朔黄铁路恢河特大桥稳定性及强化措施研究★

郝晓成

(中铁第六勘察设计院集团有限公司线路站场设计院，天津 300308)

1 朔黄铁路恢河特大桥概述

朔黄铁路西起山西省神池县神池南站，东至河北省黄骅市黄骅港站，正线总长614 km，属国家Ⅰ级双线电气化重载铁路，与神朔铁路组成我国西煤东运的第二大通道。朔黄铁路在路网上西与神朔、南北同蒲铁路相连，东与京九铁路、黄万线、黄骅港连接，是我国“三西”煤运北通道的重要组成部分。近年来，随着国家能源战略重点的西移和西部大开发战略的实施，朔黄铁路煤炭发送量逐年递增，车辆轴重、牵引质量及年运量逐年增加对轨道和桥梁结构的服役状态提出了更高的要求，特别是对位于小半径曲线上的桥梁来说问题更为突出[1]。

恢河特大桥为28-32 m的预应力钢筋混凝土T形梁桥，本桥属于原平分公司管辖宁武西至龙宫区段范围内，主要位于R=400 m，l=90 m左偏曲线以及直线上，其中24孔位于圆曲线及缓和曲线上。桥梁中心里程为K17+420.667，桥梁长度936 m。线路最大偏心205 mm，超过《普速铁路工务安全规则》[2]《普速铁路桥隧建筑物修理规则》[3]等规范中线桥偏心值最大70 mm的规定。恢河特大桥道床厚度不均，上行线最大处达72 cm，下行线最大处达62 cm，部分轨枕底部已超出挡砟块上沿，道床边坡板结污染严重，边坡内部已形成土砟墙，导致边坡表面石砟形状不易保持。既有恢河特大桥上行曲线外轨超高为90 mm，下行曲线外轨超高为100 mm，超高设置不合理。恢河特大桥上行根据2018年大修换轨资料，既有设计锁定轨温为26 ℃，下行根据2013年铺设资料，既有锁定轨温为29 ℃，轨温设计不合理。恢河特大桥存在线桥偏心严重，道砟厚度超厚，曲线超高及锁定轨温设计不合理等情况，严重威胁了线路稳定性[4]。

本文以恢河特大桥为例，对桥梁地段小半径曲线结构典型病害进行了整治，并提出结构强化措施，为后续线桥设备整治提供参考。

2 朔黄铁路恢河特大桥结构典型病害整治

2.1 线路平纵调整

平面线位调整主要考虑既有线形平面曲线要素，以及实际桥梁平分中矢的位置关系，使得线路中心线尽可能靠近桥梁平分中矢的位置，满足线路最小线间距4 m以及夹直线最小长度60 m(区间设计速度100 km/h)的要求。

纵断面坡度调整主要考虑既有线坡度及坡段长度，保证桥上轨枕以下道床厚度不小于25 cm，不大于35 cm的前提下，利用对线路的清筛大修作业，将线路纵断面基本恢复到原设计技术标准。因线路实际坡度与原设计坡度个别地段发生较大变化，同时为了调整桥上的道床厚度，本次对个别坡段作了适当的调整，对道床较厚的地段，采取落道。设计曲线要素及拨道量统计表如表1所示。

表1 设计曲线要素及拨道量统计表

恢河特大桥桥梁段上行采集数据80处，偏心值超限59处，最大偏心值-205 mm，位于2孔朔方梁端；恢河特大桥桥梁段下行采集数据80处，偏心值超限15处，最大偏心值-102 mm，位于2孔跨中。恢河特大桥纵断面数据共采集59处，经过调整，桥梁地段道床厚度除3处36 cm，1处38 cm外，其余55处道床厚度均大于25 cm，小于35 cm。

2.2 曲线超高调整

2.2.1 超高设计原则

本线超高设计依据是《铁路轨道设计规范》[5]，通过运输部实测的2021年2月19日0点～2月20日0点一昼夜所通过该地段的列车基本参数(车次、速度、重量等)，选择加权平均速度进行曲线超高的设置及检算。

