既有曲线车站站线无缝化改造可行性研究

董昆灵 许钊荣 李莹 杨荣山 郭利康 李江波

1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；2.中国铁路成都局集团有限公司重庆工务段，重庆 400053

无缝线路具有便于高速行车、易于养护维修等优点，因此国内铁路正线基本都铺设无缝线路［1-3］。为了保证行车平稳性和降低维修成本，许多站线也采用了无缝道岔［4-5］和无缝线路［6-7］。由于实际轨枕间距较大、砟肩宽度不足等，部分线路出现了道床翻浆和板结等不良病害，严重时危及行车安全［8］。为了满足正线铁路提速需要，对重庆工务段管内川黔线转关口站和綦江站两座曲线车站进行无缝化改造。

考虑到无砟轨道一旦出现病害不易维修［9］，这两座曲线车站采用易维修、造价低、弹性好［10］的有砟轨道。有砟道床为散粒体结构，具有离散性和时变性［11］，会导致碎石道床不良和阻力不均匀分布，可能引起改造后的有砟道床无缝线路不稳定。列车通过曲线段不同位置的动力响应不同［12］，会导致不同位置的无缝线路服役状态有差异。曲线段中圆曲线的正矢比缓和曲线大，在无缝线路中被认为是易胀轨跑道段［13］。因此，研究曲线段有砟轨道无缝化改造可行性具有现实意义。

道床纵向、横向阻力使道床能够抵抗轨道框架纵向、横向位移［14］。纵向阻力是进行线路爬行状态研究和桥上无缝线路设计的重要参数［15］；横向阻力是进行无缝线路稳定性检算的重要参数。为了能更加科学准确地研究既有站线曲线段有砟轨道无缝化改造的可行性，应先确定其道床纵向、横向阻力。本文对转关口站和綦江站的曲线段有砟道床阻力进行现场测试，探讨曲线段站线无缝化改造的可行性，并结合现场情况和稳定性分析提出相应的改良措施。

1 试验概况

1.1 测试区段

测试地点为重庆工务段管内川黔铁路转关口站站1线和綦江站站1线。两区段线路主要铺设Ⅱ型轨枕，有少量的69型轨枕，设计轨枕间距625 mm。转关口站测试区段的圆曲线半径为600 m，实际轨枕间距690 mm，最小砟肩宽度为110 mm。綦江站测试区段的圆曲线半径为1000 m，实际轨枕间距630 mm，最小砟肩宽度为125 mm。

1.2 纵向阻力测试方法

纵向阻力测试采用现场原位测试方法，如图1所示。首先松开待测试轨枕的扣件并抽出胶垫，确保轨枕不与轨底接触。然后利用相邻轨枕提供的支承，用一个千斤顶纵向推移待测试轨枕。考虑到加力装置位于轨枕中部，为避免轨枕左右位移不均匀造成测量误差，在轨枕两端各安装1块百分表，取其位移平均值作为轨枕位移观测值。最后进行加载，同时记录百分表读数（轨枕位移）和液压千斤顶精密压力表读数（由其换算出加载力）。试验完成后，卸掉荷载，将轨枕恢复原位并捣实道砟。

图1 纵向阻力测试布置

1.3 横向阻力测试方法

横向阻力测试采用现场原位测试方法，如图2所示。首先松开待测试轨枕的扣件并抽出胶垫，确保轨枕不与轨底接触。然后以钢轨作为支撑，把加力架安装在待测试轨枕上钢轨的外侧，将千斤顶横置在加力架中，进行预加载，把顶铁的前端顶在钢轨轨腰上，并在轨枕另一股钢轨处布置百分表。最后进行加载，同时记录百分表读数（轨枕位移）和液压千斤顶精密压力表读数（由其换算出加载力）。试验完成后，卸掉荷载，将轨枕恢复原位并捣实道砟。

图2横向阻力测试布置

2 试验结果及分析

两个测试区段的轨道整体结构均较弱，为了全面反映道床稳定性，不仅要对所有测试数据进行拟合分析，还要单独对最小的一组测试数据进行拟合分析。

采用多项式回归方法分别对单根轨枕道床阻力r（单位：kN）、单位道床分布阻力q（单位：N/mm）进行拟合分析，其多项式公式分别为

式中：r0为初始单根轨枕道床阻力，kN；x为轨枕位移，mm；q0为初始单位道床阻力，N/mm；f为轨枕位移，mm；B、C、N、c1、c2为阻力系数，N取3/4。

2.1 纵向阻力

在转关口站选取了6根69型轨枕进行道床纵向阻力测试。测试结果及拟合曲线见图3。可知，对于69型轨枕，纵向位移2 mm时：单根轨枕道床纵向阻力拟合值为15.65 kN，最不利位置处为8.64 kN；单位道床纵向分布阻力拟合值为22.69 N/mm，最不利位置处为12.49 N/mm。

图3 69型轨枕道床纵向阻力测试结果及拟合曲线

在綦江站与转关口站共选取了11根Ⅱ型轨枕进行道床纵向阻力测试。测试结果及拟合曲线见图4。可知，对于Ⅱ型轨枕，纵向位移2 mm时，单根轨枕道床纵向阻力拟合值为20.75 kN（总体），綦江站与转关口站的单根轨枕道床纵向阻力拟合值分别为24.53、8.96 kN，最不利位置处分别为7.02、5.57 kN；单位道床纵向分布阻力拟合值为32.46 N/mm；綦江站与转关口站的单位道床纵向分布阻力拟合值分别为39.00、13.00 N/mm，最不利位置处分别为11.13、8.09 N/mm。

