城市轨道交通线路弹性短轨枕轨道改造方案优化

李 卫

(武汉地铁运营有限公司， 430035， 武汉//助理工程师)

轨道作为城市轨道交通列车的行车基础，关系到其运营安全及行车舒适度，因此，必须要保证轨道基础状态优良且均衡。根据环评要求，在城市轨道交通线路的重点地段设置一般减振、中等减振、高等减振及特殊减振等不同类型的减振设备。弹性短轨枕整体道床作为中等减振道床，在2010年前建成的轨道交通线路中广泛应用，且具有减振降噪效果好、造价低的优点。但随着城市轨道交通运营的发展，弹性短轨枕道床轨道受到运行列车的不断冲击，逐步出现橡胶套靴老化和变形、轨枕吊空、轨距变大以及减振效果降低等病害，而且上述问题不断发展及加重，严重影响轨道的几何状态及稳定性，为保证运营安全，改善轨道的基础条件，需要对该类问题进行有效治理。本文以武汉地铁1号线弹性短轨枕轨道专项改造工程为基础，对轨道改造方案进行了研究和探讨。

1 武汉地铁1号线工程背景

武汉地铁1号线(以下简为1号线)全线为高架线，根据环评要求，局部地段采用了弹性短轨枕轨道减振措施。弹性短轨枕在使用过程中由于橡胶套靴发生大面积的老化和变形，轨枕、橡胶套靴和道床之间出现剥离和间隙扩大，造成轨枕吊空、轨距变大、减振效果降低、短轨枕破裂以及轨枕四周出现翻浆冒泥等现象，严重影响了轨道的几何状态。为了稳定轨道的几何状态，采取了加装轨距拉杆以及在橡胶套靴四周加塞木楔等措施，但效果不佳。为了有效提高轨道系统的稳定性，保障列车运营安全，以及减少轨道设备的养护维修工作，于2016年实施了单线2.59km改造，并从根本上解决了上述病害。

2 武汉地铁1号线弹性短轨枕地段改造方案

为从根本上解决1号线弹性短轨枕地段病害，改造方案采取换铺作业的方法，将橡胶套靴及短轨枕全部拆除，换铺新轨枕、扣件并浇筑恢复整体道床。为不影响原道床的减振性能，采用与WJ-2A型扣件配套的中等减振扣件(武汉地铁1号线大部分地段铺设为WJ-2型扣件，WJ-2A型扣件是在WJ-2型扣件的基础上优化而来的，扣件高度和钉孔距不变，便于与既有线的扣件部分零部件通用)，通过设计双层非线性弹性垫板系统以降低系统刚度和提高结构阻尼来控制振动，以达到中等减振的目标。WJ-2A型减振扣件在其使用寿命周期之内，比既有WJ-2型扣件整体道床减振8 dB及以上(振动的频率范围为4～200 Hz)。为解决因轨道刚度变化和轨面变形不连续等不平顺问题，在其连接处应设置过渡段，过渡段长25 m，并将其设置在中等减振地段(即改造地段)，过渡段内的双层非线性减振扣件刚度值变化范围为15～ 35 kN/mm。

由于改造施工是在既有线上进行的，且每日施工仅有不到4 h 的“天窗”时间，当日施工结束后必须恢复线路并保证轨道状态稳定，不影响线路运营安全。因此，改造方案需重点考虑以下两方面的问题：

(1) 施工质量控制问题。受施工各方面条件的限制，施工质量控制是改造方案的关键所在，特别是在新浇筑道床与既有道床基础联结，以及换铺新轨枕、安装扣件并浇筑恢复整体道床后，白天行车产生的振动和冲击才是影响施工质量的关键因素。

(2) 施工安全问题。现场施工空间有限，轨旁供电接触轨、信号环线及其他专业电缆等设备干扰多，施工所用材料及产生的废料需现场临时存放，存在侵限隐患，完成施工任务后必须恢复轨道状态，保证白天线路运营安全。

因此，为保证新旧道床联结可靠，在预制的新短轨枕底部设预埋钢筋钩，以加强短轨枕与道床之间的联结。同时，浇筑强度等级不低于原道床强度的砂浆，该砂浆具有快凝、早强的性能。另外，在施工过程中，采用“解体无缝线路，拆除既有轨枕及套靴、原位换铺扣件及轨枕、灌注砂浆”的施工方法对轨道进行改造施工，以“隔三换一”的原则进行短轨枕更换，同时在轨道改造期间应限速，并且协调配合多专业，多重把控安全质量，以确保改造施工的安全和质量。

3 武汉地铁1号线原改造方案的实施效果

经过详细研究和施工准备工作，武汉地铁于2015年进行了试验性改造施工，并于2016年实施了 2.59 km弹性短轨枕改造专项，从根本上解决了原弹性短轨枕地段病害，增加了轨道稳定性，大大降低了轨道维护工作量，保障了行车安全及舒适度。通过实测，改造实施前，原弹性短轨枕道床减振效果仅有5～8 dB，因橡胶套靴老化、轨枕离缝及空吊，减振效果出现较大衰减，改造使用的中等减振扣件可以达到较好的减振效果，改造完后通过添乘感受，轨道减振降噪性能未有明显变化。

