小半径曲线铺设无缝线路适应性研究

高 琦

(成都铁路局 工务处，四川成都 610081)

山区铁路以曲线多、半径小为主要特征，考虑到半径越小，线路稳定性越差，加之小半径曲线钢轨伤损发展快，钢轨更换周期短，一般采用普通线路。大量存在的钢轨接头破坏了轨道结构的连续性，加大了轮轨动力冲击作用(最大时可达静轮载的7倍以上)，轨道几何形位劣化加快，成为钢轨伤损和轨道病害的集中高发区域，是日常养护维修的重点和难点，工作量巨大，维修成本很高。据统计，对于普通线路，接头养护工作量约占养护工作总量的40%，其投入费用约占维修成本的30%。由于无缝线路减少了接头数量，改善了轨道结构，提高了列车运行的平稳性，减缓了线路病害的发生，延长了维修周期，提高了设备质量，因此是新铺线路及线路大修改造的优先选择。研究在小半径曲线占较大比例的山区铁路铺设无缝线路，取消或部分取消钢轨接头，对减少养护维修工作量、节约成本等均具有重要意义。结合近年来我国铁路维护技术的进步及成都局工务部门在小半径曲线无缝化方面的努力，通过线路大修对管内部分小半径曲线进行无缝化改造，消除部分钢轨接头，将大幅提高线路结构质量，但小曲率半径线路的稳定性将是极大的挑战。根据我国现行《铁路线路修理规则》(铁运［2006］146号)第3.10.4条及《无缝线路铺设及养护维修方法》(TB/T 2098—2007)第5.1条规定，半径＜400 m曲线应根据具体情况进行个别设计及检算，并采取必要的加强措施。为研究合适的小半径曲线无缝化方案，下面重点进行半径400 m以下曲线区段线路无缝化方案的可行性分析，提出小半径曲线地段线路无缝化改造的技术方案。

1 无缝线路计算分析理论

1.1 钢轨强度要求

无缝线路钢轨应有足够的强度，以保证在动弯应力、温度应力及其他附加应力共同作用下，强度满足要求，即要求钢轨所承受的各种应力之和不超过钢轨强度值。一般采用式(1)检算。

式中，σd为钢轨承受的最大动应力(MPa);σt为钢轨承受的最大温度应力(MPa);σc为钢轨承受的附加应力，路基地段一般考虑10 MPa的制动附加应力，桥梁地段还应考虑伸缩或挠曲附加应力与制动应力的组合;［σ］为钢轨容许应力，取钢轨的屈服强度σs，并考虑一定的安全系数K(一般取1.3)，［σ］=σs/K。

对于有砟轨道线路，钢轨强度一般控制允许降温幅度［Δts］，由式(2)计算。

式中，σgd为钢轨下翼缘动拉应力。

1.2 无缝线路稳定性检算

无缝线路稳定性检算方法较多，有“统一公式”、“变波长公式”和有限元法等，“统一公式”是1977年为统一无缝线路稳定性计算而提出来的，应用广泛。该公式假定轨道原始弯曲长与臌曲后的变形波长相等，将轨道弯曲的变形限制在2 mm，同时，为了保证一定的安全储备量，考虑1.3安全系数，作为允许温升。

计算温度力P

式中，P为计算温度力;E为钢轨弹性模量;β为轨道框架刚度系数;l为轨道弯曲半波长;foe为轨道原始弹性弯曲矢度;f为轨道弯曲变形矢度;R为轨道曲线半径;Q为等效道床阻力，R0为塑性初始弯曲半径。

则允许温升［ΔTc］为

1.3 断缝限值要求

无缝线路发生断轨后将严重影响行车安全，一般要求最不利情况下钢轨断缝不得造成脱轨等重大安全事故。我国无缝线路相关规范要求有砟轨道无缝线路断缝值一般不得超过［λ］=70 mm。断缝值计算按下式进行。

式中，λ为钢轨折断断缝值;ΔTdmax为无缝线路最大降温幅度。

2 主要参数取值

2.1 线路基本参数

根据成都局线路主要运营条件，确定线路基本参数如下:电力机车(SS1－7、ⅡXD)牵引，客货混跑，最高运营速度V=90 km/h;钢轨为60 kg/m的U71Mn轨，Ⅰ级道砟，砟肩宽度不小于40 cm，堆高15 cm，道床边坡1∶1.75;轨道加强设备，拉杆10根/25 m;坡度最大24‰;轨枕类型有Ⅱ型枕(级配1 840根/km)，ⅢB型枕(级配1 667根/km)。