曲线超高设置原则：改建铁路曲线超高应根据每昼夜各类列车次数、列车质量和实测列车速度进行设置。确保线路的超高值与列车的运行速度相匹配，避免因欠超高或过超高造成线路病害。

2.2.2 曲线超高设置及检算相关参数说明

为了反映不同行驶速度和不同牵引重量的列车对于外轨超高值的不同要求，均衡内外轨的垂直磨耗，平均速度Vp应取为每昼夜通过该曲线列车牵引重量的加权平均速度，即:

(1)

其中，N为每昼夜通过相同速度和牵引重量的列车次数，次；GZ为列车总重，t。

曲线超高采取抬高外轨的方式来实现，超高在缓和曲线内线性过渡。正线曲线地段轨道外轨超高h按式(2)计算。

(2)

其中，h为外轨设计超高，mm；R为曲线半径，m；V为设计速度，km/h。

实设超高取5的整倍数，曲线超高设置表如表2所示。

表2 曲线超高设置表

2.3 无缝线路计算

2.3.1 设计锁定轨温

由于改造范围地域气温较低，且曲线半径较小，结合恢河特大桥偏心整治工程，需进行无缝线路锁定轨温检算。

设计锁定轨温是决定钢轨温度力水平的基准，根据线路具体条件，通过轨道强度和稳定性计算确定[6]。

按照《铁路无缝线路设计规范》[7]，有砟轨道设计锁定轨温，宜按式(3)进行计算。

(3)

其中，Tmax，Tmin分别为铺设地区的最高、最低轨温，℃；[ΔTu],[ΔTd]分别为允许升温、降温幅度，℃。

允许温升[ΔTu]可按式(4)计算。

(4)

其中，[P]为两股钢轨的允许温度压力，kN；Pf为桥上无缝线路附加力和挠曲力的最大值，kN。

允许温降[ΔTd]由式(5)计算。

(5)

其中，σgd为钢轨底部下缘动弯应力，MPa。

无缝线路设计锁定轨温应根据当地最高轨温、最低轨温及无缝线路的允许温升、允许温降计算确定，并考虑一定的修正量。桥上无缝线路设计锁定轨温还应满足钢轨断缝检算要求。

锁定轨温计算表如表3所示。

表3 锁定轨温计算表

无缝线路应在设计锁定轨温范围内锁定，且相邻单元轨节之间锁定轨温之差不应大于5 ℃，同一区间内单元轨节的最高与最低锁定轨温之差不应大于10 ℃；左右股钢轨锁定轨温之差不应大于5 ℃。施工锁定轨温范围为20 ℃～26 ℃，施工时注意核实相邻单元轨节的锁定轨温，必要时调整改造范围相邻单元轨节的锁定轨温，满足过渡要求。

2.3.2 桥上无缝线路

桥上无缝线路按《铁路无缝线路设计规范》进行设计，并对伸缩、挠曲、制动、断轨等附加纵向力作用下的线路强度、稳定性和断缝等进行检算。

利用桥上无缝线路设计软件对桥上无缝线路进行检算，并根据检算结果确定是否需要铺设小阻力扣件，并确定小阻力扣件铺设的长度和范围。对于个别大跨桥梁，根据无缝线路检算设置小阻力扣件仍不能满足轨道强度、稳定性及断缝要求时，应设置钢轨伸缩调节器。钢轨伸缩调节器应尽量少用或不用，平、竖曲线桥上不得设置伸缩调节器。

本次计算采用的轨道参数为：60 kg/m 钢轨、Ⅲ型混凝土轨枕、弹条Ⅱ型扣件。最高、最低轨温分别为61.1 ℃,-27.2 ℃，设计锁定轨温为(23±3)℃。温度荷载为：混凝土梁温差为15 ℃。机车参数为：神华号十二轴机车(设计速度为75 km/h，轴重为25 t，轴距为2.8 m)。

