道床板结对宽轨枕轨道动力性能的影响

刘全仁 许良善 潘振 吉克

1.中国铁路太原局集团有限公司，太原030013；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

宽轨枕与普通混凝土轨枕长度相同，而宽度约为后者的2倍，为预制混凝土板。由于宽度较大，宽轨枕直接铺设在预先压实的道床面上，在制造中对其厚度的控制较严格。混凝土宽轨枕与道砟的接触面积较大，具有较大的纵向、横向阻力，道床累积残余变形小，能很好地保持线路的几何形位；轨道的养护维修工作量很小，有利于改善养护工作条件，减少作业次数，节省养护费用［1-2］。

我国从1958年开始研制混凝土宽轨枕，1966年开始试铺，主要用于隧道内、特大桥桥头引线以及大型客站的线路。截至1995年底，全路共铺设混凝土宽轨枕轨道616.555 km。其中，北京局、广州局、成都局、郑州局、兰州局五个铁路局铺设混凝土宽轨枕的隧道共79座，长度共计225.355 km。大秦铁路共有52座隧道，其中20座采用了宽轨枕轨道结构，总长度约为54 km，占隧道总长度的80.4%，大部分铺设时间为1987—1988年［3］。

在很长的一段时间内，宽轨枕发挥了积极的作用。但是，由于宽轨枕两枕之间的间隙小，难以采用大型养路机械对道砟进行维修作业。在煤灰污染较重的大秦铁路，随着运营时间的增加，煤灰渗透到道床内部甚至道床底部，道床脏污板结严重，道床刚度普遍较大且离散不均，轨道结构出现了轨枕开裂、钢轨波磨等病害。

通过调研，本文总结大秦铁路隧道内宽轨枕轨道现状，采用移动加载车对轨道刚度进行测试，并选取典型区段，通过对比分析来研究道床脏污板结对宽轨枕轨道结构动力性能的影响。

1 大秦铁路宽轨枕轨道现状

对大秦铁路宽轨枕轨道进行现场调研，发现其道床、轨枕、轨道均有一定程度的病害及伤损，主要表现为道床脏污板结进而造成道床刚度增加，部分区段的宽轨枕出现裂纹甚至断裂，部分区段的扣件金属件锈蚀严重。

1）道床脏污板结，道床刚度增加

在隧道漏水区段，宽轨枕轨道道床脏污板结会导致翻浆冒泥病害；如果覆盖在扣件、钢轨表面的煤灰不及时清理，极易产生红光带。经现场挖验，大秦铁路道床表面及隧道周边被煤灰覆盖，煤灰渗透到道床底部，个别位置板下道床全部板结，板结厚度在10 cm以上，轨枕板端头外道床脏污严重。对9处宽轨枕轨道抽测显示，道床刚度在193.8～2 437.4 kN/mm，其中大于1 000 kN/mm的有5处，数值普遍较大，且离散性较大。

2）部分区段宽轨枕出现裂纹、断裂

现场调研发现，大秦铁路宽轨枕伤损非常普遍，几乎每根宽轨枕表面均存在程度不等的裂纹，隧道洞口附近宽轨枕的伤损比洞内更为严重。宽轨枕裂纹类型可分为中部环裂、纵向环裂、板头网裂三种［4-5］。个别宽轨枕在承轨槽位置发生垂向断裂，造成轨枕失效。

3）扣件锈蚀

在隧道漏水区段及沿海地区扣件金属件锈蚀严重，弹条表面、螺旋道钉根部形成锈蚀剥离层，轨距挡板锈蚀变薄。空车线由于扣件更换周期较长，部分隧道也存在锈蚀情况。

宽轨枕与道砟的接触面大，但轨枕之间的间隙小，难以采用大型养路机械对道砟进行维修作业。随着煤炭运量的增加，隧道内宽轨枕有砟轨道结构自建成以来常年被煤沙侵袭，因维修困难，暴露出无法进行机械化作业、道床无法清筛、轨枕板不便起道捣固等严重影响轨枕板寿命的一系列问题。煤灰粉尘常年污染渗透道床，造成宽轨枕轨道道床脏污，板结逐年加重，道床刚度逐渐增加，最终引起轨道部件伤损，影响轨道部件寿命及行车安全。宽轨枕轨道的病害及伤损势必引起轨道动力性能的变化。

2 移动加载车轨道刚度测试结果

2019年，研究人员利用移动加载车对大秦铁路下行线轨道刚度状态进行了普查。结果显示，大秦铁路下行线的轨道刚度平均值为136.3 kN/mm，路基、隧道区段的轨道刚度平均值分别为127.9、174.0 kN/mm，隧道区段的轨道刚度平均值明显高于路基区段。

以全部下行线的不同结构区段（路基、隧道）测试数据为样本，对不同轨道刚度的线路长度在本结构区段内的占比分别进行统计分析，结果见表1。可知：路基区段轨道刚度主要集中在80～160 kN/mm，隧道区段轨道刚度主要集中在100～220 kN/mm；在隧道区段有22.72%的线路轨道刚度大于200 kN/mm，而在路基区段仅有3.21%。

