35～40 t轴重轨道结构关键参数优化

许良善 郄录朝 司道林 梁晨

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

国际上35～40 t 轴重重载铁路多为矿石铁路，且由大型企业运营［1］。在澳大利亚，力拓集团（Rio Tinto Group）运营着哈默斯利和罗伯河铁路（Hamersley and Robe River Railway）；必和必拓公司（BHP Billiton Ltd.-Broken Hill Proprietary Billiton Ltd.）运营着戈兹沃西河纽曼山铁路（Goldsworthy&Mount Newman Railway）；FMG 集团（Fortescue Metals Group）运营着福特斯铁路（Fortescue Railway）。在巴西，淡水河谷铁路公司（Companhia Vale do Rio Doce）运营着维多利亚—米纳斯铁路（Estrada de Ferro Vitória a Minas，EFVM）和卡拉斯加斯铁路（Estrada de Ferro Carajás，EFC）。在2019 年，赢联盟（SMB-Winning Consortium）中标了几内亚西芒杜1 号和2 号矿块，并将配套建设及运营马瑞巴亚港至西芒杜矿区铁路。35～40 t轴重重载铁路轨道技术在国际上有一定的市场需求。

铁路轨道结构方案能否在保证运输安全的前提下降低铁路的建设、运营、维修成本是企业关注的重点。本文以中国铁道科学研究院集团有限公司提出的35～40 t 轴重有砟轨道结构方案为基础，结合几内亚西芒杜铁路可能的运营条件及设计参数，探讨35～40 t 轴重有砟轨道结构的优化方式，以适应国际重载矿石铁路的建设和运营需求。

1 优化思路

为推进重载铁路技术国际化，铁科院研究提出了35～40 t 轴重重载铁路有砟轨道结构方案［2］：68 kg/m钢轨，无螺栓弹条Ⅷ型或有螺栓弹条Ⅸ型扣件；2.6 m长Ⅴb 型混凝土轨枕，轨枕间距600 mm；特级或一级材质道砟，砟肩宽度为400～500 mm；道床边坡坡率为1∶1.75，道床厚度为350 mm。

参照TB/T 2329—2002《弹条Ⅰ型、Ⅱ型扣件弹条疲劳试验方法》、Q/CR 481—2015《30 t 轴重重载铁路弹条Ⅶ型扣件》附录B 和附录C 的试验方法、TB/T 3396—2015《高速铁路扣件系统试验方法》、TB/T 1879—2002《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》、TB/T 1878—2002《预应力混凝土枕疲劳试验方法》及美国AREMA（The American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association）颁布的《铁路工程手册》（Manual for Railway Engineering）第4 部分的规定，研究人员对Ⅷ型和Ⅸ型扣件性能、轨枕强度、轨道部件疲劳性能等进行了室内试验。结果表明，扣件、轨枕均符合中国相关标准和美国AREMA 标准要求。在TTCI（Transportation Technology Center，Inc.，美国运输技术中心公司）的HTL（Heavy Tonnage Loop，重载环线）上铺设试验段，开展了35.6～40 t轴重实车动力性能试验，结果显示列车通过试验段时脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力各项安全参数均在安全限值范围内［3］。经过300 MGT运营考核试验，轨道部件无伤损，轨距变化量小于标准限值，轨道几何状态稳定。因此，该方案满足40 t轴重重载铁路运营需求。

铁科院提出的轨道结构方案中，68 kg/m 钢轨是35～40 t 轴重重载铁路普遍使用的轨型；为减少建设和维修成本，Ⅷ型和Ⅸ型扣件均采用预埋铁座结构，减少了零部件数量；与既有的Ⅳa 型轨枕相比，适应40 t轴重的Ⅴb型轨枕通过增加配筋提升了承载能力，且关键截面尺寸增加不多，单根轨枕的质量仅增加了8 kg。因此，钢轨、扣件及轨枕部分已很难通过结构优化降低成本。

要对轨道结构及关键参数进行合理优化，还要有针对性地分析线路运营条件和可能设计参数。公开资料显示［4］，几内亚西芒杜铁路为矿石铁路，轴重约为40 t，线路为单线，最小曲线半径为800 m。参照澳大利亚戈兹沃西河纽曼山铁路的运输组织模式，西芒杜铁路年运量预计约1 亿t，铁路线路条件较好，线路运输压力不大。西芒杜铁路途经几内亚弗雷卡迪亚、金迪亚、马木、法拉纳、康康、麻省塔6 省至西芒杜矿山区，近年来铁路沿线地区最高气温为34 ℃，最低气温为13 ℃，温差较小，对无缝线路稳定性非常有利［5］。根据TB 2034—1988《铁路轨道强度检算法》，一级道砟道床的容许应力为0.5 MPa。国际上道床顶面应力限值可取为0.586 MPa，底层道砟容许应力可取为301.2 kPa［5］。参照国际取值标准，轨道结构方案存在优化空间。

