铁路线路纠偏维修技术与效果分析

崔 帆

（国能集团铁路装备公司神维分公司府谷工务机械段，陕西 神木 719313）

随着高铁技术的快速发展，我国铁路运输进行了又一次技术革命，全国范围内的铁路网络规模进一步发展和扩大[1]。在我国铁路网络的长远规划方案中，将建成八横八纵的主干铁路网络，而枝干铁路将深入到全国大部分市县，形成极为便利的铁路运输网络。但是，需要指出的是，我国幅员辽阔、国土面积广大。铁路网络在全国范围内的延伸，将遇到各种复杂的地质环境和气象条件。再加上高速铁路的承载量大，行驶速度快，长期使用过程中，铁路线路会出现各种铁路病害[2]。这些病害轻者会影响铁路的正常运输，重者会导致重大的生命和财产损失。在各种铁路线路病害中，因路基沉降导致的线路偏移最为常见，影响也较大[3]。线路偏移又有不同方向的区别，有垂直方向偏移即纯沉降，也有水平方向上的偏移，还有水平和垂直方向同时发生的复合偏移。该文将根据千斤顶效应模型，提出铁路线路垂直偏移和水平偏移的具体纠正方法，并通过试验加以验证。

1 基于千斤顶效应模型的垂直偏移纠偏

钢轨是铁路线路的重要组成部分。为保持钢轨的正确位置和姿态，钢轨下方都要铺设具有足够承载力的轨基。构成轨基的常见素材有混凝土支撑、道床板以及枕木等。但是，在长时间的使用过程中，在自然环境条件的雨水和风力侵蚀下，轨迹可能会因沉降引发垂直方向上的钢轨偏移。

在这种情况下，一个最直观的想法，就是采用类似千斤顶的支撑工具，通过在钢轨下的合理排步形成对钢轨的支撑作用，从而避免因轨基沉降导致的钢轨线路垂直偏移。

千斤顶在垂直向完成铁路线路偏移纠偏的原理，如图1所示。

图1 千斤顶在垂直向完成铁路线路偏移纠偏的原理

如图1所示，钢轨下面是道床板，其下是支撑层，为了纠正因沉降产生的垂直方向上的铁路线路偏移，可以在支撑层之间两侧植入千斤顶，利用千斤顶效应限制沉降，从而起到对铁路线路垂直方向上偏移的纠偏效果。

使用该纠偏方案应注意以下几点：千斤顶应在几个支撑层之间嵌入，尤其是千斤顶上方的支撑层应该具有足够的强度，能够配合千斤顶完成支撑纠偏的作用；千斤顶底部和其下的支撑层必须有稳定的接触面，确保千斤顶不发生滑移；千斤顶要从左右两侧对称卡入，形成均衡的支撑效果。

根据千斤顶效应，垂直向纠偏过程中使用的千斤顶的规格和数量，与轨道及轨基整体的质量密切相关，其计算如公式（1）所示。

式中：Q为轨道及轨基即道床板、支撑层的总质量，单位是kg；lD为道床板的总体长度，单位是m；mD为道床板的总体宽度，单位是m；nD为道床板的总体厚度，单位是m；ρD为道床板的总体材料密度，单位是kg/m3；lZ为支撑层的总体长度，单位是m；mZ为支撑层的总体宽度，单位是m；nZ为支撑层的总体厚度，单位是m；ρZ为支撑层的总体材料密度，单位是kg/m3；lG为钢轨轨道的总体长度，单位是m；mG为钢轨轨道的总体宽度，单位是m；nG为钢轨轨道的总体厚度，单位是m；ρG为钢轨轨道的材料密度，单位是kg/m3。

在垂直向纠偏的支撑过程中，需要重点考察支撑形成的抗剪切效果，其能承受的剪切力满足下面2个校核公式，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：τ为支撑整体截面达到的抗剪切力，β为支撑截面整体对应的高度影响参数，b为支撑整体截面的宽度，h为支撑整体截面的高度，f为混凝土轴心抗拉强度。

式中：τ为支撑整体截面达到的抗剪切力，G为铁路钢轨轨道的重力，p为支撑整体中的总层数Lp，为支撑整体中每层的宽度，q为支撑整体中的总板数，Lq为支撑整体中每层板的宽度。

进一步考察垂直向纠偏后，支撑需发挥的抗弯效果，如公式（4）所示。

式中：M为支撑整体截面达到的抗弯强度，γ为支撑截面整体抵抗塑性变形的系数，b为支撑整体截面的宽度，h为支撑整体截面的高度，f为混凝土轴心抗拉强度。

支撑整体截面达到的抗弯强度的计算，还应该满足下面的条件。，如公式（5）所示。

式中：M为支撑整体截面达到的抗弯强度，G为铁路钢轨轨道的重力，p为支撑整体中的总层数，Gp为支撑层的整体重力，q为支撑整体中的总板数，Gq为支撑板的整体重力，L为支撑之间的最大跨度，L1为为支撑之间整体跨度的第一组成跨度，L2为为支撑之间整体跨度的第二组成跨度。

