青藏线路基冻胀地段用调高扣件的研发

李彦山，高宝林，闫子权，方杭玮，张海山，杨　楠( ．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　0008; ．青藏铁路公司，青海西宁　80007)



青藏线路基冻胀地段用调高扣件的研发

李彦山1，高宝林2，闫子权1，方杭玮1，张海山2，杨楠2
( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081; 2．青藏铁路公司，青海西宁810007)

摘要:针对青藏铁路出现的路基冻胀病害情况，在弹条Ⅰ型调高扣件的基础上，通过优化扣件结构和强化关键零部件研发了青藏线路基冻胀地段用调高扣件，并进行了扣件组装性能试验。结果表明:该扣件适用于铺设50 kg/m和60 kg/m钢轨线路，可实现钢轨高低位置最大调整量40 mm、钢轨轨距调整量－8～+ 8 mm( 50 kg/m)和－12～+ 8 mm( 60 kg/m) ;保持轨距能力强，即使在钢轨调高40 mm情况下，扣件组装疲劳性能也能满足《扣件组装疲劳试验方法》( TB /T 2491—94)的规定，可保证列车安全运行。关键词:青藏铁路调高扣件冻胀钢轨调高量优化

青藏铁路大部分线路穿越高原冻土区，海拔较高，气候环境极其恶劣。青藏铁路冻胀地段主要出现在西格段，该段最小曲线半径700 m，冻害处较多且冻害较为严重，每年冻害上胀和春融回落期间线路质量很不稳定，行车安全隐患较大［1］。

青藏铁路大部分地段采用弹条Ⅱ型扣件，个别地段采用弹条Ⅰ型扣件。弹条Ⅰ型、Ⅱ型扣件允许最大钢轨调高量为10 mm，在正常情况下可满足使用要求，且应用情况良好。但在青藏线路基低温冻胀地段及桥头路基下沉处，由于整治路基冻融循环引起的不平顺，所需的钢轨调高量远远大于扣件的实际调整能力。

由于冻胀量为渐进式变化，无法通过一次道床捣固实现较长时间内轨道的平顺性。前期也曾采用注浆、埋设加热棒等方式以期彻底解决路基冻胀问题，但效果均不明显［2-4］，目前只能采用增大扣件高低位置调整量的方式来解决冻胀期和融化期钢轨高低位置调整量过大的问题。

1　扣件结构设计

1. 1结构方案

弹条Ⅰ型调高扣件已在我国大量铺设，有30余年的工程实践经验，使用效果良好。本扣件结构是在弹条Ⅰ型调高扣件的基础上，通过以下措施加大钢轨调高能力［5］:

1)将混凝土轨枕挡肩高度由25 mm调整为50 mm。

2)将螺旋道钉长度加长30 mm，同时将强度等级提高至5. 6级，保证使用安全。

3)增设加厚挡板座，用于钢轨调高量＞20 mm时。

4)将弹条Ⅰ型调高扣件用A型弹条更换为W1型弹条(适用50 kg/m钢轨)或W2型弹条(适用60 kg/m钢轨)，提高了弹条的扣压力和弹程，减少扣件的维修工作量，同时可保证与既有扣件相当或更大的钢轨纵向阻力。

1. 2扣件组成

扣件由螺母、平垫圈、弹条、轨距挡板、挡板座、橡胶垫板、螺旋道钉和调高垫板组成。扣件组装如图1所示。

图1路基冻胀地段用调高扣件组装示意

1. 3钢轨位置调整

1. 3. 1钢轨高低位置调整

通过在橡胶垫板下放置适当厚度的调高垫板进行钢轨高低位置调整，最大调高量40 mm，当调高量超高20 mm时，采用加厚挡板座，参见图1左图。

1. 3. 2钢轨左右位置调整

通过更换不同号码的挡板座和轨距挡板进行钢轨左右位置调整，60 kg/m钢轨和50 kg/m钢轨的轨距调整量分别为－12 mm～+ 8 mm和－8 mm～+ 8 mm，调整级差为2 mm。

2　关键零部件设计

2. 1弹条

本扣件系统由于兼顾50 kg/m和60 kg/m钢轨，而这两种钢轨轨底宽度不同，扣压钢轨的弹条长度L也会有所不同(见图2)，因此需根据钢轨轨底宽度和轨距挡板尺寸选取或设计适当尺寸的弹条。为了降低成本，尽量采用既有弹条。经计算确认，长度86 mm 的W1型弹条和长度78 mm的W2型弹条，可分别用来扣压50 kg/m和60 kg/m钢轨。

