安庆线铺设无缝线路设计与施工探讨

2018-07-23孟维刚中国铁路上海局集团有限公司工务处

上海铁道增刊 2018年2期

孟维刚中国铁路上海局集团有限公司工务处

安庆线是安庆市区连接合九铁路的支线铁路。起点在安徽省安庆市怀宁县高河镇的安庆西站，终点在安庆站，曲线多，半径小，线路曲线部分全长10.693 km，占全部线路的27%。既有线路大部分为P43有缝普通线路，由于钢轨接头的存在，列车通过时产生巨大的冲击和振动，影响行车平稳和旅客舒适，并促使道床破坏、线路状态恶化，造成设备使用寿命缩短、维修费用增加。为改善安庆线线路条件与普通线路相比，无缝线路由于消灭了大量接头，因而具有行车平稳、阻力小、振动与噪声低、旅客乘坐舒适、机车车辆和轨道的维修费用低，使用寿命长等一系列优点。为充分发挥无缝线路优势，改善安庆线轨道结构，减小现场养护工作量，本文主要就安庆线无缝线路改造可行性进行探讨及设计，并就施工中的一些难点提出针对性措施。

1 既有状态

本次施工地点位于安庆线K0-188.84～K39+407.65，起点位于安庆西站6#道岔岔尾，途经石镜、月形山、安庆北三个车站，由于安庆站正在站改施工，故终点设于安庆站外K39+407.65处。非电气化单线铁路。途经线路车间1个（安庆西），工区5个（安庆西、甘露、月形山、安庆北、安庆），线路延长39.596 km。既有线路为P43、P50普通线路，部分岔区为P60短轨线路。线路状态较差。道岔共计17组。桥梁14座，Lmax=563.6 m。曲线 23处，Rmin=350 m，Rmax=4 000 m,曲线全长10.693 km，占工程总量的27%。道口或平过道共计25处，其中P50整体道口7处。碎石道床，部分地段路基翻浆明显。轨枕以Ⅱ型、XⅡ型为主，桥梁区段为Ⅱ型铪桥枕，配置1520-1840根/km。

2 无缝线路稳定性及强度计算

2.1 计算参数

无缝线路轨源为下道整修轨，垂直磨耗6 mm，截面积F=7 745 mm2，钢轨支点弹性系数D=30 000 N/mm，弹性模量E=2.1×105，钢轨线性膨胀系数 α=1.18×10-5/℃，钢轨截面对其水平水平中性轴的惯性矩J=28 790 000 mm4，轨底截面系数W底=375 000 mm3，再用轨屈服强度σs=405 MPa，安全系数K=1.35。

2.2 稳定性计算

导致无缝线路失稳的因素有钢轨中的温度压力和轨道的初始横向弯曲。由于温升引起钢轨中的轴向温度压力是无缝线路稳定问题的根本原因，而轨道初始横向弯曲则是影响无缝线路稳定的直接原因。根据无缝线路统一稳定性计算公式：

PW为计算温度压力，β为轨道框架刚度系数，有碴轨道取1.0，I为两根钢轨对竖直中和轴线的惯性矩，60kg/m钢轨 I=2×524=1048cm4；l为轨道弯曲半波长（cm），f为轨道弯曲变形矢度，一般取0.2cm，foe为轨道原始弹性弯曲矢度（cm），R为曲线半径，R0为钢轨原始塑性弯曲半径（cm），R0=8×为轨道原始塑性弯曲矢度，取0.3cm，ro为等效道床横向阻力，Ⅱ型混凝土枕1 760根/km，ro=84.1 N/cm，Ⅱ型混凝土枕1 840根/km，ro=89 N/cm。

假定轨道原始弹性弯曲曲率不变，利用公式（2）对轨道弯曲半波长l进行试算，如果计算所得与轨道原始弹性弯曲半波长l0(取4m)差值较大，则假定l=l0，继续试算foe'及l，直至l与l0相近。

最后，由公式（1）、（2）、（3）、（4）可得轨道稳定性临界半波长l及弹性弯曲矢度foe和临界温度压力PW。两股钢轨的允许温度压力计算公式：

允许温升计算公式：

允许温升计算结果见表1。

表1 允许温升计算表

2.3 无缝线路强度计算

无缝线路钢轨必须有足够的强度以保证在轮载作用下的弯曲应力、温度应力及其他附加力的共同作用下，钢轨仍能安全工作。作用在钢轨上应力应满足以下公式

σ底d为轨底动弯应力，利用连续弹性基础梁模型进行计算。

计算机车：DF4内燃机车，三轴转向架，轮载P=112.8kN(轴重23kN)，选取1、2轮作为计算轮计算当量荷载，轴距1.8m，构造速度120km/h；曲线半径R≤800 m时，Ⅱ型混凝土轨枕配置1 760根/km，曲线半径R＞800 m时Ⅱ型混凝土轨枕配置1 840根/km;未被平衡欠超高△h=90 mm；速度系数α=0.4v/100。

其中动弯矩Md=M（1+α+βp）f；静弯矩M=当量荷载∑Pμ=Pe-βχ（cosβχ-sinβχ）；偏载系数 βp=0.002△h=0.15；钢轨基础弹性系数（α为枕轨间距）

