艱險山區鐵路長大坡道鋪軌施工技術研究

吳啟新

(中鐵十一局集團有限公司 湖北武漢 430061)

1 引言

隨著鐵路建設快速發展，成貴、貴廣、西程等艱險山區鐵路項目相繼完成[1]，特別是川藏鐵路等工程難度極大的鐵路建設[2]，未來將面臨各種長大坡道運輸、鋪軌的難題。我國運營中的高速鐵路坡度最大值一般小于20‰，部分坡度超過20‰的線路長度較短[3－4]。根據《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)規定，區間正線的坡度最大值宜小于20‰，特殊工況下經技術經濟評價指標分析及論證后不應超過30‰。隨著我國山區鐵路建設，部分經過地勢起伏較大的山區[5－6]，坡度最大值超過20‰，并持續出現長大坡道，例如鄭萬鐵路重慶段總體呈現隧道長、坡道大的特點，20‰以上坡度地段達54.3 km，其中下坡地段達20.36 km，線路設計最大坡度高達30‰。采用長大坡道，有利于線路選擇的便利性，減小了線路的長度，節省工程的總投資，但給施工過程中的運輸和鋪軌帶來挑戰，同時增加了線路施工作業的風險[7－10]。針對長大坡道運輸、鋪軌問題，很多學者結合現場鋪軌施工開展了研究工作。李云浩等[11]針對CPG500型機組在有砟軌道25‰長大坡道鋪軌施工中的適應性，重點研究分析了設備能力、施工工藝以及長大坡道鋪軌特點，提出了通過減量鋪軌和增加動力的施工方法解決長大坡道鋪軌難題。李育朝[12]針對鐵路精河－霍爾果斯線蘇古爾至布列開段最大坡度為20‰的情況，重點研究了鋪軌施工中軌縫控制技術，提出了長大下坡道鋪軌施工的施工質量控制措施。長大坡道給鋪軌施工帶來巨大的挑戰，同時也增加了鋪軌施工過程的安全風險，結合鄭萬鐵路重慶段鋪軌工程，通過優化牽引機車配置、增加裝載加固措施和研究安全鋪軌施工技術等方法解決長大坡道鋪軌技術難點，為類似的工程提供借鑒意義。

2 工程概況

鄭萬鐵路重慶段是設計速度為350 km/h高速鐵路線，正線采用100 m定尺長60 kg/m、U71MnG無螺栓孔新鋼軌，一次鋪設跨區間無縫線路。設計施工起止里程為DK635＋420～DK819＋278.697。鋪軌從萬州北站站外鄭州端(DK819＋278.697)開始，經過云陽、奉節、巫山三個新建車站，至鄂渝省界(DK635＋420)結束，共“3站4區間”。鄭萬鐵路重慶段總體呈現隧道長、坡道大的態勢。鄭萬鐵路重慶段橋隧比高達98%，線路設計最大坡度為30‰，坡度30‰達30 km，全線線路坡度大于15‰的地段累計18處，共166.46 km，其中下坡地段達73.66 km，20‰以上坡度地段達54.3 km，其中下坡地段達20.36 km。

3 長大坡道對鋪軌的影響

3.1 主要影響分析

3.1.1 對機車運行的影響

長大坡道對機車運行的影響主要由于上坡地段牽引力不足和下坡地段制動力不足，即上坡地段機車運行時，由于機車的運行狀況不良或數量不足，牽引力不足，導致車輪打滑、空轉，對鋼軌造成損傷；下坡地段機車運行時，由于列車充風時間不夠，造成長鋼軌列車制動力不足，不能較好控制速度及穩定運行，造成長鋼軌沖撞溜逸、列車放飏。同時工程線運輸作業受外部施工環境影響較大，如站前、站后單位無計劃或超范圍施工，極易造成行車安全事故發生。

3.1.2 對鋪軌的影響

長大坡道上坡地段，對鋪軌的主要影響:

