京沪线沪宁段成组更换道岔设计方案研究

肖 虎 中国铁路上海局集团有限公司工务部

京沪线沪宁段年通过总重大，正线道岔的岔枕、零部件磨损严重，使用状态变差，养护投入成本过高，基本已达到或超过大修周期。为确保设备和行车安全、平稳，减少养护维修工作量，上海局于2016-2019年组织对该区段200余组正线道岔进行成组更换道岔施工。道岔区无缝化是成组更换道岔设计与施工中的技术难题，国内对无缝道岔的计算理论和营业线换岔施工已有较多的研究和实践，但影响无缝道岔使用的因素很多，仍需针对具体的工程情况对更换无缝道岔进行方案设计和检算，以确保施工和运营的安全。在上海局管内允许时速160 km/h的有砟线路上，专线4249型P60-1/12道岔得到了广泛的应用，近几年更换量达到年均150组左右。因此，有必要在上述研究和实践的基础上，以京沪线沪宁段硕放站内的几组道岔大修工程为例，通过方案设计和检算，探讨成组更换道岔的设计方案，用以指导同类工程的设计与施工。

1 既有设备概况

硕放站为中间站，位于京沪线沪宁段，上行线Ⅱ道共6组道岔，均为2003-2006年提速改造时铺设上道的CZ2516型单开有砟道岔（直向允许通过速度200 km/h），累计通过总重710 Mt，达到大修周期，轨件成组磨损严重，整体状态不良。正线为电气化、P60钢轨跨区间无缝线路，允许速度160 km/h，Ⅲa型枕（1667根/km），Ⅱ型弹条扣件。到发线4道为普通线路，与N19、N10道岔侧向钢轨用接头夹板进行连接。道岔平面布置示意见图1。

图1 硕放站道岔平面布置示意图

2 设计方案

2.1 道岔参数

京沪线沪宁段线路当前允许时速为160 km/h，为满足轨道结构与运营相匹配的要求，以及合理降低投入成本，新道岔全部采用专线4249型道岔（直向允许通过速度160 km/h），并将合金钢叉心拼装式辙叉应用于道岔中，以提高耐磨性能及强度。钢种为P60-U75V钢轨。道岔采用分动外锁闭装置，辙跟处为限位器结构。新旧两种类型的道岔相关参数见表1。

表1 新旧道岔主要参数对比

2.2 中交定位方案

2.2.1 中交移位方案

道岔中交是直股中线与侧股中线相交的点，原则上新铺道岔的中交位置与原道岔保持不变。根据站场条件及设计道岔的要求进行了逐组勘测，发现硕放站N4～N2之间的渡线线型不良。为改善岔间渡线线型，经计算：N4道岔中交位置需向北京方向纵向移位120 mm，渡线间横向拨量最大为10 mm，如图2所示。

图2 硕放站N4道岔中交移位示意图

2.2.2 中交保持原位方案

其余各组道岔按照中交位置不变的原则布置新道岔。因新铺道岔前长与旧道岔前长相同，此方案中N1、N19、N6岔前位置存在绝缘及信号机，其位置可保持不变，有效地减少了电缆铺设、信号改移等电务工作量。

2.3 配轨方案

2.3.1 相邻道岔间直向钢轨

道岔中交位置确定后，即可根据道岔参数确定岔首与岔尾处基本轨接头的里程，据此计算道岔间直向钢轨长度。当两组道岔采用对接形式（尖对尖）时，公式见式1。此时，若中交位置保持不变，因新道岔前长与旧道岔一致，道岔间钢轨长度等于原钢轨长度；当两组道岔采用顺接形式（尖对尾）时，公式见式2。此时，若中交位置保持不变，因新铺道岔后长比旧道岔短5.4 m，道岔间钢轨比原钢轨长5.4 m。

式中，L为相邻道岔间直向钢轨长度（m）；K1、K2为两相邻道岔的中交位置里程（m）；ɑ为新铺道岔前长（m）；b为新铺道岔后长（m）。

2.3.2 道岔前后保护轨

道岔前后钢轨与道岔钢轨采用相同轨型。道岔前后为区间长轨时，直股更换一节25 m标准轨；侧股设置1～2节新钢轨与既有邻线道岔侧股钢轨进行连接。硕放站4道为普通线路，N19、N10岔后侧股设置一节保护轨后，与4道既有线路用接头夹板进行联接。钢轨长度按照现场勘测资料进行计算确定，结果见表2，表中均为一对钢轨长度。

表2 道岔前后配轨表

2.4 无缝道岔结构设计方案

2.4.1 结构设计方案

道岔内部接头采用焊接、胶接和冻结等方式全部进行无缝化处理。道岔前后接头直股焊接（有绝缘时胶接）、侧股冻结。N1、N11、N6、N4道岔侧向过渡至上行线，其保护轨与既有钢轨进行胶接（有绝缘）。N19、N10道岔侧向过渡至到发线（普通线路），其保护轨与既有钢轨用接头夹板进行联接。各组道岔前后接头处理方式见图3。

