艰险山区铁路长大坡道铺轨施工技术研究

吴启新

(中铁十一局集团有限公司 湖北武汉 430061)

1 引言

随着铁路建设快速发展，成贵、贵广、西程等艰险山区铁路项目相继完成[1]，特别是川藏铁路等工程难度极大的铁路建设[2]，未来将面临各种长大坡道运输、铺轨的难题。我国运营中的高速铁路坡度最大值一般小于20‰，部分坡度超过20‰的线路长度较短[3－4]。根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)规定，区间正线的坡度最大值宜小于20‰，特殊工况下经技术经济评价指标分析及论证后不应超过30‰。随着我国山区铁路建设，部分经过地势起伏较大的山区[5－6]，坡度最大值超过20‰，并持续出现长大坡道，例如郑万铁路重庆段总体呈现隧道长、坡道大的特点，20‰以上坡度地段达54.3 km，其中下坡地段达20.36 km，线路设计最大坡度高达30‰。采用长大坡道，有利于线路选择的便利性，减小了线路的长度，节省工程的总投资，但给施工过程中的运输和铺轨带来挑战，同时增加了线路施工作业的风险[7－10]。针对长大坡道运输、铺轨问题，很多学者结合现场铺轨施工开展了研究工作。李云浩等[11]针对CPG500型机组在有砟轨道25‰长大坡道铺轨施工中的适应性，重点研究分析了设备能力、施工工艺以及长大坡道铺轨特点，提出了通过减量铺轨和增加动力的施工方法解决长大坡道铺轨难题。李育朝[12]针对铁路精河－霍尔果斯线苏古尔至布列开段最大坡度为20‰的情况，重点研究了铺轨施工中轨缝控制技术，提出了长大下坡道铺轨施工的施工质量控制措施。长大坡道给铺轨施工带来巨大的挑战，同时也增加了铺轨施工过程的安全风险，结合郑万铁路重庆段铺轨工程，通过优化牵引机车配置、增加装载加固措施和研究安全铺轨施工技术等方法解决长大坡道铺轨技术难点，为类似的工程提供借鉴意义。

2 工程概况

郑万铁路重庆段是设计速度为350 km/h高速铁路线，正线采用100 m定尺长60 kg/m、U71MnG无螺栓孔新钢轨，一次铺设跨区间无缝线路。设计施工起止里程为DK635＋420～DK819＋278.697。铺轨从万州北站站外郑州端(DK819＋278.697)开始，经过云阳、奉节、巫山三个新建车站，至鄂渝省界(DK635＋420)结束，共“3站4区间”。郑万铁路重庆段总体呈现隧道长、坡道大的态势。郑万铁路重庆段桥隧比高达98%，线路设计最大坡度为30‰，坡度30‰达30 km，全线线路坡度大于15‰的地段累计18处，共166.46 km，其中下坡地段达73.66 km，20‰以上坡度地段达54.3 km，其中下坡地段达20.36 km。

3 长大坡道对铺轨的影响

3.1 主要影响分析

3.1.1 对机车运行的影响

长大坡道对机车运行的影响主要由于上坡地段牵引力不足和下坡地段制动力不足，即上坡地段机车运行时，由于机车的运行状况不良或数量不足，牵引力不足，导致车轮打滑、空转，对钢轨造成损伤；下坡地段机车运行时，由于列车充风时间不够，造成长钢轨列车制动力不足，不能较好控制速度及稳定运行，造成长钢轨冲撞溜逸、列车放飏。同时工程线运输作业受外部施工环境影响较大，如站前、站后单位无计划或超范围施工，极易造成行车安全事故发生。

3.1.2 对铺轨的影响

长大坡道上坡地段，对铺轨的主要影响:

(1)长大上坡道铺轨施工时，当长钢轨解锁以后，由于重力作用会出现向后溜逸的现象，造成冲撞设备的事故，并导致设备损坏，以及人员伤亡。

(2)牵引车设备性能不良，动力不足，拖轨链条断裂，造成设备损坏、人员伤亡。

长大坡道下坡地段，对铺轨的主要影响:

(1)长大下坡道铺轨施工时，当长钢轨解锁以后，由于重力作用会出现自动向前溜逸的现象，造成冲撞设备的事故，并导致设备损坏，以及人员伤亡。

(2)牵引车拖拉长轨时，当钢轨全部从列车牵出后，由于牵引车自重较小，阻力不足，极易造成牵引车制动不了，导致长钢轨冲出道床，并导致侧翻。

(3)铺轨列车司机操作不当，列车速度过快，制动力不足，列车冲出施工轨道尽头，造成车辆、设备损坏。

4 施工技术的研究应用

4.1 牵引机车优化配置

结合施工现场线路情况，工程线列车运行速度不超过20 km/h时，牵引质量宜小于启动质量限制，并按照运行安全系数不小于120%，优化各种工况机车的配置。

4.1.1 坡道上运行牵引质量

列车在限制坡道上以持续速度运行时机车牵引质量Mg1按公式(1)计算。

式中，Fc为列车持续牵引力(V＝20 km/h时，查表为164.8 kN)；W′0为内燃机车运行单位基本阻力(N/kN)；Mp为内燃机车计算质量(DF4型为135 t)；λy为内燃机车牵引力使用系数(取0.914)；W″0为货车运行单位基本阻力(N/kN)；ix为内燃机车、车辆坡度加算值(‰)；g为重力加速度(m/s2)；v为机车、货车运行速度(km/h)。

