長大隧道內無縫線路設計鎖定軌溫研究

關鍵詞：長大隧道；無縫線路；強度；穩定性；鎖定軌溫中圖分類號： 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）23-0105-04

Abstract：Basedonthereplacementofcontinuouslyweldedrailinlong tunnelsfortheGuangzhou Engineering Section，the researchonthedesignfastening-downtemperatureofcontinuouslyweldedrailinforlong tunnelsiscariedout.Firstly，the strengthalculationofcontinuouslyweldedrailtrackiscarriedouttoobtainthealowabletemperaturedroprangeofrailby usingthetheoryofcontinuouselasticsupprtbeamsandquasi-staticcalculationmethods.Secondly，thestabilitycalculationof continuouslyweldedrailiscarredouttoobtainthealowabletemperatureriserangeofrailbyusingtheunifiedcalculation formulaforimprovingthestabilityofcontinuouslyweldedrail.Finally，thedesignfastening-downtemperatureofcontinuously weldedrailinforlongtunnelisobtained，byconsideringtherailtemperaturedatainthelocalarea，thealowabletemperature droprangeandthetemperatureriserangeofthecontinuouslyweldedrail.Theresearchresultscanprovidethereferencefor determining the design fastening-down temperature in the of similar continuously welded rail.

Keywords： long tunnel; seamless track; strength; stability; locked rail temperature

目前，廣州工務段管內大瑤山及雷公尖等長大隧道內更換鋪設跨區間無縫線路，迫切需要確定無縫線路設計鎖定軌溫。無縫線路設計鎖定軌溫在其設計、施工、養護和管理中具有不可替代的作用。它反映了無縫線路在不同的溫度條件下鋼軌縱向內應力的問題。合理的設計鎖定軌溫，可以確保鋼軌在溫度變化時，其內部應力保持在安全范圍內，從而避免斷軌、脹軌等安全事故的發生1。無縫線路設計鎖定軌溫的確定一般需要綜合考慮當地氣象條件、無縫線路強度條件、無縫線路穩定性條件和斷縫允許值等因素[2]。

本文基于合理的解析計算方法，收集隧道所在地區及隧道內的最高、最低氣溫、軌溫等資料，通過計算研究確定長大隧道從進洞口至出洞口內無縫線路單元軌條設計鎖定軌溫

1項目背景

《廣州局集團公司普鐵線路設備大修管理實施細則（修訂）》3規定：無縫線路相鄰單元長鋼軌軌節的鎖定鋼軌溫度差值不超過 5°C ，同一區間單元長鋼軌軌節的最高、最低鎖定鋼軌溫度差值不應超過 10^°C ，左、右股長鋼軌鎖定鋼軌溫度差值不超過 5% 。長大隧道距離洞口 200m 范圍之內與隧道洞口之外的無縫線路設計鎖定鋼軌溫度宜相等，向隧道內的相鄰單元長鋼軌軌節的設計鎖定鋼軌溫度逐步過渡。隧道內單元長鋼軌軌節鎖定鋼軌溫度與同一區間隧道外的無縫線路鎖定鋼軌溫度差值宜不超過 10% 0

2無縫線路強度計算

2.1 基本假設

為了快速、方便對無縫線路強度進行計算，采用如下的基本假設：

1）列車、軌道結構均處于正常工作狀態，并且符合鐵路相關規程及行業標準。

2）將鋼軌視為連續彈性基礎支承的無限長梁，鋼軌下的基礎變形與基礎壓力的關系符合胡克定律。

3）車輪荷載作用在鋼軌橫截面的中心位置，兩股鋼軌作用的車輪荷載相等。

4）不考慮鋼軌自身的重量。

2.2鋼軌強度計算模型

既有無縫線路軌道結構類型， 60kg/m-U75V 鋼軌，Ⅱ型彈條扣件，Ⅱ型軌枕間距 60cm ，面砟厚度25cm 底砟厚度 20cm 的碎石道床。根據TB10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》5，采用連續彈性基礎支承梁模型，通過計算各車輪對輪下截面的作用的影響當量值，得出鋼軌的最大動彎應力，隨后確定無縫線路允許溫降。模型如圖1所示。

