27 t軸重條件下軌道結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律和適應(yīng)性分析

潘振 馬戰(zhàn)國 郄錄朝 張歡 尤瑞林 李闖

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

重載運(yùn)輸是世界鐵路貨運(yùn)的重要發(fā)展方向，其中增加軸重是主要方式之一。2013 年6 月，中國鐵路總公司發(fā)布了鐵總辦函〔2013〕114 號《關(guān)于既有線運(yùn)用27 t 軸重貨車工作會(huì)議的通知》，對既有線運(yùn)用27 t 軸重貨車工作進(jìn)行了階段總結(jié)和部署。2014 年太原局集團(tuán)有限公司逐步在北同蒲線、大秦線開行27 t 軸重C80E貨車。但目前尚缺乏既有軌道結(jié)構(gòu)在27 t軸重條件下的劣化規(guī)律和適應(yīng)性研究。針對此問題，本文對北同蒲線、大秦線試驗(yàn)段軌道部件進(jìn)行了長期跟蹤觀測，并結(jié)合仿真計(jì)算和現(xiàn)場測試，分析既有軌道結(jié)構(gòu)在27 t軸重下的劣化規(guī)律和適應(yīng)性［1］。

目前北同蒲線主要鋪設(shè)60 kg/m 鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、Ⅲ型混凝土枕、I級道砟，年通過總質(zhì)量約2 億t；大秦線主要鋪設(shè)75 kg/m 鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、Ⅲ型混凝土枕、Ⅰ級道砟，年通過總質(zhì)量約5億t，每天約開行10列萬噸C80E貨車［2］。

1 鋼軌劣化規(guī)律和適應(yīng)性

1.1 鋼軌劣化規(guī)律

1.1.1 大秦線

對大秦線K164+000—K326+345 重車線進(jìn)行跟蹤觀測。該區(qū)段鋪設(shè)U78CrV 在線熱處理鋼軌，2011 年4 月鋪設(shè)上道，2014 年4 月下道。下道時(shí)線路累計(jì)通過總質(zhì)量1 670 Mt。

大秦線于 2014 年 6 月開行 27 t 軸重 C80E 貨車。圖1為大秦線直線區(qū)段開行C80E貨車前后每公里累計(jì)傷損數(shù)量與鋼軌累計(jì)通過總質(zhì)量的關(guān)系。可知，鋼軌累計(jì)傷損量隨累計(jì)通過總質(zhì)量近似呈二次函數(shù)關(guān)系。在2011 年4 月—2014 年4 月當(dāng)累計(jì)通過總質(zhì)量為500，1 000，1 500 Mt 時(shí)每公里母材累計(jì)傷損數(shù)量為0.6，1.6，3.3，每公里焊縫累計(jì)傷損數(shù)量為2.9，5.1，8.9，焊縫傷損數(shù)量約為母材傷損數(shù)量的3 倍；在2014年4 月—2016年4月當(dāng)累計(jì)通過總質(zhì)量為500，1 000 Mt時(shí)每公里母材累計(jì)傷損數(shù)量為0.7，1.2，每公里焊縫累計(jì)傷損數(shù)量為2.0，3.1，焊縫傷損數(shù)量約為母材傷損數(shù)量的2.7倍。

圖1 每公里母材及焊縫累計(jì)傷損數(shù)量與累計(jì)通過總質(zhì)量的關(guān)系

該區(qū)段鋼軌于2018 年4 月進(jìn)行部分更換（K164—K238），使用壽命約2 060 Mt。

1.1.2 北同蒲線

北同蒲線 K41+548—K104+744 鋪設(shè) 60 kg/m U78CrV熱處理鋼軌，該區(qū)段鋼軌于2013年10月上道，截至2017年底，累計(jì)通過總質(zhì)量為805 Mt。圖2為北同蒲線每公里累計(jì)傷損數(shù)量與累計(jì)通過總質(zhì)量的關(guān)系。

圖2 北同蒲線每公里母材及焊縫累計(jì)傷損分布

由圖2 可知，當(dāng)累計(jì)通過總質(zhì)量為500，800 Mt 時(shí)所對應(yīng)的每公里母材累計(jì)傷損數(shù)量為0.15，0.33，對應(yīng)的每公里焊縫累計(jì)傷損數(shù)量為0.66，0.96，焊縫傷損約為母材傷損的3倍。

