高速铁路无砟轨道拨轨换板技术

2020-06-20毛晓君

铁道建筑 2020年5期

毛晓君

（中国铁路上海局集团有限公司科学技术研究所，上海 200071）

高速铁路无砟轨道线路在列车荷载、外部环境、线下基础结构变形等因素共同影响下，轨道结构往往出现轨道板伤损、砂浆层离缝、支承层破损等问题［1］。无砟轨道结构伤损维修难度大，成本高，安全风险大，已成为高速铁路无砟轨道线路工务养护维修的重点。

目前，较早运营的铺设无砟轨道的高速铁路线路已发现轨道板裂纹、掉块甚至地图状裂损等病害，若不及时处理可能会影响其结构承载能力和线路几何状态，成为行车安全隐患［2-3］。国内现有的轨道板更换技术以锯轨更换法为主，存在焊缝增加、工序复杂、效率低下等不足。为提高工作效率，适应高速铁路维修天窗短的特点，亟需研究轨道板快速更换技术。

1 更换轨道板方案比选

我国高速铁路板式无砟轨道有CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型3类，其标准尺寸见表1。

CRTSⅠ型、CRTSⅡ型轨道板板下为水泥乳化沥青砂浆，换板时轨道板与水泥乳化沥青砂浆分离，可不进行起吊；CRTSⅢ型轨道板通过门型筋与板下自密实混凝土层相连，换板时连同自密实混凝土层一并起吊。

表1 3类板式无砟轨道标准板参数

现有锯轨换板法施工流程为：钢轨切割移出、伤损轨道板移除、换铺新轨道板、钢轨移入、轨道精调、钢轨焊接。其中，钢轨切割、焊接及探伤环节工序繁琐，占用天窗数量较多；钢轨切割与焊接改变了线路既有的锁定轨温，后期须开展应力调整作业；焊缝的增加不仅破坏钢轨的整体性，也影响线路的平顺性。开展不锯轨换板方案研究成为主流趋势［4］。

以不锯轨为前提进行轨道板更换，需要在一定长度范围内松开扣件后横向拨开钢轨（拨轨）或垂向抬升钢轨（抬轨）。一方面，由于钢轨自重较大，同等长度下抬升钢轨所需的抬轨力远大于拨轨力。另一方面，由于凸形挡台、轨道承轨台、限位凹槽等结构的存在，抬轨方案下钢轨抬升量较大；且由于线路横向空间有限，特别是单线线路（如联络线），抬轨方案下钢轨被抬升后需要从侧面将伤损轨道板横向抽出，操作难度大。因此，拨轨方案更具可操作性。

拨轨更换轨道板（简称拨轨换板）方案见图1。在伤损轨道板两侧对称松开一定数量的扣件（扣件松开长度s为扣件间距的整数倍），在伤损轨道板两侧对称施加钢轨拨道力F，加载间距为L（为便于施工，一般L取轨道板长度的整数倍），横向拨道量为h。为保持拨道后钢轨线形的稳定，在扣件松开范围内设置多个钢轨支撑滑道，在扣件松开末端各设置1 个轨距拉杆以保持未松开扣件处的轨距。

图1 拨轨更换轨道板方案示意

2 拨轨换板方案可行性

拨轨换板的关键在于横向拨轨时钢轨的强度与稳定性分析［5］。建立有限元分析模型研究拨轨换板方案中钢轨的受力特性。根据TB/T 3276—2011《高速铁路用钢轨》［6］，模型中选用250 km/h以上高速铁路用U71MnG钢轨，采用实体单元模拟，受力主要有千斤顶对钢轨的横向拨道力、支撑滑道对钢轨的垂直支撑力、重力、钢轨与支撑滑道之间的摩擦力；扣件为WJ-7型，扣件松开范围外的扣件简化为三向弹簧并赋予三向刚度。模型计算参数见表2。

表2 模型计算参数

拨轨换板方案的主要施工参数包括扣件松开长度s、横向拨道力加载间距L、横向拨道量h、作业轨温t、线路曲线半径R。计算时L取2 块轨道板长；h由轨道板宽度及工装安装预留空间确定，结合现场实际，本文取h=740 mm，为横向拨道量最大值。本文重点分析s，t，R对技术方案可行性及安全性的影响。遵循材料力学第四强度理论（形状改变比能理论），用Mises等效应力评价材料的疲劳及破坏［8］。Mises 等效应力超过钢轨钢材屈服强度（σs=460 MPa）后会发生塑性变形，影响换板后钢轨精调回位。根据规范［9］取安全系数K=1.3，则钢轨允许应力为353.85 MPa。

2.1 扣件松开长度的影响

扣件松开长度是拨轨换板中最重要的施工参数之一。通过有限元计算得出钢轨内部的Mises 等效应力随扣件松开长度的变化规律，见图2。计算时取s= 60 ～120 m，间距10 m，设7 种工况；作业轨温与锁定轨温的温差Δt按较不利条件取Δt=-15 ℃。

图2 扣件松开长度对钢轨内部Mises等效应力的影响

从图2可知：钢轨内部的Mises等效应力随着扣件松开长度的增加呈幂函数递减；s＞70 m时，钢轨处于受力安全状态。考虑安全储备和现场实际，取s=104 m，即松开165组WJ-7型扣件。

