單天窗期橫向撥軌更換無砟軌道傷損軌道板關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐

劉競

（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）

板式無砟軌道是我國建造高速鐵路所采用的主要軌道結(jié)構(gòu)形式。目前，我國板式無砟軌道主要有3種，即CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型［1-2］。板式無砟軌道取消了傳統(tǒng)有砟軌道的軌枕和道床，采用預(yù)制鋼筋混凝土軌道板直接支承鋼軌，在軌道板與混凝土底座之間填充水泥乳化瀝青砂漿或自密實(shí)混凝土充填層。板式無砟軌道具有平順性高、穩(wěn)定性好、使用壽命長、耐久性好、維修工作量少等技術(shù)優(yōu)勢［3-4］。

隨著服役時間的延長，在溫度應(yīng)力、列車荷載、風(fēng)化等綜合作用下，個別軌道板會出現(xiàn)開裂、掉塊、起鼓等劣化情況，劣化到一定程度時須利用天窗封鎖時間（即在鐵路24 h不間斷的運(yùn)行圖內(nèi)不鋪畫列車運(yùn)行線或減少列車運(yùn)行次數(shù)而為鐵路維修養(yǎng)護(hù)及施工預(yù)留的空閑時間）對個別傷損的軌道板進(jìn)行更換，以恢復(fù)線路良好狀態(tài)，確保無砟軌道的安全性、穩(wěn)定性和長期耐久性［5-7］。

目前高速鐵路運(yùn)營線更換軌道板多采用切軌更換法［8-9］，即先切斷鋼軌，再用軌道車的起吊設(shè)備將傷損軌道板移出并將新軌道板移入，然后重新焊接鎖定鋼軌。該方法須在換板前對鋼軌進(jìn)行切割，且當(dāng)日天窗須對鋼軌進(jìn)行臨時連接恢復(fù)，換板后還須對鋼軌進(jìn)行焊接、打磨及焊縫探傷等，工序較多；此外由于增加了鋼軌接頭，對鋼軌損傷較大，并增加了后續(xù)焊縫處易斷軌的潛在風(fēng)險(xiǎn)［10］。

針對切軌更換法的不足，亟需開展單天窗期在不切斷鋼軌情況下更換無砟軌道軌道板的技術(shù)研究。目前不切斷鋼軌的換板法主要有2種：抬高鋼軌換板法和橫向撥軌換板法。中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所在總結(jié)抬高鋼軌換板技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析、模擬試驗(yàn)與工程實(shí)踐，創(chuàng)新性地提出了一種在不切斷鋼軌條件下利用單天窗期采用橫向撥軌的方式對傷損軌道板進(jìn)行更換的技術(shù)。本文簡單介紹抬高鋼軌換板法的原理、工序及特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹橫向撥軌換板法的原理、可行性、工藝流程等，并通過實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。

1 抬高鋼軌換板法

抬高鋼軌換板法［3，6］是采用機(jī)械抬升的方式將松開一定長度扣件的鋼軌抬高，利用千斤頂或電葫蘆從側(cè)向加載，將損壞軌道板從線路一側(cè)頂出，用隨車軌道吊將其移走，再按逆路徑將新軌道板移入，并對損壞的充填層材料或凸臺樹脂進(jìn)行修復(fù)或更換。該方法須根據(jù)待更換軌道板的結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn)，確定鋼軌的調(diào)高量及松開扣件的長度。對于CRTSⅠ型無砟軌道板，鋼軌抬高量應(yīng)超過凸形擋臺的高度；對于CRTSⅡ型無砟軌道板，鋼軌抬高量應(yīng)超過承軌臺擋肩的高度；對于CRTSⅢ型無砟軌道板，鋼軌抬高量應(yīng)超過底座板限位槽深度和承軌臺擋肩的總高度。