图3 硕放站道岔前后配轨及焊联方式示意图

2.4.2 设计锁定轨温

根据现场气象资料，当地轨温Tmax=60.7℃，Tmin=-14.0℃。结合现场实际，无缝道岔设计锁定轨温采用与区间相同的锁定轨温范围32±5℃。

2.5 配套工程方案

2.5.1 道床及轨枕

对道床进行清筛并补充石碴，并同步对岔间线和渡线进行清筛换砟，使道床达到铺设无缝线路技术条件。既有线路纵断面保持不变。岔区若存在基床病害，施工中同步对岔区基床病害进行整治。采用一级碎石道砟，并使道床饱满、密实。枕下净砟厚度≥300 mm，砟肩宽度≥450 mm，砟肩堆高≥150 mm，以提高道床阻力，确保无缝道岔稳定。

2.5.2 位移观测桩

在道岔岔首、限位器、岔尾处各设置1对位移观测桩。另外，距离道岔前后50 m处各设1对。当两组道岔距离较近时，可共用1对观测桩，并设置在两组道岔之间。在无缝道岔锁定后，立即进行位移标记。标记应明显、耐久、可靠。养护维修单位应定期对无缝道岔进行纵横向位移、左右尖轨相错量等项目进行观测、记录。发现观测项目超过允许值等非正常现象时，应及时查明原因，采取整治措施。

3 受力分析与检算

3.1 纵向力及位移检算

无缝道岔位于无缝线路固定区，除受到机车车辆的动荷载作用外，还受到的纵向温度力作用。岔前将受到区间传来的两股温度力作用，岔后受到四股温度力作用，岔区前后的纵向温度力不平衡。道岔尖轨、导轨及辙叉因只在岔后受外部区间传来的力，尖轨尖端及跟端将发生位移。并通过限位器、岔枕和扣件等传力部件，在基本轨上产生附加温度力并发生位移变形。

当两组道岔相隔较近而彼此影响时，其受力与变形将变得复杂。两道岔间夹直线长度越小，相互间的影响越大，当两道岔间距离小于25 m时，应按道岔群考虑。硕放站N11与N9间夹直线长度13.15 m，应视作两组道岔对接形式而进行分析；其余道岔间距均大于25 m，可按单组进行分析。

计算参数选取：道床换算纵向阻力32 N/cm；扣件纵向常阻力12.5 kN；扣件阻矩2.6 kN·m；限位器阻力6×104kN/m。温变幅度51℃时，基于有限单元法，计算结果见表3。

表3 最大纵向力和位移量计算表

结果表明：道岔对接方式使基本轨附加温度力增加12%，但对钢轨伸缩位移及限位器受力影响较小。相关文献研究表明：当道床、扣件的纵向阻力变低时，这种影响将变大。尖轨尖端位移小于允许量20 mm，位移检算合格。

3.2 钢轨强度检算

道岔基本轨因有附加纵向力影响，在转辙器跟端传力部件附近形成温度力峰，选取此处为检算断面。计算参数：机车类型SS8、HXD3，钢轨支座刚度D=33 kN/mm，屈服强度472 MPa，容许应力[σ]=472/1.3=363 MPa。根据无缝线路设计规范，计算结果见表4，两种工况条件下作用在钢轨上的总应力均小于容许值，检算合格。

表4 钢轨应力计算表（MPa）

3.3 无缝线路稳定性检算

因导曲线四根轨线和辙叉部分横向抗弯刚度较大，一般不会发生胀轨跑道。岔区无缝线路稳定性仅对最不利位置，即辙跟处的基本轨断面做检算。计算参数：原始塑性弯曲矢度2 mm，容许变形矢度1 mm，道床横向阻力11.5 kN/m，安全系数1.3。基于统一公式进行计算，允许温度压力[P]=Pw/1.3=2085 kN。钢轨的最大附加压力容许值为[P]/2-Ptmax=396 kN，大于钢轨最大附加纵向力255.46 kN，稳定性满足要求。

3.4 传力部件强度检算

尖轨跟端限位器联结螺栓的剪切强度，按下式进行：

式中，P0为限位器承受的最大作用力（N）；d为螺栓直径（mm）；[τ]为容许剪切应力，取 415 MPa。

经计算，τ=43.3 MPa<[τ]，检算合格。

4 实施效果及建议

2018年5月，京沪线硕放站上行线6组道岔成组更换施工已顺利实施。目前，道岔结构及各部位尺寸状态较佳，运营稳定，大大地减轻了日常养护维修量，验证了设计方案的可行性，并对既有线成组更换道岔工程提供了借鉴。结合设计和施工的实践，提出几点建议：

（1）设计阶段，若多组道岔更换时，应整体考虑道岔间配轨的整体配套，减少杂短轨，减少接头数量。

（2）道岔铺设时，辙跟处限位器子母块位置应保持严格居中，以避免过早贴靠，从而降低作用力。

（3）辙跟处基本轨存在附加应力，应确保此处焊接接头质量，尽量保证焊头与钢轨母材等强，或将焊接接头位置后延5 m～10 m，使最大附加温度力远离焊接接头。加强辙跟处轨道养护，确保该处不出现较大的轨面及轨道不平顺，降低该处钢轨动弯应力。

（4）应保证在设计锁定轨温范围内对无缝道岔进行锁定，并与相邻单元轨节的锁定轨温差应满足规范要求，以尽量减少区间温度力对道岔产生的附加作用。