(1)長大上坡道鋪軌施工時，當長鋼軌解鎖以后，由于重力作用會出現向后溜逸的現象，造成沖撞設備的事故，并導致設備損壞，以及人員傷亡。

(2)牽引車設備性能不良，動力不足，拖軌鏈條斷裂，造成設備損壞、人員傷亡。

長大坡道下坡地段，對鋪軌的主要影響:

(1)長大下坡道鋪軌施工時，當長鋼軌解鎖以后，由于重力作用會出現自動向前溜逸的現象，造成沖撞設備的事故，并導致設備損壞，以及人員傷亡。

(2)牽引車拖拉長軌時，當鋼軌全部從列車牽出后，由于牽引車自重較小，阻力不足，極易造成牽引車制動不了，導致長鋼軌沖出道床，并導致側翻。

(3)鋪軌列車司機操作不當，列車速度過快，制動力不足，列車沖出施工軌道盡頭，造成車輛、設備損壞。

4 施工技術的研究應用

4.1 牽引機車優化配置

結合施工現場線路情況，工程線列車運行速度不超過20 km/h時，牽引質量宜小于啟動質量限制，并按照運行安全系數不小于120%，優化各種工況機車的配置。

4.1.1 坡道上運行牽引質量

列車在限制坡道上以持續速度運行時機車牽引質量Mg1按公式(1)計算。

式中，Fc為列車持續牽引力(V＝20 km/h時，查表為164.8 kN)；W′0為內燃機車運行單位基本阻力(N/kN)；Mp為內燃機車計算質量(DF4型為135 t)；λy為內燃機車牽引力使用系數(取0.914)；W″0為貨車運行單位基本阻力(N/kN)；ix為內燃機車、車輛坡度加算值(‰)；g為重力加速度(m/s2)；v為機車、貨車運行速度(km/h)。

4.1.2 機車啟動牽引質量上限

列車啟動時最大牽引質量上限Mg按公式(2)計算。

式中，Fq為列車起動時的機車牽引力，查表為401.7 kN；W′q為內燃機車啟動單位基本阻力，取5 N/kN；Wq″ 為貨車啟動單位基本阻力，取 3.5 N/kN；iq為內燃機車、車輛坡度加算值(‰)。

4.1.3 機車制動力、制動距離

列車制動時，由閘瓦壓力產生的列車制動力B按公式(3)計算，不考慮摩擦系數與閘瓦壓力的變化。

列車制動有效距離Se按公式(4)計算。

式中，Kh為列車中每種閘瓦的換算閘瓦壓力(kN)；φh為換算摩擦系數；βc為常用制動系數；?h為列車換算制動率，是列車換算總閘瓦壓力與列車重力之比；W0為列車運行單位基本阻力(N/kN)；ij為機車車輛的單位加算附加阻力換算的加算坡度千分數；v1、v2為速度間隔的初速和終速(km/h)。

4.1.4 裝載長鋼軌機車配置

通過公式(1)～(4)計算，并結合施工現場線路情況，工程線列車運行速度不超過20 km/h時，牽引質量宜小于啟動質量限制，同時按照運行安全系數大于120%，確定各種坡道的機車配置。

(1)坡度≤12‰地段，采用9 km雙機車動力頂推運輸。

(2)12‰＜坡度≤22‰地段，擬采用雙機動力載6 km長軌頂推運輸。

(3)22‰＜坡度≤25‰地段，按照運行安全系數不小于180%，擬采用三機動力最大裝載6 km長軌運輸。

(4)坡度＞25‰地段，擬采用三機動力最大裝載3 km長軌運輸。

4.2 長軌列車裝載加固技術

4.2.1 長軌支架組裝

(1)長軌支架車的組成

500 m長鋼軌運輸車組由鐵路通用車輛N17平車38輛組成，其中36輛為組裝長軌支架車(34輛換長1.3，2輛換長1.5)、1輛為升降車(換長1.3)、1輛為長軌推送車(換長1.3)。中部3輛為長軌鎖定車，首車、尾車各安裝安全防撞門1個。鎖定車位于列車中部第17、18和19車，上中下三層分開鎖緊并各安裝鎖緊裝置鎖定每層6對長軌，每輛車安裝長軌支架及滾輪2組。

