弹性短轨枕在武汉地铁应用中的问题及解决方法

易 勇， 罗川萍， 李 群

(武汉地铁运营有限公司， 武汉 430030 )

弹性短轨枕在武汉地铁应用中的问题及解决方法

易 勇， 罗川萍， 李 群

(武汉地铁运营有限公司， 武汉 430030 )

为减少振动及噪声，武汉地铁1号线使用了弹性短轨枕，但在长时间运营后出现了轨枕—套靴—道床之间剥离、间隙扩大、轨枕空吊、轨距变化大、减振量下降、短轨枕破裂等现象，分析出现问题的原因，并对轨道状态较差路段的钢轨、轨枕变形测试数据进行对比分析，最后针对弹性短轨枕轨道病害总结出轨枕更换、空吊整治、减振方式改造3种维修方案。

轨道交通； 短轨枕； 套靴； 减振； 维护

1 研究背景

对于中等减振地段，国际上广泛采用弹性短轨枕轨道结构，其垂直弹性主要由短轨枕下弹性垫板提供。弹性短轨枕的橡胶套靴设置于短轨枕与道床之间，主要起弹性缓冲作用，应具有良好的耐磨性、绝缘性、耐久性及一定的弹性[1]。

武汉地铁1号线弹性短轨枕在使用过程中由于橡胶套靴发生老化、变形，导致轨枕—套靴—道床之间出现剥离，间隙扩大，出现轨枕吊空、轨距变化大、减振性能下降、短轨枕破裂等现象，给行车安全埋下了较大的隐患。为了避免这种情况的持续恶化，计划对严重病害路段进行改造，以提高轨道系统的稳定性，增强减振效果。为了深入了解问题线路的严重程度，并为后期改造提供真实可靠的数据，在改造之前对问题线路的轨道状态进行了动态测试。

2 弹性短轨枕简介

弹性短轨枕由块下胶垫、橡胶套靴提供弹性，为防止套靴渗入雨水及直接暴晒，并方便套靴组装及更换，弹性支承块外形不同于其他支承块，弹性支承块高190 mm，自顶部向下48 mm处设有一周14 mm宽的“帽沿”，再沿梯形向下142 mm至底面。支承块的顶面(承轨面)、底面及4个侧面均应平整光滑。橡胶套靴及块下胶垫由橡胶制品厂供货，支承块与块下胶垫及橡胶套靴装配时，采用胶粘方法，弹性支承块内底部不得有空隙。组装好的弹性支承块应用条带材料在承轨面两侧绑扎以确保道床施工时支承块、块下胶垫、橡胶套靴三者之间垂向无缝隙配合。

2.1 块下胶垫

块下胶垫为最新研制的微孔发泡橡胶垫板，采用抗老化性能强的三元乙丙(EPDM)橡胶加工成封闭的蜂窝结构，而不再采用传统的沟槽垫板[2]。其最大优点是残余变形小，动弹性损失少，能最大限度提供系统所需要的弹性。它与扣件组合在一起，提供系统垂向弹性，其普通减振段设计编号为P的块下胶垫，其静刚度为30～35 kN/mm，与扣件组合刚度为20 kN/mm左右，在满足轨道安全变形前提下，可为系统提供较好的减振性能。

尺寸为590 mm×280 mm×12 mm，动、静刚度之比不大于1.35，吸水率不超过10.0 kg/m3。此外，还设计了过渡段编号分别为G1、G2的块下胶垫，其静刚度分别为56～64 kN/mm、75～85 kN/mm。

2.2 橡胶套靴

橡胶套靴套在支承块及块下胶垫的外部，也采用三元乙丙橡胶制造，套靴底部不提供垂向弹性，仅在套靴的纵横侧面提供纵、横向弹性，与块下胶垫一起，为轨枕系统提供三向均衡弹性，并保护块下胶垫。

橡胶套靴截面与其支承块配套，要求其抗热空气老化、抗臭氧化能力强。

3 现场调查分析

武汉地铁1号线为全高架线路，弹性短轨枕工作环境较为恶劣，经现场调查，线路存在如下问题：

橡胶套靴与道床之间存在间隙；橡胶套靴高度方向外露；短轨枕空吊(短轨枕四边破裂)；轨高差与道床面坡度不匹配；轨枕间距不均匀；弹性短轨枕翻浆冒泥。

经初步分析，造成武汉地铁1号线弹性短轨枕线路状况差的原因如下：

1) 现场施工质量差，在铺设弹性短轨枕的过程中，轨枕摆放有误差。焊接钢轨时，钢轨拖动后弹性短轨枕的位置未调整到位，造成短轨枕偏离设计位置，出现扭转、错位、高低不一等问题，使施工完成的轨道状态难以达到设计预期的标准，影响轨道的减振效果及稳定状态。

