重载铁路轨道结构的选择与维护.pdf

铁道/道路收稿日期:2008-03-01重载铁路轨道结构的选择与维护邓彦成(唐钢集团承钢运输部河北承德067000)摘要结合承钢铁路轨道结构发展状况,介绍了重载铁路轨道结构的选择,并根据路基勘测结果,确定了路基加固方案,最后介绍了重载铁路的使用与维护标准。关键词重载铁路轨道结构选择维护 轨道作为一个整体结构,要共同承受机车车辆所作用的垂力、水平力、纵向力和气候的变化,所以要求轨道各组成部分具有足够的强度和稳定性,它的各部尺寸及材质要互相对应,以保证列车的平稳运行。轨道类型的配备,既要在经济上作到节约,又要在技术上合理。冶金企业随着生产规模的不断扩大,选用的铁水车载重、轴重也随之加大。特别是鱼雷型混铁车,轴重都在 40 t 左右,甚至更多。因此,选用合理的轨道结构与维修方式,是保证运输生产安全的基础。1轨道结构简述轨道结构是在路基上铺设道床,在道床上铺设轨枕,轨枕之上铺设钢轨,钢轨与钢轨之间及钢轨与轨枕之间用联结件扣紧而形成。轨道结构是一种由力学性能各不相同的材料组成,它是承受机车车辆运行的承重结构。它的作用是引导机车车辆沿着指定的方向运行,它直接承受和传递由车轮传来的巨大压力。车轮的巨大压力首先作用在钢轨的承压面上,再依次传向轨枕、道床和路基上。在常规荷载下(即轴重25 t)车轮踏面与钢轨之间接触压力可达 7 000 9 000 k g/c m2。钢轨将压力传递到垫板、轨枕上,又扩大传递到道床顶面上。道床顶面的应力平均为1.5 3.0 k g/c m2。经道床传递到路基面上的压力为 0.8 1.0 k g/c m2。基于轨道的传力特点,钢轨、联结零件使用钢材,轨枕使用木材或钢筋混凝土,道床用碎石、卵石或砂子,路基则用一般土壤或砂黏土等。轨道作为一个整体结构,要共同承受机车车辆所作用的垂力、水平力、纵向力和气候的变化,所以要求轨道各组成部分具有足够的强度和稳定性,它的各部尺寸及材质要互相对应,以保证列车的平稳运行。轨道类型的配备,既要在经济上作到节约,又要在技术上合理,所以对于不同的荷载和运量的线路,要配备不同类型的轨道。在选型时,本着由轻到重逐步加强的原则,根据列车荷载和运量,行车速度等条件确定。常规轨道类型配备见表 1。表 1常规轨道类型钢轨/(k g m-1)605043轨枕钢筋混凝土枕/(根 k m-1)1 7601 7601 760 1 600木枕/(根 k m-1)1 8401 8401 7601 760 1 600道床厚度土质路基面层/c m垫层/c m砂石路基/c m30203525203020 252025 302承钢铁路轨道结构发展状况冶金企业铁路主要承担着原燃料运进,产品外发及炼铁和炼钢之间铁水运输,以往钢铁企业生产规模不大,高炉多为 1 000 m3以下的小高炉,无论是货运总量、运行速度、荷载较之国铁都要低,因此轨道标准也偏低。承钢 1997年前钢产量不足 100万 t,高炉最大为 450 m3,使用的是 35 t 铁水车,轴240铁道建筑技术R A I L WA YC ON S T RU C T I ONT E C H N OL OGY 2008(增)铁道/道路重仅为 16 t 左右,铁水运行铁路采用 43 k g/m钢轨,轨枕按 1 600根 k m 配置,联结零件为普通扣板式扣件或道钉,道床厚度不足 20 c m,路基为砂土、炉渣,甚至由建筑废弃土石形成。此种轨道类型,也基本维持了当时运输生产安全。近 10年。特别是近5 6年,冶金企业生产规模迅速扩大,高炉容积越来越大,铁水车运送的铁水量不断增加,承钢 2002年建成 1 260 m3高炉,接送铁水采用 75 t 铁水车,轴重达到 30 t 左右,为此铁水走行线进行改造,采用50 k g/m钢轨,轨枕按 1 760 1 600根/k m配置,联结零件为弹条扣件,但路基没做处理。