1)伸缩附加力。

通过上下行伸缩附加力计算，伸缩附加力如图1所示。

由图1可知，钢轨伸缩附加力上下行方向最大值分别为165.161 kN及154.057 kN，位于最左侧桥墩处。钢轨伸缩附加力整体较小。

2)挠曲附加力。

挠曲附加力与伸缩附加力相比不控制设计。

3)制动力。

制动力按照最不利加载方式进行加载，列车从右向左进入桥梁，车头放在伸缩力最大处。制动力如图2所示。

由图2可知，钢轨制动力上下行方向最大值为166.84 kN及138.39 kN，制动力整体较小。

4)断缝检算。

断缝检算是桥上无缝线路检算的主要内容，对线路的稳定性至关重要。通过计算可知，恢河特大桥上行断缝值为52.4 mm，小于规范规定的一般值70 mm。恢河特大桥下行断缝值为81.3 mm，小于规范规定的困难值90 mm，均符合规范。

5)强度及稳定性检算(见表4，表5)。

表4 钢轨强度检算表

表5 稳定性检算表

经计算分析，恢河特大桥全桥不需要设置伸缩调节器和小阻力扣件，全桥采用常阻力扣件。钢轨的强度和线路稳定性检算均满足要求。

3 朔黄铁路恢河特大桥强化措施

轨道长期受到朝向曲线内侧的横向荷载，列车速度越低，作用力越大，横向作用频次越高，而挡砟块及肩部道床提供的横向抗力不足，是造成轨道结构稳定性不足的原因。轨道强化应主要集中在小半径曲线区段提高轨排横向阻力方面。

3.1 阻力轨枕

增加道床横向阻力可通过采用阻力轨枕的方式(见图3)，轨枕两侧设置“臂展”并增大轨枕截面，通过“锁死”枕间道砟以增大纵横向阻力，加强轨排横向稳定性。通过增加轨枕断面积，轨枕重量增大，增大了轨枕与道砟间的摩擦阻力。经调研，采用阻力枕横向阻力值较Ⅲc型轨枕增加约30%(较Ⅱ型枕增加约50%)。

3.2 道床固化技术

道床固化分为刚性固化(道砟胶固化道床)与弹性固化(聚氨酯泡沫固化道床)两种形式，其中在捣固稳定好的道砟中注入硬性灌注材料，将道床硬化成一个类似混凝土整体的固化技术称为刚性固化技术；而在捣固稳定好的道砟中喷洒或灌注弹性高分子材料，将道砟黏结或包裹成一种弹性体的固化技术称为弹性固化技术。道砟胶固化道床分为断面全部黏结、断面部分黏结和断面局部黏结。道砟断面全部黏结区域为1,2和3，断面部分黏结区域为1和3，断面局部黏结区域为1，道砟胶固化道床如图4所示[8]。

通过运营实践表明，道砟胶固化的三个方案中，全断面浇筑、部分断面浇筑均对砟肩进行了固化，道床横向阻力增加明显，局部断面浇筑只固结了轨枕底部，道床横向阻力增加不明显，但与普通碎石道床相比，横向阻力均有一定程度增加，稳定性增强。

根据聚氨酯固化道床的特点，轨排与有砟道床经聚氨酯固结在一起后，轨排和有砟道床形成一个整体，轨道结构横向强度及稳定性将会明显增加，可有效抑制轨道的横向移动。聚氨酯固化道床在国内外高架桥上均有一定铺设(见图5)，运营状态良好。

通过运营经验表明，采用聚氨酯固化道床后，道床纵横向阻力增加明显。其中，路基地段纵横向阻力增加75%及98%。桥梁地段纵横向阻力增加为23%及14%，增加明显。

4 结语

朔黄铁路隶属我国“三西”地区“大能力”煤炭外运通道，战略地位显著。近年来，随着西部大开发以及朔黄铁路5亿t改造需求增加，货物列车轴重和牵引质量提高显著，但伴随而来的是小半径曲线典型病害增加，尤其是桥梁小半径曲线地段，易造成稳定性不足，严重时会对列车运行造成危险。本文以恢河特大桥为例，针对小半径曲线偏心严重，道砟厚度超厚，曲线超高及锁定轨温设计不合理等情况进行了整治研究，并提出强化措施，为后续线桥设备整治提供参考。