP、巴西CVRD 等公司的可靠性認證，具有成熟的應用經驗。考慮到運輸礦石的鐵路對經濟性有一定的要求，在35～40 t 軸重重載鐵路中應優先采用68 kg/m優質鋼軌。

國內外應用較多的無螺栓扣件為e型彈條系列扣件；我國適應30 t 軸重的有螺栓扣件為彈條Ⅵ型扣件和彈條Ⅶ型扣件。無螺栓扣件零部件少，安裝簡單，但鋼軌高低位置調整不便；有螺栓扣件可對鋼軌高低位置進行較大幅度的調整，零部件相對較多。為了滿足35～40 t 軸重重載鐵路有砟軌道要求，我國在現有扣件基礎上對零部件進行優化，研發出了適應40 t 軸重的無螺栓的彈條扣件和有螺栓的彈條扣件。

國內目前承載軸重最大的Ⅳ型預應力混凝土軌枕滿足30 t 軸重的運輸需求。在Ⅳ型軌枕基礎上，通過對關鍵截面尺寸和鋼筋配置的優化，研發了適應40 t軸重的重載軌枕，可滿足40 t軸重的運輸需求。

根據世界各國重載鐵路有砟軌道結構的建設和運營經驗，35～40 t 軸重重載鐵路可采用雙層道床；如果采用單層碎石道床，須設置基床表層級配碎石結構。35～40 t 軸重重載鐵路基床表層采用級配碎石可大大提高基床表面的承載能力，道砟直接鋪設在級配碎石之上可以降低道床厚度。此種情況下，經計算分析，道床厚度取350 mm 即可滿足路基面的容許承載應力。隨著軸重增加，道床頂面應力增加，軌枕間距為600 mm、軸重為40 t時，道床頂面應力為0.55 MPa，和一級道砟道床頂面容許應力相當。而采用優質道砟可提高道床頂面容許應力，一級材質道砟相比二級材質道砟力學性能至少提高15%以上，特級材質道砟相比二級材質道砟力學性能至少提高30%以上［2］。因此建議對于35～40 t軸重的線路，在有條件時應優先采用特級材質道砟；采用特級材質道砟有困難時，可采用一級材質道砟。我國道床邊坡為1∶1.75，和美國1∶2、澳大利亞1∶1.5 相比處于中間位置，且有成熟的應用經驗，因此35～40 t 軸重線路道床邊坡仍可采用1∶1.75。道砟的粒徑級配影響道床的密實度、振動密實作業性能、顆粒間接觸面積及接觸點的接觸壓力，通常認為軸重大且速度低的線路宜采用寬級配道砟。我國重載鐵路采用一級級配道砟，與北美、澳大利亞等國家和地區的重載鐵路所采用的級配基本相同，建議35～40 t 軸重重載鐵路道砟級配仍采用一級道砟級配標準。經綜合考慮，35～40 t軸重重載鐵路有砟軌道推薦方案見表1。

表1 35～40 t軸重重載鐵路有砟軌道推薦方案

3 實尺有砟軌道模型鋪設及試驗

3.1 實尺有砟軌道模型鋪設

為了掌握35～40 t軸重有砟軌道結構的彈性、荷載傳遞性能、軌道結構穩定性，在高速鐵路軌道技術國家重點實驗室鋪設了35～40 t 軸重有砟軌道實尺模型［3］，開展35～40 t軸重有砟軌道試驗研究。軌道結構配置參照表1，使用了 2 根 7 m 長 68 kg/m 鋼軌；扣件采用研發的適應40 t 軸重的有螺栓彈條扣件，共使用扣件22 套；軌枕采用適應40 t 軸重的混凝土枕，按照軌枕間距600 mm 鋪設，共鋪設軌枕11根；采用特級材質一級級配道砟，道床頂面寬度3.6 m，道床厚度0.35 m，邊坡1∶1.75，砟肩寬度400 mm；路基采用高強改良土路基和泡沫輕質土路基。鋪設軌枕時，道砟采用手工搗固機進行振搗且采用蛤蟆夯進行夯實。