4.1.2 机车启动牵引质量上限

列车启动时最大牵引质量上限Mg按公式(2)计算。

式中，Fq为列车起动时的机车牵引力，查表为401.7 kN；W′q为内燃机车启动单位基本阻力，取5 N/kN；Wq″ 为货车启动单位基本阻力，取 3.5 N/kN；iq为内燃机车、车辆坡度加算值(‰)。

4.1.3 机车制动力、制动距离

列车制动时，由闸瓦压力产生的列车制动力B按公式(3)计算，不考虑摩擦系数与闸瓦压力的变化。

列车制动有效距离Se按公式(4)计算。

式中，Kh为列车中每种闸瓦的换算闸瓦压力(kN)；φh为换算摩擦系数；βc为常用制动系数；ϑh为列车换算制动率，是列车换算总闸瓦压力与列车重力之比；W0为列车运行单位基本阻力(N/kN)；ij为机车车辆的单位加算附加阻力换算的加算坡度千分数；v1、v2为速度间隔的初速和终速(km/h)。

4.1.4 装载长钢轨机车配置

通过公式(1)～(4)计算，并结合施工现场线路情况，工程线列车运行速度不超过20 km/h时，牵引质量宜小于启动质量限制，同时按照运行安全系数大于120%，确定各种坡道的机车配置。

(1)坡度≤12‰地段，采用9 km双机车动力顶推运输。

(2)12‰＜坡度≤22‰地段，拟采用双机动力载6 km长轨顶推运输。

(3)22‰＜坡度≤25‰地段，按照运行安全系数不小于180%，拟采用三机动力最大装载6 km长轨运输。

(4)坡度＞25‰地段，拟采用三机动力最大装载3 km长轨运输。

4.2 长轨列车装载加固技术

4.2.1 长轨支架组装

(1)长轨支架车的组成

500 m长钢轨运输车组由铁路通用车辆N17平车38辆组成，其中36辆为组装长轨支架车(34辆换长1.3，2辆换长1.5)、1辆为升降车(换长1.3)、1辆为长轨推送车(换长1.3)。中部3辆为长轨锁定车，首车、尾车各安装安全防撞门1个。锁定车位于列车中部第17、18和19车，上中下三层分开锁紧并各安装锁紧装置锁定每层6对长轨，每辆车安装长轨支架及滚轮2组。

(2)长轨支架的安装、加固

普通支架由钢支架、横梁、滚轮组成，锁定支架由钢支架、横梁、滚轮、锁紧架、锁紧压块、T型高强度螺栓组成。

普通平车上设2组普通支架，锁定平车上设普通支架一个，锁定支架一个。

安装时，支架底部安装孔与平车耳孔对齐，用压块、螺栓上紧。锁定支架因受力大，需另外采用8＃铁丝或弹条呈八字型加固，必要时需采用间接措施，使锁定支架底座与平车固定在一起。

4.2.2 长钢轨锁定

(1)每层长钢轨装齐后，用电动扳手将锁紧螺栓上紧，再采用加长扳手加力，扭力不得小于250 N·M。

(2)每层长钢轨上画一道横线，作为运输过程中检查钢轨窜动的参考依据。

4.2.3 长轨运输支架检查

(1)每列长轨吊装加固完毕后，吊装工班自检长轨加固情况，如不符合要求，及时整改加固，包括支架横梁的锁定。

(2)大列运行到每一个车站，车长下车检查锁定车情况，查看锁定装置是否松动脱落，查看标注横线确定长轨是否窜动。

(3)长轨铺设完毕返回前，由添乘干部及车长检查是否有超限或加固不良情况。

(4)长轨空列返回基地后，由铺运一队安排专人检查支架，查看支架是否有变形、脱焊、窜动情况，及时调整修复。

4.3 长轨铺设安全施工技术

4.3.1 长轨列车对位

列车从前方站运行到铺轨场地时，必须严格遵守列车调度员的命令，同时列车最前端车辆应安装紧急制动阀，以供运转车长值乘使用。列车应距离铺轨场地100 m处停车，同时运转车长应与铺轨负责人联系，掌握铺轨现场的施工情况，并及时通知机车乘务员。动车前应确保已完成准备工作，行车区域内的人员不在线路上，车辆运行状态良好，同时线路内无障碍物。对位过程中，运转车长向司机正确显示10、5、3 车及5、3、1 m 距离信号，司机鸣笛回应，如司机无回应，运转车长应显示停车信号或尽快采取制动措施。

