无砟轨道线路临时架空装置现场应用与测试

2020-03-30左照坤赵欣欣程晓毛鞠晓臣

铁道建筑 2020年2期

左照坤赵欣欣程晓毛鞠晓臣

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071）

一高速铁路车站位于直线路基地段，纵断面上基本位于平坡地段，仅南端约100 m 为6‰上坡。根据工务部门扣件调整量数据显示，该高速铁路车站路基段约10 块无砟轨道板范围内存在差异沉降和一定程度的水平偏移，造成轨道几何形位不良，影响列车高速运行时的平稳性和安全性，急需采取措施对其进行整治。而由于该整治工程所涉及的线路范围较长，修复工作需用多个天窗点才能完成，对于跨天窗点的修复工作，既有线路临时架空技术是病害整治过程中保证列车正常运行的关键［1-3］。

高速铁路无砟轨道线路要求临时架空装置具有施工便捷、安全可靠、稳定好的特点［4-5］。目前针对无砟轨道病害整治的临时架空技术研究较少，而传统的架空方案对无砟轨道的适用性较差，如吊、扣轨法，工字钢束梁法等，其架空主体是由多根松散个体组成，施工繁琐、稳定性差；D型便梁法一般应用于既有线的站内、区间增设和改建小桥、涵洞、框架等的施工，梁体尺寸和重量较大，工序繁琐，施工难度大［6-7］。为此，结合此次无砟轨道沉降整治工程，研发一套适用于高速铁路无砟轨道线路的临时架空装置，并开展该架空装置现场应用研究，验证其适用性及可靠性。

1 架空结构设计

架空装置拟采用梁式结构，主要由钢垫梁、扣件、板式橡胶支座和限位装置4 部分组成，如图1 所示。钢垫梁是由2根纵梁和多根横梁组成的框架结构，其2根纵梁分别位于2 根钢轨正下方，主要起到支撑钢轨的作用，在纵梁上翼缘通过扣件将钢轨锁定，纵梁两端通过板式橡胶支座支撑于混凝土支承层上。在支座处纵梁内外两侧设置限位装置，限制梁体横向和纵向位移，限位装置通过多根化学锚栓锚固在混凝土支承层上。钢垫梁总长6 300 mm，跨度5 200 mm，梁两端悬臂长度550 mm。

图1 架空结构布置示意（单位：mm）

对于此次无砟轨道沉降整治工程，采用10片钢垫梁依次替换病害范围的10块轨道板架设临时线路，并将每相邻的两梁端通过连接板纵向连接，形成多跨连续结构。相邻梁端纵向连接如图2 所示，通过连接板及高强螺栓将相邻梁端对应位置的纵梁腹板分别连接。

图2 相邻梁端连接示意（单位：mm）

本文主要对架空装置中的钢垫梁结构形式进行详述，钢垫梁平面布置参见图1，梁体端部截面如图3所示。纵梁采用Q345qC 钢板焊接而成，箱型截面且沿长度方向变尺寸设计，即梁两端约900 mm 段上下翼缘板截面尺寸530 mm×30 mm，梁中间约4 300 mm段上下翼缘板截面尺寸730 mm×30 mm，两腹板截面尺寸190 mm×24 mm 保持不变。不同尺寸段采用直线过渡，在腹板与翼缘板之间按一定间隔设置加劲板。横梁结构如图4所示，除长度不同外，端横梁与中间横梁结构形式相同，每根横梁由2 支C 形构件背对组成，C 形构件采用Q345qC 钢板焊接而成。端横梁总长1 164 mm，中间横梁总长956 mm。

图3 梁端截面示意（单位：mm）

图4 横梁结构示意（单位：mm）

2 现场应用及测试

2.1 施工方法

此次无砟轨道沉降整治工程涉及连续的10 块轨道板，在该病害区架设临时线路时，首先利用2个天窗点进行前期工作准备，其次按照1 个天窗点安装1 片钢垫梁的进度，依次将10 块轨道板替换。施工方法如下：

1）前期工作准备：①按每两块轨道板长为一段，将病害区上方钢轨分段切开，并使用夹板将切开后的钢轨暂时连接；②凿除病害区轨道板端宽窄接缝，并释放轨道板预应力。

2）移除钢轨及轨道板：①拆除钢轨夹板，利用夹具将要拆除的轨道板上方钢轨纵向移至其它轨道板上；②采用吊具及起重设备将要拆除的轨道板拆除，并吊装在运输车上，运出施工场地；③使用凿除器械凿除支承层上的砂浆黏结层，并将支承层表面清扫干净。

