彈性短軌枕在武漢地鐵應用中的問題及解決方法

易 勇， 羅川萍， 李 群

(武漢地鐵運營有限公司， 武漢 430030 )

彈性短軌枕在武漢地鐵應用中的問題及解決方法

易 勇， 羅川萍， 李 群

(武漢地鐵運營有限公司， 武漢 430030 )

為減少振動及噪聲，武漢地鐵1號線使用了彈性短軌枕，但在長時間運營后出現了軌枕—套靴—道床之間剝離、間隙擴大、軌枕空吊、軌距變化大、減振量下降、短軌枕破裂等現象，分析出現問題的原因，并對軌道狀態較差路段的鋼軌、軌枕變形測試數據進行對比分析，最后針對彈性短軌枕軌道病害總結出軌枕更換、空吊整治、減振方式改造3種維修方案。

軌道交通； 短軌枕； 套靴； 減振； 維護

1 研究背景

對于中等減振地段，國際上廣泛采用彈性短軌枕軌道結構，其垂直彈性主要由短軌枕下彈性墊板提供。彈性短軌枕的橡膠套靴設置于短軌枕與道床之間，主要起彈性緩沖作用，應具有良好的耐磨性、絕緣性、耐久性及一定的彈性[1]。

武漢地鐵1號線彈性短軌枕在使用過程中由于橡膠套靴發生老化、變形，導致軌枕—套靴—道床之間出現剝離，間隙擴大，出現軌枕吊空、軌距變化大、減振性能下降、短軌枕破裂等現象，給行車安全埋下了較大的隱患。為了避免這種情況的持續惡化，計劃對嚴重病害路段進行改造，以提高軌道系統的穩定性，增強減振效果。為了深入了解問題線路的嚴重程度，并為后期改造提供真實可靠的數據，在改造之前對問題線路的軌道狀態進行了動態測試。

2 彈性短軌枕簡介

彈性短軌枕由塊下膠墊、橡膠套靴提供彈性，為防止套靴滲入雨水及直接暴曬，并方便套靴組裝及更換，彈性支承塊外形不同于其他支承塊，彈性支承塊高190 mm，自頂部向下48 mm處設有一周14 mm寬的“帽沿”，再沿梯形向下142 mm至底面。支承塊的頂面(承軌面)、底面及4個側面均應平整光滑。橡膠套靴及塊下膠墊由橡膠制品廠供貨，支承塊與塊下膠墊及橡膠套靴裝配時，采用膠粘方法，彈性支承塊內底部不得有空隙。組裝好的彈性支承塊應用條帶材料在承軌面兩側綁扎以確保道床施工時支承塊、塊下膠墊、橡膠套靴三者之間垂向無縫隙配合。

2.1 塊下膠墊

塊下膠墊為最新研制的微孔發泡橡膠墊板，采用抗老化性能強的三元乙丙(EPDM)橡膠加工成封閉的蜂窩結構，而不再采用傳統的溝槽墊板[2]。其最大優點是殘余變形小，動彈性損失少，能最大限度提供系統所需要的彈性。它與扣件組合在一起，提供系統垂向彈性，其普通減振段設計編號為P的塊下膠墊，其靜剛度為30～35 kN/mm，與扣件組合剛度為20 kN/mm左右，在滿足軌道安全變形前提下，可為系統提供較好的減振性能。

尺寸為590 mm×280 mm×12 mm，動、靜剛度之比不大于1.35，吸水率不超過10.0 kg/m3。此外，還設計了過渡段編號分別為G1、G2的塊下膠墊，其靜剛度分別為56～64 kN/mm、75～85 kN/mm。

2.2 橡膠套靴

橡膠套靴套在支承塊及塊下膠墊的外部，也采用三元乙丙橡膠制造，套靴底部不提供垂向彈性，僅在套靴的縱橫側面提供縱、橫向彈性，與塊下膠墊一起，為軌枕系統提供三向均衡彈性，并保護塊下膠墊。

橡膠套靴截面與其支承塊配套，要求其抗熱空氣老化、抗臭氧化能力強。

3 現場調查分析

武漢地鐵1號線為全高架線路，彈性短軌枕工作環境較為惡劣，經現場調查，線路存在如下問題：

橡膠套靴與道床之間存在間隙；橡膠套靴高度方向外露；短軌枕空吊(短軌枕四邊破裂)；軌高差與道床面坡度不匹配；軌枕間距不均勻；彈性短軌枕翻漿冒泥。

經初步分析，造成武漢地鐵1號線彈性短軌枕線路狀況差的原因如下：

1) 現場施工質量差，在鋪設彈性短軌枕的過程中，軌枕擺放有誤差。焊接鋼軌時，鋼軌拖動后彈性短軌枕的位置未調整到位，造成短軌枕偏離設計位置，出現扭轉、錯位、高低不一等問題，使施工完成的軌道狀態難以達到設計預期的標準，影響軌道的減振效果及穩定狀態。

