武志刚

(中国铁路太原局集团有限公司工务处，山西太原030013)

1)随着我国社会经济的快速发展，铁路运输业已进入了一个空前的发展时期。现代铁路运输对轨道的高平顺性、高稳定性、高耐久性的要求越来越严格。有砟轨道结构作为重载铁路最常用的轨道结构形式，在高速重载列车载荷长期反复作用下已达到承载能力的极限，表现在碎石道床的破坏不断加剧，维修周期越来越短，而限于运输量压力，重载货运线路可容许占用的维修时间越来越少。

2)为了缓解重载有砟轨道的破坏影响，曾采用铺设重型钢轨和重型轨枕强化有砟轨道的技术来减少有砟轨道结构的磨耗。但是，实践经验表明，这虽然有利于提高轨道的稳定性，保持轨道状态的持久均衡性，提高列车的运行速度，但轨道刚度也会随之增大。轨道刚度过大时，如果车轮踏面或轨道表面有微小的不平顺，轮轨相互动力作用就十分明显，并且随着列车速度和轴重的提高而急剧增长和恶化，同时由此引发的轨道振动噪声，在城市周边产生的影响更为突出。特别是在桥梁和隧道等刚性基础上的有砟轨道，因道砟厚度不足，混凝土枕轨道刚度过大，道砟粉化速率过快，道床翻白、板结严重，甚至道砟出现“液化”现象，大大增加了养护维修工作量及其费用，降低了线路的利用率。严重者，道床刚度过大会加大列车的冲击力，降低轨道几何质量，从而影响混凝土结构的受力状态，降低承载能力。

3)由于行车密度的提高，行车间隔的缩短，可用于养护维修的作业时间却在不断减少，工务设备维修与运输的矛盾十分突出，行车安全隐患也潜在的增多。此外随着行车速度和轴重的提高，机车车辆对轨道的振动强度加大，作用在轨道上的动荷载越大，轨道的几何形位越难保持，轨道结构和部件破坏越快。当轨道弹性不足时，将加速有砟轨道的道床板结和道砟粉化速度，导致轨道使用寿命缩短、零部件损坏严重。在引入淬火硬化钢轨和预应力混凝土轨枕后，道砟无疑成为了有砟轨道设计中的薄弱环节。相比钢轨、扣件和混凝土轨枕等部件的维修更换，道砟的清筛和更换在有限的天窗时间内要复杂和困难得多。现代铁路的发展主要朝着重载化，高轴重和增加行车密度来提高线路运能和运营效率，但是随之而引起的相关问题是导致轨道部件的使用寿命缩短，道床劣化速度加快，增加线路的维护需求，以及线路的高应力状态导致了轨道寿命的缩短。

4)有砟轨道除了道砟提供弹性之外，还可以通过安装轨下垫板、弹性轨枕垫和道砟垫等多种方式增加轨道结构弹性，如图1所示。由于轨下垫板能够提供的弹性非常有限，而道砟垫的铺设工程量大，成本相对较高，既有线的维修天窗难以实现安装更换。因此相较而言，弹性轨枕垫是增加有砟轨道结构弹性最为经济有效的手段。

1 弹性轨枕垫的历史发展

作为一种增强有砟轨道道床弹性的技术措施，弹性轨枕，即在混凝土轨枕或岔枕底部设置弹性垫层，通过不断改进完善，目前在世界多国铁路得到应用。

1)我国最新颁布的《重载铁路设计规范》中提到，为减缓有砟轨道道砟颗粒的破碎与粉化，增加轨道弹性，减小对线下结构物的振动影响，桥上和隧道地段的道床建议采用减缓道床粉化速率的技术措施，如铺设弹性轨枕及砟下弹性垫层(道砟垫)等。在山西中南部铁路通道重载综合试验中，桥梁试铺了道砟垫，隧道地段试铺了弹性轨枕，两种技术措施能够满足重载铁路运营的安全性要求和稳定性要求。弹性轨枕地段较普通轨枕地段轨枕支承刚度明显降低，且均匀性好，弹性轨枕可降低枕下道床及隧道基底的加速度，减少振动冲击作用。

