关键词：小半径曲线无缝线路；稳定性；道床阻力；大机作业；有限元
中图分类号 U216.8 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2017.01.0
为保证线路稳定，小半径曲线多采用有缝线路,而大量存在的钢轨接头加剧了钢轨伤损的形成和平顺性的恶化，增大了养护维修的工作量[[[]高琦. 小半径曲线铺设无缝线路适应性研究[J]. 铁道建筑, 2012(5):145-147.]]。随着无缝线路实践经验的积累、轨道结构的加强及线路养护维修技术的进步,近年来无缝线路已成为新铺设线路及线路大修改造过程中的优先选择[[[]张进永等. 小半径曲线无缝线路养修技术[J]. 铁道建筑, 2011(9):113-115.]]，北京铁路局已在半径250m的曲线上铺设无缝线路。理论和试验研究表明，在道床阻力满足相关规范要求的前提下，半径250m曲线无缝线路的稳定性是能够满足要求的[[[]孙晓楠，谷爱军，王欢，等.半径250m曲线无缝线路稳定性控制研究 [Ｒ]．北京：北京铁路局，北京交通大学，2015:40-41.]~[[]李群. 京承线250m半径曲线无缝线路理论与观测试验分析[D]. 北京交通大学, 2015.]]。
大机作业、起道作业等是线路维修的重要手段，可以改善线路质量，但同时会对轨道的稳定性产生影响[[[]广钟岩,高慧安.铁路无缝线路(第四版)[M].北京:中国铁道出版社,2005]]。线路维修作业后，道床阻力下降，有必要对作业后道床阻力的变化规律进行研究[[[]陈小平, 王平, 吕关仁. 大型养路机械清筛和维修作业对道床阻力的影响[J]. 铁道标准设计, 2004(4):90-92.]]。
道床阻力是保证小半径曲线无缝线路稳定性的关键参数，其主要影响因素包括：轨枕类型及每公里铺设根数，道砟级配，道床断面尺寸，道床饱满、密实程度等[[[]杨艳丽. Ⅲ型混凝土轨枕有砟道床纵横向阻力设计参数试验研究[J]. 铁道工程学报, 2010, 27(10):49-51.]~[[]杨全亮, 朱彬. Ⅲ型混凝土轨枕道床纵、横向阻力试验分析[J]. 铁道标准设计, 2010(3):4-6.]]。将维修作业前后试验段测得的不同道床状态下纵、横向阻力数据进行比较，建立小半径曲线无缝线路有限元模型，分析维修作业前后250m半径曲线无缝线路稳定性的影响程度及变化规律。本文以京承线半径250m曲线无缝线路上的实测数据为基础，为小半径曲线无缝线路的维修和稳定性研究提供合理建议。
京承线地处河北省兴隆县境内，为山区单线铁路，当地历史年最高、最低轨温分别为61.5℃和-23.3℃，年最大轨温差为84.8℃。轨枕采用Ⅲ型有挡肩钢筋混凝土轨枕(1667根/km)。道床边坡坡度为1:1.75，采用花岗岩一级道砟，曲线道床肩宽50cm、砟肩堆高15cm。
1 道床阻力测试结果
选取测试曲线的不同位置进行道床纵横向阻力测试，统计轨枕发生2mm位移时道床阻力值，测试结果如表1.1和表1.2所示。
测试曲线地段正常状态下的道床阻力值与规范规定相差不大，测得纵向阻力大于规范值，横向阻力略小于规范值；维修作业使道床阻力有不同程度下降：大机作业后，道床横向阻力降为线路正常状态时的40.1%，纵向阻力降为线路正常状态时的37.7%。小型起道机起道作业后，道床横向阻力降为线路正常状态时的77.8%，道床纵向阻力降为线路正常状态时的58.2%。
2 不同维修工况条件下线路稳定性分析
线路维修作业会不同程度地扰动道床，降低线路的稳定性。《修规》已有明确作业轨温规定的最小半径为400m，而半径250m曲线无缝线路作业轨温尚未明确，为确定合理作业轨温范围，对250m、300m、400m和800m四种半径曲线无缝线路进行受力与变形分析，并考察线路稳定性情况。
由于现场维修工况较多，对道床扰动程度不同，本文针对典型维修作业进行研究，以更换和方正轨枕，大机作业、人工起道作业等几种情况为例，分析不同半径曲线无缝线路的稳定性，推断半径250m曲线无缝线路的合理作业轨温。
2.1 更换轨枕作业
更换轨枕是无缝线路常规维修作业之一，混凝土轨枕失效或发生严重的伤损时应予以更换，以保证行车安全。更换轨枕会导致钢轨悬空，降低了无缝线路的稳定性。
采用正常状态时的实测道床阻力，考虑实际线路可能存在初始不平顺的最不利情况，即不平顺最大矢度处与所更换的2根轨枕中点重合。按照以往经验取初始不平顺弦长为4m，弹、塑性初始弯曲的矢度f0e、f0p分别为3mm。弹性初始不平顺线形为半波正弦曲线，塑性初始不平顺线形为圆曲线，下文中提到的不平顺参数包括线形、波长和矢度与此相同，不再赘述。
将各工况下的临界温升除以安全系数K（取为1.3）即得到允许温升。连续更换2根轨枕时且线路存在不平顺时，计算所得R=400m的允许作业轨温19.2℃略低于《修规》中规定的最大值20℃。R=250m线路与《修规》中有明确作业轨温规定的R=400m线路相比，允许温升相差5℃，与R=300m线路相比，允许温升相差2.1℃。连续更换3根轨枕且线路平顺时，R=250m线路与R=400m线路相比，允许温升相差8℃，与R=300m线路相差3.1℃；连续更换3根轨枕且线路存在不平顺时，与R=400m线路相比，允许温升相差3.3℃，与R=300m线路相差1.2℃。