圖1連續彈性基礎支承梁模型

無縫線路鋼軌強度計算的有關參數，鋼軌線膨脹系數 α=1.18×10^-5m/m^.9C ，鋼軌鋼彈性模量 E=2.1×10⁵MPa 鋼軌對水平軸慣性矩 I_x=3217cm⁴ ，鋼軌對豎直軸慣性矩 I_y=524cm⁴ ，鋼軌上部斷面系數 w₁=339cm³ ，鋼軌下部斷面系數 w₂=396cm³ ，鋼軌屈服強度 σ_s=472MPa ；軌枕間距 a=60cm ，計算鋼軌強度時，鋼軌支座剛度， D= 33kN/mm ，鋼軌基礎彈性模量 u=D/a=55MPa 。

由于相鄰轉向架輪對相距較遠，在計算車輪對軌道的豎向作用時，可以忽略相鄰轉向架的影響，僅考慮一個轉向架的作用，以HDX3型電力機車為例，軸重 25t，3 個輪對之間間距分別為 2250.2000mm ，選取3個車輪為計算輪位，各車輪當量作用值計算結果見表1。

表1中， η 為鋼軌豎向變形的影響系數， η=e^-kx （coskx+sinkx） ，式中： 為鋼軌基礎與鋼軌自身的剛比系數， ??μ^? 為鋼軌截面彎矩的影響系數 ，μ=e^-kx（coskx-sin kx_? ）

2.3 允許溫降幅度

無縫線路長鋼軌允許溫降幅度由鋼軌強度條件來計算確定，如式（1）

式中： [σ] 為鋼軌的允許應力，由鋼軌屈服強度除以安全系數計算獲得； σ_d 為鋼軌的動彎應力，取軌底邊緣的動彎應力； σ_z 為鋼軌的制動應力與牽引應力，一般取 σ_z=10MPa;E，α 為鋼軌的彈性模量及線膨脹系數。

本鐵路線路為客貨混運線路，因此計算時需考慮客運列車和貨運列車行駛時的不同動荷載影響。考慮速度系數、偏載系數以及橫向水平力系數的影響，由準靜態計算方法獲得鋼軌截面的最大動彎矩，再計算獲得鋼軌軌底邊緣的最大動彎拉應力，然后由式（1）計算得出隧道內直線段允許溫降為 89.77^°C ，曲線段允許溫降為 81.3‰

2.4 鋼軌斷縫檢算

允許溫降還應滿足鋼軌斷縫檢算要求，鋼軌斷縫 檢算可由式（2）計算

式中： λ 為鋼軌斷縫 （mm）;[λ] 為鋼軌斷縫容許值，取70mm;r 為線路縱向阻力，取 110N/cm 。

表1鋼軌靜位移、靜彎矩及枕上靜壓力計算表

3無縫線路穩定性計算

3.1 基本假設

為了快速、方便開展無縫線路的穩定性計算，采用如下的基本假設。

1）無縫線路的原始彎曲變形曲線通常包括多個波段，為了簡化，僅取其中變形半波長長度范圍內的一段軌道結構。

2）無縫線路原始彎曲的變形曲線包括原始彈性彎曲 y_0e 曲線和原始塑性彎曲 y_0p 曲線2個部分，無縫線路原始彈性彎曲變形曲線視為半波正弦曲線，用式（3）計算

式中 ：f_0e 為無縫線路原始彈性彎曲變形曲線矢度（cm），l₀ 為無縫線路原始彎曲變形曲線的半波長 （cm） 。

無縫線路原始塑性彎曲變形曲線視為一半徑 R_0p 的圓曲線，用式（4）計算

3）在溫度壓力作用下，無縫線路變形曲線視為半波正弦曲線，用式（5）計算

式中 ?f 為溫度壓力作用下無縫線路變形曲線矢度，l為溫度壓力作用下無縫線路變形曲線的半波長（ （cm） ，l=l_0° （204號

4）單位長度的道床橫向阻力用式（6）計算

q（x）=q₀-q₁y_f^z+q₂y_fⁿ，

式中： q₀…q₁…q₂ 為道床橫向阻力系數， z，n 為阻力系數 的指數，根據實測資料確定[5]