(2)長軌支架的安裝、加固

普通支架由鋼支架、橫梁、滾輪組成，鎖定支架由鋼支架、橫梁、滾輪、鎖緊架、鎖緊壓塊、T型高強度螺栓組成。

普通平車上設2組普通支架，鎖定平車上設普通支架一個，鎖定支架一個。

安裝時，支架底部安裝孔與平車耳孔對齊，用壓塊、螺栓上緊。鎖定支架因受力大，需另外采用8＃鐵絲或彈條呈八字型加固，必要時需采用間接措施，使鎖定支架底座與平車固定在一起。

4.2.2 長鋼軌鎖定

(1)每層長鋼軌裝齊后，用電動扳手將鎖緊螺栓上緊，再采用加長扳手加力，扭力不得小于250 N·M。

(2)每層長鋼軌上畫一道橫線，作為運輸過程中檢查鋼軌竄動的參考依據。

4.2.3 長軌運輸支架檢查

(1)每列長軌吊裝加固完畢后，吊裝工班自檢長軌加固情況，如不符合要求，及時整改加固，包括支架橫梁的鎖定。

(2)大列運行到每一個車站，車長下車檢查鎖定車情況，查看鎖定裝置是否松動脫落，查看標注橫線確定長軌是否竄動。

(3)長軌鋪設完畢返回前，由添乘干部及車長檢查是否有超限或加固不良情況。

(4)長軌空列返回基地后，由鋪運一隊安排專人檢查支架，查看支架是否有變形、脫焊、竄動情況，及時調整修復。

4.3 長軌鋪設安全施工技術

4.3.1 長軌列車對位

列車從前方站運行到鋪軌場地時，必須嚴格遵守列車調度員的命令，同時列車最前端車輛應安裝緊急制動閥，以供運轉車長值乘使用。列車應距離鋪軌場地100 m處停車，同時運轉車長應與鋪軌負責人聯系，掌握鋪軌現場的施工情況，并及時通知機車乘務員。動車前應確保已完成準備工作，行車區域內的人員不在線路上，車輛運行狀態良好，同時線路內無障礙物。對位過程中，運轉車長向司機正確顯示10、5、3 車及5、3、1 m 距離信號，司機鳴笛回應，如司機無回應，運轉車長應顯示停車信號或盡快采取制動措施。

多機重聯時，前方鋪軌對位作業由本務機車負責，作業過程中要保證各機車司機呼喚應答，確保動作同步。前方運轉車長、鋪軌機車乘務員交接班時，必須保證交接順暢，并必須對鋪軌位置坡度以及線路質量等交接清楚。

4.3.2 長軌鋪設過程解鎖安全技術

長軌列車對位完成后，開始解鎖1對長鋼軌，解鎖前將長軌防溜裝置壓緊準備解鎖的一對鋼軌。長軌防溜裝置(見圖1)是自行研制，防止大坡道長鋼軌在重力影響下溜逸的裝置，有效防止施工中鋼軌自溜，造成事故，防溜裝置安裝示意如圖2所示。

圖1 防溜裝置結構示意

圖2 防溜裝置安裝示意

為防止長大坡道解鎖時長鋼軌出現自溜，通過防溜裝置施加垂直于長鋼軌的豎向力N3，此時長鋼軌的受力如圖3所示。圖3中α為鋪軌的坡度(按照30‰即sinα＝0.03)；F2為防溜裝置施加豎向力后產生的摩擦力即鋼軌與壓片間的摩擦力(鋼軌與壓片的摩擦系數f2取0.3)；F1為鋼軌與滾輪的摩擦力(鋼軌與滾輪間屬于滾動摩擦，其摩擦系數f1取0.005)；G為鋼軌的重力(取30 t)；G1為鋼軌沿坡道方向的重力分力；G2為鋼軌沿垂直坡道方向的重力分力；n為安全系數，取1.2。