根据几内亚西芒杜铁路运营条件、气温资料及国际上相关的设计标准，本文从轨枕间距、道床断面参数方面探讨35～40 t轴重重载铁路有砟轨道结构优化方案。

2 轨枕间距的优化

增加轨枕间距可以节约投资，但动弯应力、轨枕弯矩、道床应力均会随轨枕间距的增加而增加。因此，优化轨枕间距时须满足轨道结构各参数的限值要求。

采用轨道强度计算理论，建立连续弹性支承梁轨道结构受力模型，计算不同轨枕间距条件下的轨道部件受力特性。计算时，钢轨类型为136RE 钢轨，扣件刚度取180 kN/mm，轨枕支承刚度取120 kN/mm，钢轨支点刚度取72 kN/mm；道床厚度取350 mm，道床压力扩散角取35°，道床应力检算时不均匀系数取1.6。根据TB 2034—1988 中动力系数取值方法，计算轨底应力和轨下基础部件应力时速度系数分别取0.006 0，0.004 5，偏载系数取0.002 2，以最小曲线半径800 m确定横向力系数为1.45。以轴重40 t、速度100 km/h、不均衡超高110 mm 为例进行检算，钢轨应力的检算动轮载为517.8 kN，轨下基础部件的检算动轮载为327.7 kN。

轨枕间距计算范围取500～700 mm，间隔50 mm取值。计算不同轨枕间距条件下钢轨动弯应力及位移、枕上压力及轨枕弯矩、道床顶面应力和路基表层应力，结果见表1。

表1 轨枕间距对轨道结构受力和变形的影响

2.1 轨枕间距对钢轨受力和变形的影响

随着轨枕间距的增加，钢轨动弯应力和位移近似呈线性增加。轨枕间距由500 mm 增至700 mm 时，钢轨动弯应力由180.26 MPa 增至190.79 MPa，增幅为5.8%；钢轨位移由1.585 mm 增至2.064 mm，增幅为30.2%。轨枕间距每增加50 mm，钢轨动弯应力和位移的平均增幅分别为1.45%，7.55%。

温度荷载导致的钢轨拉应力取145 MPa，制动应力取30 MPa，与最大动弯应力190.79 MPa 叠加后得到钢轨应力最大值为365.79 MPa。钢轨焊缝的容许屈服极限为504 MPa［5］，安全系数取1.3，则钢轨屈服极限为387.69 MPa。显然，轨枕间距在500～700 mm变化时，钢轨应力最大值小于屈服极限。在TTCI试验段动态测试中，实测得到的钢轨动弯应力最大值为62.00 MPa［3］，小于计算结果（190.79 MPa）。从计算结果与实测结果分析，轨枕间距由500 mm 增至700 mm时，钢轨动弯应力与温度应力、制动应力的总和不会超过钢轨的容许应力。

2.2 轨枕间距对轨枕受力的影响

随着轨枕间距的增加，枕上压力和轨枕弯矩近似呈线性增加。轨枕间距由500 mm 增至700 mm 时，枕上压力由114.11 kN 增至148.62 kN，增幅为30.2%；轨枕正弯矩由15.63 kN·m 增至20.36 kN·m，增幅为30.3%；轨枕负弯矩由8.18 kN·m 增至10.66 kN·m，增幅为30.3%。轨枕间距每增加50 mm，枕上压力和轨枕弯矩的平均增幅分别为7.55%，7.58%。

动态测试结果显示［3］，40 t轴重列车车辆在低速通过不利条件下的半径350 m 曲线线路时产生的枕中负弯矩的最大值为21.0 kN·m，轨下正弯矩的最大值为10.3 kN·m。而Ⅴb 型混凝土轨枕设计轨下正弯矩为29.23 kN·m，枕中负弯矩为22.6 kN·m［1］。可知，随着轨枕间距的增加，实测轨下正弯矩始终小于设计轨下正弯矩。根据理论计算得出的规律，轨枕间距650 mm时的枕中负弯矩比轨枕间距600 mm 时的21.0 kN·m增加7.58%，即可达到22.6 kN·m，这与枕中负弯矩设计值一致。

综合考虑，为确保轨枕荷载弯矩有一定余量，轨件间距应小于650 mm，建议取625 mm。

2.3 轨枕间距对道床顶面及路基表层应力的影响

随着轨枕间距的增加，道床顶面应力及路基表层应力近似呈线性增加。轨枕间距由500 mm增至700 mm时，道床顶面应力由0.480 MPa 增至0.625 MPa，路基表层应力由0.192 MPa 增至0.250 MPa，增幅均为30.2%。轨枕间距每增加50 mm，道床顶面应力及路基表层应力平均增幅均为7.55%。