表1 大秦铁路下行线轨道刚度分布

根据调研结果，大秦铁路隧道中轨道刚度大于240 kN/mm且长度大于20 m的区段共有6处，分别位于5个隧道内，即和尚坪隧道、大团尖隧道、赵家二号隧道、张家湾隧道、河南寺隧道。其中张家湾隧道中有一长26.8 m的区段，轨道刚度均值415.5 kN/mm；河南寺隧道中有一长41.2 m的区段，轨道刚度均值477.0 kN/mm。

综上，大秦铁路隧道内宽轨枕轨道刚度数值较大且离散不均。隧道区段的轨道刚度主要与钢轨刚度、扣件及轨下垫层刚度、道床刚度相关，在钢轨刚度、扣件及轨下垫层刚度变化不大的情况下，轨道刚度的检测结果直接反映了道床刚度的现状。

3 宽轨枕轨道动力性能测试

为掌握既有运输条件下大秦铁路轨道结构及部件的动力响应规律，2019年在大秦铁路选择典型轨道结构开展了综合试验，包含了宽轨枕隧道区段、直线路基区段、R500（半径500 m）曲线路基区段。

该宽轨枕隧道区段位于大黑山隧道内，隧道长度为2 715 m，铺设宽轨枕轨道，测试断面位于距离直缓点较近的缓和曲线上。直线路基区段和R500曲线路基区段均铺设Ⅲ型轨枕。

试验中分别采集了运营列车和试验列车的数据。试验列车编组为机车+30辆C80货车（载重80 t）+10辆C80E货车（载重80 t）+机车。试验列车通过各测试区段时速度一致。运营列车共采集了29趟次，试验列车采集了9趟次。

3.1 运行稳定性参数

运营列车作用下，三个测试区段的运行稳定性参数测试结果见表2。可知：宽轨枕隧道区段的脱轨系数与铺设Ⅲ型枕的R500曲线路基区段一致；宽轨枕隧道区段的轮重减载率、轮轨横向力大于铺设Ⅲ型枕的直线路基区段；宽轨枕隧道区段的脱轨系数、轮重减载率均较大。

表2 运行稳定性参数测试结果

3.2 轨道部件作用力

试验列车通过时，宽轨枕隧道区段和铺设Ⅲ型枕的直线路基区段的动弯应力及支点压力测试结果见表3。

表3 动弯应力及支点压力测试结果

由表3可知：宽轨枕隧道区段的轨道部件受到的作用力较大，其动弯应力平均值、支点压力平均值比铺设Ⅲ型枕的直线路基区段的动弯应力平均值、支点压力平均值分别高出42.7%、53.6%。

3.3 轨道结构横向变形

轨道结构横向变形可以反映扣件的轨距保持能力，主要由钢轨轨头横向位移和动态轨距扩大量来描述。运营列车作用下，宽轨枕隧道区段和铺设Ⅲ型枕的直线路基区段的轨道结构横向变形测试结果见表4。

表4 轨道结构横向变形测试结果

由表4可知，宽轨枕隧道区段的钢轨轨头横向位移和动态轨距扩大量明显较大，分别是直线路基区段的钢轨轨头横向位移和动态轨距扩大量的3.0倍和2.4倍。可见宽轨枕隧道区段的扣件轨距保持能力比铺设Ⅲ型枕的直线路基区段差。

3.4 轨道结构振动特性

运营列车作用下，轨道结构振动特性测试结果见表5。可知，列车经过宽轨枕隧道区段时，列车对轨道结构及部件的振动冲击作用较大。宽轨枕隧道区段钢轨振动加速度、轨枕振动加速度分别是铺设Ⅲ型枕的直线路基区段的20倍和12倍，是铺设Ⅲ型枕的R500曲线路基区段的2.4倍和2.2倍。这主要是因为宽轨枕隧道区段下部道床脏污板结严重，进而造成道床刚度过大。

表5 轨道结构振动特性测试结果

综上，宽轨枕区段道床脏污板结，导致道床刚度增加，已经使宽轨枕轨道处的列车运行稳定性参数增加，轨道部件受到的垂向作用力及振动冲击较大，轨道部件易产生伤损。

4 结论与建议

针对大秦铁路宽轨枕轨道病害情况展开调研，并分析道床脏污板结导致的道床刚度增大对宽轨枕轨道结构动力性能的影响。主要结论如下：

1）根据调研情况，大秦铁路宽轨枕轨道道床脏污板结，道床刚度增加，部分区段宽轨枕出现裂纹甚至断裂，部分区段扣件锈蚀严重。

2）根据移动加载车测试结果，大秦铁路隧道内宽轨枕区段轨道刚度数值较大且离散不均。

3）宽轨枕隧道区段的各项稳定性参数测试值均在限值范围内，但脱轨系数、轮重减载率较大，与铺设Ⅲ型枕的R500曲线路基区段相当；与铺设Ⅲ型枕的直线路基区段相比，宽轨枕隧道区段的轨道部件受到的作用力、钢轨轨头横向位移、动态轨距扩大量、钢轨及轨枕振动加速度增加明显。

4）大秦铁路隧道内宽轨枕轨道正常服役已受到影响，建议尽快开展隧道内新型轨道结构研究，为隧道内宽轨枕轨道结构的升级改造做好技术储备。