2005年承钢开始建设 2 500 m3高炉,接送铁水采用 260 t 鱼雷型混铁车,该车为首钢机械厂制造,自重为 232 t,最大载重为 260 t,总重达 492 t,12根轴,轴重达 41 t,远远超过国铁轴重 25 t 的设计限度。因此,采用常规轨道结构已不能满足运输安全需要。3重载铁路轨道结构选择3.1重载铁路轨下基础强度计算(见表 2)表 2重载铁路轨下基础强度计算轴重/t轨下动压力/k N道床顶面压应力/k P a 基床顶面压应力/k P a木枕混凝土枕木枕混凝土枕木枕下基床各层深度压应力/k P a50 c m100 c m200 c m300 c m46115.44763.42883.96248.92289.10152.4973.5025.0911.2737.593.98621.32719.32203.84235.20110.7453.9218.238.233075.26497.84576.24162.68188.1699.4748.0216.377.35 计算数据:60 k g/m 钢轨,轨枕 1 840根/k m,道床厚度 30 c m,速度 15 k m/h(武钢实测值)。3.2 轨道结构选择3.2.1 钢轨我国现常用钢轨类型为 43 k g/m、50 k g/m、60 k g/m,由于钢轨接承受机车车辆传来的压力,冲击和震动,要求钢轨必须有足够的高度,轨底宽度及轨腰厚度。260 t 鱼雷罐车轴重达 41吨,钢轨轨型如果偏小,稳定性会大大降低。为此,我们选择刚度大,稳定性、耐磨性好的 60 k g/m 钢轨。3.2.2 轨枕轨枕的作用是承受自钢轨传下的竖向垂直力,横向和纵向水平力,并将其分布于道床,用以保持钢轨的方向、位置和轨距。因此要求轨枕要有较好的坚固性和弹性。由于我国当时还没有标准的、适用于大轴重铁路的混凝土枕,冶金行业仅有的几家采用鱼雷罐车运送铁水的企业,铺设的重载混凝土枕也是根据各自实际情况研究制造的,不太具有普遍性。因此我们采用铺设类木枕,木枕富有弹性,可缓和列车的动力冲击作用,木枕与碎石道碴间有较大的摩擦系数,能保证轨道的稳定。同时,为降低每根枕木承受压力,提高枕木的配置数量,直线段按1 840 根/k m,曲线段按 1 920根/k m。3.2.3联结扣件木枕扣件分为简易式,不分开式,混合式及分开式四种联结形式。(1)简易式扣件:简易式扣件是仅用道钉将钢轨直接联结于木枕上。(2)不分开式扣件:不分开式扣件是用道钉将钢轨,垫板共同钉于木枕上。(3)混合式扣件:混合式扣件是用道钉将钢轨、垫板共同钉于木枕上,另用道钉将垫板单独与木枕联结起来。(4)分开式扣件:分开式扣件是将钢轨和垫板,垫板和木枕分别彼此联结起来。通过比较,可以看到分开式扣件减少了垫板振动,扣压力大。能够使钢轨稳定,增加抗爬阻力。所以我们选用分开式扣件。3.2.4道床道床是轨道组成部分之一,是轨枕的基础,它的主要作用是:(1)承受轨枕传来的压力,并把这个压力传布于路基面上;(2)排除线路上地表水,保持轨枕和路基面干燥;(3)抵抗轨枕枕纵向和横向移动,保持线路稳定;(4)缓解机车车辆的冲击作用。而承钢铁水运输线由于长期的灰砂、炉料、土建施工的泥土的侵蚀,加之没有排水系统,因此道床板结现象241铁道建筑技术RA I L WA YC ONS T R U CT I ONT E C HN OL OG Y 2008(增)铁道/道路严重,道床的支承能力大大降低。此次重轨改造时,需开挖原有道床,重铺碎石道床,道床厚度设计为35 c m,碎石粒径为 20 70 c m,来源应为开采山石获得。