劉全仁 許良善 潘振 吉克

1.中國鐵路太原局集團有限公司，太原030013；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

寬軌枕與普通混凝土軌枕長度相同，而寬度約為后者的2倍，為預制混凝土板。由于寬度較大，寬軌枕直接鋪設在預先壓實的道床面上，在制造中對其厚度的控制較嚴格?；炷翆捾壵砼c道砟的接觸面積較大，具有較大的縱向、橫向阻力，道床累積殘余變形小，能很好地保持線路的幾何形位；軌道的養(yǎng)護維修工作量很小，有利于改善養(yǎng)護工作條件，減少作業(yè)次數(shù)，節(jié)省養(yǎng)護費用［1-2］。

我國從1958年開始研制混凝土寬軌枕，1966年開始試鋪，主要用于隧道內(nèi)、特大橋橋頭引線以及大型客站的線路。截至1995年底，全路共鋪設混凝土寬軌枕軌道616.555 km。其中，北京局、廣州局、成都局、鄭州局、蘭州局五個鐵路局鋪設混凝土寬軌枕的隧道共79座，長度共計225.355 km。大秦鐵路共有52座隧道，其中20座采用了寬軌枕軌道結(jié)構(gòu)，總長度約為54 km，占隧道總長度的80.4%，大部分鋪設時間為1987—1988年［3］。

在很長的一段時間內(nèi)，寬軌枕發(fā)揮了積極的作用。但是，由于寬軌枕兩枕之間的間隙小，難以采用大型養(yǎng)路機械對道砟進行維修作業(yè)。在煤灰污染較重的大秦鐵路，隨著運營時間的增加，煤灰滲透到道床內(nèi)部甚至道床底部，道床臟污板結(jié)嚴重，道床剛度普遍較大且離散不均，軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了軌枕開裂、鋼軌波磨等病害。

通過調(diào)研，本文總結(jié)大秦鐵路隧道內(nèi)寬軌枕軌道現(xiàn)狀，采用移動加載車對軌道剛度進行測試，并選取典型區(qū)段，通過對比分析來研究道床臟污板結(jié)對寬軌枕軌道結(jié)構(gòu)動力性能的影響。

1 大秦鐵路寬軌枕軌道現(xiàn)狀

對大秦鐵路寬軌枕軌道進行現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其道床、軌枕、軌道均有一定程度的病害及傷損，主要表現(xiàn)為道床臟污板結(jié)進而造成道床剛度增加，部分區(qū)段的寬軌枕出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，部分區(qū)段的扣件金屬件銹蝕嚴重。

1）道床臟污板結(jié)，道床剛度增加

在隧道漏水區(qū)段，寬軌枕軌道道床臟污板結(jié)會導致翻漿冒泥病害；如果覆蓋在扣件、鋼軌表面的煤灰不及時清理，極易產(chǎn)生紅光帶。經(jīng)現(xiàn)場挖驗，大秦鐵路道床表面及隧道周邊被煤灰覆蓋，煤灰滲透到道床底部，個別位置板下道床全部板結(jié)，板結(jié)厚度在10 cm以上，軌枕板端頭外道床臟污嚴重。對9處寬軌枕軌道抽測顯示，道床剛度在193.8～2 437.4 kN/mm，其中大于1 000 kN/mm的有5處，數(shù)值普遍較大，且離散性較大。

2）部分區(qū)段寬軌枕出現(xiàn)裂紋、斷裂

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大秦鐵路寬軌枕傷損非常普遍，幾乎每根寬軌枕表面均存在程度不等的裂紋，隧道洞口附近寬軌枕的傷損比洞內(nèi)更為嚴重。寬軌枕裂紋類型可分為中部環(huán)裂、縱向環(huán)裂、板頭網(wǎng)裂三種［4-5］。個別寬軌枕在承軌槽位置發(fā)生垂向斷裂，造成軌枕失效。

3）扣件銹蝕

在隧道漏水區(qū)段及沿海地區(qū)扣件金屬件銹蝕嚴重，彈條表面、螺旋道釘根部形成銹蝕剝離層，軌距擋板銹蝕變薄。空車線由于扣件更換周期較長，部分隧道也存在銹蝕情況。