2) 在運營過程中扣件橡膠墊老化，露天環境下道床長期浸水，引起彈性短軌枕空吊[3]，導致軌道減振效果不穩定，空吊嚴重時甚至導致彈性墊板失效，軌枕的沖擊碰撞使道床振動放大[4]，進而出現軌枕破裂等現象(見圖1)。

圖1 現場短軌枕破裂現象Fig.1 Broken shorter sleepers

3) 短軌枕坑內套靴與坑壁之間出現很大縫隙的問題，主要為施工程序不當導致，在混凝土強度尚未達到可以承受較大擾動的情況下，即進行軌道狀態的調整工作，攢動與撥動鋼軌等，導致軌枕塊強力擠壓坑壁，從而引起坑壁變形，出現縫隙(見圖2)。

圖2 現場離縫現象Fig.2 Separation of the sleeper and the ballast bed

4) 縫隙的出現，不僅會影響軌道的穩定,不利軌距的保持，而且為灰塵雜物以及雨雪水的進入敞開了通道，行車時會出現比較嚴重的翻漿冒泥現象(見圖3)，翻漿冒泥的頻繁出現，惡化了彈性套靴、塊下膠墊的工作環境，嚴重影響了軌道的減振效果。

圖3 現場彈性短軌枕翻漿現象Fig.3 Mud pumping of the ballast bed

4 現場變形測試分析

4.1 鋼軌的變形分析

改造路段、對比路段鋼軌動態變形的平均值分別列在表1、2中，當變形值為負值時，對于垂直方向的變形表示向下，對于橫向或扭轉變形則表示水平向外(軌距增加)，計算的軌頭橫向變形也列在表中。

表1 改造路段鋼軌動態變形數據

表2 對比路段鋼軌動態變形數據

改造路段平均車速為55.1 km/h，鋼軌的凈垂直變形平均值為1.86 mm，最大軌頭橫向變形平均值為0.22 mm，鋼軌的扭轉變形平均值為0.88 mm；對比路段平均車速為63.0 km/h，鋼軌的凈垂直變形平均值為1.11 mm，最大軌頭橫向變形平均值為0.13 mm，鋼軌的扭轉變形平均值為0.21 mm。

在表1中，曲上股鋼軌相對于道床基礎在外側的垂直變形為3.23 mm，在內側的垂直變形為1.91 mm，外側鋼軌處于外翻狀態，外側鋼軌的平均垂直變形為2.57 mm。改造路段的鋼軌變形及軌道幾何尺寸變化較大，軌道幾何狀態不穩定。

4.2 軌枕的變形分析

對軌道狀態較差的頭道街站至黃浦路上行線區間段(改造路段)進行了現場測試，具體里程為K0+772；對比測試地點選擇在軌道狀態較好的循禮門站至友誼路上行線區間段(對比路段)，具體里程為K5+260。主要測試在列車正常運行條件下，2個測試點鋼軌和軌枕的動態變形。

改造路段平均車速為55.1 km/h，軌枕相對于道床基礎的垂向變形為1.46 mm，橫向變形為0.42 mm，軌枕的扭轉變形角度為0.21°(軌枕向外翻轉)，其中曲上股變形比較大，軌枕相對于道床基礎的垂向變形為2.17 mm，軌枕的橫向變形為0.91 mm，軌枕的扭轉角度為0.40°(見表3)。

表3 軌枕的動態變形數據

對比路段平均車速為63.0 km/h，軌枕相對于道床基礎的垂直變形為0.71 mm，橫向變形為0.03 mm，軌枕的扭轉角度為0.03°(軌枕向外翻轉)。可以看出,對比路段的軌枕垂向變形基本比較穩定，曲上股的垂向變形為0.65 mm，曲下股的垂向變形為0.76 mm(見表4)。