抬高鋼軌換板法雖然避免了切軌更換法對鋼軌的傷損，但是其缺點(diǎn)有：①工裝較重，不適于天窗期施工；②對于雙線無砟軌道線路，受線間作業(yè)空間限制，軌道板橫移后會造成侵線，給軌道吊作業(yè)造成極大困難；③對于單線無砟軌道線路，尤其是橋梁段，受線外作業(yè)空間限制，軌道板無法橫向移出或移入。

2 橫向撥軌換板法

橫向撥軌換板法是采用專用工裝將松開一定長度扣件的鋼軌沿橫向撥開，預(yù)留傷損無砟軌道板的垂直吊出空間，利用線路上方空間，采用專用設(shè)備進(jìn)行軌道板更換，如圖1所示。在作業(yè)過程對軌道狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，確保換板過程中鋼軌鎖定軌溫不變且不產(chǎn)生塑性變形，換板后線路軌道狀態(tài)恢復(fù)良好，不影響行車。該方法可滿足CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型無砟軌道板更換的需要，對于雙線和單線無砟軌道軌道板更換均適用。

圖1 橫向撥軌換板示意

2.1 橫向撥軌換板法可行性研究

橫向撥軌換板法的技術(shù)核心是針對特定的鋼軌軌道狀態(tài)，確定待更換軌道板（長L0）前后的撥軌距離f與松開扣件最小長度L的相關(guān)關(guān)系（圖1），確保撥軌過程鋼軌處于彈性變形且不損傷鋼軌。這決定了采用橫向撥軌更換傷損軌道板的技術(shù)可行性。

采用無縫線路實(shí)際鎖定軌溫檢測系統(tǒng)（Neutral Temperature Detecting System，NTS）［11］進(jìn)行鎖定軌溫的測試。根據(jù)換板區(qū)實(shí)測鋼軌溫度、鋼軌實(shí)際鎖定軌溫，通過有限元分析與迭代計(jì)算確定需松開扣件的最小長度L，并通過模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示：當(dāng)待換板兩側(cè)松開扣件特定長度且其撥軌寬度滿足軌道板垂直吊裝空間要求時，測得的鋼軌松開扣件的尾端A，D處均無位移；A，B，C，D這4處最大應(yīng)變不超過250×10-6；鋼軌恢復(fù)后，殘余應(yīng)變小于20×10-6，鋼軌處于彈性變形且未影響鋼軌原鎖定軌溫。這為橫向撥軌換板法的創(chuàng)新與應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

2.2 橫向撥軌換板法工藝流程

橫向撥軌換板法主要工藝流程如圖2所示，更換軌道板時可實(shí)現(xiàn)1個天窗至少更換1塊以上的軌道板。

圖2 橫向撥軌換板法工藝流程

2.2.1 準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備階段包括現(xiàn)場踏勘調(diào)研、軌道板試吊、原軌道板位置采集與定位線標(biāo)注、零配件編號、實(shí)際鎖定軌溫與軌溫測試、軌道狀態(tài)測試元件布設(shè)等。由于運(yùn)營中長軌條因輪軌相互作用而被輾長、維修作業(yè)不當(dāng)引起長軌條不均勻爬行等原因，長軌條鎖定軌溫發(fā)生改變（一般比施工鎖定軌溫下降5～8℃），導(dǎo)致無縫線路施工鎖定溫度記錄不準(zhǔn)確，在運(yùn)營中存在一個實(shí)際的鎖定軌溫。因此，須準(zhǔn)確掌握換板地段無縫線路的實(shí)際鎖定軌溫，為撥軌施工方案中確定換板作業(yè)時松開扣件的長度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保在天窗期換板作業(yè)后及時恢復(fù)線路并避免對無縫線路產(chǎn)生不利影響。該階段的關(guān)鍵工序是采用NTS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際鎖定軌溫的測試。NTS系統(tǒng)無需鋸切鋼軌且無需鋼軌材質(zhì)和殘余應(yīng)力等資料，采用無損方法進(jìn)行實(shí)際無縫線路鎖定軌溫檢測，該系統(tǒng)由液壓提升架、拉力傳感器、位移傳感器、軌溫傳感器、數(shù)字采集儀和NTS軟件（筆記本電腦內(nèi)）組成。采用NTS系統(tǒng)進(jìn)行無損檢測前對其拉力傳感器和位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定，測試精度為1.5℃。根據(jù)測試結(jié)果，NTS系統(tǒng)自動給出軌溫安全區(qū)域圖形，并給出軌溫及鎖定軌溫對無縫線路的影響評價(jià)。完成實(shí)際鎖定軌溫測試后，對現(xiàn)場鋼軌溫度進(jìn)行測試并與實(shí)際鎖定軌溫比較，根據(jù)相關(guān)有限元分析與迭代計(jì)算，確定換板兩側(cè)松開扣件的長度。