寬軌枕與道砟的接觸面大，但軌枕之間的間隙小，難以采用大型養(yǎng)路機械對道砟進行維修作業(yè)。隨著煤炭運量的增加，隧道內(nèi)寬軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)自建成以來常年被煤沙侵襲，因維修困難，暴露出無法進行機械化作業(yè)、道床無法清篩、軌枕板不便起道搗固等嚴重影響軌枕板壽命的一系列問題。煤灰粉塵常年污染滲透道床，造成寬軌枕軌道道床臟污，板結(jié)逐年加重，道床剛度逐漸增加，最終引起軌道部件傷損，影響軌道部件壽命及行車安全。寬軌枕軌道的病害及傷損勢必引起軌道動力性能的變化。

2 移動加載車軌道剛度測試結(jié)果

2019年，研究人員利用移動加載車對大秦鐵路下行線軌道剛度狀態(tài)進行了普查。結(jié)果顯示，大秦鐵路下行線的軌道剛度平均值為136.3 kN/mm，路基、隧道區(qū)段的軌道剛度平均值分別為127.9、174.0 kN/mm，隧道區(qū)段的軌道剛度平均值明顯高于路基區(qū)段。

以全部下行線的不同結(jié)構(gòu)區(qū)段（路基、隧道）測試數(shù)據(jù)為樣本，對不同軌道剛度的線路長度在本結(jié)構(gòu)區(qū)段內(nèi)的占比分別進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1?？芍郝坊鶇^(qū)段軌道剛度主要集中在80～160 kN/mm，隧道區(qū)段軌道剛度主要集中在100～220 kN/mm；在隧道區(qū)段有22.72%的線路軌道剛度大于200 kN/mm，而在路基區(qū)段僅有3.21%。

表1 大秦鐵路下行線軌道剛度分布

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，大秦鐵路隧道中軌道剛度大于240 kN/mm且長度大于20 m的區(qū)段共有6處，分別位于5個隧道內(nèi)，即和尚坪隧道、大團尖隧道、趙家二號隧道、張家灣隧道、河南寺隧道。其中張家灣隧道中有一長26.8 m的區(qū)段，軌道剛度均值415.5 kN/mm；河南寺隧道中有一長41.2 m的區(qū)段，軌道剛度均值477.0 kN/mm。

綜上，大秦鐵路隧道內(nèi)寬軌枕軌道剛度數(shù)值較大且離散不均。隧道區(qū)段的軌道剛度主要與鋼軌剛度、扣件及軌下墊層剛度、道床剛度相關(guān)，在鋼軌剛度、扣件及軌下墊層剛度變化不大的情況下，軌道剛度的檢測結(jié)果直接反映了道床剛度的現(xiàn)狀。

3 寬軌枕軌道動力性能測試

為掌握既有運輸條件下大秦鐵路軌道結(jié)構(gòu)及部件的動力響應規(guī)律，2019年在大秦鐵路選擇典型軌道結(jié)構(gòu)開展了綜合試驗，包含了寬軌枕隧道區(qū)段、直線路基區(qū)段、R500（半徑500 m）曲線路基區(qū)段。

該寬軌枕隧道區(qū)段位于大黑山隧道內(nèi)，隧道長度為2 715 m，鋪設寬軌枕軌道，測試斷面位于距離直緩點較近的緩和曲線上。直線路基區(qū)段和R500曲線路基區(qū)段均鋪設Ⅲ型軌枕。

試驗中分別采集了運營列車和試驗列車的數(shù)據(jù)。試驗列車編組為機車+30輛C80貨車（載重80 t）+10輛C80E貨車（載重80 t）+機車。試驗列車通過各測試區(qū)段時速度一致。運營列車共采集了29趟次，試驗列車采集了9趟次。

3.1 運行穩(wěn)定性參數(shù)

運營列車作用下，三個測試區(qū)段的運行穩(wěn)定性參數(shù)測試結(jié)果見表2?？芍簩捾壵硭淼绤^(qū)段的脫軌系數(shù)與鋪設Ⅲ型枕的R500曲線路基區(qū)段一致；寬軌枕隧道區(qū)段的輪重減載率、輪軌橫向力大于鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段；寬軌枕隧道區(qū)段的脫軌系數(shù)、輪重減載率均較大。

