有砟轨道混凝土轨枕枕下弹性垫板技术研究

2020-04-10朱超张正超尤瑞林

中国铁路 2020年2期

朱超，张正超，尤瑞林

（1. 蒙西华中铁路股份有限公司，北京100073；2. 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）

弹性轨枕是指在混凝土轨枕底部粘贴弹性垫板而构成具有一定弹性的轨枕结构，粘贴至轨枕底部的弹性垫板称为枕下弹性垫板（Under Sleeper Pads，USP）。既有研究成果表明，弹性轨枕可减轻下部基础振动冲击，使轮轨相互作用荷载在轨道结构纵向分配的范围更广、枕底压力更小。同时设置枕下弹性垫板可增大枕底道砟的接触面积，从而减缓道砟粉化，延长道床大修周期。铺设弹性轨枕有利于后期降低养护维修工作和运营维护成本，减小轨道结构的全生命周期成本[1]。

枕下弹性垫板在欧洲铁路应用较多，法国、瑞士、德国、奥地利等国家都针对枕下弹性垫板开展了大量研究试验工作，日本也曾针对有砟轨道枕下弹性垫板开展了相关研究设计工作［1-2]。我国自20 世纪80年代初开始研制在混凝土枕枕下设置弹性垫板的弹性轨枕，并先后在中国铁路沈阳局集团有限公司、中国铁路北京局集团有限公司、中国铁路上海局集团有限公司干线上及矿山重载专用线钢轨接头部位进行了试铺试验。在此基础上，于1995年制定了TB/T 2629—1995《铁路混凝土轨枕枕下弹性垫板》标准［3]。2001年前后，考虑铁路提速发展需求，相关铁路局集团公司与高校及厂家合作研发了Ⅲ型轨枕用枕下弹性垫板［4-5]。2011年，我国开展研究30 t轴重成套轨道技术方案［6]，结合原中国铁路总公司相关科研课题以及朔黄铁路基础设施的强化改造课题，中国铁道科学研究院集团有限公司开展了重载铁路枕下弹性垫板的研究和设计工作［1]。

目前，我国枕下弹性垫板的相关研究主要是基于室内试验和有限的现场试验段得出的，对枕下弹性垫板系统深入研究仍有欠缺。详细总结分析国内外常用的枕下弹性垫板技术方案，阐述不同技术方案的优点与不足，通过对国内外枕下弹性垫板技术方案的总结分析，为我国枕下弹性垫板技术的深化研究提供参考。

1 国外枕下弹性垫板方案

1.1 奥地利Getzner公司

奥地利Getzner 公司生产的枕下弹性垫板见图1。弹性垫板采用聚氨酯材料，垫层表面设置弹性丝网结构，混凝土轨枕在生产制作过程中，通过丝网与混凝土粘接来固定垫层［7-8]。这种弹性垫板主要优点有：（1）与混凝土轨枕连接方便快捷；（2）分布式粘接结构，粘接强度高；（3）枕下弹性垫板采用专门的生产工艺，生产方便。弹性垫板存在的不足有：弹性垫板与道砟接触面光滑，摩擦力小，导致轨枕的横向阻力降低。

图1 Getzner枕下弹性垫板

Getzner 公司的枕下弹性垫板在国内外铁路均有应用，使用最长时间超过20年，根据该公司提供的资料，全球已经铺设超过500多万根弹性轨枕（超过3000 km的轨道长度）和1500多组弹性道岔［9]。Getzner弹性垫板在我国大秦线、石太线等铁路中也曾铺设试验段开展研究工作。