2.2.2 換板階段

換板階段包括接觸網(wǎng)停電、零配件拆除、原凸臺樹脂鑿除、橫向撥軌與實(shí)時監(jiān)控、軌道板與砂漿脫粘、舊板移出、充填層表面清理、新板移入、鋼軌恢復(fù)、軌道板粗鋪與精調(diào)、新凸臺樹脂澆筑、板底注膠、線路測量與微調(diào)、回檢清場、軌道狀態(tài)跟蹤監(jiān)測共15個步驟。該階段的關(guān)鍵工序是橫向撥軌與實(shí)時監(jiān)控，包括：①實(shí)測鋼軌溫度并與實(shí)際鎖定軌溫進(jìn)行比較，根據(jù)不同軌道溫差下鋼軌最大允許撥軌量與不同松開扣件長度對照情況，將換板兩側(cè)一定長度區(qū)間內(nèi)的扣件松開；②撥軌時嚴(yán)格控制撥軌量，待撥軌量達(dá)到設(shè)計(jì)要求時在緊鄰起道點(diǎn)處及每間隔一定距離設(shè)置尺寸合適的撐桿，對撥軌后的鋼軌予以支撐穩(wěn)固；③在鋼軌撥軌作業(yè)中實(shí)時監(jiān)控?fù)苘壛颁撥壍膽?yīng)力應(yīng)變演變狀態(tài)，如有異常立即停止作業(yè)。

2.2.3 后續(xù)階段

后續(xù)階段包括線路測量、軌道精調(diào)等。利用精測小車對作業(yè)區(qū)段及前后50 m進(jìn)行測量，對線形進(jìn)行分析，制定精調(diào)方案并按照精調(diào)方案對線路進(jìn)行調(diào)整。

3 橫向撥軌換板法工程實(shí)踐

在不切斷鋼軌情況下，在一客專鐵路采用橫向撥軌換板法更換傷損軌道板。該線采用CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)、WJ-7型扣件，采用60 kg/m、100 m定尺長、U71MnG鋼軌一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，全線設(shè)計(jì)鎖定軌溫為（28±5）℃。軌道板更換作業(yè)前，NTS系統(tǒng)測試的實(shí)際鎖定軌溫為26℃，撥軌作業(yè)前測得的鋼軌溫度為20℃。根據(jù)測試結(jié)果及有限元分析與迭代計(jì)算，確定撥軌換板時兩側(cè)松開扣件的長度。

3.1 橫向撥軌力

為確保撥軌力在可控范圍內(nèi)且橫向撥軌時鋼軌不被頂傷或產(chǎn)生硬彎，每次換板撥軌時均對鋼軌的撥軌力進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，鋼軌撥軌力均在預(yù)期范圍內(nèi)。

3.2 鋼軌變形

鋼軌撥開后，對比實(shí)測鋼軌撥開線形與理論線形，發(fā)現(xiàn)鋼軌每個測試點(diǎn)的撥開量與理論計(jì)算撥開量基本相符。鋼軌所產(chǎn)生的最大附加壓、拉應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鋼軌允許應(yīng)力，鋼軌應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)。經(jīng)現(xiàn)場仔細(xì)檢查，鋼軌無硬彎、無損傷。