表2 運行穩(wěn)定性參數(shù)測試結(jié)果

3.2 軌道部件作用力

試驗列車通過時，寬軌枕隧道區(qū)段和鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段的動彎應力及支點壓力測試結(jié)果見表3。

表3 動彎應力及支點壓力測試結(jié)果

由表3可知：寬軌枕隧道區(qū)段的軌道部件受到的作用力較大，其動彎應力平均值、支點壓力平均值比鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段的動彎應力平均值、支點壓力平均值分別高出42.7%、53.6%。

3.3 軌道結(jié)構(gòu)橫向變形

軌道結(jié)構(gòu)橫向變形可以反映扣件的軌距保持能力，主要由鋼軌軌頭橫向位移和動態(tài)軌距擴大量來描述。運營列車作用下，寬軌枕隧道區(qū)段和鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段的軌道結(jié)構(gòu)橫向變形測試結(jié)果見表4。

表4 軌道結(jié)構(gòu)橫向變形測試結(jié)果

由表4可知，寬軌枕隧道區(qū)段的鋼軌軌頭橫向位移和動態(tài)軌距擴大量明顯較大，分別是直線路基區(qū)段的鋼軌軌頭橫向位移和動態(tài)軌距擴大量的3.0倍和2.4倍?？梢妼捾壵硭淼绤^(qū)段的扣件軌距保持能力比鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段差。

3.4 軌道結(jié)構(gòu)振動特性

運營列車作用下，軌道結(jié)構(gòu)振動特性測試結(jié)果見表5。可知，列車經(jīng)過寬軌枕隧道區(qū)段時，列車對軌道結(jié)構(gòu)及部件的振動沖擊作用較大。寬軌枕隧道區(qū)段鋼軌振動加速度、軌枕振動加速度分別是鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段的20倍和12倍，是鋪設Ⅲ型枕的R500曲線路基區(qū)段的2.4倍和2.2倍。這主要是因為寬軌枕隧道區(qū)段下部道床臟污板結(jié)嚴重，進而造成道床剛度過大。

表5 軌道結(jié)構(gòu)振動特性測試結(jié)果

綜上，寬軌枕區(qū)段道床臟污板結(jié)，導致道床剛度增加，已經(jīng)使寬軌枕軌道處的列車運行穩(wěn)定性參數(shù)增加，軌道部件受到的垂向作用力及振動沖擊較大，軌道部件易產(chǎn)生傷損。

4 結(jié)論與建議

針對大秦鐵路寬軌枕軌道病害情況展開調(diào)研，并分析道床臟污板結(jié)導致的道床剛度增大對寬軌枕軌道結(jié)構(gòu)動力性能的影響。主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)調(diào)研情況，大秦鐵路寬軌枕軌道道床臟污板結(jié)，道床剛度增加，部分區(qū)段寬軌枕出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，部分區(qū)段扣件銹蝕嚴重。

2）根據(jù)移動加載車測試結(jié)果，大秦鐵路隧道內(nèi)寬軌枕區(qū)段軌道剛度數(shù)值較大且離散不均。

3）寬軌枕隧道區(qū)段的各項穩(wěn)定性參數(shù)測試值均在限值范圍內(nèi)，但脫軌系數(shù)、輪重減載率較大，與鋪設Ⅲ型枕的R500曲線路基區(qū)段相當；與鋪設Ⅲ型枕的直線路基區(qū)段相比，寬軌枕隧道區(qū)段的軌道部件受到的作用力、鋼軌軌頭橫向位移、動態(tài)軌距擴大量、鋼軌及軌枕振動加速度增加明顯。

4）大秦鐵路隧道內(nèi)寬軌枕軌道正常服役已受到影響，建議盡快開展隧道內(nèi)新型軌道結(jié)構(gòu)研究，為隧道內(nèi)寬軌枕軌道結(jié)構(gòu)的升級改造做好技術(shù)儲備。