圖3 長鋼軌受力示意

摩擦力:F1＝G×cosα×f1＝1.46 kN

重力分力:G1＝G×sinα＝8.82 kN

防溜裝置產生的摩擦力:F2＝N3×f2＝0.3N3

防溜裝置加載后，摩擦力需大于下滑力，即:

根據公式(5)，防溜裝置至少需加載3.04 t。

根據理論計算出的加載值為理想狀況下的數值，現場使用過程中因鋼軌生銹、滾輪生銹、滾輪故障，摩擦系數比理論值偏大，實際使用防溜裝置時，防溜裝置所需的加載遠小于3.04 t，因此根據理論計算出的防溜裝置加載值能滿足要求，能夠有效阻止鋼軌自溜。

長軌大列解鎖前，提前將阻尼裝置壓緊，松開安全擋板與要拖拉的一對鋼軌鎖定裝置(鋪軌結束后需恢復安全擋板)。如拖拉上層鋼軌，應預先將升降滾輪架調整到合適高度。指揮人員拉軌應跟著鋼軌走，觀察鋼軌動態，預防鋼軌卡子掛架子或安全門，通知鎖定解鎖應二號車指揮通知鎖定解鎖，解鎖時指揮應隨時注意鋼軌動向。

4.3.3 牽引車拖軌安全技術

牽引車拖拉鋼軌，鋼軌離開運輸支架后，阻力變小，易導致牽引車無法制動，采用增加滑動木塊取代滾輪支墊在鋼軌下，增加長鋼軌滑動阻力，保障長鋼軌不會自由下滑推動一號車造成傷害，以牽引車加裝剎車裝置確保安全。

在長大下坡道牽引長鋼軌時，指揮應時刻注意牽引車吊具的動向，吊具吊鏈呈后拉時正常牽引長鋼軌，在20‰至30‰的下坡道上牽引長鋼軌時，長鋼軌脫離推送車200 m、300 m道床上放置方木(滑動摩擦代替滾動摩擦)，若長鋼軌速度未能降下來可視情況加墊阻尼方木。牽引車拖拉長鋼軌鋪設到位后，落軌前推送車卷揚設備鋼絲繩掛住長鋼軌尾部，保持受力狀態后落軌，防止落軌后鋼軌自由下滑。

5 結束語

鄭萬鐵路重慶段總體呈現隧道長、坡道大的態勢，最大坡度達到30‰，20‰以上坡度地段達54.3 km，其中下坡地段為20.36 km。長大坡道給鋪軌施工帶來巨大的挑戰，同時鋪軌施工過程中也存在巨大的風險。針對鄭萬鐵路坡度陡，長大坡道多的特點，從牽引機車優化配置、列車裝載加固和長軌鋪設安全施工等方面研究了長大坡道施工技術，主要結論如下:

(1)根據施工現場線路特點，在確保牽引質量不超過啟動質量限制的條件下，同時保證機車制動力和制動距離滿足安全要求，對不同坡道地段的機車進行優化配置，優化配置后的機車能滿足上坡地段牽引力和下坡地段制動力的要求。

(2)長鋼軌運輸車主要有普通平車和鎖定平車，通過鎖定平車的鎖定支架與平車固定保證了長軌支架的安全穩定，每層長鋼軌裝齊后，通過鎖緊螺栓將長鋼軌進行鎖定，同時在運輸和鋪軌過程中加強對長軌支架的檢查。

(3)長鋼軌鋪設過程中，加強對鋪軌對位作業的現場指導和管理，同時利用自主研發的長軌防溜裝置確保長鋼軌解鎖的安全；牽引車拖拉鋼軌時，通過增加滑動木塊取代滾輪支墊，增加了長鋼軌滑動阻力，從而保證了長大坡道鋪軌的安全性。

(4)在鄭萬鐵路重慶段鋪軌過程中，采用以上鋪軌施工技術完成了最大坡度高達30‰的長大坡道段的鋪軌任務，為今后同類工程施工提供了寶貴的經驗。