楊洋 磨巧梅 孫宗丹

摘要：文章針對西南地區(qū)某城市軌道交通線路特殊條件，通過比對新型合成軌枕與現(xiàn)有木枕和混凝土枕線路工況綜合參數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，分析新型合成軌枕在軌道交通線路中的可行性，為今后新型合成軌枕在城市軌道線路中的應(yīng)用提供參考。結(jié)果表明：新型合成軌枕較木枕、混凝土軌枕在力學(xué)強(qiáng)度、使用壽命、維護(hù)作業(yè)中均具有明顯優(yōu)勢;與混凝土軌枕相比，其用于橋梁和道岔等特殊路段時優(yōu)點(diǎn)能夠充分發(fā)揮;綜合分析經(jīng)濟(jì)效益較好，在道岔路段采用新型合成軌枕替代木枕是可行的。

關(guān)鍵詞：城市軌道;軌枕;聚氨酯;可行性研究

0 引言

2019年9月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》指出：“構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化綜合交通體系。推進(jìn)技術(shù)裝備升級，推廣輕量化、環(huán)保型交通裝備及成套技術(shù)裝備?！盵1]作為現(xiàn)代化交通綜合體系中的重要一員，城市軌道交通建設(shè)與運(yùn)維升級是其發(fā)展的一貫?zāi)繕?biāo)。隨著我國主要城市軌道交通的跨越式發(fā)展，傳統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)部件的安全性、耐久性、穩(wěn)定性受到考驗(yàn)[2]。軌枕作為城市軌道交通線路結(jié)構(gòu)重要的組成部分，其作用主要是為軌道整體結(jié)構(gòu)提供剛度并承受鋼軌傳遞的豎向、橫向及縱向荷載。為改善軌枕在線路運(yùn)營中出現(xiàn)的諸多問題，國內(nèi)外先后開展合成軌枕的研發(fā)與應(yīng)用：1980年，日本積水化學(xué)株式會社研發(fā)生產(chǎn)合成軌枕，其采用連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯硬泡復(fù)合而成[3]，具有良好的防水、耐腐蝕、輕質(zhì)、高強(qiáng)度等特性，開始在日本新干線上使用，在30多年的時間里，合成軌枕在日本的總量超過150萬根;2005年前后，由于采用的直線電機(jī)技術(shù)對軌道施工提出了更高的要求，合成軌枕產(chǎn)品開始進(jìn)入國內(nèi)市場[4];2008年，廣州地鐵集團(tuán)有限公司與中船重工集團(tuán)公司第七二五研究所通過合作研發(fā)，成功將合成軌枕國產(chǎn)化，并由七二五研究所下屬的洛陽雙瑞橡塑科技有限公司進(jìn)行生產(chǎn);自2009年以來，洛陽雙瑞橡塑科技有限公司生產(chǎn)的合成軌枕先后在廣州、深圳、南京、成都、重慶、貴陽、無錫等國內(nèi)大中城市地鐵線路應(yīng)用，供貨總量超過10萬根，并取得了良好的效果;2012年，《聚氨酯泡沫合成軌枕》（CJ/T 399-2012）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。

針對城市軌道線路中合成軌枕在運(yùn)營中的應(yīng)用問題，課題組[5]通過長期從事城市軌道線路勘察設(shè)計、鐵路軌道結(jié)構(gòu)新材料研發(fā)、城市軌道運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)等研究，積累了大量軌枕現(xiàn)場應(yīng)用及病害處理經(jīng)驗(yàn)。本文針對西南地區(qū)城市軌道交通線路特殊條件，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)施測試與調(diào)查，在比對新型合成軌枕各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，通過新型合成軌枕與現(xiàn)有木枕、混凝土枕參數(shù)比對、線路工況綜合參數(shù)比對和經(jīng)濟(jì)效益比對，分析新型合成軌枕在軌道交通線路中的可行性，為今后新型合成軌枕在城市軌道中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 新型合成軌枕各項(xiàng)性能比對分析

1.1 新型合成軌枕與木枕的比對

新型合成軌枕與木枕的密度相當(dāng)，并具有一定的彈性，均可用于城市軌道橋梁和道岔等特殊路段。與木枕相比，新型合成軌枕具有以下優(yōu)勢。

（1）力學(xué)強(qiáng)度高

新型合成軌枕采用聚氨酯硬泡為基體材料，高強(qiáng)度連續(xù)玻璃纖維為增強(qiáng)材料，其力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于木枕[6]。表1是新型合成軌枕和木枕的部分力學(xué)性能比對。

（2）耐久性好

新型合成軌枕為高分子化合物，耐酸堿腐蝕，吸水率低，能夠適應(yīng)各種環(huán)境，其在日本的使用時間已超過35年，鋪設(shè)地段沒有維修記錄，各項(xiàng)物理性能試驗(yàn)結(jié)果表明，新型合成軌枕至少可具有50年以上的使用壽命。而木枕在正常使用過程中，極易受到酸堿和雨水的腐蝕，在明橋面的使用年限不超過5年，暗橋面的使用年限不超過10年。

（3）可修復(fù)性好

新型合成軌枕除了可以進(jìn)行與木枕相同的鉆孔、開槽、打磨、切割等工序外，還可以進(jìn)行粘接，可以加工成各種尺寸各種形狀，以適應(yīng)不同的工況。新型合成軌枕在長時間的使用過程中，由于列車運(yùn)行的往復(fù)載荷，可能造成螺紋道釘抗拔強(qiáng)度的降低，可在不更換新型合成軌枕的條件下，對其進(jìn)行修補(bǔ)。