2)法铁SCNF从1989年开始在实验室研究聚氨酯弹性轨枕垫，认为可以在混凝土轨枕使用周期内减少道砟和混凝土磨损。在法铁SNCF的国家实验室对混凝土轨枕进行“VIBROGIR”的磨耗试验发现：在经过200 h的振动加载试验，加轨枕垫的轨枕和道砟没有磨耗。此外，对于采用极硬的道砟时，进行了更多的试验确定聚氨酯材料的质量以及弹性轨枕垫的厚度。测试了轨道内轨枕的横向稳定性，发现弹性轨枕不低于标准轨枕。

目前，经过在法铁地中海高速铁路(LN5)中超过10年的应用经验表明：在速度超过300 km/h，尤其是速度超过320 km/h的线路上时，必须采用弹性轨枕垫来控制维修成本，尤其是减少捣固作业频次和它带来的技术影响。弹性轨枕垫应该在整个路网内的新建线路和高速铁路大修时进行安装。

3)德国铁路公司(DB)自1996年起开始在部分预应力轨枕上安装轨枕垫，经过多年轨枕垫的应用和实践，最新的德铁标准RIL 820—2010A05(2013年6月1日起实施)正式将轨枕垫作为一个标准部件进行了规定，对于日运载量1万t～3万t的线路和3万t以上的线路，对新建线路和线路改造以及不同运营速度等配备轨枕垫和道砟垫都作出了规定。

4)奥地利联邦铁路公司从2007年起，正式将弹性轨枕垫作为一个标准部件，规定以下地段应采用弹性轨枕来改进轨道性能、减少小半径曲线地段的钢轨波磨：a.所有道岔地段；b.A类轨道区段(曲线半径<500 m或日运量>3万t)。

5)国际铁路联盟UIC制定了《弹性轨枕垫使用指南》(Under Sleeper Pad (USP) Recommendations for Use)，针对弹性轨枕垫应用的欧洲标准EN 16730铁路应用—轨道—带弹性轨枕垫的混凝土轨枕和岔枕已经于2016年6月起正式实施。

6)在高速铁路、重载铁路以及干线铁路等各等级的线路，出于维持轨道质量和减少养护维修的目的，弹性轨枕垫越来越受到重视。在满足线路安全性和稳定性的前提下，弹性轨枕垫的经济性已经被欧洲各大铁路公司所验证，国内的试铺以及大运量和高密度的行车尤其需要弹性轨枕垫把我们的线路变得更好，减轻工务养护维修的压力。

2 弹性轨枕垫的原理

弹性轨枕垫不改变原轨枕的任何设计，只是在轨枕底部加入聚氨酯弹性垫层。聚氨酯弹性轨枕垫的作用原理主要体现在以下几个方面：

1)Zimmermann理论。沿着钢轨更好的荷载分布以及轨枕的受力更均匀。

2)增加接触面积。轨枕垫被用作轨枕底部的弹性层，从而将轨枕底部与道砟层的接触面积从2%～8%增加到30%以上。广泛的应用证明，增加接触面积能够改善道床的荷载传递性能并减少对路基的作用力。因此能够阻止道砟颗粒由于过载而碎裂并减少道床的沉降，而且轨枕下方的空吊和悬吊也能有效地得到缓解。

3)隔振作用。弹性轨枕垫的积极作用体现在维持线路的几何形位处于良好水平，保持轨道的高平顺性，从而减少了高速和/或重载引起的列车冲击作用，使道床和轨道部件均处于良性状态，从而减少了捣固和养护维修的需求。

为了保证弹性轨枕垫与轨枕底面的粘接工艺要求，分别在各轨枕厂分批次进行了抗拔力测试，平均抗拔力分别为0.719 N/mm2和0.646 N/mm2。经计算，弹性轨枕与道砟层有效接触面积为25.1%(左轨)和25.7%(右轨)，平均约为25%。而普通轨枕的平均接触面积约为5%(取决于道砟状态，通常为3%～8%)。因此弹性轨枕的接触面积较普通轨枕增加了5倍左右。

