城市轨道交通线路轨底坡设置探讨

龚 伟

(广州市地下铁道总公司,广州 510380)

城市轨道交通线路轨底坡设置探讨

龚 伟

(广州市地下铁道总公司,广州 510380)

城市轨道交通中小半径曲线轨道磨耗的主要原因是轨底坡设置不正确或不合理,从城市轨道交通整体道床轨道施工方面入手,详细介绍整体道床轨道施工工序,重点阐述施工中轨底坡的控制并分析造成轨底坡不足的原因;针对施工中轨底坡不足的原因提出了改进意见,以达到延长轨道使用寿命的目的。

城市轨道;轨底坡;改进

1 概述

城市轨道交通线路的曲线半径小,容易引起内轨严重压溃、外轨侧磨严重的现象。在换轨大修中,单线每千米仅钢轨材料费用就达 100万元,再加上城市轨道交通空间小、人工成本高,更换费用昂贵。因此,减少运营线路曲线钢轨的磨耗,延长钢轨的使用寿命,降低维护成本支出显得十分必要。

国内外研究表明：轨道曲线磨耗与列车通过速度、超高、轨底坡和摩擦系数有关[1]。在轨道铺设中,保证设计轨底坡的实现,是有效降低曲线磨耗的手段之一。在广州地铁 1号线的维护中得出经验,保证合理的轨底坡设置,能有效减轻小半径曲线的钢轨磨耗。因此,在新线建设轨道铺设环节,有效控制好轨底坡形位,能更好地服务于地铁运营。

2 既有线小半径曲线钢轨磨耗现象

轨底坡设置是否正确,可根据钢轨顶面上由车轮碾磨形成的光带位置判定。轨底坡值设置正确,光带应该位于轨面居中;如光带偏离轨顶中心向内,说明轨底坡不足,反之说明轨底坡过大。在轨道养护工作中,可根据光带位置,调整轨底坡度设置。

1965年以后,我国铁路一直沿用 1∶40轨底坡至今,城市轨道交通轨道也沿用了这一标准。各城市轨道交通中,绝大多数曲线的钢轨磨耗光带能够居中于轨面,但仍有个别小半径曲线出现钢轨光带不居中的轨面现象,一般出现在曲线外股钢轨,如图1所示。

图1反映了曲线外轨钢轨光带居于钢轨工作边,是轨底坡不足的表现。_______

图1 曲线外股钢轨磨耗状况

3 原因分析

3.1 道床施工工艺

道床一般分为短轨枕道床和长轨枕道床。短轨枕施工工序为：用扣件垂直螺栓将带 1∶40坡度的铁垫板、板下橡胶垫板与短轨枕紧固联结,组装成短轨枕单元(图2)→用弹条将单根钢轨、轨下橡胶垫板与组装后的短轨枕单元连成单轨排→将两个单轨排通过支撑架夹紧钢轨,组成标准轨距的轨排→轨排运输到铺设现场(图3),用龙门架进行铺设→调整支撑架,以满足线路轨道的几何尺寸要求→混凝土支墩浇筑→精调后进行整体道床混凝土的灌注。

图2 组装完的短轨枕

图3 组装后的轨枕轨排

长轨枕施工工序为：用扣件垂直螺栓将带 1∶40坡度的铁垫板、板下橡胶垫板与短轨枕紧固联结,组装成长轨枕单元→用弹条将单根钢轨、轨下橡胶垫板与组装后的长轨枕单元连成轨排→安装轨排支撑架→轨排运输到铺设现场(图3),用龙门架进行铺设→调整支撑架,以满足线路轨道的几何尺寸要求→混凝土支墩浇筑→精调后进行整体道床混凝土的灌注。

两种道床在进行轨排支撑墩浇筑前有 3点要求：(1)对内外股钢轨轨底坡进行检查,只有达到规范允许范围内才能进行支撑墩浇筑;(2)为保证轨底坡的正常形成,支撑墩浇筑完成并达到 5MPa前不应挠动轨排及支撑架;(3)浇筑道床前,再次对轨底坡进行抽检,对超出规范允许范围的应在支撑墩上进行调整直到满足要求。

无论是长轨枕还是短轨枕轨排,轨底坡均是依靠支撑架预设坡度来实现。因此,轨排支撑架是影响轨底坡的重要因素。轨排支撑架一般采用带扣板式和悬吊式两种(图4)。扣板式一般用于短轨枕施工,悬吊式一般用于长轨枕施工。

图4 组装轨排支架

3.2 道床施工工艺对轨底坡的影响

在线路直线地段,钢轨扣件扣压力大于短轨枕重力,轨排受轨排架和扣板约束,即使长轨枕轨排采用悬吊式轨排架,轨排仍能够在各施工环节中保持良好稳固的几何形位,具有良好的轨底坡。