2.2 方正轨枕作业
方正轨枕与更换轨枕的步骤基本相似，需要松开扣件，根据轨枕偏斜程度和方向，扒开需方正轨枕一端的道砟，最后在轨枕另一端安设方枕器，将轨枕拨至正确位置，过程中的最不利情况为轨枕两端同时方正，此时钢轨不受下部约束。《修规》中规定在-20℃ ~ -10℃和+10℃ ~ +20℃的轨温条件下可以进行隔二方一作业。由于更换扣件的最不利情况与方正轨枕一致，其对稳定性的影响可参考此节的分析结论。下面针对小半径曲线在隔二方一轨枕作业下无缝线路的受力、变形及稳定性的情况进行分析。
由于《修规》中并未对同时方正轨枕的数量（或线路进行方正轨枕作业长度）作出规定。因此这里讨论按照隔二方一的作业方式，同时方正2~5根轨枕时的无缝线路稳定性。方正轨枕（按照隔二方一作业）数量不同时，钢轨横向位移随温升变化如图2.1，线路一定长度范围内钢轨的横向位移分布如图2.2。
按照隔二方一的作业方式，同时方正2根轨枕与方正多根轨枕对钢轨的最大横向位移影响不大，下面重点讨论实际作业中的典型工况，同时方正2根轨枕。
方正轨枕作业（隔二方一）的允许温升如表2.2， R=400m无缝线路的允许作业轨温23℃要高于《修规》中规定的最大值20℃。线路在方正轨枕时（隔二方一），R=250m线路与《修规》中明确规定作业轨温的R=400m线路相比，允许温升相差5.5℃，允许温升与R=300m线路相差2.3℃。
2.3 大机维修作业
大机维修是对无缝线路进行起道、拨道、捣固和夯拍等相关养护的综合维修作业，会扰动道床导致阻力下降。大机维修作业后实测阻力表明轨枕位移2mm时的道床横向阻力约为线路正常状态时的41.0%，等效道床阻力约为线路正常状态时的39.1%。本文采用大机维修作业后的道床横、纵向阻力对不同半径曲线无缝线路的稳定性进行分析。
大机维修作业后，不同半径曲线无缝线路的允许温升如表2.3。线路存在不平顺时，可以看出R=250m线路与《修规》中明确规定作业轨温的R=400m线路相比，允许温升相差4.8℃，与R=300m相差为1.7℃。
2.4 起道作业
小型起道机起道作业后轨枕位移2mm时的道床横向阻力约为正常状态时的66.2%，等效道床阻力约为正常状态时的63.5%。采用起道作业后的实测道床阻力，对不同半径曲线无缝线路的稳定性进行分析。
为了比较起道长度对R=250m曲线无缝线路稳定性的影响，当线路平顺和存在不平顺时，起道长度范围内钢轨最大横向位移随温升变化如图2.3。对于小型起道机作业，不同的起道长度对起道范围内钢轨的最大横向位移随温升变化影响不大。
不同半径曲线线路，线路平顺和存在不平顺两种情况，全面起道作业后钢轨最大横向位移随温升变化如图2.4。
全面起道作业后，升温30℃，平顺状态下，不同半径曲线无缝线路钢轨最大横向位移均未超过2mm，当起道作业范围内存在不平顺时，R=250m和R=300m的线路在温升22.4℃和25℃时达到了《规范》规定的2mm失稳限界。
3 结论
通过现场测试和理论分析研究，得出以下结论
（1）京承线250m小半径曲线地段正常状态下的道床阻力值与规范规定相差不大，测得纵向阻力大于规范值，横向阻力略小于规范值；大机作业后，道床
横向阻力降为线路正常状态时的40.1%，纵向阻力降为线路正常状态时的37.7%。小型起道机起道作业后，道床横向阻力降为线路正常状态时的77.8%，道床纵向阻力降为线路正常状态时的58.2%。
（2）通过对小半径曲线无缝线路各维修工况下的受力变形分析发现：曲线在轨温变化时都会发生轨道整体横移，轨温升高时，曲线整体向外侧横移，降温时，曲线整体向内侧横移，进而随着温升值增加出现局部失稳。圆曲线处在升温时整体向外横移，直线段几乎没有发生横向位移，缓和曲线段横向位移从直缓点（缓直点）到缓圆点（圆缓点）逐渐增大。
（3）更换轨枕或方正轨枕，被更换或方正的轨枕处的一定范围内钢轨处于悬空状态，轨温改变，钢轨最大横向位移均发生在被更换或方正的2根轨枕中间。综合各计算工况，从稳定性角度考虑，R=250m线路与《修规》中有明确规定作业轨温的R=400m线路相比，允许温升在原规定值基础上应减少5℃左右。
（4）轨温升高30℃，未经过维修作业的半径250m曲线无缝线路能够保持稳定，维修作业后道床阻力下降，线路稳定性变差，且允许温升随着半径的减小而降低，应注意对养护维修作业后的道床进行阻力恢复。
参考文献
论文作者:邓晓辉
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年19期
论文发表时间:2019/12/5
标签：作业论文; 轨枕论文; 线路论文; 阻力论文; 半径论文; 曲线论文; 方正论文; 《工程管理前沿》2019年19期论文;