尤瑞林,劉偉斌,仇 鵬,杜香剛

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

我國(guó)重載鐵路和高速鐵路正經(jīng)歷著快速發(fā)展的時(shí)期。軌道是鐵路建設(shè)中重要的基礎(chǔ)設(shè)施,良好的軌道結(jié)構(gòu)是鐵路運(yùn)營(yíng)安全可靠、舒適高效的重要保證。我國(guó)鐵路軌道結(jié)構(gòu)分為無(wú)砟軌道和有砟軌道2大類型,前者主要用于高速鐵路和其他類型鐵路的特殊區(qū)段(如長(zhǎng)大隧道內(nèi))[1-2]。從鋪設(shè)的長(zhǎng)度來(lái)看,有砟軌道仍然是我國(guó)鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式。有砟軌道結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)成本低、養(yǎng)護(hù)維修方便,但同時(shí)也存在著養(yǎng)護(hù)維修工作量較大的缺點(diǎn)。有砟軌道結(jié)構(gòu)及部件的養(yǎng)護(hù)維修工作的主要內(nèi)容包括道床搗固清篩、鋼軌打磨更換、扣件維修、軌枕更換等。其中道床搗固清篩是工務(wù)部門的一項(xiàng)重要工作,耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。

導(dǎo)致道床粉化、下沉等劣化現(xiàn)象的主要原因是輪軌動(dòng)態(tài)荷載的反復(fù)作用。前期的相關(guān)研究[3]表明輪軌疲勞荷載會(huì)導(dǎo)致道床傷損快速發(fā)展,直接影響道床的穩(wěn)定性和使用壽命。因此降低傳遞至道床內(nèi)的動(dòng)態(tài)輪軌荷載是延長(zhǎng)道床養(yǎng)護(hù)維修周期的關(guān)鍵。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于降低道床動(dòng)態(tài)應(yīng)力的措施主要有鋪設(shè)道砟墊和鋪設(shè)彈性軌枕2種。道砟墊的成本較高,應(yīng)用的范圍較小,而彈性軌枕是目前世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。本文總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)于彈性軌枕的研究和應(yīng)用情況,從而為我國(guó)有砟軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

1 彈性軌枕軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 彈性軌枕軌道結(jié)構(gòu)概況

鋪設(shè)彈性軌枕的有砟軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示。軌道結(jié)構(gòu)包括鋼軌、扣件、軌枕、枕下彈性墊板(Under Sleeper Pad,USP)以及有砟道床。相對(duì)于傳統(tǒng)有砟軌道結(jié)構(gòu),彈性軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)僅在軌枕底部增設(shè)了枕下彈性墊板。

圖1 鋪設(shè)彈性軌枕的有砟軌道結(jié)構(gòu)

枕下彈性墊板在軌枕底面有全部粘貼和僅在鋼軌支承部位的有效承載范圍內(nèi)粘貼2種方式。彈性軌枕用枕下彈性墊板通常采用橡膠、聚氨酯或者乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA)發(fā)泡的材料制作。枕下彈性墊板制作完成以后與軌枕粘連形成彈性軌枕有2種方式：①直接粘貼在成品軌枕底面；②在軌枕生產(chǎn)過(guò)程中,在混凝土硬化前粘貼在軌枕底面[4]。枕下彈性墊板通常由3層組成：中間為彈性層,與道砟接觸的為保護(hù)層,與軌枕底面接觸的為黏結(jié)層。也有的枕下彈性墊板將其中的2層合二為一。

對(duì)于鋪設(shè)彈性軌枕的有砟軌道結(jié)構(gòu),由于在軌枕底部額外設(shè)置了1層彈性層,因此軌道結(jié)構(gòu)的受力特征有所改變,以下就枕下彈性墊板對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特征的影響開展相關(guān)分析。

1.2 枕下彈性墊板對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特征的影響

1.2.1 對(duì)荷載分布范圍的影響

設(shè)置枕下彈性墊板可增加輪軌相互作用時(shí)荷載沿鋼軌縱向的分布長(zhǎng)度。這主要是由于枕下彈性增加,鋼軌在垂向荷載作用下的位移增大,從而使得承受輪載的軌枕數(shù)量增加、枕底道床承受的動(dòng)壓應(yīng)力減小。上述使用效果對(duì)延長(zhǎng)道床使用壽命是有利的。普通有砟軌道結(jié)構(gòu)及鋪設(shè)彈性軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)在輪軌相互作用時(shí)荷載分布范圍的對(duì)比如圖2所示。

