金千线铺设无缝线路设计方案分析

汪明玉 上海铁路局工务处

金千线铺设无缝线路设计方案分析

汪明玉 上海铁路局工务处

通过对金千线上存在的R=250 m、300 m、400 m及以上小半径曲线铺设无缝线路在温度力作用下的稳定性及强度进行分析，提出半径R≥400 m地段铺设无缝线路以及R<400 m采取有缝线路的设计方案，消除了部分钢轨接头，从而提高了经济效益。

大坡度；小半径；无缝线路；稳定性

1 引言

金千线（金华-千岛湖）位于浙江省境内，是为了修建新安江水库而建设的单线铁路，沿线多山，具有曲线多且半径小，线路坡度大的特点。线路中大量存在的钢轨接头破坏了道床结构的连续性，加大了轮轨动力冲击，轨道几何形位劣化加快，成为钢轨伤损和轨道病害的高发区域，是日常养护维修的重点和难点。据统计，对于普通线路，接头养护工作约占养护工作总量的40%，其投入费用约占维修成本的30%。由于无缝线路可以减少接头数量，改善轨道结构，提高列车平稳性，减缓了病害的发生频率，延长了维修周期，因此是线路大修改造的优先选择。此区域由于P50木枕道岔的存在，本次大修考虑将此区域设计为区间无缝线路。

2 线路既有状态

金千线全长79 km，本工程地点在K14+837.65～K46+ 135.79间，自功塘站2#道岔岔首开始，途经兰溪、溪西、永昌、排塘4个站，止于排塘与寿昌间K46+135.78处，途经线路车间1个(兰溪)，工区3个(功塘、溪西、寿昌)。既有线路为P50普通线路，钢轨状态较差。经过道岔13组，除溪西站N2道岔为P50-1/9木枕道岔外，其余全部为P50-1/12木枕道岔。经过桥梁16座，其中带护轨桥5座（钢梁桥2座），Lmax=75.3 m。

经过曲线38处,其中半径400 m及以下23处，占区域总长18.7%，半径300 m及以下12处，占区域总长9.9%，Rmin= 249 m。线路轨枕以Ⅱ型铪枕为主，Ⅰ型弹条扣件，配置数以1 680根/km为主，部分地段配置1 760根/km；道岔区为木枕、道钉。道床缺碴比较严重，部分地段道床顶宽为3.0 m左右有堆高。本区段内线路纵断面状态较差，其中坡度≥10‰的有32处，最大坡度19.6‰。本区域小半径曲线为设计瓶颈，故对小半径曲线进行检算。

3 无缝线路稳定性分析及强度计算

3.1 计算参数

现场Ⅱ型枕,半径R≤800曲线轨枕布置按1 840根/km计算，直线地段按1 760根/km，更换再用轨铺设区间无缝线路。查《铁路轨道设计规范》可知P60再用轨9 mm垂磨,钢轨截面面积F=77.45 cm2，Ix=2 690 cm4，Iy=524 cm4，W头=264 cm3，W底=363 cm3。钢轨材料弹性模量E=2.1×105MPa，钢的线胀系数α=1.18×10-5/℃，钢轨支座刚度D=30 000 N／mm。

3.2 稳定性计算

无缝线路失稳的根本原因是轨温上升引起的钢轨轴向温度压力，而轨道原始横向弯曲是影响稳定的直接因素，胀轨跑道大多发生在轨道的初始弯曲处。一般通过控制轨道原始弯曲、设置合适的锁定轨温来减小温度力，防止无缝线路失稳。现行无缝线路稳定性计算方法是将相应于轨道产生横向位移f=2 mm时的温度力Pw除以一个安全系数K后得出保证无缝线路稳定的允许温度力 [P]，从而计算出允许温升[ΔTu]。计算温度力的定曲率法统一公式为：

Pw-----钢轨的温度压力；

β------轨道框架刚度系数，取1.0；

f------轨道弯曲变形矢度，采用0.2 cm；

l------轨道弯曲变形半波长（cm）；

l0------轨道原始弹性弯曲半波长（cm），l0=400 cm；

Q------等效道床阻力，取87 N/cm；

1/R0----轨道原始塑性弯曲曲率，1/R0=8f0p/l02；

f0e------轨道原始弹性弯曲矢量；

f0p------轨道原始塑性弯曲矢量，取0.25cm；

令f0e=0.25 cm代入式（2）计算出l≠l0且差值较大，为保证弹性初弯曲率不变，需要新计算，将代入式（2）再次计算l，直至l与上一次的假定l0差值在0.1 cm停

止迭代。将最后算得的f0e及其相应的l代入式（1）得到Pw，由公式

式中K为安全系数，取K=1.3

得到允许温升（见表1）.

