关键词：重载 道砟厚度 轨道结构 整治
一、前言
大秦线是我国第一条以运煤为主，开行万吨重载列车，具有现代化技术设备和现代化运输组织手段的双线电气化铁路，正线全长653km。当前，大秦线在运量不断增加的情况下，轴重已由原来的21t 提高到25t ，列车编组数量也由102辆增加到204辆，仅靠轨下胶垫来缓和重载轮轨竖向动力作用远远不够。考虑到今后发展需要，为使货运效益将更加显著，货车轴重提到到30t时，同时将给轨道和轨下的基础设施带来更大的不利影响。现在大秦线受纵断面等条件的限制，要解决桥、隧、涵及路桥结合部道砟厚度不足的问题，需要进行深入的分析和探讨。
二、道砟厚度不足的影响
（一）桥梁方面
1.定义
桥梁道砟厚度是指轨枕底面至桥梁梁体顶面的垂直高度（即道床厚度）。现行《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）以下简称（《桥规》）中规定了有砟桥轨下枕底道砟厚度不应小于0.30m。目前，大秦线桥梁混凝土Ⅲ型轨枕枕下道砟厚度仅为19-22cm。对于重载铁路而言，桥上道床相应缺乏足够的弹性。
2.列车竖向动力作用
张传东[1]指出列车对桥梁的竖向动力作用，随着车速和轴重的提高，由列车轴距形成的规则排列荷载的速度效应对桥梁产生的动力作用将不断加大，其动力系数相应也随之增大，这种效应在中小跨度桥梁比较突出。大秦线的桥梁多为中小跨度桥梁。我段管内的14#桥和37#桥由于列车竖向动力作用的影响，8m跨度的低高度钢筋混凝土板梁跨中出现贯通的裂缝，梁体结构的承载能力显著降低，被迫换梁。
3.轨道结构竖向刚度大
圬工梁桥造成桥上道床刚度过大的一个重要原因是道砟厚度不足，桥上道砟厚度严重不足，列车通过时，由于道床刚度过大，列车冲击力加大。桥上道砟厚度长期不足，不仅损坏桥面保护层和防水层，导致渗漏水，而且梁体的受力状态发生变化，影响梁体使用寿命。目前，大秦线8.0-12.0m跨度的圬工梁体由于防水层失效表面泛白浆的现象比比皆是。
另外，铺设护轨的桥梁，本身新Ⅲ型钢筋混凝土桥枕尺寸和重量较大，同时桥上铺设了护轨，自然增大整个桥面轨道结构的刚度。轨下胶垫的静刚度随着使用时间和通过总重出现了太大的变化率，资料显示，使用5年后的静刚度由原来的90-120kN/mm增至229.1kN/mm。
（二）隧道方面
1.铺底结构的损伤
在列车运行的荷载作用下，隧道铺底结构中的应力会随之产生不规则的波动，可视其为由变幅载荷产生的变幅应力，当应力超过疲劳极限时将引起疲劳损伤。铺底的损坏导致地下水窜出，给线路带来诸多病害。
2. 仰拱的损伤
隧道轨下基础必须修建于坚实的基底上，这个要求十分明确，施工单位和监理单位在施工时，没有严格执行有关技术标准，不少隧道的基底上的浮砟施工时没有彻底清除，积存了一定厚度。其上直接设置仰拱，在重载列车的频繁冲击下，仰拱失效，线路病害连续发生。
3.轨枕的损伤
大秦线自重载运行以来，部分隧道底部出现了开裂、破损、下陷，翻浆、冒泥的现象。《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2005）规定，不设仰拱的地段应设地板，地板厚度厚度不得小于25cm。彭立敏[2]等在列车荷载作用下隧道铺底结构疲劳寿命分析一文中指出：铺底为10cm厚C10素混凝土的疲劳寿命为8-9年，铺底为20cm厚C20素混凝土的疲劳寿命为17-18年。
钢筋混凝土Ⅲ型轨枕从1988年开始研制使用。具有有利于轨道受力状态的改善、道床残余变形的减缓，线路平顺度得到大大增强。大秦线的短隧道铺设的Ⅲ型轨枕有利于保持轨道的几何尺寸，减少轨枕铺设数量，改善轨枕结构，延长线路养护周期，节省维修工作量，降低了成本。但是在开行重载列车后，隧道内的轨枕连续出现从中部断裂的现状，且更换作业十分频繁。
（三）涵洞方面
1.定义
所谓涵洞的填土厚度是指轨底至涵洞顶的高度。其范围包括钢轨垫板、轨枕、道床和路基填土四部分。而大秦线的涵洞填土不足多是没有路基填土，道床直接铺设在涵顶上。《桥规》规定“涵洞填土厚度应≥1.2m”。而大秦线的盖板涵洞的填土厚度最大仅为0.8m，一般只有0.4-0.5m。
2.引起轨道弹性不平顺
对涵洞来说，重载带来的最大问题是填土不足。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆涵洞填土厚度不足使得轨道竖向刚度沿线路纵向不均匀或者称为轨道弹性不平顺；当车辆通过这些轨道弹性不平顺部位时，将出现不同于正常区段的轨道变形和冲击，久而久之便会导致轨道的局部永久变形，从而造成轨道的几何平顺性的恶化。反过来又加剧轮轨动力作用。这种现象随着列车提速和重载列车的开行而加剧，其结果是需要频繁地进行养护和维修作业才能保证轨道的平顺性要求。
3.加大了列车对盖板涵的冲击作用
由于填土厚度不足，列车通过时，自然降低了活载的横向分布范围。同时在行车密度加大、重载的影响，道床板结及不均匀性都会加大列车对盖板涵的冲击作用，盖板结构的缺陷日益突出，病害逐年增加。