3.2.5 加强设备由于承钢厂区铁路曲线半径小,最低仅为150 m,因此曲线地段加设同级护轨,并且每 5根枕木间安装间隔铁及轨撑,轨距杆和防爬器按标准安装。3.3 路基通过上述重载铁路轨下基础强度计算结果来看,路基承受压力远远大于常规轴重所产生的压应力。因此,路基要达到相应的压实度,根据 铁路路基设计规范 等相关技术要求,承钢重载运送铁水铁路路基基床在 0 0.5 m范围内压实度应达到0.95,在 0.51 1 20 m深度范围内压实度应达到0.90。因为承钢铁水线重韯铁路是利用既有线路进行改造,生产与施工同时进行,所以路基须采用原有路基,不能重新铺设,为保证运输安全,委托专业部门对路基进行勘测。根据勘测结果以确定是否需要加固及加固方案。(1)检测依据铁路路基设计规范(T B10001-99);铁路工程地质勘察规范(T B10012-2001J 124-2001);岩土工程勘察规范(G B50021-2001);建筑地基基础设计规范(G B50007-2002);土工试验方法标准(G B/T50123-1999);土工试验规程 (Y S J225-92 Y B J42-92)。(2)检测方法检测点布置根据现场情况,沿铁路线由东向西,在铁轨两侧交叉布置检测点,检测点间距为 30 60 m。检测方法环刀法:对于以粘性土或砂性土为填料的路基,采用玶刀法进行检测;灌水法:对于以杂填土、碎石土为填料的或矿渣路基,采用灌水法进行检测。(3)检测仪器设备及检测质量仪器设备构成天平:称量 500 g,感量 0.5 g;修土刀、环刀;台称:称量 10 k g、感量 10 g;储水容器:2件,容积均为 10 L;塑料薄膜袋:由聚氯乙烯塑料薄膜制成,其大小要略大于试坑容积;钢卷尺、铁桶、铲、镐等。酒精、砂锅;检测质量检测过程中,认真执行各项规程、规范和方法标准,确保检测质量。(4)检测结果分析与评价检测结果分述第一段(-)检测铁路路基位于瓦斯灰线的车务值班室东南侧 30 m 到 4号道口向西行 30 m,长约 310 m,根据路段的工作条件和实际情况共挖探井 7个,编号为 1 7号,单井深度 1.20 m。根据地层变化分为二层,局部为三层。探井 1号、2号、3号第一层 0 0.5 m 为碎石类填土,混少量的钢渣及粘性土,级配不良,中密,石块最大直径 8 c m,干密度在 1.95 2.03 g/c m3之间。探井 1号、2号第二层 0.5 m 1.2 m为杂填土:主要由碎石和少量钢渣及粘性土等构成,中密,干密度在 1.96 1.99 g/c m3。探井 3号第二层 0.5 1.2 m 为粉质黏土,黄褐色,可塑,干密度为 1.54 g/c m3。探井 4号、5号、6号、7号第一层 0 0.5 m为钢渣和少量碎石杂填而成,级配不良,干密度在1.97 2.33 g/c m3之间。探井 4号第二层 0.5 0.85 m为素填土,干密度为 1.74,在 0.85 1.20 m 为杂填土,干密度为1.76 g/c m3。探井 5号 0.5 1.2 m为尾矿(粗砂)混碎石,松散,干密度为 1.21 g/c m3。探井 6号、7号第二层 0.5 1.2 m为杂填土,主要由钢渣、碎石和少量的粘性土构成,中密,干242铁道建筑技术R A I L WA YC ON S T RU C T I ONT E C H N OL OGY 2008(增)铁道/道路密度在 1.80 1.97 g/c m3之间。第二段(-)铁路路基由 6号路道口东侧50 m 向西至牵出线西端,总长 1 260 m,其中炼钢站段 3、4道为双线,长约 200 m,共挖探井 24个,探井号为 8 31号,单井深度 1.2 m,根据地层变化分为三层:探井 8 31号:第一层填料均为碎石土,混少量炉灰渣,杂填而成,中密,干密度在 1.84 2.11 g/c m3之间。