高速鐵路無砟軌道撥軌換板技術(shù)

毛曉君

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，上海 200071）

高速鐵路無砟軌道線路在列車荷載、外部環(huán)境、線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形等因素共同影響下，軌道結(jié)構(gòu)往往出現(xiàn)軌道板傷損、砂漿層離縫、支承層破損等問題［1］。無砟軌道結(jié)構(gòu)傷損維修難度大，成本高，安全風(fēng)險大，已成為高速鐵路無砟軌道線路工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)。

目前，較早運(yùn)營的鋪設(shè)無砟軌道的高速鐵路線路已發(fā)現(xiàn)軌道板裂紋、掉塊甚至地圖狀裂損等病害，若不及時處理可能會影響其結(jié)構(gòu)承載能力和線路幾何狀態(tài)，成為行車安全隱患［2-3］。國內(nèi)現(xiàn)有的軌道板更換技術(shù)以鋸軌更換法為主，存在焊縫增加、工序復(fù)雜、效率低下等不足。為提高工作效率，適應(yīng)高速鐵路維修天窗短的特點(diǎn)，亟需研究軌道板快速更換技術(shù)。

1 更換軌道板方案比選

我國高速鐵路板式無砟軌道有CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型3類，其標(biāo)準(zhǔn)尺寸見表1。

CRTSⅠ型、CRTSⅡ型軌道板板下為水泥乳化瀝青砂漿，換板時軌道板與水泥乳化瀝青砂漿分離，可不進(jìn)行起吊；CRTSⅢ型軌道板通過門型筋與板下自密實混凝土層相連，換板時連同自密實混凝土層一并起吊。

表1 3類板式無砟軌道標(biāo)準(zhǔn)板參數(shù)

現(xiàn)有鋸軌換板法施工流程為：鋼軌切割移出、傷損軌道板移除、換鋪新軌道板、鋼軌移入、軌道精調(diào)、鋼軌焊接。其中，鋼軌切割、焊接及探傷環(huán)節(jié)工序繁瑣，占用天窗數(shù)量較多；鋼軌切割與焊接改變了線路既有的鎖定軌溫，后期須開展應(yīng)力調(diào)整作業(yè)；焊縫的增加不僅破壞鋼軌的整體性，也影響線路的平順性。開展不鋸軌換板方案研究成為主流趨勢［4］。

以不鋸軌為前提進(jìn)行軌道板更換，需要在一定長度范圍內(nèi)松開扣件后橫向撥開鋼軌（撥軌）或垂向抬升鋼軌（抬軌）。一方面，由于鋼軌自重較大，同等長度下抬升鋼軌所需的抬軌力遠(yuǎn)大于撥軌力。另一方面，由于凸形擋臺、軌道承軌臺、限位凹槽等結(jié)構(gòu)的存在，抬軌方案下鋼軌抬升量較大；且由于線路橫向空間有限，特別是單線線路（如聯(lián)絡(luò)線），抬軌方案下鋼軌被抬升后需要從側(cè)面將傷損軌道板橫向抽出，操作難度大。因此，撥軌方案更具可操作性。

撥軌更換軌道板（簡稱撥軌換板）方案見圖1。在傷損軌道板兩側(cè)對稱松開一定數(shù)量的扣件（扣件松開長度s為扣件間距的整數(shù)倍），在傷損軌道板兩側(cè)對稱施加鋼軌撥道力F，加載間距為L（為便于施工，一般L取軌道板長度的整數(shù)倍），橫向撥道量為h。為保持撥道后鋼軌線形的穩(wěn)定，在扣件松開范圍內(nèi)設(shè)置多個鋼軌支撐滑道，在扣件松開末端各設(shè)置1 個軌距拉桿以保持未松開扣件處的軌距。

圖1 撥軌更換軌道板方案示意

2 撥軌換板方案可行性

撥軌換板的關(guān)鍵在于橫向撥軌時鋼軌的強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析［5］。建立有限元分析模型研究撥軌換板方案中鋼軌的受力特性。根據(jù)TB/T 3276—2011《高速鐵路用鋼軌》［6］，模型中選用250 km/h以上高速鐵路用U71MnG鋼軌，采用實體單元模擬，受力主要有千斤頂對鋼軌的橫向撥道力、支撐滑道對鋼軌的垂直支撐力、重力、鋼軌與支撐滑道之間的摩擦力；扣件為WJ-7型，扣件松開范圍外的扣件簡化為三向彈簧并賦予三向剛度。模型計算參數(shù)見表2。

表2 模型計算參數(shù)

撥軌換板方案的主要施工參數(shù)包括扣件松開長度s、橫向撥道力加載間距L、橫向撥道量h、作業(yè)軌溫t、線路曲線半徑R。計算時L取2 塊軌道板長；h由軌道板寬度及工裝安裝預(yù)留空間確定，結(jié)合現(xiàn)場實際，本文取h=740 mm，為橫向撥道量最大值。本文重點(diǎn)分析s，t，R對技術(shù)方案可行性及安全性的影響。遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論（形狀改變比能理論），用Mises等效應(yīng)力評價材料的疲勞及破壞［8］。Mises 等效應(yīng)力超過鋼軌鋼材屈服強(qiáng)度（σs=460 MPa）后會發(fā)生塑性變形，影響換板后鋼軌精調(diào)回位。根據(jù)規(guī)范［9］取安全系數(shù)K=1.3，則鋼軌允許應(yīng)力為353.85 MPa。

