宁西线线路大中修设计探讨

孟维刚 中国铁路上海局集团公司工务部

从2012年起，集团公司对管内宁西线增建二线并对既有线路进行改造提升。宁西线我局管内正线全长135.470 km，新建二线长度为96.447 km。2015年12月改造完成并投入运营。由于是既有线的改造提升，有很大部分是利旧线路，轨道、道床等部位伤损病害很多，例如部分线路还是2004年铺设的60 kg/m普通线路，轨道鱼鳞伤损、波磨、侧磨严重，钢轨疲劳重伤严重；部分道床板结冒浆严重，日常的养护维修不能从根本上解决问题。为使新建线路和原利旧线路“结构等强、质量均衡”，充分发挥宁西线改建二线后的经济效益，减轻设备管理单位日常养护维修工作量，从2017年开始，集团公司利用年度大修计划对宁西线部分线路进行补强。

1 跨区间无缝线路设计方案

宁西线下行K842+150.72-K848+283.6，宁西线上行K849+055.8-K854+110.25间为P60轨普通线路。对本段线路设计为P60整修轨跨区间无缝线路，从而在根本上消灭普通接头，减小设备管理单位的养修维护工作量，实现宁西线全线无缝化。

1.1 无缝线路稳定性计算

对于无缝线路来说，稳定性应满足轨道的计算允许温升应大于实际最大温升。允许温升利用卢耀荣提出的波长不等的稳定性计算公式计算。

假设轨道是无限长梁，受到横向均匀约束，轨道初始弯曲的线性函数是正弦函数，当温度升高时，将首先在轨道初始弯曲出变形。曲线变形后继续保持连续，变形曲线的特性与初始弯曲的波形相似，波长不等。由势能驻值原理，取不同的轨道弯曲变形波长计算轨道弯曲变形矢度等于0.02 cm时所对应的最小温度压力，再计算所对应的允许温升。宁西线温度压力变化见图1。

图1 温度压力变化图

将图1计算结果代入临界温升计算公式 ：

式中，Pmin—最小临界温度压力；

E—钢轨弹性模量，取 2.1×107N/cm2；

α—钢轨线膨胀系数，取1.18×10-5℃；

F—钢轨截面积，60 kg/m取77.45cm2。

当R=1 600 m，温度压力随弯曲变形波长取值情况变化如图1所示，则当l=440 cm时，可得钢轨的允许最小温度压力值Pmin=2.424398×106N，在Pmin条件下的临界温升△Tμ=63.16℃，受温度力纵向不均匀分布影响，临界温升减去8℃，所以允许温升 [△Tμ]=55℃。

1.2 无缝线路强度计算

对于无缝线路来说，钢轨强度必须满足钢轨的容许应力应大于温度降低时钢轨所受温度拉力，受轮载影响的弯曲应力以及其它附加力三者之和。即：

式（2）中σ—轨底动弯应力

底d为轨底动弯矩，W底为轨底截面参数，取3.75×105mm3；f为横向水平力系数，曲线半径不同，取值不同，当800 m＜R≤2 000 m时可取1.45，当R＞2 000 m时可取1.30。

σt—钢轨温度应力，计算公式为σt=E·α·△Tdmax，△Tdmax为无缝线路最大降温幅度。

σz—钢轨附加应力，在此为制动应力σ制=10 MPa。

[σ]—钢轨容许应力为钢轨的屈服强度，取457MPa，K为安全系数，取1.35。

由以上可得临界温降计算公式：

强度计算过程中，将钢轨视为连续弹性基础上的无限长梁。由均匀连续弹性基础理论以及力的独立作用线性叠加原理，分别将不同轮位作为计算截面，逐轮计算，取其中最大值进行无缝线路钢轨强度检算。

宁西线为电气化线路，计算机车采用SS8型电力机车，SS8型电力机车其构造速度V=160 km/h。根据不同线路平面，取不同的横向水平力系数，可得计算结果见表1。

表1 钢轨应力计算表

根据以上计算结果及公式（2）、（3），可得无缝线路钢轨允许温降[△Td]=61.9℃。

1.3 无缝线路检算

宁西线当地历年最高轨温61℃，当地历年最低轨温-18.9℃，设计锁定轨温按27℃～37℃，其中，淠河特大桥上设计锁定轨温按27℃～32℃。跨区间无缝线路相邻单元轨节的锁定轨温差不超过5℃，宁西线线路允许速度在160 km/h以下，左右股锁定轨温差不超过5℃，同一区间内单元轨节最高、最低锁定轨温差不超过10℃。

1.3.1 一般地段无缝线路

由以上确定的设计锁定轨温，宁西线钢轨最大温升△Tumax=61-27=34℃＜[△Tu]=55℃，宁西线最大温降△Tdmax=37-（-18.9）℃=55.9℃＜[△Td]=61.9℃，检算合格。

