西张线小半径曲线地段铺设无缝线路分析

杨旭东 上海铁路局工务处

西张线位于安徽省淮南地区，是阜淮铁路连接矿区的一条重要支线，主要承担沿线的煤矿运输，目前该线为普通线路，钢轨接头病害多、养护维修工作量大。无缝线路与普通线路相比，减少了钢轨接头数量，改善了轨道结构，减缓了线路病害的发生，延长了线路维修周期。无缝线路是线路大修改造的优先选择，但是无缝线路长轨条内部随轨温的变化会产生巨大的温度力，当轨温升高时，会产生温度压力，温度压力的存在会对无缝线路的稳定性造成影响。在曲线地段，温度压力会产生较大的径向分力，曲线半径越小分力越大，因此小半径曲线铺设无缝线路时应根据具体情况进行轨道强度及稳定性计算。针对西张线曲线多、半径小的特点，本文主要对该线300 m≤R≤600 m曲线地段铺设无缝线路的可行性进行分析，以期为该线路以及类似条件的其他线路铺设无缝线路提供参考。

1 概况

西张线起于淮南西站N403岔尖，止于张楼站N1岔尖，线路全长20.596 km，非电气化铁路，主要承担煤炭运输。全线共有曲线17条，总长5.850 km，占线路全长的28.4%，其中R≤600 m曲线9条（Rmin=292 m），共计4.166 km，占线路全长的20.2%。曲线上均铺设混凝土轨枕，轨枕配置除300 m≤R≤400 m为1840根/km外，其余均为1760根/km。碎石道床，道床厚度25 cm以上，肩宽0.2 m~0.3 m，外侧无堆高；道床病害多；路肩宽度不足。

该区段机车类型为东风4型内燃机车，最高轨温Tmax=61.0℃，最低轨温Tmin=-20.6℃。

2 轨道强度和稳定性计算

2.1 强度计算

无缝线路钢轨应有足够的强度，以保证在动弯应力、温度应力及其他附加应力共同作用下不被破坏，仍能正常工作。此时，要求钢轨所承受的各种应力的总和不超过规定的容许值。通过轨道强度的计算可以得到钢轨允许温降[△Td]，采用式（1）进行计算。

式中，[σs]为钢轨容许应力，取 300 MPa；σgd为钢轨轨底动弯应力；σc为钢轨承受的附加应力，按10 MPa计算。

σgd采用准静态法进行计算，计算公式为：

式中，D为钢轨支座刚度，取30 kN/mm；a为轨枕间距；Ix、Wd分别为钢轨水平惯性矩及轨底截面系数，P60钢轨垂直磨耗为 6 mm 时，Ix=2879 cm4、Wd=375 cm3；P、x分别为车轮群中各车轮的轮载、轴距（查表可得）；α1为速度系数，内燃机车α1=0.4V/100；β为偏载系数，按0.002△h计算（△h为未被平衡超高，取90 mm）；f为横向水平力系数。

通过计算得到不同工况下钢轨允许温降值如表1。

表1 钢轨允许温降值

2.2 稳定性计算

由于温升引起的钢轨温度压力是导致无缝线路失稳的根本原因，为保持轨道的稳定状态，避免发生胀轨跑道，必须将温度压力控制在一定范围以内，在无缝线路稳定性计算时以轨道产生横向位移f=2 mm时的温度压力PN除以安全系数K后得出的温度力[P]作为控制温度力，从而计算出允许温升[△Tu]。相应的计算公式如下：

式中，β为轨道框架刚度换算系数，取2.0；Iy为钢轨竖直惯性矩，取524 cm4；f0e为轨道原始弹性弯曲矢度，取3 mm；l为轨道原始弯曲半波长；Q为等效道床横向阻力，轨枕配置为1840根/km时取 87 N/cm、1760根/km时取 84 N/cm；1/R＇为合成曲率，1/R＇=1/R+8f0p/l2，其中R为曲线半径，f0p为轨道原始塑性弯曲矢度，取3 mm；K为安全系数，取1.3；F为钢轨截面面积，取77.45 cm2。

在保证轨道弹性原始弯曲曲率（f0e/l2）不变的条件下，利用式（5）对轨道原始弯曲半波长进行试算，即由式（5）计算得l值，如果与轨道原始弯曲半波长l0（取4 m）有较大出入，令l=l0，重新计算f0e＇，将f0e＇代人式（5）重新计算l，直至与最后假定的l0相近，从而确定出最不利的轨道原始弯曲半波长。通过计算得出不同工况下允许温升值，如表2。

表2 钢轨允许温升值

3 铺设无缝线路可行性分析

3.1 铺设条件检算

某一地区能否铺设无缝线路，主要决定于轨道的允许温升[△Tu]与允许温降[△Td]之和是否大于该地区的年轨温变化幅度。也就是说，允许铺设无缝线路的条件为：

式中，△T为铺设地区年轨温变化幅度，即△T=Tmax-Tmin；△t锁为无缝线路允许的锁定轨温范围，一般取8℃～10℃（见表 3）。

表3 铺设条件检算及锁定轨温表

由表3中的计算结果可以看出，在R＜400 m的曲线地段[△Tu]+[△Td]-△T＜8℃，不满足铺设无缝线路条件；R≥400 m的曲线地段满足铺设无缝线路条件。

3.2 确定设计锁定轨温

无缝线路锁定轨温应满足轨道夏季不胀轨、冬季不断轨的条件，并根据当地气象条件及无缝线路允许温升、允许温降，并考虑一定的修正量计算中和温度，计算式为：

各工况的设计锁定轨温计算见表3。R≥400 m曲线地段设计锁定轨温范围均为27℃～37℃。由于全球气温升高及锁定轨温衰减等，并考虑小半径曲线地段的稳定性要求，施工锁定轨温取偏高值为32℃～37℃。

4 无缝线路前期整治

线路既有状态很差，需在无缝线路铺设前对既有病害进行整治：

（1）道床翻浆、路基冒浆地段进行人工清筛或抛床处理，其余地段进行线路起整，确保枕底石碴厚度不小于30 cm。

（2）采用Ⅰ级碎石道床，将道床顶面加宽至3.5 m（曲线外侧道床肩宽55 cm、内侧道床肩宽45 cm），碴肩堆高15 cm，边坡为1:1.75。

（3）由于道床加宽，许多地段路肩宽度严重不足，既不能挡碴，也不利于下道避车，此类地段应在铺设无缝线路之前将路肩加宽至0.8 m。

5 结论及建议

（1）通过轨道强度、稳定性计算及相关参数的检算可知，西张线R＜400 m曲线地段因锁定轨温范围太小，不利于线路的锁定及日常养护维修，建议铺设有缝线路；R≥400 m曲线地段铺设无缝线路。

（2）考虑锁定轨温衰减对轨道稳定性的影响，在铺设小半径曲线无缝线路时，建议适当提高铺设锁定轨温。

（3）西张线年久失修，既有状态差，要求在铺设无缝线路前对既有病害进行综合整治，道床肩宽、道床阻力等参数要达到设计标准。

（4）R≤450 m曲线地段最大温升幅度接近允许温升值，要求在铺设无缝线路时及时恢复现场轨距拉杆，并加强对该地段的监测及看护，建议在曲线头尾增设位移观测桩，在曲中、缓圆、圆缓点建立曲线横向观测点以便观测曲线的横向变形。