2 基于千斤顶效应模型的水平偏移纠偏

鉴于千斤顶可以发挥的支撑效果，同样可以将其应用于水平偏移发生后的纠偏处理。对于水平偏移的纠偏处理方案，如图2所示。

图2 千斤顶在水平向完成铁路线路偏移纠偏的原理

如图2所示，并行的两条钢轨线路是从西南向东北方向延伸，如果因某些条件导致其在水平面内发生偏移，仍然可以采用千斤顶支撑的方法进行纠偏维修。此时，千斤顶也应从垂直方向改变为水平方向。在水平面内的合理角度，应该正好垂直于钢轨。这样的情况下，千斤顶就可以发挥出水平支撑力。

该方案在实际执行的过程中，要充分考虑每一条钢轨发生偏移的位置，在对应位置时加千斤顶支撑。同时，要注意千斤顶配置的合理数量和千斤顶的规格，避免支撑力过大导致纠偏过量，也避免多支撑形成的弯扭效应。

根据纠偏维修经验，水平方向上钢轨线路进行的纠偏处理，主要和长度、顶推力等因素有关。纠偏过程中，需要考虑的挠度参数计算如公式（6）所示。

式中：y为钢轨线路在发生水平方向偏移时的挠度大小；l为纠偏过程中的跨度；q为钢轨线路上的均匀分布的载荷；E为钢轨线路结构的弹性模量；I为钢轨线路截面的惯性矩。

据此，可以计算出所使用的千斤顶需要承受的载荷，如公式（7）所示。

式中：F为千斤顶需要承受的载荷的大小，L为两个千斤顶之间的跨度距离的大小，E为钢轨线路结构的弹性模量大小，I为钢轨线路截面的惯性矩大小，y为钢轨线路在发生水平方向偏移时的挠度大小，l为纠偏过程中的跨度大小。

3 铁路线路纠偏效果试验与分析

在前面的工作中，依托千斤顶效应模型，针对铁路线路的纠偏维修问题，分别提出了垂直方向上的纠偏方案和水平方向上的纠偏方案，并给出了对应数学模型及核心公式的推导。在该部分的工作中，将通过试验对纠偏效果进行进一步验证。

观察垂直向纠偏后得到的效果，如图3所示。

图3 垂直向纠偏效果的试验结果

图3中，横坐标为时间，单位是s；纵坐标为施加千斤顶纠偏后，钢轨轨道在垂直向上的动位移，单位是mm。在横坐标方向，当第一秒开始计时，以0.1s为一个间隔单位，此后逐步增加到1.8s。在纵坐标方向，以0位移量为参考位置，以0.1mm为步进单位，逐步向下增加到-0.9mm。

在静态情况下，钢轨自身质量不足以产生动态位移，即便考虑周围环境复杂因素等产生的震动效果，垂直方向上的动态位移量也非常小。试验过程中，以一个四轮的载重小车，从钢轨上滑过，单侧会形成2个轮同钢轨轨道面的接触，从而产生外力施压。这时，会先后两次产生垂直方向上的动位移，曲线形成2个向下的峰值。

从图3中的结果可以看出，测试载重小车的经过，导致了1.2s～1.3s、1.4～1.5s先后出现了2个较大的垂直方向上的动态位移量。但是，在该文构建的基于千斤顶效应模型的垂直向纠偏处理方案下，两次动态位移量非常小，≤0.9mm。这充分表明，该文纠偏方案对于垂直方向上的偏移，产生了很好的纠偏效果。

进一步观察水平方向上纠偏方案所达成的效果，如图4所示。

图4 水平向纠偏效果的试验结果

图4中，横坐标为纠偏长度，单位是m；纵坐为千斤顶发挥的顶推力大小，单位是kN；横坐标方向上，从20m的位置开始计起，以2m为一个步进单位，以4m为一个标记刻度，一直记录到56m的纠偏长度位置；纵坐标方向上，从0kN的大小开始计起，以100kN为一个步进单位，以100kN为一个标记刻度，一直记录到1000kN的顶推力大小。

从图4中的曲线可以看出，水平方向上的轨道纠偏处理中，千斤顶顶推力和纠偏长度之间的关系曲线表现为反比例曲线。也就是说，随着纠偏长度逐渐远离施力点，千斤顶的顶推力会逐渐变小。这样，就可以在即校正水平方向轨道偏移的同时，又不至于导致轨道纠偏过激的情况发生。

4 结论

因沉降、地质因素、气候因素、各种复杂环境因素等导致的铁路线路偏移，会极大地威胁铁路运输的安全。该文针对铁路线路纠偏及维修问题，在千斤顶效应模型的基础上，分别针对垂直方向和水平方向上的铁路轨道偏移，进行了纠偏方案的设计，并给出了具体的数学模型和关键参数的计算方法。试验过程中，轨道垂直向的动态位移量变化曲线在很小的幅度内变化，轨道水平方向上顶推力变化曲线的逐渐削弱，都证实了该文纠偏处理方案的有效性。