重载和客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道快速换块关键技术

张爽 杜香刚 张艳荣 吴楷

1.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044； 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；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道系统全国重点实验室， 北京 100081

弹性支承块式无砟轨道由钢轨、扣件、混凝土支承块、块下胶垫、橡胶套靴和道床板组成，具有良好的弹性和减振降噪性能，是重载线路和隧道内客货共线铁路的主要结构形式［1-2］。支承块与道床板混凝土间采用弹性套靴隔离，在列车动荷载作用下，弹性套靴与混凝土间易产生空隙，水及杂物进入空隙后加速离缝发展，导致支承块开裂及橡胶套靴损坏。支承块与块下胶垫、橡胶套靴分离的支承块空吊现象导致轮轨相互作用加剧，增加轨道结构各部件的受力和变形，轨道结构几何形位恶化，增加现场养护维修的工作量。长期运营过程中，列车持续受动态冲击、基础大变形等多因素影响，特别是既有23 t 轴重的客货共线铁路隧道内弹性支承块式无砟轨道结构出现的支承块离缝、空吊、破损、下部基础沉降、上拱、偏移、翻浆冒泥等典型病害，严重影响轨道结构耐久性和行车安全性［3-6］。因此，如何更加快速、高效、经济地进行弹性支承块式无砟轨道结构典型病害的快速维修，成为一个亟须解决的技术难题。

为恢复轨道结构的稳定性，通常采用抬轨更换支承块的方式进行维修，而维修天窗时间较短，要制定合理的施工方案，确定合理的抬升方式、扣件松开长度、施工作业轨温等施工参数，提高更换效率［7-8］。梁庆福［9］阐述了隧道弹性支承块式无砟轨道空吊等病害的整治措施。周泉等［10］将钢轨简化为二维弹性梁单元，建立有限元计算模型，研究了更换弹性支承块的作业轨温、扣件松开长度、抬轨力等施工参数和更换方法。陈江［11］建立支承块空吊病害修补力学模型，研究了轨下垫调高垫片、支承块下部填充修补材料等方式整治支承块空吊病害的效果，并提出了适用于隧道内弹性支承块式无砟轨道的支承块空吊修补材料性能要求。东怀正等［12］制定了结构补强、加强原材料控制、控制混凝土配合比等措施控制支承块、道床板的混凝土裂纹。邓希［13］根据工程经验，针对山区隧道弹性支承块式无砟轨道支承块空吊、翻浆冒泥等病害，提出抬轨后使用注浆法进行修复。谢露［14］建立有限元计算模型，研究了客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道抬轨方式、扣件松开范围和抬轨量对轨道部件变形和受力的影响规律。林红松等［15］将钢轨简化为二维弹性梁单元建立有限元计算模型，提出了建议起道量、单侧松开扣件的钢轨长度等抬轨参数。

综上，弹性支承块式无砟轨道抬轨维修天窗时间较短，维修效率较低，既有研究主要通过工程经验对其换块施工技术进行分析，且没有考虑施工轨温与锁定轨温的温差对抬轨施工方案的影响。本文全面分析弹性支承块式无砟轨道快速换块抬轨方式、扣件松开长度、施工轨温等参数对施工安全性的影响，为快速换块施工参数选择提供参考。

1 有限元模型

弹性支承块式无砟轨道抬轨换块过程为：在更换的支承块两侧松开一定范围扣件，于抬轨点抬升钢轨，将支承块、块下垫板等拔出更换［16-17］。钢轨抬升力学模型见图1。基于此，建立弹性支承块式无砟轨道抬轨有限元模型，见图2。模型由钢轨、扣件、支承块、块下胶垫和套靴组成，将钢轨、支承块、块下胶垫和套靴模拟为实体单元，各结构参数参照文献［18-19］取值，使用弹簧单元模拟扣件。橡胶套靴、支承块和块下垫板之间为绑定约束，在橡胶套靴底部采用固定约束，在抬轨位置施加位移约束模拟抬轨量。