探井 8 3号的第二层为杂填土,主要由大量碎石、炉灰渣、砖块和粘性土构成,中密,干密度在1.60 1.95 g/c m3之间。探井 14 31号的第二层为粉质黏土,黄褐色,硬塑状态,本层土在碎石填料层之下,厚度为 20 30 c m,干密度在 1.53 2.01 g/c m2之间,塑性指数在 10.8 12.1之间。探井 9号、14号、15号、18号、31号的第三层为粉质黏土,黄褐色,可塑或软塑,干密度:1.43 1.82 g/c m3。塑性指数在 10.9 12.0之间。第三段(-):从牵出线探井 29号至炼钢车间门口,长约 440 m,其中在化铁炉线为双线,此段挖探井共 7个,编号为 32 38号,根据地层变化分为三层:第一层 0 0.4 m为碎石土,混少量炉灰渣,中密,干密度在 1.97 2.04 g/c m3之间。第二层 0.4 0.9 m为粉质黏土,黄褐色,硬塑,干密度在 1.84 1.98 g/c m3之间,塑性指数在10.4 11.8之间。第三层 0.9至 1.2 m 为粉质黏土,黄褐色,含白色条纹,可塑,干密度在 1.53 1.74 g/c m3之间,塑性指数在 10.6 12.3之间。第四段(-):从瓦斯灰线车务值班室向西至 4号路道口东侧 50 m、长约 160 m,挖探井 4个,单井深度 1.2 m,编号为 39-42号,根据地层变化分为 2层:第一层 0 0.5 m为碎石、混少量炉灰渣,级配不良,中密,干密度在 2.00 2.06 g/c m3之间。第二层 0.5 1.2 m为杂填土,由碎石、钢渣及粘性土等构成,中密,干度在 1.91 1.95 g/c m3之间。3.4检测结论与建议(1)检测的四段铁路基基本上能满足要求,但局部需加固处理。需加固处理的地段如下:-段中的 4号探井第一层 0 0.5 m和 3号、5号探井第二层 0.5 1.2 m的压实度不能满足设计要,需进行加固处理。另外 3号 6号探井路段南侧(维修车间南侧)至 4号路道口之间,路基和地面相差 3 m左右,换轨前应对路基边坡进行加固。-段中的 15号、16号、21号探井一层压实度不能满足设计要求,11号、21号、31号探井二层压实度不能满足设计要求,21号 26号探井(炼钢站向东约 270 m),第三层土(0.7 1.2 m)压实度不能满足设计要求,需进行加固处理;-段中的 32号、35号探井一层压实度不能满足要求,需进行加固处理;(2)-段中的炼钢车间地段,因不能停产,故未能检测。(3)被检测线路范围内地下水在高程 390 m以下。加固方案:为保证正常运输生产,通过研究,既有路基加固采用灌桩法,横向在线路中心两侧 1.5 m、纵向沿铁路方向范围内,利用机械每 0.5 m间距打直径220 m m,深 2.8 m的桩孔,然后向孔内填压白灰及粉煤灰,比例按 7 3 配置。利用生产间隔进行,路基加固历时 40余 d 完成。通过检测,加固后路基压实度达到技术要求。4重载铁路的使用与维修鱼雷罐属流动的混铁炉,载重量大,运行频次多,对线路的技术标准要求高,如果维修不规范,检查不及时,管理不到位而发生问题,将严重影响公司生产,造成巨大的经济损失。为确保承钢 2 500 m3高炉投入使用后鱼雷罐车安全运行,根据实际情况,我们制定了鱼雷罐车使用、线路维修及检查标准。4.1鱼雷罐车重罐走行区域及技术数据凡铁路线路加固的线路可以运行 260 t 鱼雷罐车,其它线路严禁运行。(1)2 500 m3高炉所属线路:新建接铁 1-4线。