轨枕间距为700 mm 时，路基表层应力及底层道砟应力均小于301.2 kPa。轨枕间距由600 mm 增至650 mm时，道床顶面应力由0.553 MPa增至0.589 MPa，超过了TB 2034—1988 的限值，也超过了0.586 MPa。轨枕间距取625 mm 时，道床顶面应力为0.571 MPa，满足0.586 MPa的限值要求，且有一定余量。因此，采用道床顶面应力0.586 MPa 的限值标准时，轨枕间距可取为625 mm。

综上所述，轨枕间距优化为625 mm，钢轨动弯应力、轨枕弯矩、道床顶面应力、路基表层应力均可满足限值要求。

3 道床断面参数的优化

3.1 道床厚度

当轨枕间距取625 mm 时，通过插值计算，支点压力为135.8 kN。取40 t 轴重荷载作用下支点压力为135.0 kN，参照轨枕间距优化时的计算参数，根据TB 2034—1988 的计算方法，计算得到道床厚度从350 mm 减小至300 mm 时道床底部应力从227 kPa 增加至265 kPa，增幅为16.7%。TTCI 动态测试时［3］，最不利条件下实测支点压力最大值为149.7 kN，比理论计算值增加了10.9%。按此规律计算，道床厚度为350，300 mm 时，道床底部应力分别为252，294 kPa，均小于301.2 kPa。因此，道床厚度取300 mm 时，道砟底部应力在容许应力范围内。按道床底部应力随着道床厚度减小而线性增加考虑，道床厚度取250 mm 时，底部应力比道床厚度为300 mm 时增加42 kPa，为336 kPa，超过了容许应力。因此，道床厚度可优化为300 mm。

3.2 砟肩宽度

在TTCI的试验段，轨道结构铺设完成而未开始运营考核时，选取砟肩宽度为300，400 mm 的区段，分别测试了7 根轨枕的横向阻力。结果显示：在砟肩宽度为300 mm 的区段，轨枕横向阻力最小值为12.9 kN，平均值为14.3 kN；在砟肩宽度为400 mm 的区段，轨枕横向阻力最小值为12.8 kN，平均值为14.4 kN。通过质量10 MGT 后，两处的轨枕横向阻力平均值分别为19.5，21.6 kN。

基于该横向阻力测试数据，选取轨枕横向阻力为12 kN。考虑无缝线路钢轨纵向力不均匀性的影响和后期运营影响，采用不等变形波长理论对西芒杜铁路允许温升进行检算。结果显示：西芒杜铁路曲线半径R=600，800 m 的曲线区段及直线区段的允许温升分别为48.9，55.8，65.1 ℃，满足无缝线路应用需求。因此，砟肩宽度建议取值不小于300 mm。

为了对比直线与不同半径曲线区段的轨道动态响应，选取朔黄线30 t 轴重列车作用下的测试数据进行对比。相比直线区段，R=500～1 000 m 的曲线区段横向作用力较高，轮轴横向力提高2.3 倍以上。轴重增加到40 t，曲线区段的轮轨横向作用力比直线区段提高更多。因此，曲线地段的砟肩宽度应适当加宽。

综合考虑，对于横向作用力较小的直线区段及R＞1 000 m 的曲线区段，砟肩宽度可采用300 mm；对于R≤1 000 m 的曲线区段，砟肩宽度可采用曲线内侧300 mm、外侧400 mm。

3.3 道床边坡坡率

世界各国铁路采用的道床边坡坡率有所不同［1］。在普速铁路上，前苏联、法国、英国为1∶1.5，中国为1∶1.75，美国为1∶2。在高速铁路上，日本东海道新干线为1∶1.6，继东海道之后修建的其他新干线为1∶2.2，法国TGV 线路为1∶1.5，中国为1∶1.75。在重载铁路上，澳大利亚、俄罗斯、瑞典为1∶1.5，中国大秦线为1∶1.75，美国为1∶2。

几内亚西芒杜铁路服役时间较短，1∶1.5 的边坡在国际上也有广泛的应用经验，能够保证重载铁路的边坡稳定。为节约投资，几内亚西芒杜铁路道床边坡坡率可选用1∶1.5。

4 结语

几内亚西芒杜铁路为矿石单线铁路，最小曲线半径800 m，年运量预计约1 亿t，当地温差小，线路服役周期短，线路条件较好。参照国外道床顶面应力0.586 MPa、底层道砟容许应力301.2 kPa 的取值标准，以我国提出的35～40 t 轴重重载铁路有砟轨道结构方案为基础，经计算分析，在轨枕间距、道床断面参数方面进行了一定的优化。

优化后的轨道结构方案为：68 kg/m 钢轨，无螺栓弹条Ⅷ型或有螺栓弹条Ⅸ型扣件；Ⅴb型混凝土轨枕，轨枕间距625 mm；特级或一级材质道砟，砟肩宽度300～400 mm，无砟肩堆高；道床边坡坡率1∶1.5，道床厚度300 mm。相比原方案，该方案轨枕、道砟使用量均有一定程度减少，可节约铁路建设成本。