新型合成轨枕在城市轨道中应用的可行性研究

2020-04-01杨洋磨巧梅孙宗丹

西部交通科技 2020年9期

杨洋磨巧梅孙宗丹

摘要：文章针对西南地区某城市轨道交通线路特殊条件，通过比对新型合成轨枕与现有木枕和混凝土枕线路工况综合参数和经济效益，分析新型合成轨枕在轨道交通线路中的可行性，為今后新型合成轨枕在城市轨道线路中的应用提供参考。结果表明：新型合成轨枕较木枕、混凝土轨枕在力学强度、使用寿命、维护作业中均具有明显优势;与混凝土轨枕相比，其用于桥梁和道岔等特殊路段时优点能够充分发挥;综合分析经济效益较好，在道岔路段采用新型合成轨枕替代木枕是可行的。

关键词：城市轨道;轨枕;聚氨酯;可行性研究

0 引言

2019年9月，中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》指出：“构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系。推进技术装备升级，推广轻量化、环保型交通装备及成套技术装备。”[1]作为现代化交通综合体系中的重要一员，城市轨道交通建设与运维升级是其发展的一贯目标。随着我国主要城市轨道交通的跨越式发展，传统轨道结构部件的安全性、耐久性、稳定性受到考验[2]。轨枕作为城市轨道交通线路结构重要的组成部分，其作用主要是为轨道整体结构提供刚度并承受钢轨传递的竖向、横向及纵向荷载。为改善轨枕在线路运营中出现的诸多问题，国内外先后开展合成轨枕的研发与应用：1980年，日本积水化学株式会社研发生产合成轨枕，其采用连续玻璃纤维增强聚氨酯硬泡复合而成[3]，具有良好的防水、耐腐蚀、轻质、高强度等特性，开始在日本新干线上使用，在30多年的时间里，合成轨枕在日本的总量超过150万根;2005年前后，由于采用的直线电机技术对轨道施工提出了更高的要求，合成轨枕产品开始进入国内市场[4];2008年，广州地铁集团有限公司与中船重工集团公司第七二五研究所通过合作研发，成功将合成轨枕国产化，并由七二五研究所下属的洛阳双瑞橡塑科技有限公司进行生产;自2009年以来，洛阳双瑞橡塑科技有限公司生产的合成轨枕先后在广州、深圳、南京、成都、重庆、贵阳、无锡等国内大中城市地铁线路应用，供货总量超过10万根，并取得了良好的效果;2012年，《聚氨酯泡沫合成轨枕》（CJ/T 399-2012）行业标准正式发布。

针对城市轨道线路中合成轨枕在运营中的应用问题，课题组[5]通过长期从事城市轨道线路勘察设计、铁路轨道结构新材料研发、城市轨道运维关键技术等研究，积累了大量轨枕现场应用及病害处理经验。本文针对西南地区城市轨道交通线路特殊条件，结合现有设施测试与调查，在比对新型合成轨枕各项性能的基础上，通过新型合成轨枕与现有木枕、混凝土枕参数比对、线路工况综合参数比对和经济效益比对，分析新型合成轨枕在轨道交通线路中的可行性，为今后新型合成轨枕在城市轨道中的应用提供基础。

1 新型合成轨枕各项性能比对分析

1.1 新型合成轨枕与木枕的比对

新型合成轨枕与木枕的密度相当，并具有一定的弹性，均可用于城市轨道桥梁和道岔等特殊路段。与木枕相比，新型合成轨枕具有以下优势。

（1）力学强度高

新型合成轨枕采用聚氨酯硬泡为基体材料，高强度连续玻璃纤维为增强材料，其力学强度远远高于木枕[6]。表1是新型合成轨枕和木枕的部分力学性能比对。

（2）耐久性好

新型合成轨枕为高分子化合物，耐酸碱腐蚀，吸水率低，能够适应各种环境，其在日本的使用时间已超过35年，铺设地段没有维修记录，各项物理性能试验结果表明，新型合成轨枕至少可具有50年以上的使用寿命。而木枕在正常使用过程中，极易受到酸碱和雨水的腐蚀，在明桥面的使用年限不超过5年，暗桥面的使用年限不超过10年。

（3）可修复性好

新型合成轨枕除了可以进行与木枕相同的钻孔、开槽、打磨、切割等工序外，还可以进行粘接，可以加工成各种尺寸各种形状，以适应不同的工况。新型合成轨枕在长时间的使用过程中，由于列车运行的往复载荷，可能造成螺纹道钉抗拔强度的降低，可在不更换新型合成轨枕的条件下，对其进行修补。

（4）轨道稳定性好

与新型合成轨枕相比，木枕具有更好的弹性，但是其弹性不均匀，单独使用容易造成轨道的不稳定。与之相反，新型合成轨枕具有一定的弹性，由于采用人工复合而成，其弹性均匀，具有更高的强度，轨道稳定性好。新型合成轨枕能够较好地保持道岔的几何形位，很少出现尖轨不密贴和空吊板的情况，有利于保证道岔质量，可大大减少列车运营中轨道和信号转撤装置的养护维修工作量，提高列车在折返道岔区段的运行安全和可靠性。根据国内某运营总部的反馈，其线路两端折返线采用的新型合成轨枕道岔，运行10年来的维修工作量比未采用新型合成轨枕的1、2号线有明显下降，且尖轨磨耗很小，改变了普通道岔一年需更换一次尖轨的状态。