2.2 线路纵、横向阻力

由于不同文献公开的线路纵、横向阻力差别较大，下文分别考虑现行参考规范及主要相关文献取值。根据《铁路无缝线路设计规范》(送审稿)，Ⅱ型混凝土枕纵向阻力取为11.5 kN/m，等效横向阻力取为8.43 kN/m;ⅢB型混凝土枕纵向阻力取为15.0 kN/m，等效横向阻力取为11.5 kN/m。根据秦沈、大秦线现场测试情况，Ⅱ型混凝土枕纵向阻力取为11.5 kN/m，等效横向阻力取为15.39 kN/m;ⅢB型混凝土枕纵向阻力取为15.2 kN/m，等效横向阻力取为17.78 kN/m。

2.3 线路轨温

为保证方案在成都局管内的普遍适应性，以成、渝、黔地区主要城市历年最高、最低轨温为计算依据，取最高轨温61.3℃，最低轨温 －7.8℃，中间轨温26.8℃，设计锁定轨温(31±5)℃，进行分析计算。

3 小半径曲线线路无缝化方案分析

为尽可能地实现线路无缝化目标，将小半径曲线分R≥300 m和250 m≤R＜300 m两类，分别分析铺设的可行性及存在的问题。

3.1 R≥300 m曲线区段无缝化检算

根据无缝线路基本理论，对Ⅱ、ⅢB型混凝土枕R=300 m线路进行无缝化检算。结果如表1所示，从表1可知，在半径R=300 m的曲线上铺设跨区间无缝线路，依据《铁路无缝线路设计规范(送审稿)》参数计算，采用Ⅱ型混凝土枕，由线路稳定性控制的最大温升超限，需提高线路横向道床阻力或提高设计锁定轨温。经计算，最小曲线半径300 m时，道床横向阻力须大于9.5 kN/m才能满足“统一公式”有关线路稳定性的要求。

3.2 250 m≤R＜300 m曲线区段无缝化检算

取曲线半径R=250 m区段，分别就采用Ⅱ、ⅢB型混凝土枕线路进行无缝化检算。结果如表2所示。表2结果表明，在半径R=250 m的曲线上铺设跨区间无缝线路，依据《铁路无缝线路设计规范(送审稿)》参数计算，采用Ⅱ型混凝土枕，由线路稳定性控制的最大温升超限;采用ⅢB型轨枕，最大温升也非常接近线路稳定性确定的最大温升限值。经计算，要保证最小曲线半径250 m时线路的稳定，道床横向阻力须＞11.5 kN/m才能满足“统一公式”有关线路稳定性的要求。

表1 R=300 m曲线线路无缝化检算结果 ℃

表2 250 m≤R＜300 m曲线线路无缝化检算结果 ℃

4 小半径曲线地段关键参数测试

为进一步确认小半径曲线地段线路无缝化的可行性，随机抽取了半径＜400 m的大修一月后的线路，对其中的关键参数——道床横向阻力进行了测试。大修时，道床砟肩达到相关规范的加宽与堆高要求，测试时道床状态:砟肩平均宽约55 cm，砟肩堆高约12 cm。测试结果如图1和图2。

图1 Ⅱ型混凝土枕单枕横向阻力

图2 ⅢB型混凝土枕单枕横向阻力

经换算，实测Ⅱ型混凝土枕道床等效横向阻力约为10.5 kN/m，ⅢB型混凝土枕道床等效横向阻力约为11.5 kN/m。测试结果表明，在日常状态下，Ⅱ型、ⅢB型混凝土枕道床横向阻力可以满足R≥300 m曲线线路铺设无缝线路的要求，250 m≤R＜300 m曲线铺设无缝线路安全储备明显不足。

5 结论

综合上述分析与现场实测结果，考虑到小半径曲线剧烈的轮轨横向作用等因素，形成小半径曲线线路铺设无缝线路方案:

1)在R≥300 m曲线线路区段，可采用Ⅱ型(1 840根/km)、ⅢB型(1 667根/km)混凝土枕铺设无缝线路，要求砟肩应达到并保持相关规范要求。

2)250 m≤R＜300 m曲线地段铺设无缝线路道床横向阻力无法满足轨道稳定性要求，应铺设有缝线路。

3)小半径曲线上铺设无缝线路对线路的稳定性要求较高，在曲线区段应设置轨道稳定加强措施，如设置拉杆、加大轨枕铺设密度等。

4)小半径曲线铺设无缝线路应加设位移观测桩，在日常运营中，应加强对无缝线路的纵向、横向位移观测，做好变化规律分析，特别是极端气候季节，一旦出现非正常情况及时采取措施。

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