3.2 允許溫升幅度

無縫線路長鋼軌受到很大的縱向阻力約束，不能隨著軌溫的變化而自由伸縮，因此，在長鋼軌內部會產生很大的溫度壓力，對無縫線路的穩定性產生很大的影響。溫度壓力越大，無縫線路可能會發生漲軌跑道事故。

無縫線路穩定性計算條件下，其溫度壓力用式（7）計算

式中： ，其中， ω= 為軌道原始彈性彎曲的相對曲率;1/R^′ 為換算曲率; Q 為等效道床阻力，取 11.5kN/m;β 為軌道框架系數，有砟軌道取 1.0;J 為兩鋼軌截面對垂直軸的慣性矩， J=2I_y=1 048cm⁴ 。

無縫線路允許溫度壓力可由軌道穩定性計算溫度壓力除以一個安全系數 K（K 取1.3）之后求得

允許溫升可由 [ΔT_u]=[P]/2EFα 計算得出， F 為鋼軌斷面積， α 為鋼軌線膨脹系數，將本文中有關參數代入，可得其值為 78.9‰ 。

可以滿足強度和穩定性條件。

綜上，以大瑤山隧道為例，中心里程處無縫線路設計鎖定鋼軌溫度取為 28（+5，-3）^qC ，而隧道洞口 200m 范圍內的設計鎖定鋼軌溫度可取為 34（+5，-3）^qC ，由此逐漸向隧道中心里程處的設計鎖定鋼軌溫度過渡，隧道內相鄰單元軌節的設計鎖定鋼軌溫度差值為 0.5～1‰

5 防爬器設置

考慮到隧道洞口 200m 范圍內以及中心里程處無縫線路設計鎖定軌溫不同，隧道內外存在軌溫差，為了保持無縫線路的穩固狀態，溫度力過渡區的長鋼軌的縱向伸縮位移可以通過鋪設防爬器消除。一組防爬器可提供 15000N^[6]"的縱向阻力，防爬器一般間隔幾根軌枕設置一對。

6 結束語

本項目長大隧道中心里程處無縫線路設計鎖定軌溫取為 28（+5，-3）^qC ，而隧道洞口 200m 范圍內的設計鎖定軌溫可取為 34（+5，-3）^qC ，設計鎖定軌溫由隧道洞口向隧道中心里程處逐漸過渡。設計鎖定軌溫滿足無縫線路強度、橫向穩定性及鋼軌斷縫檢算等條件。

為了進一步對設計鎖定軌溫的研究檢算工作進行深人探討，建議在今后進行以下研究工作：

1）對斷縫允許值進行必要的靜、動力學仿真分析和實驗研究，從動力學角度確定稿速條件下合理的無縫線路斷縫允許值，為鎖定軌溫的確定提供依據。

2）應通過動力學仿真及試驗進一步考慮無縫線路道岔等特殊地段附加縱向力對確定無縫線路設計鎖定軌溫的影響。

參考文獻：

[1]付剛.無縫線路鋼軌鎖定軌溫施工技術研究[J].鐵道建筑技術，2024（2）：24-27，40.

[2]胡華鋒.客運專線無砟軌道無縫線路鎖定軌溫確定方法的探討[J].中國鐵道科學，2008（6）：30-34.

[3]廣州局集團公司普鐵線路設備大修管理實施細則（修訂）（廣鐵工發[2019]93號）[Z].2019.

[4]陳秀方，婁平.軌道工程[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2017.

[5]鐵路無縫線路設計規范：TB10015—2012[S].北京：中國鐵道出版社，2013.

[6]李陽春.隧道洞口無縫線路參數計算[J].鐵路建筑技術，2006（1）：9-11.