图2弹条安装示意

此外，对于50 kg/m钢轨，W1型弹条的扣压力9 kN，较A型弹条扣压力8 kN大;对于60 kg/m钢轨，W2型弹条扣压力10 kN，与Ⅱ型弹条的扣压力相当，从而可保证本扣件的钢轨纵向阻力不低于相应的既有扣件。A型、Ⅱ型、W1型和W2型弹条各项设计参数见表1。可见，本扣件采用的弹条弹程均高于相应的既有弹条，可有效减少现场养护维修量。

表1弹条设计参数

2. 2螺旋道钉

既有螺旋道钉长度为195 mm［6］，考虑到钢轨调高40 mm的需要，将螺旋道钉上部加长30 mm，即本扣件的螺旋道钉总长度取为225 mm，见图3。

既有螺旋道钉原材料为Q235-A，本扣件结构当钢轨调高20 mm或40 mm时弹条存在较大程度的上仰，加长的螺旋道钉会承受较大的弯矩，为提高其强度，将螺旋道钉的强度等级设计为5. 6级。

2. 3调高垫板

设计调高垫板时考虑到大调高状态下调高垫板沿钢轨方向爬行的问题，将调高垫板外形设计为图4所示的形状，在轨底两侧各设一槽口，安装时使两侧的轨距挡板或挡板座嵌入槽口中。

图4轨下调高垫板示意

为降低调高垫板对扣件组装刚度的影响，调高垫板采用聚乙烯材料。60 kg/m钢轨采用Ⅰ型调高垫板，50 kg/m钢轨采用Ⅱ型调高垫板。每种调高垫板按厚度分为1，2，5，8，10，20 mm共6种，放置于橡胶垫板与轨枕承轨面之间。

2. 4轨距挡板

为防止轨距挡板沿钢轨方向爬行，同时优化轨距挡板的受力状态，在弹条Ⅰ型调高扣件轨距挡板［7］的基础上进行了局部优化设计，见图5。主要改进:①将轨距挡板的宽度由原来的104 mm增加为115 mm，以便与弹条更好地配合，同时加大了两侧肋板的宽度，提高了横向承载强度;②将轨距挡板的钉孔形状由方形改为长圆孔形，限制了轨距挡板沿钢轨方向的位移。

为适应不同类型的钢轨，设计了不同号码的轨距挡板。60 kg/m钢轨采用6号和10号轨距挡板; 50 kg/m钢轨采用16号和18号轨距挡板。

2. 5挡板座

根据轨距挡板的尺寸对挡板座进行了重新设计，见图6。将挡板座的宽度由弹条Ⅰ型调高扣件的102 mm［8］增加至115 mm。考虑现场螺旋道钉的锚固状态，将挡板座钉孔开口扩大以防止由于锚固剂外溢致使挡板座无法安装到位。

图5轨距挡板示意

图6挡板座示意

挡板座分为Ⅰ型和Ⅱ型两种，分别适用于60 kg/m 和50 kg/m钢轨。每种挡板座按厚度又分为普通挡板座和加厚挡板座两种，普通挡板座厚度与弹条Ⅰ型调高扣件挡板座相同，为3 mm;加厚挡板座用于钢轨调高量＞20 mm时，厚度为23 mm。

3　扣件组装性能试验

路基冻胀地段用调高扣件试制完成后，按照相关标准对扣件进行了室内试验，确保上道使用后列车安全运行。试验包括扣件各种状态下的组装静刚度、组装疲劳性能等方面。

3. 1组装静刚度试验

参照《高速铁路扣件系统试验方法第3部分:组装静刚度的测定》( TB /T 3396. 3—2015)，分别进行了50 kg/m钢轨和60 kg/m钢轨用扣件的组装静刚度试验［9］。试验时每种扣件又分5种调高状态:①不调高;②调高10 mm;③调高20 mm;④调高30 mm;⑤调高40 mm。

试验时，50 kg/m钢轨配用50-10-9橡胶垫板(静刚度90～120 kN/mm)，60 kg/m钢轨配用60-10-17橡胶垫板(静刚度55～80 kN/mm)。试验结果见表2。结果表明，与扣件不调高状态时相比，即使在钢轨调高40 mm状态下，扣件组装静刚度变化率也不超过5%，不影响整体线路刚度的均匀性。