243铁道建筑技术RA I L WA YC ONS T R U CT I ONT E C HN OL OG Y 2008(增)铁道/道路(2)6号炉斜桥下至 2 500 m3高炉铁水走行线。(3)6号炉斜下至 1 260 m3高炉接岔点炉前铁水线。(4)1 260 m3高炉铁水线。(5)1 260 m3高炉接岔点经渡线(炼铁站西)至铁水走行线南线。(6)铁水走行线南线经炼钢站 3道、4道至牵出线。(7)牵出线至接铁跨北线。(8)炼钢站、接铁跨北线、5号高炉接铁北线、修砌线、检修库线、可以停放鱼雷罐,其他地点不允许不挂机车停放鱼雷罐。4.2 鱼雷罐车空罐走行区域及技术数据空罐走行铁路允许其他列车通过。(1)6号斜桥下经厂内正线至鱼雷罐车检修车间铁路接岔处。(2)检修车间铁路接岔处至检修车间各股道。4.3 鱼雷罐车运行速度要求在道岔和曲线地段鱼雷罐车运行速度不超过5 k m/h,超过 5坡道运行速度不超过 5 k m/h,经过平直线运行速度不超过 10 k m/h。4.4重载铁路点检要求设置专职巡道员,三班倒作业,鱼雷罐车运行一趟一检查,检查时用轨距尺检查线路轨距,水平变化,发现异常及时上报处理。4.5重载铁路维修验收标准为确保鱼雷罐车走行安全,提高铁路和线路稳定性,特别制订了重载铁路的维修验收标准,并严格执行。同时打破春季、秋季各一次全面检修,平时找紧急的常规检修方式,采用状态修与计划修相结合,每周进行一次全面维修,以确保重载铁路状态稳定。5使用效果承钢 5号 2 500 m3高炉 2006年 12月 1日投产以来每天出铁在 4 000 5 000 t 左右,出铁次数在15炉左右,采用 260 t 鱼雷罐车接送铁水,至今已累计接铁 210多万 t,运送铁水 7 200多趟,重轨铁路状态稳定,没有发生因铁路线路异常而影响运输生产的情况,保高炉正点率 100%,为承钢年产钢突破400万 t 提供了运输保障。(上接第 229页)(1)喷层厚度的计算d=G Rtcl(5)式中:d 喷混凝土层的厚度;l“危石”周边长度;G 喷混凝土的抗拉强度。(2)按粘结破坏计算d=3.65Gl R c4/3KcEc1/3(6)式中:R c 喷混凝土的粘结强度;Ec 喷混凝土的弹性模量;Kc 岩层的弹性拉伸系数。按冲切破坏,代入(5)式,得喷层厚度为 3.8 c m;按粘结破坏计算,代入(6)式,得喷层厚度为 5.3 c m。而实际施工中,确保围岩稳定,在拱部布置 7根锚杆,锚杆的长度取为 2.5 m,间排距 1 m;喷层厚取8 c m。4结论(1)围岩松动圈支护理论对锚喷支护的机理有了新的解释,它不仅能定量评价围岩支护的难易程度,而且对支护参数提供可考依据;(2)在施工条件下,取松动圈尺寸对围岩进行分类并选择合理的支护方式是科学的;(3)围岩松动圈理论表明,松动圈尺寸越大,巷道收敛变形也越大,支护越困难。但是,对于大松动圈或施工中遇到特殊情况,围岩松动圈支护理论还将有待于进一步研究。参考文献1肖会强,武争义.利用围岩松动圈理论进行支护参数设计 J .煤炭技术,2002(1)2郭志宏,董方庭.围岩松动圈与巷道支护 J .矿山压力与顶板管理,1995(4)3王宝如.围岩松动圈支护理论在常村矿井的应用 J .煤炭技术,1995(5)4董方庭,宋宏伟,郭志宏,等.巷道围岩松动圈支护理论 J .煤炭学报,1994(1)5郭世波,孙秀青.围岩松动圈支护理论及在煤层巷道支护中的应用 J .西部探矿工程,2007(9)6贺军.巷道支护与围岩共同承载的规律与支护方式 J .科学之友,2008(1)244铁道建筑技术R A I L WA YC ON S T RU C T I ONT E C H N OL OGY 2008(增)