图1 钢轨抬升力学模型

图2 有限元模型

设置抬轨点间距为0 ～ 7.2 m，扣件松开长度取10.8 ～ 38.4 m，抬轨量取16 ～ 22 cm，施工轨温与锁定轨温的温差（简称温差）取0 ～ 20 ℃。计算中，提取如下参数来反映抬轨过程对轨道部件的影响：①钢轨垂向位移及弦弧差，表征钢轨的弯折变形；②钢轨最大拉应力，反映钢轨纵向受力；③扣件最大上拔力，表征不同抬升方式对扣件拔出的影响；④钢轨横向位移，为防止抬升过程中温度作用导致钢轨失稳，研究温度作用对钢轨横向位移的影响。

2 施工参数的影响

2.1 抬轨方式对轨道结构的影响

为了明确抬轨方式对弹性支承块式无砟轨道力学状态的影响，控制抬轨量为16 cm，扣件松开长度为10.8 m，研究不同抬轨点间距对钢轨垂向位移、钢轨最大拉应力及扣件最大上拔力的影响规律。

温差为0 ℃时，不同抬轨点间距下钢轨垂向位移分布见图3。可知：钢轨垂向位移在换块处达到最大值，向两侧逐渐递减；随抬轨点间距增大，钢轨垂向位移增大。抬轨点间距为0时，钢轨最大垂向位移最小，为160 mm；抬轨点间距为7.2 m 时，钢轨最大垂向位移最大，为242.8 mm。

图3 不同抬轨点间距下钢轨垂向位移分布

温差为0 ℃时，钢轨最大拉应力及扣件最大上拔力随抬轨点间距的变化曲线见图4。可知：①随着抬轨点间距增大，钢轨最大拉应力逐渐增大，其中抬轨点间距为1.2 ～ 3.6 m时，钢轨最大拉应力的增长速率相对较小。②随抬轨点间距增大，扣件最大上拔力增大。抬轨点间距为0 时，扣件最大上拔力达到最小值6.9 kN，抬轨点间距为7.2 m 时，扣件最大上拔力达到最大值23.6 kN。抬轨点间距为0 ～ 3.6 m 时，扣件最大上拔力增长速率相对较小。这是由于抬轨后钢轨呈微拱形状，受沿钢轨切向和法向的抬升力作用，在拱顶处法向抬升力达最大值，抬升位移最大；抬轨点间距的增大导致钢轨产生更大的上拱变形，垂向距离更大，同时未松开扣件对钢轨的约束力提高，导致钢轨拉应力和扣件上拔力增大。

图4 钢轨最大拉应力及扣件最大上拔力随抬轨点间距的变化曲线

不同抬轨点间距下钢轨横向位移随温差的变化曲线见图5。可知：同一温差下，钢轨横向位移随着抬轨点间距增大而减小；温差为0 ～ 6 ℃时，温度对钢轨横向位移基本无影响，温差大于6 ℃时，随温差增大，钢轨横向位移增大。抬升点间距每增加1 m，温差限值增加1 ℃。这是由于随温差增大，钢轨膨胀变形，横向位移增加。随抬轨点间距增大，扣件对钢轨的约束变强，导致横向位移减小。

图5 不同抬轨点间距下钢轨横向位移随温差的变化曲线

综上，抬轨量为16 cm，扣件松开长度为10.8 m，温差为0 ℃时，建议选择抬轨点间距为1.2 ～ 3.6 m，此时钢轨具有较小的弯折变形，同时钢轨拉力和扣件上拔力较小。

2.2 扣件松开长度对轨道结构的影响

控制抬轨点间距为1.2 m，抬轨量为16cm，研究扣件松开长度对钢轨垂向位移、钢轨最大拉应力、扣件最大上拔力及钢轨横向位移的影响规律。

温差为0 ℃时，不同扣件松开长度下的钢轨垂向位移分布见图6。可知：换块处的钢轨垂向位移在两抬轨点中心处达到最大值；随着扣件松开长度增大，发生变形的钢轨长度增大，使得钢轨最大垂向位移逐渐减小。因此，扣件松开长度与钢轨最大垂向位移负相关。