3 国内聚氨酯弹性轨枕垫的试铺情况

2013年和2014年分别在丰沙线、石太线和丰台西站等不同地段(分别为隧道内、曲线上和道岔区)进行了弹性轨枕垫的试铺和试验工作，取得了积极的试验成果，验证了聚氨酯弹性轨枕垫在保护道砟、避免道床板结、保持轨道几何线型方面的效果。在2015年和2016年又分别在大秦线进行了试铺。2017年在石太线隧道地段线路铺设试验。具体情况如表1所示。

表1 试铺试验情况

试验试铺情况表明，聚氨酯弹性轨枕垫在保护道砟，避免道床板结，保持轨道几何线型方面具有显著的效果(见图2)，从而达到减少维修和延长捣固周期，实现减少全寿命周期成本的目的。弹性轨枕垫能够改善有砟轨道曲线、桥梁和隧道内以及岔区等特殊路段的轨道质量。

4 聚氨酯弹性轨枕垫的试铺效果

1)经试验试铺，安装聚氨酯弹性轨枕垫的混凝土轨枕可提供轨道所需要的弹性，以增加轮轨舒适度。聚氨酯材料的弹塑性特性，能使道砟稳定的嵌入轨枕垫表面，道砟与轨枕的接触面积从未安装轨枕垫前的5%～8%增大到安装轨枕垫后的35%，从而有效地降低作用在道砟上的动态荷载及振动，减缓道砟的粉化与磨损。线路的平纵线型能够被较好的维持，延长了轨道捣固周期，增加了线路的使用率。

2)对于线下结构刚度骤变(例如土质路基与桥梁过渡段)的区段，也可以通过安装不同刚度的弹性轨枕垫来实现轨道刚度的均匀变化，以降低列车的动态冲击力。安装了轨枕垫的岔枕，能克服因道岔钢轨断面变化及岔枕长度不同所产生的刚度变化，确保轨道刚度平顺性，延长部件的使用寿命。经过多年的弹性轨枕垫应用研究表明，弹性轨枕垫具有以下优点：减少维护需求并延长捣固周期2倍～2.5倍以上；延长轨道使用寿命25%以上；减少小曲线区段的钢轨波磨；减少50%的线路占用时间；提高轨道质量，减少道床的移位并延缓道床沉降；减少轨枕空吊(减少100%)。

减少道床的振动从而减少对周围环境的传递。

3)大秦铁路重车线目前已经试铺一年多，通过总重超过5亿t，枕下道砟状态良好，未进行捣固，轨检车的波形图显示整个试铺地段仍处于良好的状态，整个线路无泛白翻浆冒泥现象。2016年4月，大秦重车线延庆—下庄间K296+700～K298+160铺设弹性枕1.46 km，该地段处于长大下坡道，最大坡度12‰，包含曲线1条R=700 m，L=760.49 m，l=150 m，h=70 mm，F=72 mm，三座桥梁共计375.9 m，三座隧道共计277 m，碎石道床，加强Ⅱ型弹条，钢轨铺设年限为2014年4月，钢轨材质为U78Crv，该地段包含两个轨条，左右股锁温均为28°，更换弹性枕至今累计通过总重为2.25亿t。以297+150～297+350为例，对该地段2016年3月、6月两次轨检车波形图进行对比，高低、三角坑在更换弹性试验枕后，该地段的综合设备状态得到了有效改善，且通过对比6月、9月份两月轨检车波形图，可以看出设备状态一直保持在较高水平，设备质量较为稳定。

4)弹性轨枕地段的道床加速度明显较普通轨枕地段的道床加速度小，约为普通轨枕地段的43.9%～45.8%。这主要是由于弹性轨枕的轨枕垫起到了良好的减振、隔振作用，从而使得弹性轨枕垫下方的道床加速度明显减小，道床的振动减小表明道砟的相互作用减少。弹性轨枕垫的轨枕可以满足轨道结构的稳定性要求，因为在轨道发生屈曲之前，它们能够比普通轨枕承受更高的温度升幅。