4.受力情况同设计理论严重不符
盖板涵的填土厚度不足使得实际受力无法同设计理论的假定活载的均布相一致，而是造成了受力集中在轨下的2-3块钢筋混凝土形梁盖板上，并产生一定的挠度。同时钢筋混凝土形梁盖板的保护层厚度不足、混凝土强度等级低于设计标准等，导致盖板保护层裂损、钢筋锈蚀、边墙砌石裂损、帽石变形断裂等病害。这类病害在大秦线重载列车开行后十分突出，近年来，用于加固盖板涵洞的大修费用高达600多万元。
（四）路桥连接段方面
线桥连接部位是线路的薄弱环节，桥头线路存在较为明显的轨道刚度突变，桥上轨道刚度比路基上轨道刚度大1倍，重载列车开行以来，桥头轨道线路几何状态变化较快，列车通过时出现晃车现象，加剧了日常检查和维护的工作量。
三、方法上存在的问题
大秦线自1988年设计开通以来，当时设计标准偏低，速度在120km/h以下，轴重为210KN，全线桥涵道砟厚度不足是普遍存在的突出问题，当时的运量没有因为道砟厚度不足对桥涵产生过大的影响。当前，大秦线开行轴重250KN万吨，2万吨重载组合列车对轨道结构的破坏愈加严重，还必须面对道床厚度严重不足等现实条件，特别是桥梁、隧道、涵洞及过渡段。
大秦线的“集中修”自2007年实施以来，每年两次的集中修施工，只是依靠较为传统的技术手段，以提高线路基础设施为主进行换轨、换枕等施工。特别是在线路更换轨枕的同时，没有考虑到受既有纵断面的限制，起道、补砟有相当的困难，相应没有对桥梁、隧道、涵洞和路桥结合地段提报及更换特殊的轨枕，没有专门针对改善轨道弹性进行一系列的专项整治，诸如在桥上换枕应更换成弹性轨枕，特别是底砟较薄地段桥梁。以致没有从真正的预防上下功夫，新增病害大于整治病害的速度。各级在新成果、新技术的应用上墨守成规，在创新上还缺乏意识。整治桥涵病害没有有效的从整治线路设备上入手，一味的改善桥涵结构，投入大量的资金进行换梁和涵洞套拱等工法处理。实践表明，多数桥涵结构的病害产生与其上线路设备的缺陷是不无关系的。轨道刚度和震动过大是导致桥涵病害的关键因素。
因此，合理的整治方法应以降低轨道刚度、提高轨道弹性、缓和列车冲击作用、减轻道床振动、减少道砟分化、减轻养护工作量和降低轨道振动、噪声为主要目的。
四、整治方法
大秦线受纵断面等条件的限制，整治桥梁、隧道、涵洞及路桥连接段的道砟厚度不足的特殊部位铺设弹性轨枕。
国内外专家学者总体认为弹性轨枕明显降低了轨道刚度，提高了轨道弹性，保证了行车的平稳性和安全性，有利于强化有砟轨道改善轨道的冲击作用，具有良好的减振、隔振效果，同时降低轮轨系统的振动噪声；有利于减缓道床残余变形积累速率，降低道床的振动加速度和振动能量，减少由钢轨传递来的道床压应力和路基压应力，减少线路维护维修工作量及费用，延长线路综合维修周期。同时存在造价高的不利因素。
所谓弹性轨枕即在轨枕底面设置弹性垫层，即在混凝土轨枕底面粘贴橡胶层。日本新干线研发并铺设了除在轨枕底面外还在轨枕侧面也覆置弹性橡胶层的弹性轨枕，以降低振动噪声。
我国焦济线上使用的TDZⅢ型复合弹性轨枕是在Ⅲ型枕底胶结TDZⅢ—900型枕下垫板复合而成的。枕下垫板有上层减振胶和下层承压胶复合而成，具有增强轨枕的纵、横向阻力。
当前，我国焦济线上使用的TDZⅢ型复合弹性轨枕已有多年的成熟经验，使用性能优良。考虑到解决大秦线桥、隧、涵和路桥连接段道砟不足的紧迫性，应优先采用济南局研发应用的TDZⅢ型复合弹性轨枕。
对于道砟厚度不足的桥梁、盖板涵洞、隧道和路桥连接段，将已铺设普通Ⅲ型轨枕更换成TDZⅢ型复合弹性轨枕。
五、结束语
采用复合枕下垫板弹性轨枕能极大地改善轨枕的整体弹性，对于相同的速度，轨枕、道床加速度，轨下、枕下动压力等动力性能都随着枕下垫板刚度的减小而随之减小。速度越高，道床厚度越薄，复合弹性轨枕的作用越突出。可以有效降低圬工梁的横向振幅，针对性地解决了既有盖板涵洞整体结构性差、道砟不足引起的病害，降低了列车对隧道铺底的冲击作用，有效改善了路桥连接段的轨道刚度问题。在运输繁忙的大秦线尤为适用。
参考文献：
[1] 张传东.既有线提速桥涵轨下道砟厚度不足的处理对策.铁道建筑，2007,第9期，88-91。
[2] 彭立敏，施成华，黄娟，刘胜利.列车荷载作用下隧道铺底结构疲劳寿命分析.铁道学报，2007,第1期，82-85。
[3] TB10002.1-2005.铁路桥涵设计基本规范。
[4] TB10003-2005.铁路隧道设计规范。
作者简介： 冯利军（1973- ），男，山西大同人，工程师，大秦铁路股份有限公司大同工务段
论文作者:冯利军
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年19期
论文发表时间:2019/11/13
标签：轨枕论文; 厚度论文; 轨道论文; 涵洞论文; 刚度论文; 列车论文; 弹性论文; 《工程管理前沿》2019年19期论文;