图6 不同扣件松开长度下钢轨垂向位移分布

考虑到扣件松开长度对钢轨最大垂向位移的影响较小，为进一步明确扣件松开长度对钢轨垂向位移的影响，采用弦弧差对垂向位移线形进行定量描述。温差为0 ℃时，钢轨弦弧差随扣件松开长度变化曲线见图7。可知：随扣件松开长度增大，钢轨弦弧差降低，松开长度达到31.80 m 后，钢轨弦弧差降低趋势减缓。松开长度为10.76 m 时，钢轨弦弧差为7.8 mm；松开长度为38.40 m时，钢轨弦弧差为1.4 mm。

图7 钢轨弦弧差随扣件松开长度的变化曲线

温差为0 ℃时，钢轨最大拉应力及扣件最大上拔力随扣件松开长度变化曲线见图8。可知：随扣件松开长度增大，钢轨最大拉应力降低；随扣件松开长度增大，扣件最大上拔力降低。松开长度达到31.8 m后，扣件最大上拔力降低趋势减缓。这是由于扣件松开长度增大导致扣件对钢轨的约束降低，使钢轨上拱变形减小，钢轨拉应力和扣件上拔力降低。

图8 钢轨最大拉应力及扣件最大上拔力随扣件松开长度的变化曲线

不同扣件松开长度下钢轨横向位移随温差的变化曲线见图9。可知：同一温差下，钢轨横向位移随扣件松开长度增大而增大。温差为0 ～ 6 ℃时，温差对钢轨横向位移几乎无影响；温差大于6 ℃时，随温差增大，钢轨横向位移增大。温差每升高1 ℃，扣件松开长度应减少2.4 m。这是由于随扣件松开长度增加，钢轨所受约束减小，横向位移增大。

图9 不同扣件松开长度下钢轨横向位移随温差的变化曲线

综上，抬轨点间距为1.2 m，抬轨量为16 cm，温差为0 ℃，扣件松开长度大于31.8 m 时，钢轨垂向位移较小，钢轨最大拉应力和扣件最大上拔力较低。

2.3 抬轨量对轨道结构的影响

控制抬轨点间距1.2 m，扣件松开长度为31.8 m，温差为0 ℃，研究抬轨量对钢轨垂向位移、钢轨最大拉应力、扣件最大上拔力的影响规律。

不同抬轨量下的钢轨垂向位移分布见图10。可知：随抬轨量增加，钢轨垂向位移增加。

钢轨最大拉应力及扣件最大上拔力随抬轨量的变化曲线见图11。可知：随着抬轨量增加，钢轨最大拉应力和扣件最大上拔力呈线性增加。抬轨量每增加1 cm，钢轨最大拉应力增加0.66 kN，扣件最大上拔力增加0.075 MPa。

图11 钢轨最大拉应力及扣件最大上拔力随抬轨量变化曲线

综上，抬轨点间距为1.2 m，扣件松开长度为31.8 m，温差为0 ℃时，钢轨最大拉应力和扣件最大上拔力随抬轨量增加而增大，综合考虑弹性支承块式无砟轨道力学性能及换块施工性，建议抬轨量为20 cm。

3 快速更换支承块施工方法

通过更换弹性支承块，消除支承块空吊、离缝、积水等引起的轨面高程变化。施工前准备好施工机具、设备材料等，确保新的弹性支承块质量、尺寸等满足要求。清理套靴与道床之间的密封材料，测量现场轨温，并在锁定轨温范围内施工，拆除拟被更换支承块前后的扣件，放置起道机进行抬轨，并更换支承块，再将新的支承块进行安装。安装完成后，对支承块高程、方向、套靴外露高度等进行测量，满足要求后按照施工图进行密封。施工布置见图12。