但原改造方案是在更换轨枕前，将原无缝线路切割为25 m的标准轨，并安装冻结接头夹板及回流线，形成有缝线路。在更换轨枕过程中，先拆卸两端接头夹板后抬起钢轨，待线路恢复时安装夹板。在所有轨枕更换完毕后，进行钢轨焊接，从而恢复无缝线路。

在有缝线路状态下进行短轨枕更换施工，具有以下不足之处：

(1) 增加了工序，同时亦增加了工程量及综合成本和风险；

(2) 每次更换轨枕都需拆装冻结夹板，增加了当日作业量，降低了更换轨枕效率；

(3) 短轨枕更换完毕后需要进行钢轨焊接，而采用铝热焊对钢轨进行焊接，存在一定的施工风险和运营风险；

(4) 在钢轨焊接前，改造地段需一直保持为有缝线路，因此列车在行至接头处会产生冲击，影响行车舒适度，同时亦对周边居民造成干扰。

为了弥补上述不足，保持在无缝线路的状态下进行轨道改造施工成为研究的重点。

4 武汉地铁1号线改造方案优化

4.1 改造方案可行性论证

因改造方案采取“隔三换一”的原则进行短轨枕更换，轨道稳定性较原状态有所降低，尤其是在高温季节施工，可能会发生胀轨等影响安全的情况，因此，需对无缝线路状态施工的可行性必进行深入分析。

由于更换轨枕需要抬起钢轨，将待换轨枕拔出更换。当不分解为有缝线路时，为便于抬起钢轨，同时减小钢轨抬起时对钢轨的影响，需要在待换轨枕区域两端延伸松卸扣件。抬轨后钢轨位置示意如图1所示。

根据既有施工经验，每班平均每日可更换短轨枕40 块，按照“隔三换一”的原则进行计算。如图1所示，更换轨枕区段的长度L1取100 m，钢轨抬高高度h取0.3 m，延伸拆卸扣件区段的长度L2取10 m，由此得到施工区段的总长L为120 m。

图1 抬轨后钢轨位置示意图

当轨温升高时，钢轨由于热胀会在钢轨内部产生胀应力，由于扣件扣压作用，钢轨应变被约束。

当施工中将扣件松卸，钢轨抬起时，钢轨会产生应变，设应变量为

(1)

式中：

ΔL——钢轨抬起时产生的形变。

为保证不发生胀轨情况，钢轨温升应变εt应不大于εl，即εt≤εl。因此，在临界条件下，εt=εl，此时对应的轨温tmax为轨温临界值。设其对应的轨温变化为Δt，其计算公式如下：

Δt=tmax-ts

(2)

式中：

ts——锁定轨温。

由上述计算模型可得：

而由于钢轨温升产生的应变εt为：

εt=aΔt

(3)

式中：

α——钢轨的线膨胀系数，取 11.8×10-6℃。

由εt≤εl可得出：Δt≤ΔL/αL=6.35 ℃。

由此可知，Δt与L成反比，为保证不发生胀轨现象，既要控制施工轨温，亦要控制当日施工拆卸扣件总长度。

由上述模型及设定情况可得，在100 m更换轨枕范围内，在将扣件松卸并向两端各延伸10 m的情况下施工时，只要轨温不大于6.35℃，就不会出现胀轨现象。

4.2 实际工程验证

2016年实施的短轨枕改造施工，按照原设计方案将线路分解为有缝线路后进行短轨枕更换，施工期间跨越7～8月份高温季节。从记录的施工轨温来看，分解无缝线路时最高轨温为 27℃(可将该温度视为ts)。在高温施工期间，为防止冻结夹板松卸后，因钢轨膨胀无法安装恢复冻结夹板，因此在施工过程中，选择在未拆卸冻结夹板的情况下进行短轨枕更换作业(可视为无缝线路状态)，记录的当日最高施工轨温为 36℃，但未发生胀轨情况。即Δt=36℃-27℃=9℃，施工期间未发生胀轨现象。

因此，将Δt设置为 6℃，即在保持无缝线路的状态下进行短轨枕更换，可以保证施工安全，理论分析在实际施工中得到了验证。

5 结语

随着城市轨道交通运营的发展，弹性短轨枕道床轨道受到运行列车的不断冲击，逐步出现橡胶套靴老化和变形、轨枕吊空、轨距变化大及减振效果降低等问题。本文以武汉地铁1号线改造项目为工程背景，通过改造方案分析和优化研究，认为采取换铺轨枕和更换新扣件的改造方法，在保证减振效果的基础上，有效地解决了上述病害。实践证明，弹性短轨枕轨道经改造后，轨道系统稳定性增强，大大降低了维护工作量，行车安全亦得到了有力保障。此外，通过分析论证，认为保持无缝线路状态对轨道进行改造施工具有可实施性，且相较于原方案分解为有缝线路施工，具有成本低、风险小等明显优势，可为后续轨道改造提供参考。