表4 對比路段軌枕的動態變形數據結果

5 彈性短軌枕維修方案

彈性短軌枕軌道具有較好的噪聲和振動衰減特性，彌補了無砟軌道彈性不足的缺陷，制造成本低，減振效果好。但其存在橡膠套靴及微孔墊板維修更換不方便、需要進行長壽命設計的問題，造成經濟成本大幅度提高；彈性短軌枕道床如施工不當，對軌道初期幾何形位有影響，施工精度要求較高；雨水或臟物進入橡膠套靴內部時可能對結構性能或壽命產生不利影響。按照施工條件及病害情況，提出以下3種彈性短軌枕軌道維修方案。

5.1 更換工藝

當發現短軌枕破損嚴重、預埋套管失效、橡膠套靴嚴重損壞等病害，導致不能保持鋼軌幾何狀態時，應及時局部更換彈性短軌枕。

1) 首先將待換的彈性短軌枕兩側在一定長度范圍內(≥30 m)的扣件松開，使該范圍的鋼軌處于自由狀態。

2) 在待更換的彈性短軌枕兩側各用起道器將鋼軌連同待更換支承塊抬高，進行更換。作業軌溫范圍小于鎖定軌溫5 ℃。

3) 將待換支承塊從鋼軌一側抽出道床。

4) 取下枕下橡膠墊板，檢查原橡膠墊板性能，根據具體情況確定是否需要更換。

5) 將同型號的彈性支承塊放回原位。如由于尺寸誤差，放入困難時可重新抬出，對側面進行適當打磨，直至恢復正確狀態。

6) 移除起道器，將鋼軌放回原位置。

7) 安裝扣件，恢復軌道幾何狀態。

5.2 吊空及維護工藝

彈性短軌枕出現空吊時，應根據吊空量及時進行維護，以改善軌道的不穩定狀態。

1) 吊空量≤5 mm。采取在鐵墊板下加調高墊板的方法處理：松開扣件；將彈性短軌枕壓入道床；加墊鐵墊板下調高墊板；安裝扣件，恢復軌道幾何狀態。

2) 吊空量≤5～7 mm。采取在軌下和鐵墊板下加調高墊板的方法處理，軌下調高墊板最大調高為2 mm：松開扣件；將彈性短軌枕壓入道床；鐵墊板下調高墊板、軌下調高墊板；安裝扣件，恢復軌道幾何狀態。

3) 吊空量≤7～20 mm。采取在軌下和鐵墊板下加調高墊板并加長雙頭螺柱的方法處理，軌下調高墊板最大調高為2 mm，鐵墊板下調高墊板最大調高為18 mm。雙頭螺柱的加長長度，可根據現場需要的調高量確定，最大可加長13 mm：松開扣件；將彈性短軌枕壓入道床；更換加長型的雙頭螺柱；加墊軌下調高墊板、鐵墊板下加調高墊板；安裝扣件，恢復軌道幾何狀態[5]。

5.3 軌道減振方式改造

當線路狀態持續惡化，需大面積更換彈性短軌枕時，建議進行彈性短軌枕整治，以改變軌道線路的減振方式，從而根治本問題。一般采用其他類型減振扣件代替原本的道床減振方式。以下介紹使用GJ-III型雙層非線性扣件+普通短枕的軌道結構代替原彈性短軌枕+WJ-2扣件形式的施工方法。

使用GJ-III型雙層非線性扣件更換彈性短軌枕及WJ-2扣件。先對一股鋼軌進行改造，松開接頭夾板，上緊改造單元的扣件系統(WJ-2扣件)，另一股鋼軌保持不變。“隔三換一”拔出既有短軌枕，軌底墊上支撐木塊[6]。此時，套靴留在坑內，抬升高度在250 mm左右，取出彈性套靴。在抬起的短軌枕下墊上支撐薄鋼板，松開待更換軌枕上的扣件，取出舊軌枕和WJ-2扣件。

用GJ-III型扣件把專用短軌枕和鋼軌連接起來，將專用短軌枕放入軌枕坑內，調節短軌枕位置，盡量保證短軌枕居于軌枕坑中間，其余未改造單元的扣件按照原來安裝順序重新安裝復位，必要時可借助撬杠使鋼軌落槽。

根據另一股鋼軌的正常狀態，調整改造單元所在鋼軌的軌道狀態，調節鋼軌位置(軌距、軌高、軌底坡)，以滿足軌道幾何要求，用楔形定位塊預定位并保證短軌枕四邊間隙均勻(錘擊定位楔塊不可用力過猛，以防調整好的軌道狀態遭到破壞)。