2) 在运营过程中扣件橡胶垫老化，露天环境下道床长期浸水，引起弹性短轨枕空吊[3]，导致轨道减振效果不稳定，空吊严重时甚至导致弹性垫板失效，轨枕的冲击碰撞使道床振动放大[4]，进而出现轨枕破裂等现象(见图1)。

图1 现场短轨枕破裂现象Fig.1 Broken shorter sleepers

3) 短轨枕坑内套靴与坑壁之间出现很大缝隙的问题，主要为施工程序不当导致，在混凝土强度尚未达到可以承受较大扰动的情况下，即进行轨道状态的调整工作，攒动与拨动钢轨等，导致轨枕块强力挤压坑壁，从而引起坑壁变形，出现缝隙(见图2)。

图2 现场离缝现象Fig.2 Separation of the sleeper and the ballast bed

4) 缝隙的出现，不仅会影响轨道的稳定,不利轨距的保持，而且为灰尘杂物以及雨雪水的进入敞开了通道，行车时会出现比较严重的翻浆冒泥现象(见图3)，翻浆冒泥的频繁出现，恶化了弹性套靴、块下胶垫的工作环境，严重影响了轨道的减振效果。

图3 现场弹性短轨枕翻浆现象Fig.3 Mud pumping of the ballast bed

4 现场变形测试分析

4.1 钢轨的变形分析

改造路段、对比路段钢轨动态变形的平均值分别列在表1、2中，当变形值为负值时，对于垂直方向的变形表示向下，对于横向或扭转变形则表示水平向外(轨距增加)，计算的轨头横向变形也列在表中。

表1 改造路段钢轨动态变形数据

表2 对比路段钢轨动态变形数据

改造路段平均车速为55.1 km/h，钢轨的净垂直变形平均值为1.86 mm，最大轨头横向变形平均值为0.22 mm，钢轨的扭转变形平均值为0.88 mm；对比路段平均车速为63.0 km/h，钢轨的净垂直变形平均值为1.11 mm，最大轨头横向变形平均值为0.13 mm，钢轨的扭转变形平均值为0.21 mm。

在表1中，曲上股钢轨相对于道床基础在外侧的垂直变形为3.23 mm，在内侧的垂直变形为1.91 mm，外侧钢轨处于外翻状态，外侧钢轨的平均垂直变形为2.57 mm。改造路段的钢轨变形及轨道几何尺寸变化较大，轨道几何状态不稳定。

4.2 轨枕的变形分析

对轨道状态较差的头道街站至黄浦路上行线区间段(改造路段)进行了现场测试，具体里程为K0+772；对比测试地点选择在轨道状态较好的循礼门站至友谊路上行线区间段(对比路段)，具体里程为K5+260。主要测试在列车正常运行条件下，2个测试点钢轨和轨枕的动态变形。

改造路段平均车速为55.1 km/h，轨枕相对于道床基础的垂向变形为1.46 mm，横向变形为0.42 mm，轨枕的扭转变形角度为0.21°(轨枕向外翻转)，其中曲上股变形比较大，轨枕相对于道床基础的垂向变形为2.17 mm，轨枕的横向变形为0.91 mm，轨枕的扭转角度为0.40°(见表3)。

表3 轨枕的动态变形数据

对比路段平均车速为63.0 km/h，轨枕相对于道床基础的垂直变形为0.71 mm，横向变形为0.03 mm，轨枕的扭转角度为0.03°(轨枕向外翻转)。可以看出,对比路段的轨枕垂向变形基本比较稳定，曲上股的垂向变形为0.65 mm，曲下股的垂向变形为0.76 mm(见表4)。