图4 Ⅱ型轨枕道床纵向阻力测试结果及拟合曲线

根据69型轨枕和Ⅱ型轨枕的道床纵向阻力可知，道床的纵向阻力具有明显的弹塑性，但实际轨枕间距与设计值相差较大，导致各轨枕盒内道砟密实度差异较大，进而使道床的纵向阻力离散性较大。在这两座曲线车站，Ⅱ型轨枕的总体单位道床纵向分布阻力是69型轨枕的143%；綦江站铺设Ⅱ型枕区段的整体和最不利位置处单位道床纵向分布阻力分别是转关口站铺设Ⅱ型枕区段的300%、137%。

2.2 横向阻力

在转关口站选取6根69型轨枕，对其进行道床横向阻力测试。测试结果及拟合曲线见图5。可知，对于69型轨枕，横向位移为2 mm时，轨枕道床横向阻力拟合值为8.38 kN，最不利位置处为7.34 kN；单位道床横向分布阻力拟合值为12.15 N/mm，最不利位置处为10.66 N/mm。

图5 69型轨枕道床横向阻力测试结果及拟合曲线

在綦江站与转关口站共选取了24根Ⅱ型轨枕进行道床横向阻力测试。测试结果及拟合曲线见图6。可知，对于Ⅱ型轨枕，横向位移2 mm时，单根轨枕道床横向阻力拟合值为9.04 kN（总体），綦江站与转关口站的单根轨枕道床横向阻力拟合值分别为9.29、8.67 kN，最不利位置处分别为5.62、6.53 kN；单位道床横向分布阻力拟合值为13.90 N/mm，綦江站与转关口站的单位道床横向分布阻力拟合值分别为14.70、12.58 N/mm，最不利位置处分别为8.92、9.47 N/mm。

图6 Ⅱ型轨枕道床横向阻力测试结果及拟合曲线

根据69型轨枕和Ⅱ型轨枕的道床横向阻力可知，道床的横向阻力具有明显的弹塑性，但部分道床砟肩宽度不足，导致滑动体的重量减少，进而使道床的横向阻力离散性较大。在这两座曲线车站，Ⅱ型轨枕的总体单位道床横向阻力是69型轨枕的114%；綦江站铺设Ⅱ型枕区段的整体和最不利位置处单位道床横向分布阻力分别是转关口站铺设Ⅱ型枕区段的117%、94%。

3 无缝线路结构设计分析

资料显示，綦江区的最高轨温为60℃，最低轨温为-3℃。转关口站和綦江站的设计锁定轨温分别为34、35℃。考虑到施工影响，设计锁定轨温的变化范围为±5℃。测试区段实际最大降温幅度为43℃，实际最大升温幅度为31℃。由于实际升降温幅度较大，为了保证无缝化改造后线路的安全性和稳定性，应对转关口站和綦江站曲线段无缝线路的轨道结构强度和稳定性进行检算。

3.1 轨道结构强度检算

两个测试区段所在线路采用60 kg/m的U75钢轨，通过车辆主要为韶山Ⅲ型电力机车，设计时速90 km。根据TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》进行无缝化轨道结构强度检算，转关口站的容许降温幅度为60.0℃，实际最大降温幅度为42.0℃；綦江站的容许降温幅度为69.0℃，实际最大降温幅度为43.0℃。

转关口站和綦江站的实际最大降温幅度均小于容许降温幅度，满足规范要求；转关口站的容许降温幅度较綦江站低9.0℃，说明不同曲线半径段进行无缝化改造后轨道结构强度差异较大。

3.2 无缝线路稳定性检算

根据TB 10015—2012进行无缝化线路稳定性检算，转关口站的69型轨枕整体的容许升温幅度为60.2℃，最不利的容许升温幅度为56.1℃，实际最大升温幅度为31.0℃；转关口站的Ⅱ型轨枕整体的容许升温幅度为60.7℃，最不利的容许升温幅度为51.4℃，实际最大升温幅度为31.0℃。綦江站的Ⅱ型轨枕整体的容许升温幅度为71.1℃，最不利的容许升温幅度为50.2℃，实际最大升温幅度为30.0℃。

转关口站和綦江站的实际最大升温幅度均小于容许升温幅度，满足规范要求；对于Ⅱ型轨枕，转关口站、綦江站最不利位置处容许升温幅度分别比整体降低了9.3、20.9℃，说明不同区段无缝化稳定性的差异较大。

4 结论及建议

1）转关口站和綦江站的69型轨枕道床纵向、横向阻力分别为22.69、12.15 N/mm；Ⅱ型轨枕道床纵向、横向阻力分别为32.46、13.90 N/mm，但受道床状态等诸多因素的影响，道床阻力的离散性较大。

2）转关口站和綦江站无缝线路轨道实际最大降温幅度均小于容许降温幅度，实际最大升温幅度均小于容许升温幅度，钢轨结构强度及稳定性均满足规范要求，可以进行无缝化改造。

3）由于最不利轨温偏低，建议严格监控锁定轨温的变化，对轨温进行定期测量，并加强钢轨的位移观测，以无缝线路轨温及钢轨位移条件为依据，保障无缝线路的稳定性。

4）测试区间的69型轨枕强度低于Ⅱ型轨枕，建议条件允许情况下全部换成Ⅱ型轨枕；由于实际轨枕间距与设计轨枕间距相差较大，对轨道结构强度及线路结构稳定性均造成一定影响，建议在线路维修时作出调整，恢复轨枕设计间距，增铺轨枕；该地段线路路基翻浆、道床板结现象较为严重，且部分道床砟肩宽度不足，建议进行及时维护，恢复道床断面及状态。