新型合成軌枕在城市軌道中應用的可行性研究

楊洋 磨巧梅 孫宗丹

摘要：文章針對西南地區某城市軌道交通線路特殊條件，通過比對新型合成軌枕與現有木枕和混凝土枕線路工況綜合參數和經濟效益，分析新型合成軌枕在軌道交通線路中的可行性，為今后新型合成軌枕在城市軌道線路中的應用提供參考。結果表明：新型合成軌枕較木枕、混凝土軌枕在力學強度、使用壽命、維護作業中均具有明顯優勢;與混凝土軌枕相比，其用于橋梁和道岔等特殊路段時優點能夠充分發揮;綜合分析經濟效益較好，在道岔路段采用新型合成軌枕替代木枕是可行的。

關鍵詞：城市軌道;軌枕;聚氨酯;可行性研究

0 引言

2019年9月，中共中央、國務院印發的《交通強國建設綱要》指出：“構建安全、便捷、高效、綠色、經濟的現代化綜合交通體系。推進技術裝備升級，推廣輕量化、環保型交通裝備及成套技術裝備。”[1]作為現代化交通綜合體系中的重要一員，城市軌道交通建設與運維升級是其發展的一貫目標。隨著我國主要城市軌道交通的跨越式發展，傳統軌道結構部件的安全性、耐久性、穩定性受到考驗[2]。軌枕作為城市軌道交通線路結構重要的組成部分，其作用主要是為軌道整體結構提供剛度并承受鋼軌傳遞的豎向、橫向及縱向荷載。為改善軌枕在線路運營中出現的諸多問題，國內外先后開展合成軌枕的研發與應用：1980年，日本積水化學株式會社研發生產合成軌枕，其采用連續玻璃纖維增強聚氨酯硬泡復合而成[3]，具有良好的防水、耐腐蝕、輕質、高強度等特性，開始在日本新干線上使用，在30多年的時間里，合成軌枕在日本的總量超過150萬根;2005年前后，由于采用的直線電機技術對軌道施工提出了更高的要求，合成軌枕產品開始進入國內市場[4];2008年，廣州地鐵集團有限公司與中船重工集團公司第七二五研究所通過合作研發，成功將合成軌枕國產化，并由七二五研究所下屬的洛陽雙瑞橡塑科技有限公司進行生產;自2009年以來，洛陽雙瑞橡塑科技有限公司生產的合成軌枕先后在廣州、深圳、南京、成都、重慶、貴陽、無錫等國內大中城市地鐵線路應用，供貨總量超過10萬根，并取得了良好的效果;2012年，《聚氨酯泡沫合成軌枕》（CJ/T 399-2012）行業標準正式發布。

針對城市軌道線路中合成軌枕在運營中的應用問題，課題組[5]通過長期從事城市軌道線路勘察設計、鐵路軌道結構新材料研發、城市軌道運維關鍵技術等研究，積累了大量軌枕現場應用及病害處理經驗。本文針對西南地區城市軌道交通線路特殊條件，結合現有設施測試與調查，在比對新型合成軌枕各項性能的基礎上，通過新型合成軌枕與現有木枕、混凝土枕參數比對、線路工況綜合參數比對和經濟效益比對，分析新型合成軌枕在軌道交通線路中的可行性，為今后新型合成軌枕在城市軌道中的應用提供基礎。

1 新型合成軌枕各項性能比對分析

1.1 新型合成軌枕與木枕的比對

新型合成軌枕與木枕的密度相當，并具有一定的彈性，均可用于城市軌道橋梁和道岔等特殊路段。與木枕相比，新型合成軌枕具有以下優勢。

（1）力學強度高

新型合成軌枕采用聚氨酯硬泡為基體材料，高強度連續玻璃纖維為增強材料，其力學強度遠遠高于木枕[6]。表1是新型合成軌枕和木枕的部分力學性能比對。

（2）耐久性好

新型合成軌枕為高分子化合物，耐酸堿腐蝕，吸水率低，能夠適應各種環境，其在日本的使用時間已超過35年，鋪設地段沒有維修記錄，各項物理性能試驗結果表明，新型合成軌枕至少可具有50年以上的使用壽命。而木枕在正常使用過程中，極易受到酸堿和雨水的腐蝕，在明橋面的使用年限不超過5年，暗橋面的使用年限不超過10年。

（3）可修復性好

新型合成軌枕除了可以進行與木枕相同的鉆孔、開槽、打磨、切割等工序外，還可以進行粘接，可以加工成各種尺寸各種形狀，以適應不同的工況。新型合成軌枕在長時間的使用過程中，由于列車運行的往復載荷，可能造成螺紋道釘抗拔強度的降低，可在不更換新型合成軌枕的條件下，對其進行修補。

（4）軌道穩定性好

與新型合成軌枕相比，木枕具有更好的彈性，但是其彈性不均勻，單獨使用容易造成軌道的不穩定。與之相反，新型合成軌枕具有一定的彈性，由于采用人工復合而成，其彈性均勻，具有更高的強度，軌道穩定性好。新型合成軌枕能夠較好地保持道岔的幾何形位，很少出現尖軌不密貼和空吊板的情況，有利于保證道岔質量，可大大減少列車運營中軌道和信號轉撤裝置的養護維修工作量，提高列車在折返道岔區段的運行安全和可靠性。根據國內某運營總部的反饋，其線路兩端折返線采用的新型合成軌枕道岔，運行10年來的維修工作量比未采用新型合成軌枕的1、2號線有明顯下降，且尖軌磨耗很小，改變了普通道岔一年需更換一次尖軌的狀態。

（5）環境友好

木枕采用木材制成，大量木枕的使用必將導致大量的樹木被砍伐，將會對環境造成惡劣影響。同時木材資源貧乏，各方面需求量又很大，無論數量還是質量，都不能滿足使用要求。采用新型合成軌枕能夠避免使用木材，保護森林對環境帶來有益的效果。

