多年冻土区无缝线路设计铺设及养护维修技术研究

张向民，高亮，崔日新，曾志平，陈宪麦

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；

2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；

3.高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)



多年冻土区无缝线路设计铺设及养护维修技术研究

张向民1，2,3，高亮1，崔日新1，曾志平2，陈宪麦2

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；

2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；

3.高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)

摘要:开展多年冻土区无缝线路设计研究，为无缝线路铺设提供设计和理论依据；基于青藏铁路多年冻土区试验获得的气温、轨温变化规律，提出适合于多年冻土地区的无缝线路铺轨季节和最佳时间；基于多年冻土区无缝线路养护维修作业轨温条件的理论研究，提出需从严控制作业轨温条件的技术要求，建议多年冻土区无缝线路维修作业轨温应在实际锁定轨温加15 ℃减20 ℃范围内进行。

关键词：青藏铁路；多年冻土区；铁路无缝线路；设计；铺设；养护维修

目前，我国青藏高原多年冻土区无缝线路设计、铺设及养护维修技术研究鲜见相关研究报道，无缝线路的设计及养护维修仍沿用普通地区无缝线路的相关规则，在设计中并没有考虑到高原气候及冻土地质条件对无缝线路设计参数及稳定性计算的影响，也没有依据多年冻土区铁路的特点制定适宜的养护维修作业条件。青藏铁路多年冻土区气候和轨道结构上独具的特点，使得无缝线路的设计与养护维修技术已不能再简单效仿普通地区。我国《铁路科技发展“十二五”规划》也已将高原铁路技术研究列入重点技术研究领域。因此，开展青藏铁路高原多年冻土地区无缝线路研究，提出适用于多年冻土地区的设计、铺设和养护维修方法及建议，对于我国青藏高原多年冻土区铁路无缝线路的设计和养护维修技术规程的补充和完善、指导工程实践等方面具有重要的意义[1～12]。

多年冻土区无缝线路独具的特点。

1)多年冻土区轨温日较差大。各测点观测期内最大轨温日较差为风火山地区48.2 ℃，其余测点最大轨温日较差均超过40 ℃;

2)沿线年平均气温为-2 ℃以下。一年中6～9月的平均气温为正值，10月至次年5月气温为负值。7月平均气温最高，约为5.0～6.0 ℃，1月平均气温最低，约为-16.0～-20.0 ℃之间。即便是平均气温为正值的月份出现负温的天数也很多，因此高原有“长冬无夏”之说;

3)沿线大气透明度好，云量少，太阳直射强，总辐射量大，日照时数多，为2 600～3 000 h/a。高原上海拔5 000 m以下地区辐射平衡总量600～800 kcal/cm2a，为全国辐射量最大的地区;

4)20‰大坡道较为普遍;

5)基床多年冻土的衰退和融化，引起路基热融下沉病害，是该区路基工程常见的主要病害。这种病害多发生于高含冰量多年冻土分布地段、厚层地下冰发育地段、路桥和路涵过渡段以及路堑地段[13]。据统计，在青藏铁路格拉段多年冻土地区的447座桥梁中，有161座桥梁的桥头路基发生了较大下沉病害(最大下沉量达2 m左右)。为保证线路的平顺性，频繁进行起道和补砟作业，造成多年冻土地区厚道床地段较多;

6)青藏铁路多年冻土区地处海拔4 350～5 300 m之间，存在高寒缺氧、强紫外线、气温低且日较差大、人机效率低等不利因素，容易造成钢轨接头焊接质量波动。长钢轨的焊接质量缺陷在幅度大、频率快的交变温度应力作用下产生断轨的几率增大。特别是青藏铁路格拉段采用自动站间闭塞(电子路签闭塞方式)，不设地面信号机和轨道电路，不能依靠轨道电路及时发现断轨的发生，虽然配备轨道检查车和探伤车定期巡道，但不设巡道工，对于及时发现断轨非常不利;

7)多年冻土区铁路穿越无人区，大气含氧量低，生活和工作环境极为艰苦，养护维修十分不便。

本文根据多年冻土区气候和轨道结构上独具的特点，研究确定了多年冻土区无缝线路锁定轨温、养护维修作业轨温条件、无缝线路铺设条件以及有关技术规定，提出了适合于高原多年冻土地区的无缝线路设计、铺设和养护维修方法及建议。