1.2 鋼軌適應(yīng)性分析

大秦線、北同蒲線等重載鐵路通常鋪設(shè)強(qiáng)度等級為 1 280 MPa 的 U78CrV 在線熱處理鋼軌［3-4］。大秦線鋼軌在累計(jì)通過總質(zhì)量為1 000 Mt 時(shí)，每公里累計(jì)總傷損數(shù)量為4.3。截至2017 年底，北同蒲線鋼軌累計(jì)通過總質(zhì)量為805 Mt 時(shí)，每公里累計(jì)總傷損數(shù)量為1.29。2011 年前大秦線鋪設(shè)U75V 鋼軌，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2005 年鋪設(shè)的攀鋼75 kg/m U75V 鋼軌在累計(jì)通過總質(zhì)量為9 億t 時(shí)，每公里鋼軌累計(jì)總傷損數(shù)量約為4～5。隨著通過質(zhì)量、行車密度、軸重的增加，所用鋼軌的強(qiáng)度等級在增加，在目前的養(yǎng)護(hù)維修條件下，如果預(yù)防性打磨及時(shí)，輪軌關(guān)系保持良好，在大軸重情況下使用U78CrV 在線熱處理鋼軌是適應(yīng)的，對于延長鋼軌的使用壽命是有利的。

2 扣件劣化規(guī)律和適應(yīng)性

在大秦線和北同蒲線選取鋪設(shè)彈條Ⅱ型扣件和加強(qiáng)型扣件的區(qū)段進(jìn)行跟蹤觀測，試驗(yàn)段線路情況見表1。

表1 大秦線和北同蒲線試驗(yàn)段線路情況

2.1 扣件劣化規(guī)律

2.1.1 大秦線

對大秦線K113 試驗(yàn)段彈條Ⅱ型扣件的Ⅱ型彈條和加強(qiáng)型扣件的W3型彈條進(jìn)行了3次跟蹤觀測，彈條彈程隨累計(jì)通過總質(zhì)量劣化規(guī)律如圖3 所示。可知：Ⅱ型和W3 型彈條彈程隨累計(jì)通過總質(zhì)量增加而減小；72 個(gè)月累計(jì)通過近30 億t 的總質(zhì)量后，彈程衰減率分別為19.4%，9.2%，W3型彈條的劣化程度要優(yōu)于Ⅱ型彈條。

圖3 大秦線彈條彈程隨累計(jì)通過總質(zhì)量劣化規(guī)律

大秦線K113直線試驗(yàn)段采用了橡膠和TPEE 2種彈性墊板，2 種墊板整體使用情況良好，無壓潰和竄出現(xiàn)象，其靜剛度變化與累計(jì)通過總質(zhì)量的關(guān)系如圖4所示。近30 億t 的累計(jì)通過總質(zhì)量后，橡膠墊板的靜剛度變化率為26.4%，厚度變化量為0.14 mm；TPEE墊板靜剛度變化率為22.2%，厚度變化量為1.05 mm。

圖4 大秦鐵路K113直線段橡膠和TPEE墊板靜剛度變化與累計(jì)通過總質(zhì)量的關(guān)系

2.1.2 北同蒲線

2016 年4 月在北同蒲線上行線K32 區(qū)段R600 m曲線段鋪設(shè)加強(qiáng)型扣件和既有彈條Ⅱ型扣件。Ⅱ型和W3 型彈條彈程隨累計(jì)通過總質(zhì)量增加而減小；12個(gè)月累計(jì)通過近2 億t 的總質(zhì)量后彈程衰減率分別為15.1%和8.3%，見圖5。

圖5 北同蒲線彈條彈程隨累計(jì)通過總質(zhì)量的劣化規(guī)律

彈條Ⅱ型扣件橡膠墊板和加強(qiáng)型扣件TPEE 墊板靜剛度變化率分別為13.1%和2.2%（圖6），厚度變化量分別為0.37 mm和0.32 mm。

圖6 北同蒲線彈條Ⅱ型扣件橡膠墊板和加強(qiáng)型扣件TPEE墊板靜剛度與累計(jì)通過總質(zhì)量的關(guān)系

2.2 扣件適應(yīng)性分析

圖7 輪軌垂直力、支點(diǎn)壓力、鋼軌軌頭橫移和軌距動(dòng)態(tài)變化量最大值統(tǒng)計(jì)對比

為分析既有彈條II型扣件和加強(qiáng)型扣件在27 t軸重條件下的適應(yīng)性，在北同蒲線試驗(yàn)段開展動(dòng)態(tài)測試，測試結(jié)果見圖7。可見，隨著列車軸重的增加，輪軌垂直力、鋼軌支點(diǎn)壓力逐漸增加，但加強(qiáng)型扣件所受輪軌垂直力和鋼軌支點(diǎn)壓力均小于彈條II 型扣件。鋼軌軌頭橫向位移及軌距動(dòng)態(tài)變化量與列車軸重?zé)o明顯規(guī)律［5-6］，但加強(qiáng)型扣件鋼軌軌頭橫向位移及軌距動(dòng)態(tài)變化量均小于彈條Ⅱ型扣件，表明加強(qiáng)型扣件對鋼軌軌距保持能力較彈條Ⅱ型扣件更強(qiáng)。