為了保證試驗結果真實有效，在實尺軌道模型鋪設的各環節均進行了鋪設質量檢測。在改良土路基層鋪設后檢測動態變形模量Evd為83.5 MPa，級配碎石表層Evd為51.2 MPa。實尺軌道模型鋪設好后，選取6根軌枕測試了軌枕橫向阻力。測試時枕盒及枕端道砟和軌枕頂面齊平，測試采用的設備為道床剛度儀，與現場測試采用的設備一致。測試時，拆除待測試枕的扣件和墊板后，利用鋼軌作用反力，在軌枕的一端用千斤頂拉軌枕，在另一端用固定于橫梁上的位移計測試軌枕的橫向位移，道床剛度儀可以同時記錄軌枕的拉力和橫向位移，當軌枕橫向位移為2 mm 時的拉力即為軌枕的橫向阻力。測試結果表明，軌枕橫向阻力最大值為12.4 kN，平均值為11.5 kN，基本滿足重載鐵路設計規范要求。最后用MTS 試驗機測得道床支承剛度為109.6 kN/mm，基本與現場測試參數接近。

3.2 試驗內容

1）軌道結構剛度試驗

通過試驗獲得垂向荷載與鋼軌垂向位移的關系，得到軌道結構剛度數據。

2）荷載傳遞性能試驗

對鋼軌施加一定的垂向荷載，測試枕上支點壓力、枕下0.55 m 位置基床表層壓應力、枕下0.95 m 位置基床壓應力，掌握35～40 t軸重荷載作用下支點位置及不同厚度路基處的受力狀態。

3）鋼軌傾翻試驗

對軌道結構同時施加垂向、橫向荷載，分析新研發扣件的防鋼軌傾翻性能，掌握軌道結構的穩定性。

4）軌枕荷載彎矩試驗

在只施加垂向荷載、垂向和橫向荷載同時作用、單根軌枕同時承受垂向和橫向荷載3 種工況下，研究軌枕承受的荷載彎矩，驗證軌枕強度及其對35～40 t軸重軌道結構的適應性。

4 試驗結果

4.1 軌道結構剛度

軌道整體剛度定義為當一個集中荷載作用在鋼軌上，鋼軌產生單位下沉位移所對應的集中荷載大小。根據軌道整體剛度定義，實驗室內只需測出輪重和對應的鋼軌垂向位移即可得到軌道結構整體剛度。軌道結構剛度測試時，對2股鋼軌同時施加垂向荷載，同時分別測試2 股鋼軌內外側的垂向位移，將每股鋼軌的2個垂向位移分別取平均值作為該股鋼軌最終的垂向位移。軌道結構靜剛度D的計算式為

式中：P1，P2為垂向荷載，P1取50 kN，P2取400 kN；S1，S2分別為與垂向荷載P1，P2對應的鋼軌垂向位移。

3 個測次得到的軌道結構剛度實測值分別為160.9，160.6，161.7 kN/mm，平均值為161.0 kN/mm。

4.2 荷載垂向傳遞性能

在荷載垂向傳遞試驗中，通過對軌道結構施加指定垂向荷載，可測得輪軌作用力、枕上支點壓力、枕下0.55 m位置基床表層壓應力、枕下0.95 m位置基床壓應力。枕上支點壓力通過測得的墊板變形量與軌下墊板荷載-位移曲線相比對得出。通過預先埋入路基的分布式壓應力傳感器可測得基床壓應力數據，測試所取面積為24 cm×24 cm。由于壓應力傳感器是在路基施工時埋入，實尺軌道模型的路基及道床鋪設好后未受到擾動，因此測得的數據具有較大的參考價值，可以為軌道結構和路基設計提供依據。

試驗時，分2 種工況進行加載。第1 種工況下實尺軌道結構模型施加的垂向荷載為350 kN，此時作用于單股鋼軌的垂向荷載為175 kN；第2 種工況下施加的垂向荷載為400 kN，此時作用于單股鋼軌的垂向荷載為200 kN。荷載垂向傳遞試驗測試結果見表2。可知，在垂向荷載為350 kN時，枕上支點壓力為67.6 kN，枕下0.55 m 位置基床表層壓應力為196.0 kPa，枕下0.95 m位置基床壓應力為2.5 kPa；在垂向荷載為400 kN時，枕上支點壓力為76.9 kN，枕下0.55 m位置基床表層壓應力為217.0 kPa，枕下0.95 m 位置基床壓應力為3.2 kPa。