1多年冻土区无缝线路设计

2多年冻土区无缝线路养护维修作业轨温条件

无缝线路的养护维修作业，如起道、拨道、捣固、更换轨枕、维修扣件等，会暂时降低线路阻力。因此，为了作业中和作业后线路工作状态正常，防止胀轨跑道、钢轨折断和过大伸缩，要求对不同作业内容和范围的作业轨温加以限制。养护维修作业大致可分为降低道床阻力作业和减少扣件扣压力的作业。对于降低道床阻力的作业，根据道床阻力的性质，作业结束后道床阻力不会立即恢复到规定数值，所以还必须考虑作业后的温度上升或下降情况，对于多年冻土区由于日温差急剧，这一点尤为重要。下面从作业引起道床阻力下降和作业后轨温急剧变化(此时道床阻力尚未完全恢复)这两个方面确定多年冻土区混凝土枕无缝线路养护维修作业轨温条件。

2.1由道床阻力下降得出的作业轨温限值

C6l6+C5l5+C4l4+C3l3+C2l2+C1l+C0=0

(1)

式中：

C5=-0.155 6tQ2

C2=0.725 6fW2-0.362 8fW1+193.826 4EIt2+

C1=145.369 8EIbtf+145.369 8EItf

C0=96.913 2EIf2

式中：E为钢轨钢弹性模量；I为2根钢轨截面对垂直中性轴的惯性矩；l为轨道弯曲波长；t为轨道原始弯曲矢长比；b为轨道原始弹性弯曲所占比例；f为轨道弯曲变形矢度；R为曲线半径；Q1和Q2为等效道床阻力；W1和W2为等效扣件阻矩。

(2)

式中：β为轨道框架刚度系数，取1.0；f0为轨道原始弯曲矢度；f0e为轨道弹性原始弯曲矢度；q0为道床横向初始阻力。

图1　钢轨所受温度拉力情况Fig.1 Temperature tension in rail

2.2由作业后轨温急剧变化得出的作业轨温限值

图2　06-26～06-27轨温变化Fig.2 Rail temperature in June 26th ～ 27th

如图3所示，不冻泉地区03-26轨温在作业轨温范围内，若当天进行了维修作业，曲线轨道半径800 m，轨道产生变形的温度力临界值P

图3　03-26～03-27轨温变化Fig.3 Rail temperature in March 26th ～ 27th

由养护维修作业引起道床阻力下降和本区由于日温差大，存在当日符合作业轨温，当日或次日就急剧降温或升温现象，因此容易发生轨道弯曲变形，降低无缝线路稳定性，应从严控制作业容许温度范围。计算表明，《铁路线路修理规则》中作业轨温范围的上限在多年冻土地区应用时应降低5 ℃。无缝线路养护维修作业轨温条件见表1所示。

表1　混凝土枕无缝线路维修作业轨温条件表

注：表中括号内是现有的《铁路线路修理规则》中的维修作业轨温条件。

多年冻土区无缝线路维修作业轨温应在实际锁定轨温加15 ℃减20 ℃范围内进行，试验段的施工锁定轨温为14 ℃，因此作业轨温范围即为-6～29 ℃。根据实测轨温如图4可知，4月～11月平均轨温在作业轨温范围内，如果避开中午11∶00～16∶00的时段，还是有充足的作业时间。

图4　2011年旬轨温Fig.4 Ten day average temperature of rail in 2011

无缝线路维修作业，必须遵守上述作业轨温条件。同时还须严格执行高温或低温季节不得进行减小道床阻力的作业。

1)本地区在高温季节轨温有低于0 °的现象，如6月下旬7 d(6 d)，7月14 d(7 d)，8月16 d(9 d)，9月上旬5 d(5 d)。括号内为气温低于零度的天数。虽符合作业轨温范围，但也应严格执行高温季节不得进行减小道床阻力的作业的要求。因为这个季节如果天气晴朗轨温就会快速上升。