多机重联时，前方铺轨对位作业由本务机车负责，作业过程中要保证各机车司机呼唤应答，确保动作同步。前方运转车长、铺轨机车乘务员交接班时，必须保证交接顺畅，并必须对铺轨位置坡度以及线路质量等交接清楚。

4.3.2 长轨铺设过程解锁安全技术

长轨列车对位完成后，开始解锁1对长钢轨，解锁前将长轨防溜装置压紧准备解锁的一对钢轨。长轨防溜装置(见图1)是自行研制，防止大坡道长钢轨在重力影响下溜逸的装置，有效防止施工中钢轨自溜，造成事故，防溜装置安装示意如图2所示。

图1 防溜装置结构示意

图2 防溜装置安装示意

为防止长大坡道解锁时长钢轨出现自溜，通过防溜装置施加垂直于长钢轨的竖向力N3，此时长钢轨的受力如图3所示。图3中α为铺轨的坡度(按照30‰即sinα＝0.03)；F2为防溜装置施加竖向力后产生的摩擦力即钢轨与压片间的摩擦力(钢轨与压片的摩擦系数f2取0.3)；F1为钢轨与滚轮的摩擦力(钢轨与滚轮间属于滚动摩擦，其摩擦系数f1取0.005)；G为钢轨的重力(取30 t)；G1为钢轨沿坡道方向的重力分力；G2为钢轨沿垂直坡道方向的重力分力；n为安全系数，取1.2。

图3 长钢轨受力示意

摩擦力:F1＝G×cosα×f1＝1.46 kN

重力分力:G1＝G×sinα＝8.82 kN

防溜装置产生的摩擦力:F2＝N3×f2＝0.3N3

防溜装置加载后，摩擦力需大于下滑力，即:

根据公式(5)，防溜装置至少需加载3.04 t。

根据理论计算出的加载值为理想状况下的数值，现场使用过程中因钢轨生锈、滚轮生锈、滚轮故障，摩擦系数比理论值偏大，实际使用防溜装置时，防溜装置所需的加载远小于3.04 t，因此根据理论计算出的防溜装置加载值能满足要求，能够有效阻止钢轨自溜。

长轨大列解锁前，提前将阻尼装置压紧，松开安全挡板与要拖拉的一对钢轨锁定装置(铺轨结束后需恢复安全挡板)。如拖拉上层钢轨，应预先将升降滚轮架调整到合适高度。指挥人员拉轨应跟着钢轨走，观察钢轨动态，预防钢轨卡子挂架子或安全门，通知锁定解锁应二号车指挥通知锁定解锁，解锁时指挥应随时注意钢轨动向。

4.3.3 牵引车拖轨安全技术

牵引车拖拉钢轨，钢轨离开运输支架后，阻力变小，易导致牵引车无法制动，采用增加滑动木块取代滚轮支垫在钢轨下，增加长钢轨滑动阻力，保障长钢轨不会自由下滑推动一号车造成伤害，以牵引车加装刹车装置确保安全。

在长大下坡道牵引长钢轨时，指挥应时刻注意牵引车吊具的动向，吊具吊链呈后拉时正常牵引长钢轨，在20‰至30‰的下坡道上牵引长钢轨时，长钢轨脱离推送车200 m、300 m道床上放置方木(滑动摩擦代替滚动摩擦)，若长钢轨速度未能降下来可视情况加垫阻尼方木。牵引车拖拉长钢轨铺设到位后，落轨前推送车卷扬设备钢丝绳挂住长钢轨尾部，保持受力状态后落轨，防止落轨后钢轨自由下滑。

5 结束语

郑万铁路重庆段总体呈现隧道长、坡道大的态势，最大坡度达到30‰，20‰以上坡度地段达54.3 km，其中下坡地段为20.36 km。长大坡道给铺轨施工带来巨大的挑战，同时铺轨施工过程中也存在巨大的风险。针对郑万铁路坡度陡，长大坡道多的特点，从牵引机车优化配置、列车装载加固和长轨铺设安全施工等方面研究了长大坡道施工技术，主要结论如下:

(1)根据施工现场线路特点，在确保牵引质量不超过启动质量限制的条件下，同时保证机车制动力和制动距离满足安全要求，对不同坡道地段的机车进行优化配置，优化配置后的机车能满足上坡地段牵引力和下坡地段制动力的要求。

(2)长钢轨运输车主要有普通平车和锁定平车，通过锁定平车的锁定支架与平车固定保证了长轨支架的安全稳定，每层长钢轨装齐后，通过锁紧螺栓将长钢轨进行锁定，同时在运输和铺轨过程中加强对长轨支架的检查。

(3)长钢轨铺设过程中，加强对铺轨对位作业的现场指导和管理，同时利用自主研发的长轨防溜装置确保长钢轨解锁的安全；牵引车拖拉钢轨时，通过增加滑动木块取代滚轮支垫，增加了长钢轨滑动阻力，从而保证了长大坡道铺轨的安全性。

(4)在郑万铁路重庆段铺轨过程中，采用以上铺轨施工技术完成了最大坡度高达30‰的长大坡道段的铺轨任务，为今后同类工程施工提供了宝贵的经验。