在曲线地段,由于轨底坡随曲线超高的不断增加而逐渐变化,外股钢轨轨底坡与超高的关系为 H/1500+1/40,内股钢轨轨底坡与超高的关系为 H/1500-1/40,从两者的关系可以看出外轨轨底坡随超高增加而增大,内轨轨底坡随超高增大而逐渐减小,当超高 H=37.5mm时,内轨轨底坡为零;同时从直线到曲线钢轨将在缓和曲线上实现一个空间扭曲才能满足轨底坡的要求;从施工中发现在使用没有扣板的支撑架时,外股钢轨内侧(相对于线路中心线)轨底与支撑面总是不密贴,从而使轨底坡总是不足(图5);相反使用带扣板的支撑架施工时轨道内侧钢轨底与支撑面的密贴程度较好,但外股钢轨内侧扣板的扣压力较大,造成固定螺栓有经常脱焊的现象。另外曲线上的钢轨位置相对于直线上的钢轨在空间上有一个扭转;施工中通常采用横向顶撑支顶钢轨轨腰来使钢轨发生扭转,轨腰的横向支撑力相对于钢轨外侧形成一个力矩,从而曲线外股钢轨的两侧弹条扣压力有差别,靠近线路中心侧弹条比外侧弹条扣压力大。

图5 曲线上外股钢轨与支架关系

3.3 小半径曲线设置超高后的钢轨扭曲受力

小半径曲线轨道设置最大超高 120mm,钢轨被扭转了 4.6°,在缓和曲线长度 20～60m内完成。扭转角在 0.23～0.08°/m,扭转力矩在 12.5～ 4.2 kN◦ m,考虑轨枕自重和横向支撑提供横向力的因素,支撑架上扣件扣压约束必须大于2.9～7.3kN,才能保持正常几何形位;如果当缓和曲线长度短,轨道超高又大时,支撑架提供的扣压力小于因钢轨扭转需要的约束力,钢轨轨底与支撑架间会产生间隙,出现轨底坡不足现象。

4 轨底坡设置的建议

4.1 改进施工工艺

用墩架法施工是目前城市轨道交通轨道工程施工的主要方法,从以下几方面改进施工工艺达到改善轨底坡的设置：一是增加轨排支撑架刚度并采用扣板式支撑架,提供的扣压力至少大于 7.3 kN;二是适当增加轨排支撑架密度,提供足够的克服曲线部分钢轨扭转力矩;三是改变轨排支撑方式,取消轨道支撑架而直接用长轨枕替代轨道施工时的支撑架,即每隔 3根轨枕设置 1根支撑长轨枕,该轨枕两端预埋螺纹套管用作轨排支撑点(图6)。

图6 利用轨枕作为轨排支撑架

4.2 进一步加强城市轨道交通轨底坡方面的研究

国铁在 1965年以前一直采用 1/20轨底坡。但当时的轨道结构标准较低,采用钩头道钉扣压钢轨,在机车车辆尤其是蒸汽机车的长期动力作用下,钢轨动态外翻较普遍,使钢轨内口道钉浮起,实际轨底坡变小,接近 1/40,车轮踏面经过一定时间的磨耗后,原1/20踏面也接近 1/40,故 1965年以后国铁将轨底坡改为1/40[2]。国内一些文献在实际养护维修中的经验认为,对于轨底坡采用 1/30和 1/20要比 1/40更能减少磨耗。对曲线钢轨养护,当侧磨达 4mm时,在下股垫入楔形胶垫。当侧磨达到 8mm时,在上下股同时垫入,以改善轮轨关系[3～4]。因此对于半径较小的车轮,改变轨底坡度值,会减小内外轮滚动圆直径差带来的磨耗影响。建议进一步加强对城市轨道交通轨底坡方面的研究。

[1]练松良,等.铁路曲线钢轨磨耗及其减缓措施[M].北京：中国铁道出版社,2001.

[2]曾向荣,等.钢轨轨底坡取值的探讨[J].都市快轨交通,2006(12).

[3]任洪俊.曲线钢轨磨耗的原因及防治[J].中州煤炭,2003(1).

[4]邢良平.广州地铁一号线轨底坡调整[J].铁道标准设计,2004(5)：56-57.

[5]沈阳铁路局工务处.铁路工务技术手册(轨道)[M].北京：人民铁道出版社,1979.

U 239.5

A

1004-2954(2010)02-0056-02

2009-09-24;

2009-11-30

龚 伟(1975—),男,工程师,1999年毕业于兰州铁道学院,工学学士。