整體道床采用樹脂砂漿灌注，為加強短軌枕與既有道床的連接強度，在填充樹脂砂漿前，需用沖擊鉆在既有道床坑內壁及四周進行鑿毛處理(鑿毛深度不小于10 mm)，并用棉紗、吸塵器等工具將軌枕槽內雜物清理干凈。在道床坑內采用植筋膠植入螺紋鋼筋，并將植入的鋼筋與新軌枕底部的道床鋼筋網焊接起來。

將拌制好的樹脂砂漿從一側倒入軌枕坑內，使其從軌枕一側流入另一側，便于排除短軌枕基坑四周內的空氣，并與原道床面平齊，道床坑內填充樹脂砂漿初凝后，在軌枕四周的道床頂面涂抹環氧樹脂封閉層作為防水處理。

為便于新澆注填充漿料養生，在漿料達到適當強度后，拆除錨固螺栓及扣件彈條，使新更換的短軌枕處在不受鋼軌及扣件牽制的自由狀態。按作業先后順序，在每個改造單元灌漿1 h后拆除GJ-III型扣件(先拆錨固系統，再拆彈條)。待填充材料養護充分后安裝GJ-III型扣件。

由于雙層非線性減振扣件較既有WJ-2型扣件結構高30 mm左右，為了避免曲線段軌枕安裝后,出現軌枕頂面低于既有道床頂面的“凹陷”從而引起積水的現象，應在灌注樹脂砂漿之前做好開槽等預留排水措施。

6 結語

目前已成功完成頭道街站至黃浦路上行線區間段，共計2 589 m軌道狀態惡劣地段的彈性短軌枕軌道改造工作，改造路段軌道狀態良好，已順利投入使用。

[1] 吳建忠,曾向榮.天津地鐵軌道減振降噪創新技術的開發與應用[J].都市快軌交通,2007,20(3):60-63.

WU Jianzhong， ZENG Xiangrong. New techniques applied for track vibration damping and noise reduction on Tianjin Metro Line 1[J]. Urban rapid rail transit， 2007, 20(3): 60-63.

[2] 王欣.城市軌道交通減振降噪技術的應用[J].地鐵與輕軌,2003(1):35-39,60.

WANG Xin. Appliction of the technology for vibration attenuation & noise reduction in the urban rail transit[J]. Metro and light rail, 2003(1): 35-39, 60.

[3] 和振興,楊吉忠,楊新文，等.彈性短軌枕空吊對車輛-軌道系統的動力學影響分析[J].城市軌道交通研究,2016,19(3):6-11.

[4] 吳永芳.軌道減振效果系統評價方法研究[J].中國鐵道科學,2013,34(3)1-4.

WU Yongfang. Investigation into the evaluation method for vibration damping effect of track systems[J]. China railway science, 2013, 34(3): 1-4.

[5] 廖湘志.地鐵彈性短軌枕應用及維護工作[J].四川建筑,2012,32(3):82-84.

LIAO XIangzhi. Application and maintenance of elastic shorter sleeper[J]. Sichuan architecture, 2012, 32(3): 82-84.

[6] 郭春華.地鐵運營線路既有彈性短軌枕扣件地段更換Vanguard(先鋒)扣件施工工藝[J].科技傳播,2013(4)153-154.

GUO Chunhua. Construction technology of replacing elastic shorter sleeper with vanguard fastening system[J]. Public communication of science & technology, 2013(4)： 153-154.

ProblemsandSolutions:ApplicationofElasticShortSleeperTrackinWuhanMetro

YIYong,LUOChuanping,LIQun

(Wuhan Metro Operation Co., LTD., Wuhan 430030)

The elastic short sleeper track was employed to reduce vibration and noise of the track in Wuhan metro. Many problems arise after a long period of operation, such as separation among the sleepers, rubber boots and the ballast bed, the expanding gaps, theafter voided sleepers, track gauge variations, damping performance deterioration and crack of the short sleeper. The cause, harm and effect of those problems were discussed, than the rail, sleeper deformation test data are analyzed. Three solutions are proposed to solve the problems of the short elastic sleeper tracks: replacing of the sleepers, maintenance of the voided sleepers, and change of the vibration-reducing methods type.

rail transit; shorter sleeper; rubber boot; vibration reduction; maintenance

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.014

U231

A

1672-6073(2017)06-0079-05

2016-12-14

2017-04-17

易勇，男，助理工程師，從事城市軌道交通線路運營管理工作，297311168@qq.com

(編輯：郝京紅)