表2扣件组装静刚度试验结果

3. 2组装疲劳性能试验

按照《扣件组装疲劳试验方法》( TB /T 2491—94)分别进行了50 kg/m钢轨和60 kg/m钢轨用扣件的组装疲劳性能试验。试验参数:垂直力PV= 70 kN、横向力PL= 70 kN，钢轨高度100 mm［10］。试验时每种扣件又分为3种调高状态:①不调高;②调高20 mm;③调高40 mm。

经2×106次疲劳试验后，各零部件均未伤损。疲劳试验前后轨距扩大量见表3。结果表明，该扣件保持轨距能力强，满足轨距扩大量不大于6 mm的技术要求。

表3扣件组装疲劳试验前后轨距扩大量

4　结语

1)本扣件适用于铺设50 kg/m和60 kg/m钢轨线路，可实现钢轨高低位置调整量0～+ 40 mm、钢轨轨距调整量－8～+ 8 mm( 50 kg/m)和－12～+ 8 mm ( 60 kg/m)。

2)本扣件的弹条扣压力和钢轨纵向阻力与既有扣件相当或略有提高。

3)即使在钢轨调高40 mm情况下，扣件组装静刚度变化率也不超过5%，不会产生较大的动态不平顺，可保证列车平稳运行。

4)本扣件保持轨距能力强，即使在钢轨调高40 mm情况下，扣件组装疲劳性能也能满足TB /T 2491—94的规定，可保证列车安全运行。

参考文献

［1］牛富俊，马巍，吴青柏．青藏铁路主要冻土路基工程热稳定性及主要冻融灾害［J］．地球科学与环境学报，2011( 2) : 196-205．

［2］程国栋，马巍．青藏铁路建设中冻土工程问题［J］．自然杂志，2006( 6) : 315-320．

［3］高志华，石坚，罗丽娟．青藏铁路路基冻胀变形特点的研究［J］．铁道建筑，2010( 6) : 94-96．

［4］薛春晓，程建军，蒋富强，等．青藏铁路多年冻土区段沿线生态修复新技术与实践［J］．铁道建筑，2010( 9) : 146-148．

［5］中华人民共和国铁道部．TB/T 1911. 1—87弹条Ⅰ型调高扣件组装配置［S］．北京:中国铁道出版社，1987．

［6］中华人民共和国铁道部．TB/T 564—92螺旋道钉［S］．北京:中国铁道出版社，1992．

［7］中华人民共和国铁道部．TB/T 1911. 2—87弹条Ⅰ型调高扣件轨距挡板［S］．北京:中国铁道出版社，1987．

［8］中华人民共和国铁道部．TB/T 1911. 3—87弹条Ⅰ型调高扣件挡板座［S］．北京:中国铁道出版社，1987．

［9］中华人民共和国铁道部．TB/T 2491—94扣件组装疲劳试验方法［S］．北京:中国铁道出版社，1994．

［10］国家铁路局．TB/T 3396. 3—2015高速铁路扣件系统试验方法第3部分:组装静刚度的测定［S］．北京:中国铁道出版社，2015．

(责任审编葛全红)

Research and development of height-adjustable fastening used in frost-heaving subgrade section on Qinghai-Tibet railway

LI Yanshan1，GAO Baolin2，YAN Ziquan1，FANG Hangwei1，ZHANG Haishan2，YANG Nan2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Qinghai-Tibet Railway Company，Xining Qinghai 810007，China)

Abstract:According to the situation of subgrade frost-heaving in Qinghai-T ibet railway line，the height-adjustable fastening for subgrade frost-heaving area in Qinghai-T ibet railway line was researched and designed by optimizing the fastening structure and strengthening the key parts on the basis of the elastic barⅠtype fastening，and the fastening assemblies performance test was made．T he results show that this type of fastening is suitable for the rail line of 50 kg /m and 60 kg /m，the maximum adjustment between rail high and low position is 40 mm，the rail gauge adjustment is－8～+ 8 mm( 50 kg /m) and－12～+ 8 mm( 60 kg /m)，the fastening has a good ability of keeping the gauge，and fastening assemblies fatigue performance could meet the requirement of Test Methods of Fastening Assemblies Fatigue( T B /T 2491—94) even if the rail height is adjusted to 40 mm，which could ensure the train operation safety．

Key words:Qinghai-T ibet railway; Height-adjustable fastening; Frost-heaving; Rail height adjustment amount; Optimization

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0080-04

中图分类号:U213．1+4

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．17

作者简介:李彦山( 1986—)，男，助理工程师。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划项目( 2014G002-F)

收稿日期:2015-10-11;修回日期: 2015-12-20