1.2 法国Fimor公司

法国Fimor 公司生产的枕下弹性垫板见图2。弹性垫板采用聚氨酯材料，垫层表面设置铆钉结构［10]，混凝土轨枕在生产制作过程中，通过铆钉嵌入混凝土中来保证弹性垫板与混凝土轨枕的粘接性能。这种弹性垫板主要优点有：（1）与混凝土轨枕连接方便快捷；（2）与轨枕的粘接强度高；（3）枕下弹性垫板平整度高。存在的不足有：（1）弹性垫板与道砟接触面光滑，摩擦力小，导致轨枕的横向阻力降低；（2）弹性垫板设置铆钉结构，生产制造工艺复杂。

图2 Fimor枕下弹性垫板

1.3 法国Sateba公司

法国Sateba公司研发的PRA型枕下弹性垫板见图3。弹性垫板由聚氨酯弹性层和碎石粘接形成，在混凝土轨枕生产过程中，碎石嵌入未凝固的混凝土后，弹性垫板与混凝土轨枕形成一体化结构。

PRA 型弹性垫板的设计理念与Getzner 产品类似，都是弹性层复合一种连接结构在混凝土轨枕生产过程中进行粘接。2种产品不同在于，前者通过碎石与混凝土轨枕连接，而后者通过弹性丝网与混凝土轨枕连接。根据Sateba公司介绍，PRA型枕下弹性垫板在法国的高铁和普通线路中均有应用，铺设根数超过2万根。

1.4 英国Pandrol公司

英国Pandrol 公司作为全球顶级扣件生产厂家，也研发了枕下弹性垫板产品。其弹性垫板材料采用树脂橡胶，垫板顶面带有微纤丝结构，在混凝土轨枕生产过程中，微纤丝结构与混凝土粘接。另外，在弹性垫板与道砟接触面设置凹凸纹理结构（见图4）。这种弹性垫板主要优点有：（1）与混凝土轨枕连接方便快捷；（2）分布式粘接结构，粘接强度高；（3）与道砟接触面设置纹理结构，可在一定程度上增大摩擦力。存在的不足：纹理结构增加摩擦力有限，导致轨枕的横向阻力偏低。

图3 PRA型枕下弹性垫板

图4 Pandrol型枕下弹性垫板

1.5 西班牙V Systems公司

V Systems 公司主要开展改善轨道结构性能的相关研究工作，该公司针对有砟轨道混凝土轨枕开发了V FIT 型枕下弹性垫板（见图5）。V FIT 型枕下弹性垫板可用于整体式混凝土轨枕，也可用于双块式轨枕，其主要技术特点是在成品轨枕的底面直接浇筑聚氨酯材料，聚氨酯材料凝固后形成弹性垫板。

这种弹性垫板主要优点有：在轨枕底面直接浇筑成形，形状和面积易于控制。弹性垫板存在的不足有：（1）需轨枕成形后二次施工，工艺相对复杂；（2）粘接强度受所用材料的粘性制约；（3）形成的聚氨酯弹性层厚度均匀性难保证。

图5 V FIT型枕下弹性垫板

1.6 日本新干线

日本新干线高架桥上有砟轨道为减少养护维修工作量和降低振动噪声，从20 世纪70年代开始研制、试铺枕下弹性垫板，经历了由初始型—标准型—实用型—廉价型枕下弹性垫板的试铺试验过程，取得了良好效果。新干线初始型枕下弹性垫板是在既有3T 型混凝土枕的底面和侧面覆置弹性橡胶层。标准型枕下弹性垫板以4H 型PC 枕为基础改进制作。实用型枕下弹性垫板是以4T 型PC 枕为基础改进制作（见图6）。近年来，为降低新造枕下弹性垫板的造价和推进既有PC枕的弹性化，开发了只在轨枕底面粘接弹性橡胶垫板的廉价型枕下弹性垫板［5，11]。