通過上述扣件劣化規(guī)律和動(dòng)力學(xué)測試結(jié)果的綜合分析，可知加強(qiáng)型扣件的彈條彈程衰減率和彈性墊板靜剛度變化率均小于彈條Ⅱ型扣件，加強(qiáng)型扣件使用性能較既有彈條Ⅱ型扣件有所增強(qiáng)，但二者都適用于開行27 t軸重重載列車的線路。為減少今后的養(yǎng)護(hù)維修工作，建議結(jié)合大修工作在小半徑曲線區(qū)段逐漸換鋪加強(qiáng)型扣件。

3 軌枕劣化規(guī)律和適應(yīng)性

3.1 軌枕劣化規(guī)律

2016 年 10 月和 2018 年 4 月分別對大秦線Ⅲ型混凝土枕的使用情況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研，整體使用狀況良好，部分軌枕存在擋肩傷損、軌枕裂紋和承軌面磨損，如圖8所示。

圖8 軌枕傷損

裂紋以軌枕中間截面橫向裂紋為主，也有部分裂紋是沿承軌面向中間位置發(fā)展的斜向裂紋。混凝土軌枕開裂的主要原因有：①道床污染板結(jié)，造成軌枕中間截面支承較密實(shí)，在較大橫向力作用下軌枕中間截面承受過大的負(fù)彎矩從而產(chǎn)生裂紋；②軌道下部基礎(chǔ)不均勻沉降，線路存在空吊、三角坑等病害；③線路的大、中修周期長，養(yǎng)護(hù)維修時(shí)間短，使得線路質(zhì)量不佳。

承軌面磨損容易造成軌道幾何尺寸超限、軌枕擋肩破壞、彈條扣壓力不足等嚴(yán)重病害。造成承軌面磨損的主要原因有：①線路運(yùn)營列車的軸重及通過總質(zhì)量較大；②煤灰、水分、砂粒侵入軌下墊板和混凝土承軌面之間；③軌道剛度較大；④列車在長大坡道的制動(dòng)和啟動(dòng)；⑤曲線地段內(nèi)外軌、鋼軌內(nèi)外側(cè)受力不均勻。

3.2 軌枕適應(yīng)性分析

Q/CR 9130—2015《鐵路軌道極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)暫行規(guī)范》規(guī)定重載線路動(dòng)載系數(shù)取1.5，輪重分配系數(shù)偏于保守取0.48。由此計(jì)算得出的常用軌道結(jié)構(gòu)配置條件下混凝土軌枕的設(shè)計(jì)荷載彎矩，如圖9 所示。可見，對于Ⅲ型軌枕，隨著軸重的增加，軌枕的軌下截面及枕中截面的設(shè)計(jì)荷載彎矩不斷增大，當(dāng)車輛軸重為27 t時(shí)設(shè)計(jì)荷載彎矩已經(jīng)達(dá)到并稍微超過軌下截面的設(shè)計(jì)承載彎矩。因此，在27 t軸重時(shí)，普通區(qū)段通過優(yōu)化改善整體軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)可以采用Ⅲ型枕，但軸重超過27 t時(shí)宜選用強(qiáng)度更高的Ⅳ型軌枕。

圖9 混凝土軌枕設(shè)計(jì)荷載彎矩對比

4 道床劣化規(guī)律和適應(yīng)性

4.1 道床劣化規(guī)律

2016 年 9 月在北同蒲線 K126 和 2017 年 4 月在大秦線K431—K432，K274—K275 結(jié)合大機(jī)清篩作業(yè)對清篩時(shí)的道床臟污率進(jìn)行了測試。測試時(shí)在清篩區(qū)段隨機(jī)選取單位長度線路，稱取清篩到線路外側(cè)污土的質(zhì)量，計(jì)算距枕底0.3 m、寬度4 m 范圍內(nèi)的道砟質(zhì)量，換算臟污率。測試結(jié)果見表2。

表2 大機(jī)清篩作業(yè)道床臟污率測試結(jié)果

從現(xiàn)場道床臟污率測試情況來看，道床臟污率隨著累計(jì)通過總質(zhì)量的逐年增加，在道床臟污率為20%左右時(shí)開始進(jìn)行清篩。整個(gè)清篩周期內(nèi)道床使用狀態(tài)較好，且清篩時(shí)的累計(jì)通過總質(zhì)量遠(yuǎn)大于鐵運(yùn)〔2006〕146號《鐵路線路修理規(guī)則》的規(guī)定。