表2 荷載垂向傳遞試驗測試結果

4.3 防鋼軌傾翻性能

防鋼軌傾翻性能與扣件扣壓力大小、彈條彈程、軌下墊板彈性等諸多因素有關［4-6］，在鋼軌橫向位移一定范圍內保持軌道橫向彈性也有利于減緩輪對的橫向沖擊，增強防鋼軌傾翻性能。如果扣件防鋼軌傾翻性能差，最直接的影響就是動態軌距擴大量過大。在鐵運〔2006〕146 號《鐵路線路修理規則》［7］中對軌道動態不平順管理值有明確規定，其中動態軌距擴大量在Ⅱ級舒適度標準下應不大于8 mm，因此，本試驗中將鋼軌傾翻量為4 mm 時鋼軌不傾覆且能夠保持橫向彈性變形狀態作為判別扣件能夠通過防鋼軌傾翻性能試驗的依據。

對35～40 t 軸重軌道結構實尺模型進行防鋼軌傾翻性能試驗時，對2 股鋼軌先后施加350，400 kN 垂向荷載（由35，40 t軸重引起的荷載），同時對節點位置鋼軌施加向外的水平荷載。監測施加的水平荷載并同時測試相鄰的第1—第3 個支點處的鋼軌軌頭橫向位移。鋼軌傾翻試驗測試結果見表3。可知，2種工況鋼軌橫向位移達到4 mm 所需的水平荷載分別為154，165 kN，對應的脫軌系數分別為0.88，0.83，此時扣件仍保持完好狀態，軌道結構仍是橫向彈性變形狀態，軌道結構穩定，說明扣件具有良好的防鋼軌傾翻性能。

表3 鋼軌傾翻試驗測試結果

4.4 軌枕荷載彎矩

軌枕在現場有多種受力狀態。在直線區段，軌道結構所受橫向力較小，此時軌枕只承受垂向作用力；在曲線地段，軌道結構同時承受垂向和橫向作用力，此時軌枕同時承受垂向和橫向荷載；在軌枕兩側都有空吊的情況下，此時相當于單根軌枕承受鋼軌傳遞來的作用力［8］。在室內實尺模型試驗中，為了模擬這3種工況，設計了3種試驗方案，以驗證軌枕所承受的荷載彎矩是否在設計值范圍內。對于40 t軸重軌枕設計軌下正彎矩為29.23 kN·m，枕中負彎矩為-22.6 kN·m。

4.4.1 軌道結構只承受垂向荷載

通過MTS 試驗機均勻緩慢地施加分級荷載，并記錄每一個荷載等級下軌枕軌下截面和枕中截面測試通道的應變。通過軌枕彎矩標定系數換算得到軌枕的軌下和枕中截面不同位置的荷載彎矩。軌枕彎矩隨垂向荷載變化曲線見圖1。

圖1 軌枕彎矩隨垂向荷載變化曲線

由圖1可知，對于鋪設的實尺軌道結構模型，在支承狀態不變的情況下只施加垂向荷載，則隨著垂向荷載的增加，軌下截面及枕中截面荷載彎矩基本呈線性增加的趨勢，且隨軸重增加軌下截面荷載彎矩增加較快。當垂向荷載為350 kN 時，軌下枕頂側面、軌下枕底側面、枕中頂面、枕中底部側面彎矩值分別為10.8，11.5，2.8，4.3 kN·m；當垂向荷載為400 kN時，軌下枕頂側面、軌下枕底側面、枕中頂面、枕中底部側面彎矩值分別為12.5，12.7，3.1，4.7 kN·m。

4.4.2 垂向、橫向荷載同時作用

試驗時先在軌道結構上施加固定的垂向荷載，然后通過鋼軌軌頭向軌道結構均勻緩慢地施加橫向荷載，直至鋼軌軌頭橫向位移達到4 mm。記錄同時施加垂向、橫向荷載時軌枕軌下截面和枕中截面測試通道的應變。通過軌枕彎矩標定系數換算得到軌枕的軌下和枕中截面不同位置的荷載彎矩。

鋼軌橫向位移為4 mm 時的軌枕彎矩試驗測試結果見表4。垂向荷載為400 kN時軌枕彎矩隨橫向荷載變化曲線見圖2。

表4 鋼軌橫向位移為4 mm時的軌枕彎矩試驗測試結果

圖2 垂向荷載為400 kN時彎矩隨橫向荷載變化曲線

由表4和圖2可知，當施加一定的垂向荷載時，軌下截面及枕中截面彎矩均達到一定數值；施加橫向荷載小于60 kN 時，各截面彎矩數值變化不大；橫向荷載大于60 kN 且逐漸增加時，軌下截面彎矩開始減小，枕中底部彎矩開始隨橫向荷載增加而增加。