3.3 軌道動態(tài)性能響應(yīng)

為評估更換軌道板處的軌道動態(tài)性能響應(yīng)是否滿足列車運(yùn)行時的安全性和平穩(wěn)性要求，布設(shè)測點(diǎn)實(shí)測列車通過更換軌道板時的軌道動態(tài)響應(yīng)，測點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。其中，在更換軌道板板縫位置選取1處斷面布設(shè)2個輪軌力測試通道，在新軌道板兩端各布設(shè)1個軌道板加速度測試通道，在相鄰的原軌道板板端各布設(shè)1個加速度對比測試通道，共計(jì)2個輪軌力測試通道和4個加速度測試通道。共測試3 d，其中前2 d列車限速120 km/h運(yùn)行，第3天恢復(fù)常速。測試期間，共采集有效通過列車54列，列車通過測點(diǎn)速度最高269.9 km/h，最低70.7 km/h。

圖3 軌道動態(tài)性能響應(yīng)測試點(diǎn)位分布

1）列車運(yùn)行安全性指標(biāo)

動車組通過測試工點(diǎn)時，測得不同車速下脫軌系數(shù)、輪重減載率等。結(jié)果表明，動車組通過時的脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力均在其相應(yīng)評判標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。其中，實(shí)測脫軌系數(shù)最大值0.18（對應(yīng)車速79.7 km/h），實(shí)測輪重減載率最大值0.14（對應(yīng)車速254.6 km/h）。

2）軌道結(jié)構(gòu)振動

動車組通過測試工點(diǎn)時，測得不同車速下軌道板振動加速度。結(jié)果表明，動車組通過時軌道板振動加速度在其相應(yīng)評判標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。其中，實(shí)測新軌道板振動加速度最大值為56.6 m/s2（對應(yīng)車速191.4 km/h），相鄰原軌道板振動加速度最大值為66.5 m/s2（對應(yīng)車速95.9 km/h）。

工務(wù)部門采用添乘儀對換板區(qū)段的線路運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示換板前后無添乘儀偏差，與軌道動態(tài)性能響應(yīng)的測試結(jié)果基本一致，進(jìn)一步說明了軌道板更換施工未對軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)帶來不利影響，能夠滿足動車組安全舒適的運(yùn)輸要求。

綜上，用橫向撥軌換板法更換軌道板后，橫向撥軌力測試及鋼軌變形情況良好；動車通過時的安全參數(shù)、軌道板振動加速度等相關(guān)實(shí)測結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)，且新軌道板與相鄰原軌道板的振動加速度相差不大，軌道動態(tài)性能響應(yīng)滿足列車運(yùn)行時的安全性和平穩(wěn)性要求，技術(shù)應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)論

針對切軌更換法及抬高鋼軌換板法更換軌道板的弊端，創(chuàng)新性提出了在不切斷鋼軌情況下單天窗期采用橫向撥軌換板法更換軌道板的全套技術(shù)。

1）橫向撥軌法實(shí)現(xiàn)了在不切斷鋼軌的前提下更換傷損軌道板，避免了無縫長鋼軌的切割及焊縫處易斷軌的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2）根據(jù)換板區(qū)鋼軌實(shí)際鎖定軌溫、實(shí)測鋼軌溫度及相關(guān)有限元分析與迭代計(jì)算等，確定待換板前后需松開扣件的最小長度；通過試驗(yàn)與工程驗(yàn)證，輔以撥軌作業(yè)時可靠的軌道狀態(tài)監(jiān)控，可確保撥軌后長鋼軌鎖定軌溫不變、無塑性變形或硬彎損傷。

3）采用橫向撥軌法更換軌道板后，動車組通過時安全參數(shù)、軌道板振動加速度等相關(guān)實(shí)測結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)，且新軌道板與相鄰原軌道板的振動加速度相差不大。軌道板更換施工未對軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)帶來不利影響，能夠滿足動車組安全舒適的運(yùn)輸要求。