2.1 扣件松開長度的影響

扣件松開長度是撥軌換板中最重要的施工參數(shù)之一。通過有限元計算得出鋼軌內(nèi)部的Mises 等效應(yīng)力隨扣件松開長度的變化規(guī)律，見圖2。計算時取s= 60 ～120 m，間距10 m，設(shè)7 種工況；作業(yè)軌溫與鎖定軌溫的溫差Δt按較不利條件取Δt=-15 ℃。

圖2 扣件松開長度對鋼軌內(nèi)部Mises等效應(yīng)力的影響

從圖2可知：鋼軌內(nèi)部的Mises等效應(yīng)力隨著扣件松開長度的增加呈冪函數(shù)遞減；s＞70 m時，鋼軌處于受力安全狀態(tài)。考慮安全儲備和現(xiàn)場實際，取s=104 m，即松開165組WJ-7型扣件。

2.2 作業(yè)溫度的影響

松開一定數(shù)量的扣件后，鋼軌在一定范圍內(nèi)無扣件約束。Δt ＞0 時，作業(yè)軌溫高于鎖定軌溫，鋼軌內(nèi)部的溫度壓應(yīng)力可能引起軌道失穩(wěn)；Δt ＜0 時，作業(yè)軌溫低于鎖定軌溫，鋼軌內(nèi)部的溫度拉應(yīng)力與撥道產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加可能拉斷鋼軌。為得到撥軌換板的允許作業(yè)軌溫，分析不同溫差下鋼軌的應(yīng)力狀態(tài)，通過有限元計算得出鋼軌內(nèi)部的Mises 等效應(yīng)力隨溫差的變化規(guī)律，見圖3。考慮夜間天窗實際溫度情況，計算時使Δt從-30 ℃變化至5 ℃；取s=104 m。

圖3 溫差對鋼軌內(nèi)部Mises等效應(yīng)力的影響

從圖3可知，隨著Δt從-30 ℃變化至5 ℃，鋼軌內(nèi)部Mises 等效應(yīng)力先拉后壓，且在拉、壓范圍內(nèi)基本成線性，最大值為357 MPa。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)力測試結(jié)果，撥道過程中鋼軌應(yīng)力一般小于50 MPa。顯然，溫差引起的溫度應(yīng)力遠(yuǎn)大于撥道使鋼軌產(chǎn)生的拉應(yīng)力。因此，s較大時溫差成為鋼軌應(yīng)力的主導(dǎo)因素。最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)在Δt= -30 ℃時，超出鋼軌允許應(yīng)力（353.85 MPa）僅0.9%，且隨著Δt的增大溫度應(yīng)力逐漸減小。因此可以認(rèn)為，Δt＞-30 ℃時，即作業(yè)軌溫比鎖定軌溫低30 ℃以內(nèi)，撥軌作業(yè)不會引起鋼軌塑性變形。

2.3 線路曲線半徑的影響

曲線是線路的薄弱環(huán)節(jié)，且曲線段內(nèi)外股鋼軌線形不對稱，較長范圍松開扣件后進(jìn)行對稱撥道會帶來安全隱患，尤其是內(nèi)軌撥開后線形與原線形彎曲方向不一致。通過有限元計算得出鋼軌內(nèi)部的Mises 等效應(yīng)力隨線路曲線半徑的變化規(guī)律，見圖4。計算時取R =1～12 km，間隔1 km，設(shè)12 種工況；取s=104 m，Δt=-15 ℃。

圖4 曲線半徑對鋼軌內(nèi)部Mises等效應(yīng)力的影響

由圖4 可知：R ＜2 km 時，外軌內(nèi)部Mises 等效應(yīng)力超過鋼軌允許應(yīng)力（353.85 MPa），撥道會使鋼軌產(chǎn)生塑性變形；隨著R的增大，鋼軌內(nèi)部Mises 等效應(yīng)力逐漸減小；R ＜9 km 時外軌內(nèi)部應(yīng)力明顯大于內(nèi)軌，這是由于外軌撥道方向與線路彎曲方向一致，撥道增大了鋼軌的彎曲幅度；R ＞9 km時，內(nèi)外軌內(nèi)部應(yīng)力均相對穩(wěn)定，此時R對鋼軌內(nèi)部應(yīng)力的影響逐漸消失。考慮高速鐵路最小曲線半徑為7 km，因此一般線路上進(jìn)行撥軌換板時曲線半徑的影響可忽略不計。

3 撥軌換板技術(shù)