5)道岔区相比普通线路，道岔区的轨道刚度变化较大，动态受力复杂，维修工作量大，为实现道岔区轨道刚度的均匀化，通过建立道岔区有限元仿真分析模型，动态模拟分析列车驶过的作用机理，预测分析列车荷载作用下钢轨动变形，以道岔区范围内钢轨动态变形的变化量不超过0.5 mm为目标，确定道岔不同区段混凝土岔枕下弹性垫层的刚度。通过试铺，道岔区采用弹性轨枕垫可增加轨道的弹性，降低负载，从而保护道岔轨道结构的其他部件，可降低道砟应力，延长维修周期，降低道岔全寿命周期成本。

5 弹性轨枕垫的主要功能及优点

1)弹性轨枕垫的使用为混凝土轨枕引入了必要的弹性，从而降低上部结构的动态作用力。国内外既有研究成果表明，在轨枕底设置弹性垫层可有效降低轮轨相互作用，减缓道砟粉化、减少轨道养护维修工作量。弹性轨枕具有以下主要功能：弹性垫设置于轨枕底部，可提高轨道结构的垂向弹性；均衡轨枕上的荷载分布，增加轨枕与道砟间的接触面积，降低作用到道砟面的荷载，减缓道砟的粉化和磨损，延长清筛周期；减缓道床的累积变形，线路几何形位易于保持，延长道床捣固周期，结果分析表明，可延长捣固周期达2.75倍；在路桥过渡段、道岔区应用，通过设置不同模量的弹性垫层，可实现轨道刚度的均匀变化；减缓线路的短波不平顺和小半径曲线的钢轨磨耗；具有一定的减振降噪效果。

2)轨枕垫在各种工况下对轨道上部结构都具有积极作用，而且轨枕垫在轨道荷载或轴重增加时效果更好。所有安装轨枕垫的区段都表明轨道劣化速度大大降低。轨枕垫主要应用于以下情况：减少所有类型有砟轨道结构的沉降；限制小曲线区段钢轨波磨的产生；在道砟厚度不足区段调整轨道刚度；改善不同轨道结构之间的过渡段；减少轨道振动；避免轨枕空吊；调整道岔区内钢轨竖向挠度的一致性。

3)普通轨枕的接触面积通常小于5%，而聚氨酯轨枕垫的接触面积高达27.8%。道砟的有效接触面积越大，荷载传递就越均匀，从而降低了道砟接触应力。弹性轨枕垫的优势主要有：

粘接方式的创新，在轨枕生产的同时压入弹性轨枕垫，简化了粘接的工艺，可以实现工厂化的生产，并且确保弹性轨枕垫与轨枕底部的牢固粘接能够经受轨道的重复荷载；

根据线路的轴重等级和应用目的，系统性地确定了弹性轨枕垫的设计刚度(基础模量)，可以针对性地解决线路的问题；

通过材料的设计实现轨道刚度的优化。

6 结语

1)弹性轨枕垫在丰沙线、石太线以及大秦线的试铺可以看到，弹性轨枕垫在增加弹性、减少轨件的损耗，提高轨道质量，减少养护维修需求方面有着明显的效果，是“科学养路”的重要实践。

2)国内外既有研究成果表明，在轨枕底设置弹性垫层可有效降低轮轨相互作用，减缓道砟粉化、减少轨道养护维修工作量。弹性轨枕枕下垫层静刚度取值是弹性轨枕结构体系中重要参数，直接影响弹性轨枕的应用效果。

3)使用经验表明，聚氨酯弹性轨枕垫可以实现与混凝土轨枕的同寿命；减少维护需求并延长捣固周期2倍～2.5倍以上；弹性轨枕垫工厂安装简便，无需二次倒运和粘接。

4)通过在石太线、大秦重载铁路等应用弹性轨枕垫。显著地延长了线路的捣固周期，轨道弹性得以保持，整个区段的日常维修大大减少，减少了道床的脏污和板结现象；线路质量维持在一个较高的水平，TQI均值一直维持在低位，从而延长了线路大修和中修的需求；纵向高低的扣分很少。