图12 线路快速更换支承块施工布置

4 工程应用

4.1 工程背景

某线运营过程中，因部分弹性支承块底与道床间存在空隙，在列车冲击荷载作用下加速了轨道不平顺的发展。建设过程中仰拱和填充层间存在虚砟，开通后列车反复碾压，虚砟在地下水作用下被带走，使仰拱和仰拱填充层间出现吊空现象，道床板出现上下浮动甚至横向断裂，导致轨道几何尺寸变化明显，无砟轨道每6 m 间隔的道床板伸缩缝处出现冒水、冒泥现象。

4.2 更换支承块作业

针对以上线路病害，以本文的建议参数为指导，对存在空吊、离缝、套靴积水等的弹性支承块进行更换，具体步骤如下。

1）拆卸前准备。作业人员准备好施工机具、设备和施工材料。清理拟被更换支承块的套靴与道床之间的密封材料，施工负责人指挥轨道车撤出作业范围60 m，并将支承块抬运到位，测量轨温。

2）拆卸待更换的支承块。根据实际轨温确定松开扣件长度，本次施工作业轨温为25 ℃，松开待更换支承块两侧各18 m（共60 组）扣件［图13（a）］。抬起钢轨20 cm［图13（b）］，支承块两侧采用方木临时固定支撑，支承块下垫入厚度为1 cm 的木板或铁板，支承块坐落在临时木板上，人工拴绳拖出支承块。

图13 更换支承块施工现场

3）安装新的支承块。取出套靴，对套靴内的块下胶垫进行检查，清除套靴内的杂物碎石等［图13（c）］，处理凿除打磨坑内底部高处的混凝土。坑内提前测量划线，采用环氧树脂找平凝固达标。将原来的套靴（完整无损坏）复位放回坑内，安装锚固螺栓，用吊绳固定在锚固螺栓上，由2人抬起支承块，精确对位检查套靴无变化后轻轻放下至套靴内［图13（d）］，起道钢轨取出两侧方木垫块，按顺序逐步复位钢轨并上紧扣件。

4）测量和检查。安装完成后对支承块高程、方向及套靴外露高度等进行测量，满足要求后在套靴与道床之间注入树脂材料，待材料凝固后按施工图设计要求进行硅酮密封。新安装的弹性支承块符合TB 10413—2018《铁路轨道工程施工质量验收标准》的相关要求，道床板中线、外形尺寸容许偏差符合表1规定。安装扣件、恢复线路，更换完支承块后待轨道车在新更换支承块走行6次后再进行后续作业。

表1 道床板中线、外形尺寸容许偏差

更换支承块施工过程应注意：施工前应对维修地段的高程超限情况进行复测，对支承块病害进行逐枕排查，并根据情况制定详尽的施工计划和组织方案，经审查后方可实施。施工前应预先对工艺方法、灌注材料、注浆压力等做相关试验，试验中的材料性能应满足规定要求方可使用。施工时严格测量轨温，必须在低于实际锁定轨温下进行拆换。

使用上述抬轨参数和施工方法更换缺损的支承块，并对轨道病害进行整治处理，松开扣件的长度较合理，抬轨量适中，提高了维修效率，降低了维修施工量。

5 结论及建议

1）抬轨点间距选取1.2 ～ 3.6 m时，钢轨具有较小的弯折变形，同时钢轨拉力和扣件上拔力较小。抬升点间距每增加1 m，温差限值增加1 ℃。

2）抬轨量为16 cm，抬轨点间距为1.2 m 时，建议扣件松开长度大于31.8 m。温差每升高1 ℃，扣件松开长度应减少2.4 m。

3）随抬轨量增加，钢轨最大拉应力和扣件最大上拔力提高。抬轨量每增加1 cm，钢轨最大拉应力增加0.66 kN，扣件最大上拔力增加0.075 MPa。