（5）环境友好

木枕采用木材制成，大量木枕的使用必将导致大量的树木被砍伐，将会对环境造成恶劣影响。同时木材资源贫乏，各方面需求量又很大，无论数量还是质量，都不能满足使用要求。采用新型合成轨枕能够避免使用木材，保护森林对环境带来有益的效果。

1.2 新型合成轨枕与混凝土轨枕的比对

（1）重量较轻，安装简单便捷

与混凝土枕相比，新型合成轨枕质轻高强，为铁路线路的维修换枕等施工操作带来极大的便利性，不仅大大降低了铁路工人的劳动强度，提高施工的安全性，还能维护铁路工人的身体健康，减少劳动事故的发生，而且能加快施工速度，大幅度提高劳动生产率。

与混凝土枕相比，采用新型合成轨枕易于调整道岔的几何尺寸，后期养护、维修工作量小。在同等条件下，每组道岔施工可节省约2 d时间，若按一处配线道岔群8组计算，可加快施工进度约10～12 d;采用新型合成轨枕预拼装的道岔，整体性好，可进行总体多方向移动。

（2）弹性较好，减振效果明显

同混凝土轨枕相比，新型合成轨枕高弹性的优点使轨道的弹性可以得到明显的改善，尤其对道岔区高冲击、高振动地段，使用这种新型材料轨枕的优势将更加明显，轨道弹性会得到明显提高，从而改善道岔区各组成部分如钢轨、扣件及道砟的工作环境，减弱道砟分化的产生与发展，大幅降低轨枕环裂及纵裂的概率，延长道岔区各组成部分的使用寿命，降低钢轨、轨枕等产品的使用成本。新型合成轨枕还具有良好的减振降噪效果，与混凝土枕相比，可减振3 dB。

（3）适应性强，维修方便

与混凝土枕相比，新型合成轨枕还有另外一个明显的优势，就是它很容易在现场进行加工，如：切、削、钻、开槽、粘贴与修补等，如果锚固螺孔在钻孔施工时偏离标准位置，可通过修补剂填充该钻孔，并在任意需要的位置重新钻孔，即使该新孔与老孔位置有部分重合也不影响新钻孔的质量。试验表明，修补位置的强度甚至超过母材本体。拉拔试验显示，在拉拔力超过一定限度时，轨枕首先出现破坏的部位在母材本体，而非修补部位。虽然新型合成轨枕造价高于混凝土枕，但具有缩短道岔施工时间和减少运营养护维修工作量的优点。广州地铁在2008年6月份以后建设的各条新线中，除在直线电机牵引的新线中正线/辅助线和车辆段内采用新型合成轨枕外，在普通牵引的新线中，正线和辅助线上也均采用新型合成轨枕。

1.3 三种类型轨枕综合性能比对（见表2）

2 新型合成轨枕经济效益分析

某城市轨道交通线路中车场部分道岔结构采用木枕，合计203根。若将全部木枕替换为新型合成轨枕和混凝土轨枕，其投入资金如表3所示。尽管在岔枕更换时采用新型合成轨枕的一次性投入较混凝土枕高，但由于岔枕受力情况复杂，承受的冲击力非常大，混凝土轨枕为刚性材料，很容易发生裂纹，此外，混凝土岔枕螺栓的固定方式为预埋尼龙套管，螺栓拧在套管中，在列车振动作用下容易松动，特别是尼龙套管容易积水，使螺栓锈蚀[7]。在运营维护阶段，混凝土岔枕的供应是成组发运，型号繁多，当个别岔枕损坏后，很难配备更换，必须要整组更换，通用性差。因此，在全寿命周期50年内，采用混凝土岔枕预计需要更换3次左右，综合成本要远高于新型合成轨枕。

3 结语

针对西南地区某城市轨道交通线路特殊条件，通过新型合成轨枕与现有木枕、混凝土枕参数比对、线路工况综合参数比对和经济效益比对，分析新型合成轨枕在轨道交通线路中的可行性，得到如下结论：

（1）新型合成轨枕与木枕相比，合成轨枕和混凝土轨枕均具有明显优势，力学强度高，使用寿命长，能够减少后期维护工作。

（2）新型合成轨枕与混凝土轨枕相比，其初期投入成本较高，用于正线时不具有明显优势，但是用于桥梁和道岔等特殊路段时，能够充分发挥其优点。

（3）综合分析新型合成轨枕与另两类轨枕性能与经济效益，建议在道岔路段采用新型合成轨枕替代木枕，为今后新型合成轨枕在城市轨道线路中的应用提供参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国中央人民政府.中共中央国务院印发《交通强国建设纲要》[EB/OL]. http：//www.gov.cn/zhengce/2019-09/19/content_5431432.htm？trs=1

[2]張勇，张彬，刘志，等.聚氨酯材料在铁路建设中的应用进展[J].聚氨酯工业，2020，35（2）：4-7.

[3]佘新光，魏凯耀，张兴刚，等.聚氨酯合成枕木横向压缩性能研究[J].材料开发与应用，2019，34（5）：12-15.

[4]张勇，芦骏山，刘志，等.长玻璃纤维含量对聚氨酯合成轨枕力学性能的影响[J].化学推进剂与高分子材料，2019，17（4）：66-69.

[5]杨洋，林洁，何壮彬，等.锰渣对水泥乳化沥青砂浆性能影响的研究[J].新型建筑材料，2019，46（2）：45-48.

[6]王鹏，付兰，许双喜，等.聚氨酯材料在轨道交通方面的应用及研究进展[J].聚氨酯工业，2017，32（1）：5-8.