表4 对比路段轨枕的动态变形数据结果

5 弹性短轨枕维修方案

弹性短轨枕轨道具有较好的噪声和振动衰减特性，弥补了无砟轨道弹性不足的缺陷，制造成本低，减振效果好。但其存在橡胶套靴及微孔垫板维修更换不方便、需要进行长寿命设计的问题，造成经济成本大幅度提高；弹性短轨枕道床如施工不当，对轨道初期几何形位有影响，施工精度要求较高；雨水或脏物进入橡胶套靴内部时可能对结构性能或寿命产生不利影响。按照施工条件及病害情况，提出以下3种弹性短轨枕轨道维修方案。

5.1 更换工艺

当发现短轨枕破损严重、预埋套管失效、橡胶套靴严重损坏等病害，导致不能保持钢轨几何状态时，应及时局部更换弹性短轨枕。

1) 首先将待换的弹性短轨枕两侧在一定长度范围内(≥30 m)的扣件松开，使该范围的钢轨处于自由状态。

2) 在待更换的弹性短轨枕两侧各用起道器将钢轨连同待更换支承块抬高，进行更换。作业轨温范围小于锁定轨温5 ℃。

3) 将待换支承块从钢轨一侧抽出道床。

4) 取下枕下橡胶垫板，检查原橡胶垫板性能，根据具体情况确定是否需要更换。

5) 将同型号的弹性支承块放回原位。如由于尺寸误差，放入困难时可重新抬出，对侧面进行适当打磨，直至恢复正确状态。

6) 移除起道器，将钢轨放回原位置。

7) 安装扣件，恢复轨道几何状态。

5.2 吊空及维护工艺

弹性短轨枕出现空吊时，应根据吊空量及时进行维护，以改善轨道的不稳定状态。

1) 吊空量≤5 mm。采取在铁垫板下加调高垫板的方法处理：松开扣件；将弹性短轨枕压入道床；加垫铁垫板下调高垫板；安装扣件，恢复轨道几何状态。

2) 吊空量≤5～7 mm。采取在轨下和铁垫板下加调高垫板的方法处理，轨下调高垫板最大调高为2 mm：松开扣件；将弹性短轨枕压入道床；铁垫板下调高垫板、轨下调高垫板；安装扣件，恢复轨道几何状态。

3) 吊空量≤7～20 mm。采取在轨下和铁垫板下加调高垫板并加长双头螺柱的方法处理，轨下调高垫板最大调高为2 mm，铁垫板下调高垫板最大调高为18 mm。双头螺柱的加长长度，可根据现场需要的调高量确定，最大可加长13 mm：松开扣件；将弹性短轨枕压入道床；更换加长型的双头螺柱；加垫轨下调高垫板、铁垫板下加调高垫板；安装扣件，恢复轨道几何状态[5]。

5.3 轨道减振方式改造

当线路状态持续恶化，需大面积更换弹性短轨枕时，建议进行弹性短轨枕整治，以改变轨道线路的减振方式，从而根治本问题。一般采用其他类型减振扣件代替原本的道床减振方式。以下介绍使用GJ-III型双层非线性扣件+普通短枕的轨道结构代替原弹性短轨枕+WJ-2扣件形式的施工方法。

使用GJ-III型双层非线性扣件更换弹性短轨枕及WJ-2扣件。先对一股钢轨进行改造，松开接头夹板，上紧改造单元的扣件系统(WJ-2扣件)，另一股钢轨保持不变。“隔三换一”拔出既有短轨枕，轨底垫上支撑木块[6]。此时，套靴留在坑内，抬升高度在250 mm左右，取出弹性套靴。在抬起的短轨枕下垫上支撑薄钢板，松开待更换轨枕上的扣件，取出旧轨枕和WJ-2扣件。

用GJ-III型扣件把专用短轨枕和钢轨连接起来，将专用短轨枕放入轨枕坑内，调节短轨枕位置，尽量保证短轨枕居于轨枕坑中间，其余未改造单元的扣件按照原来安装顺序重新安装复位，必要时可借助撬杠使钢轨落槽。

根据另一股钢轨的正常状态，调整改造单元所在钢轨的轨道状态，调节钢轨位置(轨距、轨高、轨底坡)，以满足轨道几何要求，用楔形定位块预定位并保证短轨枕四边间隙均匀(锤击定位楔块不可用力过猛，以防调整好的轨道状态遭到破坏)。