日本枕下弹性垫板经过多年的研究和发展，期间采用了不同的结构形式。总体来看，日本的枕下弹性垫板以橡胶材料为主，与混凝土轨枕的连接方式为包裹粘接或直接粘接为主。

图6 日本新干线实用型枕下弹性垫板

2 我国枕下弹性垫板方案

2.1 TDZ Ⅲ型复合枕下弹性垫板

2006年青岛泰达轨道垫板有限公司联合中国铁路济南局集团有限公司，研制开发了对应Ⅲ型枕的TDZ Ⅲ型复合枕下弹性垫板［4，12]（见图7）。该型弹性垫板主要技术特点为：枕下垫板由上层减振胶和下层承压胶复合而成，上层减振胶带有若干沟槽与混凝土枕底面粘接，下层承压胶与道砟接触底面内深约1 mm 处复合一层骨架绵纶布，以增强抗穿刺能力。枕下垫板与道砟接触的底面进行特形设计，以保证弹性轨枕的纵、横向阻力。枕下弹性垫板与混凝土枕除了使用胶粘剂粘接外，还使用锚杆锚结。

图7 TDZ Ⅲ型枕下弹性垫板

这种弹性垫板主要优点有：（1）与道砟接触面采用不同类型的凸台结构设计，增加了与道床的摩擦力；（2）下层与道砟接触承压橡胶层内置绵纶布，因此垫层的抗穿刺力强、耐磨性好；（3）与混凝土轨枕粘接的弹性橡胶层表面采用沟槽形状设计，一定程度上利于提高两者间粘接性能。弹性垫板存在的不足有：（1）主要采用粘接和锚固的方式连接弹性垫板与混凝土轨枕，因此生产工艺较为复杂；（2）枕下弹性垫板采用双层复合结构，成本较高。

2.2 高速铁路Ⅲ型枕下弹性垫板

西南交通大学针对高速铁路运营条件研究设计了高速铁路Ⅲ型枕下弹性垫板［11]（见图8）。该类枕下弹性垫板的主要技术特征是：轨枕生产过程中，在轨下的枕底位置设置凹槽结构；轨枕养护完成后，对枕底凹槽结构进行打磨处理，然后粘接弹性垫板。

图8 高速铁路Ⅲ型枕下弹性垫板

高速铁路Ⅲ型枕下弹性垫板的主要优点有：（1）与混凝土轨枕粘接表面采用沟槽形状设计，一定程度上利于与混凝土枕底面粘接；（2）与道砟接触面采用波浪形凹槽设计，一定程度增加了与道床的摩擦阻力。枕下弹性垫板存在的不足有：（1）纹理结构增加摩擦力有限，导致轨枕的横向阻力偏低；（2）与混凝土轨枕粘接工艺复杂，粘接效果难以保证。

2.3 重载枕下弹性垫板

图9 重载枕下弹性垫板结构

2011年，我国开展研究轴重30 t 成套轨道技术方案，中国铁道科学研究院集团有限公司开展了重载铁路弹性轨枕的研究和设计工作。重载枕下弹性垫板（见图9）由混凝土轨枕和枕下弹性垫板通过粘接剂粘接成为一体，枕下弹性垫板形状为矩形，主要尺寸为1000 mm（长）×240 mm（宽）×15 mm（厚）。为提高枕下垫板在列车荷载作用下的耐久性，在垫板与道砟接触面设置耐穿刺和耐磨损材料，同时在垫板与道砟接触面设计凹凸槽来提高枕下弹性垫板底面与道床之间的摩擦阻力，从而保证轨道结构的横向稳定性。在垫板与轨枕粘接面设计有一定粗糙度，进一步提高垫板与轨枕底面的粘接性能。该弹性轨枕在我国山西中南部铁路通道内铺设试用［2]。

高速铁路Ⅲ型枕下弹性垫板的主要优点有：（1）弹性垫板内采用耐穿刺和耐磨损性能的材料；（2）与道砟接触面采用凹槽设计，一定程度增加了与道床的摩擦阻力。枕下弹性垫板存在的不足有：（1）凹槽增加摩擦力有限，导致轨枕的横向阻力偏低；（2）与混凝土轨枕粘接工艺复杂，粘接效果难以保证。