1.3.2 桥上无缝线路

在此次铺设无缝线路区段，桥梁共计4座，其中1座桥为带护轮轨特大桥（淠河特大桥），桥梁中心里程为宁西线上行K850.231，长度L=749.09 m，其桥跨组成为13×16 m先张预应力钢筋混凝土梁＋16×32 m预应力钢筋混凝土T形梁，Ⅱ型混凝土枕。相比于一般地段的无缝线路，桥上无缝线路要受到额外的附加力作用，附加力由桥梁的挠曲变形以及伸缩变形位移而引起。根据李斌、韩峰研究，当在跨度L≤32 m的刚性墩台钢筋混凝土简支梁桥上铺设无缝线路，不论桥梁有多长，只要钢轨温升△T≤44℃，钢轨温降△T≤49℃时，无缝线路钢轨能够满足断缝、强度和稳定性的要求，可对桥梁全长不作限制，也可对轨道结构不进行检算。由于原作者计算时钢轨容许拉应力为[σ]=311.5 MPa，近年，上海局集团公司大修铺设整修轨无缝线路轨源多数为U75 V钢轨整修再用，U75 V钢轨屈服强度可以达到510 MPa，即使屈服强度较低的U71 Mn钢轨的屈服强度也可以达到457 MPa，△σ=457 1.35-311.5=27.02 MPa，换算成轨温变化幅度达到10.9℃，则原约束条件可调整为钢轨温降△T≤（49+10.9）=59.9℃时，无缝线路轨道结构可以满足稳定性、强度和断缝的要求，桥梁全长可不作限制，轨道结构亦可不需检算。

由以上设计锁定轨温，淠河特大桥钢轨最大温升△Tumax=61-27=34℃＜44℃，钢轨最大温降△Tdmax=32-（-18.9）=50.9℃＜59.9℃，满足上文约束条件，不必对轨道结构进行检算。

2 焊接方案

目前，现场焊接方式主要有三种：铝热焊、移动气压焊和移动闪光焊。

铝热焊具有工艺简单、设备轻便，作业时间需求相对较短，适用于复杂地段焊接等特点。但是，根据其原理铝热焊缝作为铸造组织，强度只有母材70%左右，由于不能实现自动化、智能化，整个焊接过程还是以人控为主，焊接质量不能持续稳定。

移动气压焊的原理是将待焊轨端利用乙炔-氧气火焰加热，待其达到塑性状态时，施加顶锻力，使得两待焊轨端重新结晶，融为一体。其焊缝强度能达到母材95%以上。

移动闪光焊是利用强电流通过两轨端之间的极大电阻，产生热量将两轨端融化至塑性状态，快速施加顶锻力使两轨焊连成一体。焊缝强度接近母材强度，闪光焊在电气化铁路线上焊接时，必须保持左右两股钢轨之间不能导通，对施工效率有一定影响。

通过比较3种焊接方式的优缺点，施工单位应因地制宜，选择合适的焊接方式，铝热焊可用于分路口站道岔内部接头的处理以及在道岔前后铺设无缝线路时的龙口焊接和其它因素制约不能使用大型焊机地段的焊接；因宁西线为电气化线路，故区间换轨线上焊接可以使用移动气压焊焊机，线下焊接可以使用移动闪光

3 线路中修设计

宁西线改建二线工程中，宁西上行线K800.4-K835.52，K848.91-K922.13，宁西下行线K834.91-K848.43间线路为利用既有线改造，道床状态较差，除上行K854+120-K863+800在2008年中修过以外，其余线路上次中修时间为2003年，道床板结冒浆严重。

对于道床一般脏污地段采用大型机械清筛施工作业，道床翻浆脏污地段采用大型机械抛床作业，利用捷力大修软件进行拉坡设计。

本区段桥梁共计48座，其中原碴厚小于25 cm的桥梁有23座，其中44A#桥石碴厚度仅为9 cm。本次拉坡设计时对其中19座桥进行了抬道，且抬道以后石碴厚度达到25 cm及以上。其余4座桥梁因受接触网导高缺陷或者现场其他设备限制，拉坡时仅在原来基础上进行改善，对于改善后桥上道床厚度仍然不能满足25 cm要求的，须在道床以下轨枕垂直投影面下的梁面上铺设DCY橡胶垫增加道床弹性，以增加道床弹性及确保列车安全运营。

本次施工区段宁西线原大顾店站、俞大庄站、十里桥站站台均已废弃，为改善站台地段线路道床排水及满足大机清筛作业影响范围的要求，将以上废弃站台结合线路大修予以部分拆除，拆除站台宽度1.4 m左右，拆除深度至路基面。为有利于剩余站台的安全稳定，按宽0.4 m的浆砌片石恢复站台墙，恢复后线路中心至站台墙外侧的距离应不小于2.5 m。

4 结束语

普通60 kg/m轨线路换铺为跨区间无缝线路施工时，应提前对缺碴，道床翻浆，路基冒浆地段进行整治，即现场施工时也可按照先清筛，后换轨的流程进行施工，确保线路满足铺设无缝线路条件。

当在跨度L≤32 m的刚性墩台钢筋混凝土简支梁桥上铺设无缝线路，不论桥梁有多长，只要钢轨温升△T≤44℃，钢轨温降△T≤59.9℃时，无缝线路轨道结构可以满足稳定性、强度和断缝的要求，桥梁全长可不作限制，轨道结构亦可不需检算。

从2017年开始，集团公司有计划地对宁西线进行大修补强，2017年和2018年分别对二线改造后利旧道床完成了清筛作业。2017年完成对普通线路区段的跨区间无缝线路铺设作业。从实施效果来看，以上设计方案得到了有效验证，全面改善了既有的线路状态，宁西线全线轨道结构基本等强，线路质量更加均衡，线路承载能力大幅提升，并且大幅度减小了设备管理单位养护维修工作量，有力地保障了铁路运输安全生产秩序。