2.2 作业温度的影响

松开一定数量的扣件后，钢轨在一定范围内无扣件约束。Δt ＞0 时，作业轨温高于锁定轨温，钢轨内部的温度压应力可能引起轨道失稳；Δt ＜0 时，作业轨温低于锁定轨温，钢轨内部的温度拉应力与拨道产生的拉应力叠加可能拉断钢轨。为得到拨轨换板的允许作业轨温，分析不同温差下钢轨的应力状态，通过有限元计算得出钢轨内部的Mises 等效应力随温差的变化规律，见图3。考虑夜间天窗实际温度情况，计算时使Δt从-30 ℃变化至5 ℃；取s=104 m。

图3 温差对钢轨内部Mises等效应力的影响

从图3可知，随着Δt从-30 ℃变化至5 ℃，钢轨内部Mises 等效应力先拉后压，且在拉、压范围内基本成线性，最大值为357 MPa。根据现场应力测试结果，拨道过程中钢轨应力一般小于50 MPa。显然，温差引起的温度应力远大于拨道使钢轨产生的拉应力。因此，s较大时温差成为钢轨应力的主导因素。最大温度应力出现在Δt= -30 ℃时，超出钢轨允许应力（353.85 MPa）仅0.9%，且随着Δt的增大温度应力逐渐减小。因此可以认为，Δt＞-30 ℃时，即作业轨温比锁定轨温低30 ℃以内，拨轨作业不会引起钢轨塑性变形。

2.3 线路曲线半径的影响

曲线是线路的薄弱环节，且曲线段内外股钢轨线形不对称，较长范围松开扣件后进行对称拨道会带来安全隐患，尤其是内轨拨开后线形与原线形弯曲方向不一致。通过有限元计算得出钢轨内部的Mises 等效应力随线路曲线半径的变化规律，见图4。计算时取R =1～12 km，间隔1 km，设12 种工况；取s=104 m，Δt=-15 ℃。

图4 曲线半径对钢轨内部Mises等效应力的影响

由图4 可知：R ＜2 km 时，外轨内部Mises 等效应力超过钢轨允许应力（353.85 MPa），拨道会使钢轨产生塑性变形；随着R的增大，钢轨内部Mises 等效应力逐渐减小；R ＜9 km 时外轨内部应力明显大于内轨，这是由于外轨拨道方向与线路弯曲方向一致，拨道增大了钢轨的弯曲幅度；R ＞9 km时，内外轨内部应力均相对稳定，此时R对钢轨内部应力的影响逐渐消失。考虑高速铁路最小曲线半径为7 km，因此一般线路上进行拨轨换板时曲线半径的影响可忽略不计。

3 拨轨换板技术

3.1 施工装备

为实现不锯轨前提下的无砟轨道板更换，提高作业效率，上海局集团有限公司联合徐州工程机械集团有限公司自主研发了轨道板更换主平台、快速拨道装置、轨道板位置快速调整装置，并以轨道车为牵引动力、以铁路NX70平板车为载体将上述3款装置与材料灌注设备、液压动力系统、照明系统等模块集成于一体，形成了轨道板更换一体化装备。考虑到高速铁路部分联络线为单线，对轨道板更换装备进行了通用性和适应性设计，使其具备邻线更换和本线更换2 种作业模式。

3.2 施工作业流程

结合轨道板更换一体化装备，上海局配套制定了轨道板快速更换施工工艺，分3个天窗开展换板作业。施工准备天窗主要开展伤损轨道板位置标记与采集、轨道车停车位置标记等工作；精调天窗主要开展轨道板更换之后该区段的线形测量与精调。换板施工天窗是轨道板更换作业的核心（图5），关键步骤包括扣件松开、钢轨拨道、伤损轨道板移出、板底砂浆层凿除与清理、新轨道板移入、新轨道板位置调整、板底砂浆层灌注、钢轨复位、扣件安装与复紧等。

图5 换板施工天窗作业流程

4 线下试验验证

选取上海局一条有包含2种无砟轨道结构（CRTSⅠ型和CRTSⅡ型）的保养线，利用轨道板更换一体化装备进行拨轨换板施工（图6），以验证轨道板快速更换技术及各装备和施工工艺的可行性与可靠性。

图6 无砟轨道板快速更换技术线下试验现场

施工包括CRTSⅠ型和CRTSⅡ型无砟轨道板邻线与本线4种作业工况。在钢轨拨道过程对钢轨应力及位移进行测试，监测拨轨过程中钢轨应力和位移变化，验证理论计算结果并评价拨道试验对钢轨状态的影响。监测内容包括钢轨轨腰处纵向应力、钢轨轨底上缘的横向应力、扣件松开处钢轨的纵向位移等。现场测点布置见图7。其中，在扣件正常紧固处布置测点A 作为参照点；在扣件松开末端第1 个扣件紧固处各设置1 个轨距拉杆（测点B）；扣件松开范围内设置4道钢轨支撑滑道（测点C），其中2 个拨道加载点向外15 m 处各1 道，扣件松开末端的轨道板上各1 道；测点D，E 分别为拨道加载点和拨轨中点。试验中，横向拨道力加载间距取2 块CRTSⅠ型轨道板长度；松开143组扣件，s≈90 m；

图7 钢轨状态监测测点布置

钢轨状态监测结果显示：沿钢轨纵向，钢轨纵向、横向应力均从拨轨点向两侧逐渐减小，在拨轨点处最大，且最大值远小于U71MnG钢轨允许应力；两端松扣件处的钢轨位移在-1 ～1 mm 的可控范围内。试验结果表明，轨道板更换一体化装备综合性能及可靠性良好，作业效率较高；各环节衔接流畅，关键工序及总体施工时间可控，可以满足高速铁路较短运营天窗内更换无砟轨道板的需求。