4.4.3 單根軌枕彎矩試驗

試驗時在單根軌枕上組裝好扣件，放置垂向力與橫向力之比為2∶1 的加力架，對加力架施加垂向荷載，最大垂向荷載為225 kN，此時最大橫向荷載為112.5 kN。記錄軌枕軌下截面和枕中截面測試通道的應變，并換算得到軌枕的軌下和枕中截面不同位置的荷載彎矩。垂向、橫向荷載作用在單根軌枕時軌枕彎矩變化曲線見圖3。可知，單枕狀態下，隨荷載增加，軌下、枕中截面彎矩均近似線性增加。當垂向荷載為225 kN、橫向荷載為112.5 kN時，軌下枕頂側面、軌下枕底側面、枕中頂面、枕中底部側面彎矩分別為9.7，9.6，8.2，4.1 kN·m。

圖3 垂向、橫向荷載作用在單根軌枕時軌枕彎矩變化曲線

4.4.4 軌枕荷載彎矩試驗小結

從3種工況的試驗結果來看：①軌下枕頂側面、軌下枕底側面彎矩最大值分別為12.5，12.7 kN·m，發生在軌道結構只施加400 kN 垂向荷載的情況下；②枕中頂面彎矩最大值為8.2 kN·m，發生在單根軌枕彎矩試驗中，此時垂向荷載為225 kN，橫向荷載為112.5 kN；③枕中底部側面彎矩最大值為11.7 kN·m，此時軌道結構垂向荷載為400 kN，橫向荷載為165 kN。

由以上結果可知，對于重載軌枕在垂向荷載單獨作用、垂向和橫向荷載耦合作用等不同的荷載組合工況下，軌下截面彎矩以及枕中截面彎矩均有一定的安全余量，軌枕強度能夠滿足35～40 t 軸重鐵路的承載要求。

5 結論

1）結合國內外經驗及已有的研究成果，提出了35～40 t 軸重重載鐵路有砟軌道結構方案：68 kg/m 鋼軌無縫線路，適應40 t 軸重的彈條有螺栓扣件或彈條無螺栓扣件，適應40 t 軸重的2.6 m 長混凝土軌枕，特級或一級材質、一級級配道砟，砟肩寬度400～500 mm，無砟肩堆高，道床邊坡1∶1.75，道床厚度350 mm。

2）在35～40 t軸重實尺軌道模型中，測得軌道結構剛度為161.0 kN/mm，獲得了35，40 t 軸重荷載作用下軌道結構及路基不同部位的荷載作用值，在垂向荷載分別為 350，400 kN 時，枕上支點壓力、枕下 0.55 m 位置基床表層壓應力、枕下0.95 m 位置基床壓應力分別為 67.6 kN、196 kPa、2.5 kPa 和 76.9 kN、217 kPa、3.2 kPa。

3）依據鐵運〔2006〕146 號《鐵路線路修理規則》中動態軌距擴大量在Ⅱ級標準下不大于8 mm 的要求，將鋼軌傾翻量為4 mm 時鋼軌不傾覆且能夠保持橫向彈性變形狀態作為判別扣件能夠通過防鋼軌傾翻性能試驗的依據。試驗結果表明，施加350，400 kN 垂向荷載時，鋼軌橫向位移達到4 mm 所需的水平荷載分別為154，165 kN，此時軌道結構仍處于橫向彈性變形狀態，且扣件保持完好狀態，軌道結構穩定，說明扣件具有良好的防鋼軌傾翻性能。

4）在對軌道結構只施加垂向荷載、垂向和橫向荷載同時作用、單根軌枕同時承受垂向和橫向荷載3 種工況下，測得軌下枕頂側面、軌下枕底側面彎矩最大值分別為12.5，12.7 kN·m，枕中頂面彎矩最大值為8.2 kN·m，枕中底部側面彎矩最大值為11.7 kN·m。對于重載軌枕在垂向荷載單獨作用、垂向和橫向荷載耦合作用等不同的荷載組合工況下，軌下截面彎矩以及枕中截面彎矩均有一定的安全余量，軌枕強度能夠滿足35～40 t軸重重載鐵路的承載要求。