表1 允许温升

3.3 强度检算

对于无缝线路钢轨来说，应该具备足够的强度，从而能够保证钢轨在动弯应力以及其他各种附加力的作用下不会被损坏，此时要求钢轨所承受的基本应力与附加应力之和应满足钢轨强度，即：

（7）

式中σd为钢轨承受的最大动弯应力 (MPa)，σf为钢轨承受的制动应力，一般按9.8 MPa计算，σt钢轨承受的温度应力(MPa)，[σ]为钢轨所用材料的允许应力(MPa)。再用轨安全系数K=1.35。钢轨屈服强度405 MPa，查资料可知，金千线走行DF11型内燃机车，但电气化是其长远趋势，以爬坡能力较强的SS9型电力机车为计算依据，轮载P=103 kN，转向架内轴距x=215 cm，转向架间轴距X=727 cm。

用“连续支承法”计算如下：

计算结果如表2所示。

表2 允许温降

3.4 小半径曲线铺设无缝线路可行性分析

查表可知金华地区最高轨温61.2℃最低轨温-9.6℃，某一地区能否铺设温度应力式无缝线路，主要决定于轨道的允许温升与允许温降之和是否大于该地区的年轨温变化幅度，即：

但是我们知道，钢轨上的作用力除温度力外还应考虑车辆荷载作用在钢轨上的纵向水平力，包括：

（1）大坡道上坡道分力，坡道分力等于列车重量乘以坡度值。由于列车分布在一定轨道长度上,单位长度上坡道分力显得很小。如14‰坡道,其坡道分力为14 kg/t,因此其影响可忽略不计；

（2）钢轨爬行力，在长大坡道上，由于列车的牵引和制动，钢轨向下坡方向爬行，产生的钢轨纵向爬行力，此影响也较小；

（3）制动力，有试验表明，制动对轨道稳定的影响根据稳定理论分析可以提高钢轨温度压力的2℃-3℃；

制动力提高的钢轨温度压力取3℃，从而进一步得到公式为：

根据本区域计算允许温升、允许温降绘制情况如图1所示。

图1 计算允许温升、允许温降绘制情况

从图1可以看出：当R=300 m时 小于12℃故不适合铺设无缝线路；当R=400 m时 大于12℃可以铺设无缝线路，故在本区域设计无缝线路时，曲线R≥400 m时铺设无缝线路。

4 无缝线路前期工程

因该区段既有为有缝线路且状态较差，部分地段缺碴严重，施工前需补充道碴，使道床满足顶宽3.4 m（曲线R≤600 m地段加宽0.1 m）、肩宽0.45 m、碴肩堆高0.15 m、边坡1: 1.75，枕底石碴厚度确保不小于25 cm的无缝线路要求。 要求铺设无缝线路范围内直线地段轨枕配置加密至1 760根/ km，R≤800 m的曲线地段轨枕配置为1 840根/km。

5 小半径大坡度线路施工注意事项

（1）由于长轨车需运行于小半径曲线上,当长轨车通过小半径曲线时,内股长轨条将相对伸长,故长轨条装车时须保证端头距横梁1.5 m以上,以免运行途中顶撞横梁。

（2）在小半径曲线换轨时，由于曲上股的伸长造成钢轨鼓曲量较大，采取措施防止钢轨挤坏电务或其他设备。

（3）小半径曲线地段铺设区间无缝线路,必须先埋设好抗位移装置后方可换轨,并在换轨当天将抗位移桩拉杆安装完毕。

（4）在大坡度线路卸轨时加强措施防止长轨车溜车与长轨条在重力的作用下滑动。

（5）地处山区，需保证作业人员通信畅通。时铺设无缝线路的可行性，当曲线半径在300 m时，锁定线路时轨温波动范围8.96℃接近于12℃，故采取加固措施铺设无缝线路也是可以实现的，如更换Ⅲ型枕 (加强道床横向阻力）、使用新轨淬火轨（提高安全性即降低安全系数）等。

（2）小曲线半径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。

6 结论及建议

（1）通过稳定性与强度计算证明了曲线半径R≥400 m

[1]卢耀荣.无缝线路研究与应用.北京：中国铁道出版社.2004.

[2]卢祖文.铁路无缝线路.北京.中国铁路出版社.2005.

[3]周悌先.长大坡道上铺设无缝线路的试验研究.铁道学报.1987（9）.

[4]张小勇.车辆荷载对无缝线路稳定性的影响分析.铁道建筑2008(2).

责任编辑：宋 飞

来稿时间：2015-01-15