1.2 新型合成軌枕與混凝土軌枕的比對

（1）重量較輕，安裝簡單便捷

與混凝土枕相比，新型合成軌枕質輕高強，為鐵路線路的維修換枕等施工操作帶來極大的便利性，不僅大大降低了鐵路工人的勞動強度，提高施工的安全性，還能維護鐵路工人的身體健康，減少勞動事故的發生，而且能加快施工速度，大幅度提高勞動生產率。

與混凝土枕相比，采用新型合成軌枕易于調整道岔的幾何尺寸，后期養護、維修工作量小。在同等條件下，每組道岔施工可節省約2 d時間，若按一處配線道岔群8組計算，可加快施工進度約10～12 d;采用新型合成軌枕預拼裝的道岔，整體性好，可進行總體多方向移動。

（2）彈性較好，減振效果明顯

同混凝土軌枕相比，新型合成軌枕高彈性的優點使軌道的彈性可以得到明顯的改善，尤其對道岔區高沖擊、高振動地段，使用這種新型材料軌枕的優勢將更加明顯，軌道彈性會得到明顯提高，從而改善道岔區各組成部分如鋼軌、扣件及道砟的工作環境，減弱道砟分化的產生與發展，大幅降低軌枕環裂及縱裂的概率，延長道岔區各組成部分的使用壽命，降低鋼軌、軌枕等產品的使用成本。新型合成軌枕還具有良好的減振降噪效果，與混凝土枕相比，可減振3 dB。

（3）適應性強，維修方便

與混凝土枕相比，新型合成軌枕還有另外一個明顯的優勢，就是它很容易在現場進行加工，如：切、削、鉆、開槽、粘貼與修補等，如果錨固螺孔在鉆孔施工時偏離標準位置，可通過修補劑填充該鉆孔，并在任意需要的位置重新鉆孔，即使該新孔與老孔位置有部分重合也不影響新鉆孔的質量。試驗表明，修補位置的強度甚至超過母材本體。拉拔試驗顯示，在拉拔力超過一定限度時，軌枕首先出現破壞的部位在母材本體，而非修補部位。雖然新型合成軌枕造價高于混凝土枕，但具有縮短道岔施工時間和減少運營養護維修工作量的優點。廣州地鐵在2008年6月份以后建設的各條新線中，除在直線電機牽引的新線中正線/輔助線和車輛段內采用新型合成軌枕外，在普通牽引的新線中，正線和輔助線上也均采用新型合成軌枕。

1.3 三種類型軌枕綜合性能比對（見表2）

2 新型合成軌枕經濟效益分析

某城市軌道交通線路中車場部分道岔結構采用木枕，合計203根。若將全部木枕替換為新型合成軌枕和混凝土軌枕，其投入資金如表3所示。盡管在岔枕更換時采用新型合成軌枕的一次性投入較混凝土枕高，但由于岔枕受力情況復雜，承受的沖擊力非常大，混凝土軌枕為剛性材料，很容易發生裂紋，此外，混凝土岔枕螺栓的固定方式為預埋尼龍套管，螺栓擰在套管中，在列車振動作用下容易松動，特別是尼龍套管容易積水，使螺栓銹蝕[7]。在運營維護階段，混凝土岔枕的供應是成組發運，型號繁多，當個別岔枕損壞后，很難配備更換，必須要整組更換，通用性差。因此，在全壽命周期50年內，采用混凝土岔枕預計需要更換3次左右，綜合成本要遠高于新型合成軌枕。

3 結語

針對西南地區某城市軌道交通線路特殊條件，通過新型合成軌枕與現有木枕、混凝土枕參數比對、線路工況綜合參數比對和經濟效益比對，分析新型合成軌枕在軌道交通線路中的可行性，得到如下結論：

（1）新型合成軌枕與木枕相比，合成軌枕和混凝土軌枕均具有明顯優勢，力學強度高，使用壽命長，能夠減少后期維護工作。

（2）新型合成軌枕與混凝土軌枕相比，其初期投入成本較高，用于正線時不具有明顯優勢，但是用于橋梁和道岔等特殊路段時，能夠充分發揮其優點。

（3）綜合分析新型合成軌枕與另兩類軌枕性能與經濟效益，建議在道岔路段采用新型合成軌枕替代木枕，為今后新型合成軌枕在城市軌道線路中的應用提供參考。

參考文獻：

[1]中華人民共和國中央人民政府.中共中央國務院印發《交通強國建設綱要》[EB/OL]. http：//www.gov.cn/zhengce/2019-09/19/content_5431432.htm？trs=1

[2]張 勇，張 彬，劉 志，等.聚氨酯材料在鐵路建設中的應用進展[J].聚氨酯工業，2020，35（2）：4-7.

[3]佘新光，魏凱耀，張興剛，等.聚氨酯合成枕木橫向壓縮性能研究[J].材料開發與應用，2019，34（5）：12-15.

[4]張 勇，蘆駿山，劉 志，等.長玻璃纖維含量對聚氨酯合成軌枕力學性能的影響[J].化學推進劑與高分子材料，2019，17（4）：66-69.

[5]楊 洋，林 潔，何壯彬，等.錳渣對水泥乳化瀝青砂漿性能影響的研究[J].新型建筑材料，2019，46（2）：45-48.

[6]王 鵬，付 蘭，許雙喜，等.聚氨酯材料在軌道交通方面的應用及研究進展[J].聚氨酯工業，2017，32（1）：5-8.

[7]徐娟娟，劉 巍.預應力混凝土短岔枕強度有限元分析[J].鐵道建筑，2008（7）：95-97.

收稿日期：2020-05-27