3.1 施工裝備

為實現(xiàn)不鋸軌前提下的無砟軌道板更換，提高作業(yè)效率，上海局集團(tuán)有限公司聯(lián)合徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司自主研發(fā)了軌道板更換主平臺、快速撥道裝置、軌道板位置快速調(diào)整裝置，并以軌道車為牽引動力、以鐵路NX70平板車為載體將上述3款裝置與材料灌注設(shè)備、液壓動力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等模塊集成于一體，形成了軌道板更換一體化裝備。考慮到高速鐵路部分聯(lián)絡(luò)線為單線，對軌道板更換裝備進(jìn)行了通用性和適應(yīng)性設(shè)計，使其具備鄰線更換和本線更換2 種作業(yè)模式。

3.2 施工作業(yè)流程

結(jié)合軌道板更換一體化裝備，上海局配套制定了軌道板快速更換施工工藝，分3個天窗開展換板作業(yè)。施工準(zhǔn)備天窗主要開展傷損軌道板位置標(biāo)記與采集、軌道車停車位置標(biāo)記等工作；精調(diào)天窗主要開展軌道板更換之后該區(qū)段的線形測量與精調(diào)。換板施工天窗是軌道板更換作業(yè)的核心（圖5），關(guān)鍵步驟包括扣件松開、鋼軌撥道、傷損軌道板移出、板底砂漿層鑿除與清理、新軌道板移入、新軌道板位置調(diào)整、板底砂漿層灌注、鋼軌復(fù)位、扣件安裝與復(fù)緊等。

圖5 換板施工天窗作業(yè)流程

4 線下試驗驗證

選取上海局一條有包含2種無砟軌道結(jié)構(gòu)（CRTSⅠ型和CRTSⅡ型）的保養(yǎng)線，利用軌道板更換一體化裝備進(jìn)行撥軌換板施工（圖6），以驗證軌道板快速更換技術(shù)及各裝備和施工工藝的可行性與可靠性。

圖6 無砟軌道板快速更換技術(shù)線下試驗現(xiàn)場

施工包括CRTSⅠ型和CRTSⅡ型無砟軌道板鄰線與本線4種作業(yè)工況。在鋼軌撥道過程對鋼軌應(yīng)力及位移進(jìn)行測試，監(jiān)測撥軌過程中鋼軌應(yīng)力和位移變化，驗證理論計算結(jié)果并評價撥道試驗對鋼軌狀態(tài)的影響。監(jiān)測內(nèi)容包括鋼軌軌腰處縱向應(yīng)力、鋼軌軌底上緣的橫向應(yīng)力、扣件松開處鋼軌的縱向位移等。現(xiàn)場測點(diǎn)布置見圖7。其中，在扣件正常緊固處布置測點(diǎn)A 作為參照點(diǎn)；在扣件松開末端第1 個扣件緊固處各設(shè)置1 個軌距拉桿（測點(diǎn)B）；扣件松開范圍內(nèi)設(shè)置4道鋼軌支撐滑道（測點(diǎn)C），其中2 個撥道加載點(diǎn)向外15 m 處各1 道，扣件松開末端的軌道板上各1 道；測點(diǎn)D，E 分別為撥道加載點(diǎn)和撥軌中點(diǎn)。試驗中，橫向撥道力加載間距取2 塊CRTSⅠ型軌道板長度；松開143組扣件，s≈90 m；

圖7 鋼軌狀態(tài)監(jiān)測測點(diǎn)布置

鋼軌狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果顯示：沿鋼軌縱向，鋼軌縱向、橫向應(yīng)力均從撥軌點(diǎn)向兩側(cè)逐漸減小，在撥軌點(diǎn)處最大，且最大值遠(yuǎn)小于U71MnG鋼軌允許應(yīng)力；兩端松扣件處的鋼軌位移在-1 ～1 mm 的可控范圍內(nèi)。試驗結(jié)果表明，軌道板更換一體化裝備綜合性能及可靠性良好，作業(yè)效率較高；各環(huán)節(jié)銜接流暢，關(guān)鍵工序及總體施工時間可控，可以滿足高速鐵路較短運(yùn)營天窗內(nèi)更換無砟軌道板的需求。

5 結(jié)論

1）結(jié)合高速鐵路天窗時間短的特點(diǎn)，分析論證了撥軌更換無砟軌道板方案的可行性和可靠性。

2）建立有限元分析模型研究撥軌更換軌道板方案中鋼軌的受力特性，研究了扣件松開長度、施工作業(yè)溫度和線路曲線半徑等因素對鋼軌應(yīng)力的影響并確定關(guān)鍵參數(shù)。在扣件松開長度大于70 m 的情況下，一般作業(yè)溫度及曲線區(qū)段均具備開展撥軌更換軌道板作業(yè)的條件。

3）選取線下試驗線，利用軌道板更換一體化裝備開展撥軌更換軌道板方案下的無砟軌道板快速更換施工，結(jié)果表明：提出的技術(shù)方案可行，裝備性能可靠，施工作業(yè)流程銜接流暢，時間可控；施工過程中鋼軌應(yīng)力狀態(tài)安全，實現(xiàn)了無砟軌道板更換效率和機(jī)械化程度的提升。