2)本地区负温期长，全年轨温低于作业轨温下限的时段为1～5月，6月有2 d，8月有2 d，9月有7 d，10～12月。可见，高温季节也有轨温低于作业轨温下限的情况。这种情况在养护维修中应加以注意，防止不当作业引起钢轨收缩。

3关于多年冻土区无缝线路铺设

铺设无缝线路的时间，要选择在温度相对稳定的时间段内。

1)由图5可知，5月下旬至6月中旬以及8月中旬至9月中旬，轨温的均值落入设计锁定轨温范围内，因此在这段时间锁定钢轨较为有利。由于春季白天的轨温变化比秋季的大，另外秋季铺设无缝线路对稳定性有利，所以本区推荐8月中旬至9月中旬铺轨较为有利。

图5　2011年旬平均轨温Fig.5 Ten day average temperature of rail in 2011

2)铺设无缝线路很关键的一点，就是在施工时间内，要求轨温的变化始终保持在设计锁定轨温范围之内。若铺设时的温度变化比较快时，就会使长钢轨不同部分的施工锁定轨温不同，长钢轨内部纵向力不均匀，导致养护维修工作极为不便，而且也非常危险，所以必须选择轨温相对稳定的时间范围内以及轨温接近于锁定轨温的季节进行铺设。从图6～7可看出，晚10∶00至次日8∶00，轨温趋于平稳，轨温与气温值接近；中午12∶00至16∶00轨温也趋于平稳，但如果不是雨雪天气影响，轨温一般都高于气温20 ℃左右。8∶00至12∶00为轨温上升阶段，16∶00至20∶00为轨温下降阶段，平均每10 min上升或下降约1 ℃。

图6　高温季节日气温轨温变化Fig.6 Rail and air temperature in high temperature season

图7　低温季节日气温轨温变化Fig.7 Rail and air temperature in high temperature season

4结论

1)采用本文所推导的稳定性公式计算允许温升。确定不冻泉地区锁定轨温为12±5 ℃，伸缩区长度为60 m，长轨条与缓冲轨之间的预留轨缝取10 mm，缓冲轨之间预留轨缝取5 mm。

2)从作业引起道床阻力下降和作业后轨温急剧变化这2个方面对多年冻土区无缝线路养护维修作业轨温条件进行了研究。研究表明：本区存在作业后道床阻力下降，作业当日或次日轨温急剧降温或升温引起轨道变形的理论可能。因此，需从严控制作业容许轨温范围。建议多年冻土区无缝线路维修作业轨温应在实际锁定轨温加15 ℃减20 ℃范围内进行。另外，本地区在高温季节轨温有低于0 ℃的现象，虽符合作业轨温范围，但必须严格执行高温季节不得进行减小道床阻力的作业；本地区负温期长，高温季节也有轨温低于作业轨温下限的情况，在养护维修中应加以注意。

3)研究表明：本区推荐8月中旬至9月中旬进行无缝线路铺轨较为有利。每天晚10∶00至次日8∶00，轨温趋于平稳，轨温与气温值接近；中午12∶00至16∶00轨温也趋于平稳，但如果不是雨雪天气影响，轨温一般都高于气温20 ℃左右。

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(编辑蒋学东)

Research on the technology of design, laying and maintenance for CWR in permafrost regions

ZHANG Xiangmin1,2,3，GAO Liang1，CUI Rixin1，ZENG Zhiping2，CHEN Xianmai2

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；

2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

3. Instruction of National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Abstract:The design of CWR in permafrost zone was carried out, which provided theoretical basis for the laying of CWR. Based on the variation laws of temperature in permafrost zone, suitable laying season and time for CWR were proposed. The research on the maintenance temperature of CWR in permafrost zone shows that the maintenance temperature should be no more than actual stress-free temperature adding 15 ℃ and no less than it reducing 20 ℃.

Key words:Qinghai-Tibet Railway；permafrost regions；continuously welded rails；design；laying；maintenance

中图分类号：U213.9

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)02-0257-06

通讯作者：张向民(1973-)，男，辽宁兴城人，讲师，博士研究生，从事铁路轨道结构研究；E-mail: zxmzk6298@163.com

基金项目：铁道部科技研究开发计划重点资助项目(2010G015-A，2010G026，Z2013-G006)

收稿日期：2015-06-15