整体道床采用树脂砂浆灌注，为加强短轨枕与既有道床的连接强度，在填充树脂砂浆前，需用冲击钻在既有道床坑内壁及四周进行凿毛处理(凿毛深度不小于10 mm)，并用棉纱、吸尘器等工具将轨枕槽内杂物清理干净。在道床坑内采用植筋胶植入螺纹钢筋，并将植入的钢筋与新轨枕底部的道床钢筋网焊接起来。

将拌制好的树脂砂浆从一侧倒入轨枕坑内，使其从轨枕一侧流入另一侧，便于排除短轨枕基坑四周内的空气，并与原道床面平齐，道床坑内填充树脂砂浆初凝后，在轨枕四周的道床顶面涂抹环氧树脂封闭层作为防水处理。

为便于新浇注填充浆料养生，在浆料达到适当强度后，拆除锚固螺栓及扣件弹条，使新更换的短轨枕处在不受钢轨及扣件牵制的自由状态。按作业先后顺序，在每个改造单元灌浆1 h后拆除GJ-III型扣件(先拆锚固系统，再拆弹条)。待填充材料养护充分后安装GJ-III型扣件。

由于双层非线性减振扣件较既有WJ-2型扣件结构高30 mm左右，为了避免曲线段轨枕安装后,出现轨枕顶面低于既有道床顶面的“凹陷”从而引起积水的现象，应在灌注树脂砂浆之前做好开槽等预留排水措施。

6 结语

目前已成功完成头道街站至黄浦路上行线区间段，共计2 589 m轨道状态恶劣地段的弹性短轨枕轨道改造工作，改造路段轨道状态良好，已顺利投入使用。

[1] 吴建忠,曾向荣.天津地铁轨道减振降噪创新技术的开发与应用[J].都市快轨交通,2007,20(3):60-63.

WU Jianzhong， ZENG Xiangrong. New techniques applied for track vibration damping and noise reduction on Tianjin Metro Line 1[J]. Urban rapid rail transit， 2007, 20(3): 60-63.

[2] 王欣.城市轨道交通减振降噪技术的应用[J].地铁与轻轨,2003(1):35-39,60.

WANG Xin. Appliction of the technology for vibration attenuation & noise reduction in the urban rail transit[J]. Metro and light rail, 2003(1): 35-39, 60.

[3] 和振兴,杨吉忠,杨新文，等.弹性短轨枕空吊对车辆-轨道系统的动力学影响分析[J].城市轨道交通研究,2016,19(3):6-11.

[4] 吴永芳.轨道减振效果系统评价方法研究[J].中国铁道科学,2013,34(3)1-4.

WU Yongfang. Investigation into the evaluation method for vibration damping effect of track systems[J]. China railway science, 2013, 34(3): 1-4.

[5] 廖湘志.地铁弹性短轨枕应用及维护工作[J].四川建筑,2012,32(3):82-84.

LIAO XIangzhi. Application and maintenance of elastic shorter sleeper[J]. Sichuan architecture, 2012, 32(3): 82-84.

[6] 郭春华.地铁运营线路既有弹性短轨枕扣件地段更换Vanguard(先锋)扣件施工工艺[J].科技传播,2013(4)153-154.

GUO Chunhua. Construction technology of replacing elastic shorter sleeper with vanguard fastening system[J]. Public communication of science & technology, 2013(4)： 153-154.

ProblemsandSolutions:ApplicationofElasticShortSleeperTrackinWuhanMetro

YIYong,LUOChuanping,LIQun

(Wuhan Metro Operation Co., LTD., Wuhan 430030)

The elastic short sleeper track was employed to reduce vibration and noise of the track in Wuhan metro. Many problems arise after a long period of operation, such as separation among the sleepers, rubber boots and the ballast bed, the expanding gaps, theafter voided sleepers, track gauge variations, damping performance deterioration and crack of the short sleeper. The cause, harm and effect of those problems were discussed, than the rail, sleeper deformation test data are analyzed. Three solutions are proposed to solve the problems of the short elastic sleeper tracks: replacing of the sleepers, maintenance of the voided sleepers, and change of the vibration-reducing methods type.

rail transit; shorter sleeper; rubber boot; vibration reduction; maintenance

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.014

U231

A

1672-6073(2017)06-0079-05

2016-12-14

2017-04-17

易勇，男，助理工程师，从事城市轨道交通线路运营管理工作，297311168@qq.com

(编辑：郝京红)