軌道在列車動(dòng)荷載作用下，枕下道床會(huì)因道砟錯(cuò)位、磨損、壓縮而產(chǎn)生變形。針對剛搗固的線路設(shè)立觀測點(diǎn)，在下次搗固前測試觀測點(diǎn)的高程變化，得到1 個(gè)搗固周期內(nèi)道床累積變形。大秦線累計(jì)通過總質(zhì)量147 Mt時(shí)現(xiàn)場測試結(jié)果見表3，可見，整個(gè)大修周期內(nèi)，按目前規(guī)定進(jìn)行維修，每通過總質(zhì)量150 Mt 道床累積變形約10 mm，1 個(gè)搗固周期內(nèi)道床殘余變形發(fā)展平緩，不會(huì)引起較大的軌道不平順。

表3 不同測點(diǎn)的高程變化 mm

4.2 道床適應(yīng)性分析

我國重載鐵路道床頂面應(yīng)力和道床底部應(yīng)力相關(guān)計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果見表4。TB 2034—88《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》規(guī)定的碎石道床頂面容許應(yīng)力為0.5 MPa［7］，基床表面的容許應(yīng)力為 0.15 MPa。由表 4可見，當(dāng)軸重為27 t時(shí)，無論采用Ⅲ型軌枕或是新型Ⅳ型重載軌枕，道床頂面應(yīng)力均未超過規(guī)定范圍；道床厚度為（30+20）cm，（35+20）cm 時(shí)道床底部應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求。

通過北同蒲線現(xiàn)場動(dòng)力學(xué)測試得到的支點(diǎn)壓力，間接計(jì)算出彈條Ⅱ型扣件和加強(qiáng)型扣件道床頂面最大應(yīng)力和平均應(yīng)力，結(jié)果見表5。

表4 道床頂面應(yīng)力和底部應(yīng)力

表5 列車通過軌道各測點(diǎn)時(shí)道床頂面應(yīng)力 kPa

由表5可見：列車軸重從23，25 t提高到27 t時(shí)，道床頂面承受的應(yīng)力有所增加，27 t 軸重貨車所引起的道床頂面平均應(yīng)力相比25 t 軸重貨車增幅約9%～28%，最大平均應(yīng)力為380 kPa，未超過TB 2034—88規(guī)定的碎石道床頂面容許應(yīng)力500 kPa，采用一級道砟基本可滿足開行27 t 軸重新型貨運(yùn)列車的安全運(yùn)營需求；但在車輪荷載作用下最大應(yīng)力為510 kPa，已基本接近或超過規(guī)定的限值，規(guī)模化開行27 t 軸重列車后會(huì)加劇道砟的粉化。

5 結(jié)論

通過對大秦線、北同蒲線試驗(yàn)段軌道結(jié)構(gòu)的跟蹤觀測，并結(jié)合仿真計(jì)算和現(xiàn)場測試，分析27 t軸重條件下軌道部件的劣化規(guī)律和適應(yīng)性。

1）大秦線、北同蒲線鋼軌主要傷損類型為焊接接頭傷損、母材核傷、孔裂等，直線和曲線區(qū)段鋼軌傷損均以焊接接頭傷損為主，約占傷損總量的69%～74%，焊縫傷損約為母材傷損的2.7～3.0 倍。目前使用U78CrV在線熱處理鋼軌對27 t軸重是適應(yīng)的。

2）27 t軸重條件下扣件彈條彈程隨著累計(jì)通過總質(zhì)量的增加而衰減，彈性墊板的靜剛度隨著通過總質(zhì)量的增加而增加。加強(qiáng)型扣件和彈條Ⅱ型扣件都適用于開行27 t 軸重列車的線路，但加強(qiáng)型扣件的彈條扣壓力、彈性墊板彈性保持能力和軌距保持能力均優(yōu)于彈條Ⅱ型扣件，建議小半徑曲線區(qū)段更換為加強(qiáng)型扣件。

3）Ⅲ型軌枕在部分開行27 t 軸重列車條件下，傷損劣化發(fā)展并不明顯，仍有較強(qiáng)的承載能力。在目前條件下，能滿足27 t軸重列車運(yùn)營要求，小半徑曲線等特殊地段可逐步換鋪Ⅳ型軌枕。

4）目前我國重載鐵路道床質(zhì)量有明顯提升，道床粉化速率慢，大秦線部分區(qū)段的清篩周期已達(dá)10 億t以上，且清篩時(shí)道床臟污率普遍低于20%。列車軸重由25 t增加至27 t時(shí)，道床受力與變形滿足要求，因此目前大秦線等既有重載鐵路道床結(jié)構(gòu)形式能滿足27 t軸重列車運(yùn)營要求。