1.2.2 對(duì)軌枕受力特征的影響

國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC曾針對(duì)不同類型的軌下墊板和枕下彈性墊板的組合進(jìn)行了理論計(jì)算分析,主要研究不同工況下設(shè)置枕下彈性墊板對(duì)軌枕靜態(tài)和動(dòng)態(tài)受力特征的影響。計(jì)算結(jié)果見表1[5]。多種軌下墊板與枕下彈性墊板的組合導(dǎo)致軌枕的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)彎矩值不同。硬的軌下墊板與非常軟的枕下彈性墊板組合使用可能會(huì)導(dǎo)致軌枕出現(xiàn)裂紋,軟的軌下墊板與硬的枕下彈性墊板組合使用可允許通過(guò)更大軸重的列車,為較合理的配置方式。

圖2 輪軌相互作用時(shí)荷載的分布范圍示意

表1 設(shè)置枕下彈性墊板對(duì)軌枕受力特征的影響

2 瑞士鐵路彈性軌枕應(yīng)用情況

2.1 試驗(yàn)段的設(shè)置

彈性軌枕早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)出現(xiàn),國(guó)內(nèi)外針對(duì)彈性軌枕都曾開展過(guò)相關(guān)研究和試用工作。在最近10年歐洲又重新開展彈性軌枕的試驗(yàn)研究。根據(jù)UIC彈性軌枕項(xiàng)目研究報(bào)告[5],瑞士聯(lián)邦鐵路SBB于2005年在Kiesen/CH建立了1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段。該試驗(yàn)段分為6個(gè)區(qū)間,其中5個(gè)區(qū)間(USP1—USP5)鋪設(shè)了不同廠家提供的5種材料的枕下彈性墊板,每種材料的枕下彈性墊板鋪設(shè)長(zhǎng)度均為216 m；另外一個(gè)區(qū)間(Ref.)為沒(méi)有鋪設(shè)枕下彈性墊板的對(duì)比區(qū)間,長(zhǎng)度亦為216 m。這個(gè)試驗(yàn)段按照UIC鐵路分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為D4級(jí),最大軸重為22.5 t。

2.2 試驗(yàn)段內(nèi)彈性軌枕應(yīng)用情況

1)軌道幾何狀態(tài)

SBB采用軌道檢測(cè)車檢測(cè)了試驗(yàn)段內(nèi)線路的幾何狀態(tài)參數(shù),其中不同區(qū)間線路扭曲和高低的測(cè)試結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯轰佋O(shè)彈性軌枕的5個(gè)區(qū)間內(nèi)線路軌道幾何狀態(tài)保持良好,優(yōu)于普通軌枕區(qū)間。

圖3 不同區(qū)間線路扭曲和高低的測(cè)試結(jié)果

2)垂向位移

采用SBB位移檢測(cè)車測(cè)量鋼軌垂向位移,測(cè)試過(guò)程中線路承受20 t軸重的垂向荷載。由測(cè)試結(jié)果可得：鋪設(shè)較軟的枕下彈性墊板地段(USP5)鋼軌垂向位移約為1.70 mm,其他彈性軌枕地段鋼軌垂向位移平均值在0.80～0.85 mm,而普通軌枕地段鋼軌垂向位移平均值為0.70 mm。彈性墊板地段鋼軌的垂向位移比普通軌枕地段更加均勻。

3)軌枕橫向阻力

測(cè)試結(jié)果表明[6],現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段內(nèi)彈性軌枕橫向阻力低于普通軌枕橫向阻力,而且枕下彈性墊板的剛度越小,橫向阻力越小(見圖4)。需要說(shuō)明的是,軌枕橫向阻力不僅跟道床狀態(tài)、軌枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素有關(guān),而且與枕下彈性墊板的自身特性有關(guān)。

圖4 軌枕橫向阻力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

4)振動(dòng)及噪聲測(cè)試

除了改進(jìn)軌道幾何狀態(tài)和延長(zhǎng)道床使用壽命外,彈性軌枕其他重要的用途是降低基礎(chǔ)荷載振動(dòng)。UIC的研究結(jié)果[5]表明：彈性軌枕有效的減振頻率范圍是40 Hz以上,降低的振動(dòng)水平為8～15 dB。在SBB現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中,還得到所有類型枕下彈性墊板的共振頻率范圍均在25～40 Hz,在該頻率范圍內(nèi)試驗(yàn)段彈性軌枕地段所產(chǎn)生的基礎(chǔ)振動(dòng)加速度比普通軌枕地段要高。