3）架空装置安装：①在支承层表面使用墨线以十字形标记标出支座位置，以直线标出钢垫梁两端位置；②在支座位置，将支承层表面凿出与支座平面尺寸相当的深约10 mm矩形凹槽，在凹槽内铺设厚2 mm石棉垫，并将支座安装在凹槽内；③使用起重设备将钢垫梁吊装在支座上，并保证梁体纵向中心线与轨道中心线重合、梁端与标记线重合；④在钢垫梁两端支座处安装限位装置，并保证限位装置在横向及纵向分别与纵梁及横梁顶紧，限位装置采用化学锚栓锚固在支承层上。

4）安装钢轨：①利用夹具将钢轨移回至钢垫梁上方扣件上，使用定矩扳手将扣件紧固；②使用测量仪器分多段测量临时线路上钢轨顶面高程、轨距以及轨顶距离供电线高度等，精确调整轨道线形，保证线形满足规范要求。

5）重复步骤2）—步骤4）依次安装第1～10 片钢垫梁，并按设计要求将每相邻两梁端用连接板连接，完成临时线路架设。

根据现场施工情况，3～4 h即可完成1片钢垫梁替换1块轨道板架设临时线路工作，施工快速、便捷。

2.2 现场测试

为验证架空装置实际工作性能，保证列车行驶的安全性和平稳性，对在行车过程中临时架空线路的工作状态进行实时监测。采用10 片钢垫梁所架设的多跨连续结构，第一片和最后一片梁受力状态最为不利，因此选取第一片梁为监测对象，对梁体两端横向、竖向位移，梁体跨中横向、竖向位移，以及梁体跨中位置轮轨力进行监测，其中梁端横向位移测点位于梁端扣件位置。临时架空线路现场监测测点布置如图5所示，共计10个测点。

图5 临时架空线路现场监测测点布置示意

3 测试结果分析

3.1 评判标准

根据铁总运〔2014〕170 号《高速铁路工务安全规则（试行）》［4］规定，采用轨束梁、工字钢梁或D 型施工便梁架设临时线路时，列车最大允许行车速度45 km/h，且工字钢梁和D 型便梁竖向挠度不超过其跨度的1/400。考虑后期临时架空装置应用发展的要求，同时参考TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》、TB/T 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》的相关要求，所设计钢垫梁评判标准如下：

1）竖向变形限值

在列车静活载作用下钢垫梁竖向挠度不超过其跨度的1/900，即竖向挠度限值为5.77 mm。

2）横向变形限值

由列车摇摆力、离心力等引起的梁体横向挠度不超过其跨度的1/4 000，即横向挠度限值1.3 mm；在列车摇摆力、离心力等作用下，相邻梁端两侧的钢轨支点处横向相对位移不应大于1 mm。

3）列车运行安全性指标

列车运行过程中相关安全性指标见表1。CRH3列车设计轴重取15 t，则轮轴横向力H≤60 kN。

表1 列车运行安全性指标

3.2 结果分析

列车限速45 km/h运行，对6次列车行驶过程中临时架空线路的工作状态进行了实时监测。

1）梁体竖向变形

定义竖向位移向上为正、向下为负，列车行驶过程中第一片钢垫梁竖向位移时程曲线见图6。可知，梁体竖向位移曲线呈现出较明显的周期性变化，且两梁端竖向位移曲线吻合性较好，说明该架空装置稳定、可靠，测试数据有效。

梁体竖向位移监测结果见表2。可知，梁体跨中最大动挠度为2.79 mm，方向向下。根据《铁路桥涵设计规范》，钢垫梁动力系数为1+ μ = 1+[1.44/(Lφ-0.2)- 0.18]= 1+[1.44/( 7.8 - 0.2)- 0.18]= 1.375，其中Lφ为加载长度，Lφ= 5.2 × 1.5= 7.8 m，为每片钢垫梁跨度与跨度调整系数相乘后数值。则将动挠度换算成静挠度δ= 2.79/1.375= 2.03 mm，满足竖向挠度限值要求。

图6 梁体竖向位移时程曲线

表2 梁体竖向位移监测结果

2）梁体横向变形

为梁体跨中及梁端横向位移监测结果见表3。可知，实测梁体跨中横向挠度绝对值最大为0.21 mm，满足相关限值要求。

表3 梁体横向位移监测结果

左、右梁端扣件处横向位移绝对值的最大值分别为0.06，0.07 mm。钢垫梁左梁端与正常轨道板相接，设轨道板上扣件支点横向位移为0，则左梁端钢轨支点与相邻轨道板上钢轨支点横向相对位移为0.06 mm，远小于限值要求。第一片钢垫梁右梁端与第二片钢垫梁连接。根据对称性，假设第一、二片梁相邻梁端钢轨支点处最大横向位移相等，则相邻梁端两侧的钢轨支点处横向相对位移最大值为0.14 mm，满足限值要求。

3）安全性指标监测

列车行驶过程中各项安全性指标监测结果最大值见表4。可知，在所监测的6 次列车中，脱轨系数和减载率最大值分别为0.15，0.10，轮轴横向力最大值为18.04 kN，均小于相关限值要求。