由（7）、（8）、（9）、（10）可得：

允许温降计算结果见表2。

表2 允许温降计算表

3 无缝线路设计方案

3.1 锁定轨温

安庆地区年最高轨温Tmax=60.9℃，低温轨温Tmin=-12.5℃，本件名设计锁定轨温直线地段（27～37）℃，曲线半径R≤800 m地段设计锁定轨温（32～37）℃。超长轨条相邻单元轨节的锁定轨温差不超过5℃，左右股轨条的锁定轨温差不超过5℃，整根超长轨条内锁定轨节的最高、最低锁定轨温差不超过10℃。表3是根据稳定性及强度计算结果对锁定轨温进行检算。

表3 稳定性及强度检算表

由表3可知，当R=350 m时，最大升温幅度大于允许温升，当R≥400 m时，最大温升均小于允许温升，符合故在曲线半径R=350 m地段设计为P60短轨线路，R≥400 m地段全部设计为跨区间无缝线路。因既有P60道岔直向已无缝化，所有P60道岔的内部普通接头全部冻结（包括岔后侧向的接头），绝缘接头全部胶接，道岔内接头处理应与铺设无缝线路同步完成或提前完成。无缝道岔与大修新铺设长轨进行连接成跨区间无缝线路，并根据设计锁定轨温进行应力调整或放散。既有P43道岔两头及整体道口两头设置缓冲区，缓冲区设置2～4对标准轨。

3.2 桥上无缝线路

本次施工地段共有桥梁14座,根据铁路线路修理规则，桥梁长度L＞220 m时，须对桥上无缝线路作单独设计,本次施工桥梁长度大于220 m有一座，L=563.6 m，32 m×16 m梁，中心里程K13+504.70，和路基段无缝线路相比，桥上无缝线路额外存在因桥梁的伸缩变形或挠曲变形位移而引起的的附加力作用。最大附加拉力在桥梁和钢轨位移相等点产生，最大附加压力在桥梁活动端支座处产生，因16 m梁跨引起的钢轨位移很小，故在断缝检算时对于附加力略去不计：

＜[λ]=8 cm，检算合格。

线下及线上联合接头不得设置在道口、桥台、桥墩上，距桥台边墙不小于2 m。位于中跨度桥上应避开边跨，布置在1/4～1/2桥跨处。

3.3 钢轨方案

本次施工轨源为60 kg/m整修轨,一般在线路大修施工中,干线钢轨下道后在焊轨基地整修焊接成250 m或500 m长轨，再由长轨列车运输至施工地点，在安庆线线路前期设计调查时发现，安庆线三个车站石镜、月形山、安庆北站内股道较短，安庆北站正线股道694 m，站线股道只有7道长度为924 m，其它均在700 m以下，石镜站正线股道847 m，站线股道最长716 m，月形山站正线股道644 m，站线股道最长为748 m。500m T11长轨列车长度为660 m，加机车长度20 m，两头安全距离各50 m，长轨列车卸轨时由前方站进入施工地段卸轨，占用车站股道至少780 m，故而安庆线车站站线股道均不能满足500 m长轨列车长度要求，使用250 m长轨车增加现场焊接接头及劳动强度，最终决定将长轨车钢轨平板车解掉100 m，基地焊接时轨条按照400 m长度进行钢轨整修焊接，配轨方案也按400 m进行设计。

通过稳定性及强度检算可知，在半径R=350 m地段铺设短轨线路，为减小现场工作量，上述地段卸短轨时在基地内根据曲线缩短量提前配好缩短轨，并将短轨连接成长轨卸车，连接时每个接头上4颗螺栓，为防止现场卸轨时螺杆卡住长轨车送轨槽，螺帽需割断使螺栓拧紧时与螺帽平齐。钢轨卸下拨进承轨槽后只需更换螺栓即可，免去了现场大量推轨工作。经过近几年在其他线路如芜东联络线、沪昆绕行线应用，可以有效降低现场工作量。

5.2 换轨作业

安庆线小半径曲线采用换轨小车换轨时，重型轨道车经过地段必须每隔25 m左右保留1根枕木扣件，待轨道车快到达时才允许拆除；

既有钢轨为P43、P50轨，每日换轨龙门需用异形轨倒替顺坡作业，确保列车运行安全平稳。

5.3 收轨作业

因施工地段多为曲线，长轨车收轨时，收轨起点应尽量考虑在直线或者缓和曲线头部起龙门，防止因为机车制动导致钢轨跳动翻倒或者摆动伤人。收轨开始时轨条头部50 m应每隔（8～10）m放置1个轨卡，防止收轨过程中翻倒。

4 无缝线路前期工作

因本区段既有线路为P43/P50短轨线路，线路状态较差，在铺设无缝线路之前，应对道床冒浆、路基冒浆露头地段进行整治，确保路基及道床的稳定，以达到铺设无缝线路条件。安庆北至安庆区间道床顶宽（2.9～3.1）m左右，其余地段顶宽约3.4 m，部分地段碴肩堆高不足。按铺设无缝线路的要求，施工前补充2000方道碴，使道床顶宽达到3.4 m，曲线地段R≤600 m道床顶宽达到3.5 m；轨枕外肩宽45 cm，碴肩堆高15 cm ，边坡 1:1.75。

安庆北站站内（K34+152.1～K34+905.3 L=753.2 m）轨枕配置为1 520根/km，为保证无缝线路换铺后拥有足够的轨道框架刚度，施工前需将轨枕加密至1 760根/km。