關(guān)于彈性軌枕對(duì)空氣噪聲的影響,目前大部分測(cè)試結(jié)果表明,在列車通過(guò)彈性軌枕軌道結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的空氣噪聲有少量的增大;SBB現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示噪聲增大約5 dB[5]。

3 澳大利亞鐵路彈性軌枕應(yīng)用情況

2011—2012年澳大利亞南威爾士州Austimer鐵路,在鋼軌接頭處鋪設(shè)了彈性軌枕,目的是減輕列車對(duì)鋼軌接頭處軌道結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)。該線路運(yùn)行30 t軸重重載列車,現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)了12根彈性軌枕,鋪設(shè)時(shí)間為2011年8月,此后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試和跟蹤觀測(cè)。測(cè)試結(jié)果(見圖5[7])表明：彈性軌枕對(duì)于改善軌道結(jié)構(gòu)彈性、道床及路基的高頻振動(dòng)是有效果的,但同時(shí)增大了鋼軌及軌枕的振動(dòng)。

圖5 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果

4 我國(guó)彈性軌枕應(yīng)用情況

我國(guó)自20世紀(jì)80 年代初開始研究在混凝土軌枕下設(shè)置彈性墊板,并先后在沈陽(yáng)、北京、上海鐵路局干線上及攀枝花重載礦山專用線鋼軌接頭部位進(jìn)行了試鋪試驗(yàn),取得了一定的成果[8-10]。在此基礎(chǔ)上于1995 年制定了TB/T 2629—1995《鐵路混凝土軌枕枕下彈性墊板》標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)從2011年開始研究30 t軸重成套軌道技術(shù),依托新建山西中南部鐵路通道(瓦日線),在重載鐵路隧道內(nèi)鋪設(shè)新型重載彈性軌枕,并進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)[3]。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)隧道內(nèi)彈性軌枕地段軌道剛度明顯降低,且均勻性較好；30 t軸重試驗(yàn)列車不同運(yùn)行速度下彈性軌枕地段鋼軌垂向位移最大值1.94 mm,軌枕垂向位移最大值1.87 mm,可顯著提高軌道結(jié)構(gòu)彈性。

2)隧道內(nèi)彈性軌枕與普通軌枕的單根橫向靜態(tài)阻力平均值分別為10.5 kN及11.3 kN,彈性軌枕的單根橫向靜態(tài)阻力略低于普通軌枕。30 t軸重試驗(yàn)列車不同運(yùn)行速度下彈性軌枕地段軌枕動(dòng)態(tài)橫向位移最大值0.24 mm,普通軌枕地段軌枕動(dòng)態(tài)橫向位移最大值0.10 mm,彈性軌枕的動(dòng)態(tài)橫向位移大于普通軌枕。從量值來(lái)看,普通軌枕地段及彈性軌枕地段軌枕動(dòng)態(tài)橫向位移均較小,可滿足重載鐵路穩(wěn)定性要求。

3)彈性軌枕地段鋼軌加速度及軌枕加速度均高于普通軌枕地段,彈性軌枕地段道床加速度小于普通軌枕地段。彈性軌枕對(duì)于道床具有減振效果,但對(duì)于隧道基底的減振效果不明顯。

5 結(jié)論

根據(jù)國(guó)內(nèi)外彈性軌枕的研究和應(yīng)用情況,可總結(jié)出以下3點(diǎn)：

1)彈性軌枕自20世紀(jì)80年代前后,在國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)開展了相關(guān)研究工作,彈性軌枕對(duì)于軌道的剛度均勻化、減少道床應(yīng)力、減輕道床及下部基礎(chǔ)的沖擊效應(yīng)具有一定的效果。但是彈性軌枕仍存在軌枕橫向阻力降低、鋼軌和軌枕的振動(dòng)加速度增大、道床不穩(wěn)定、線路噪聲增大等問(wèn)題。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),枕下彈性墊板的剛度應(yīng)與軌道結(jié)構(gòu)的整體受力統(tǒng)一考慮。國(guó)外的研究分析結(jié)果表明,硬的軌下墊板與非常軟的枕下彈性墊板組合使用可能會(huì)導(dǎo)致軌枕出現(xiàn)裂紋；軟的軌下墊板與硬的枕下彈性墊板組合為較合理的配置方式。

3)總體來(lái)看,彈性軌枕由于在軌枕底部增加了一個(gè)彈性層,對(duì)于改善整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的彈性是有利的,可作為軌道結(jié)構(gòu)特殊區(qū)段的處理措施，如既有線改造中道床厚度不足、下部基礎(chǔ)過(guò)渡剛度差異較大等工況。