（4）軌道穩(wěn)定性好

與新型合成軌枕相比，木枕具有更好的彈性，但是其彈性不均勻，單獨(dú)使用容易造成軌道的不穩(wěn)定。與之相反，新型合成軌枕具有一定的彈性，由于采用人工復(fù)合而成，其彈性均勻，具有更高的強(qiáng)度，軌道穩(wěn)定性好。新型合成軌枕能夠較好地保持道岔的幾何形位，很少出現(xiàn)尖軌不密貼和空吊板的情況，有利于保證道岔質(zhì)量，可大大減少列車運(yùn)營中軌道和信號轉(zhuǎn)撤裝置的養(yǎng)護(hù)維修工作量，提高列車在折返道岔區(qū)段的運(yùn)行安全和可靠性。根據(jù)國內(nèi)某運(yùn)營總部的反饋，其線路兩端折返線采用的新型合成軌枕道岔，運(yùn)行10年來的維修工作量比未采用新型合成軌枕的1、2號線有明顯下降，且尖軌磨耗很小，改變了普通道岔一年需更換一次尖軌的狀態(tài)。

（5）環(huán)境友好

木枕采用木材制成，大量木枕的使用必將導(dǎo)致大量的樹木被砍伐，將會對環(huán)境造成惡劣影響。同時木材資源貧乏，各方面需求量又很大，無論數(shù)量還是質(zhì)量，都不能滿足使用要求。采用新型合成軌枕能夠避免使用木材，保護(hù)森林對環(huán)境帶來有益的效果。

1.2 新型合成軌枕與混凝土軌枕的比對

（1）重量較輕，安裝簡單便捷

與混凝土枕相比，新型合成軌枕質(zhì)輕高強(qiáng)，為鐵路線路的維修換枕等施工操作帶來極大的便利性，不僅大大降低了鐵路工人的勞動強(qiáng)度，提高施工的安全性，還能維護(hù)鐵路工人的身體健康，減少勞動事故的發(fā)生，而且能加快施工速度，大幅度提高勞動生產(chǎn)率。

與混凝土枕相比，采用新型合成軌枕易于調(diào)整道岔的幾何尺寸，后期養(yǎng)護(hù)、維修工作量小。在同等條件下，每組道岔施工可節(jié)省約2 d時間，若按一處配線道岔群8組計算，可加快施工進(jìn)度約10～12 d;采用新型合成軌枕預(yù)拼裝的道岔，整體性好，可進(jìn)行總體多方向移動。

（2）彈性較好，減振效果明顯

同混凝土軌枕相比，新型合成軌枕高彈性的優(yōu)點(diǎn)使軌道的彈性可以得到明顯的改善，尤其對道岔區(qū)高沖擊、高振動地段，使用這種新型材料軌枕的優(yōu)勢將更加明顯，軌道彈性會得到明顯提高，從而改善道岔區(qū)各組成部分如鋼軌、扣件及道砟的工作環(huán)境，減弱道砟分化的產(chǎn)生與發(fā)展，大幅降低軌枕環(huán)裂及縱裂的概率，延長道岔區(qū)各組成部分的使用壽命，降低鋼軌、軌枕等產(chǎn)品的使用成本。新型合成軌枕還具有良好的減振降噪效果，與混凝土枕相比，可減振3 dB。

（3）適應(yīng)性強(qiáng)，維修方便

與混凝土枕相比，新型合成軌枕還有另外一個明顯的優(yōu)勢，就是它很容易在現(xiàn)場進(jìn)行加工，如：切、削、鉆、開槽、粘貼與修補(bǔ)等，如果錨固螺孔在鉆孔施工時偏離標(biāo)準(zhǔn)位置，可通過修補(bǔ)劑填充該鉆孔，并在任意需要的位置重新鉆孔，即使該新孔與老孔位置有部分重合也不影響新鉆孔的質(zhì)量。試驗(yàn)表明，修補(bǔ)位置的強(qiáng)度甚至超過母材本體。拉拔試驗(yàn)顯示，在拉拔力超過一定限度時，軌枕首先出現(xiàn)破壞的部位在母材本體，而非修補(bǔ)部位。雖然新型合成軌枕造價高于混凝土枕，但具有縮短道岔施工時間和減少運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修工作量的優(yōu)點(diǎn)。廣州地鐵在2008年6月份以后建設(shè)的各條新線中，除在直線電機(jī)牽引的新線中正線/輔助線和車輛段內(nèi)采用新型合成軌枕外，在普通牽引的新線中，正線和輔助線上也均采用新型合成軌枕。

1.3 三種類型軌枕綜合性能比對（見表2）

2 新型合成軌枕經(jīng)濟(jì)效益分析

某城市軌道交通線路中車場部分道岔結(jié)構(gòu)采用木枕，合計203根。若將全部木枕替換為新型合成軌枕和混凝土軌枕，其投入資金如表3所示。盡管在岔枕更換時采用新型合成軌枕的一次性投入較混凝土枕高，但由于岔枕受力情況復(fù)雜，承受的沖擊力非常大，混凝土軌枕為剛性材料，很容易發(fā)生裂紋，此外，混凝土岔枕螺栓的固定方式為預(yù)埋尼龍?zhí)坠埽菟〝Q在套管中，在列車振動作用下容易松動，特別是尼龍?zhí)坠苋菀追e水，使螺栓銹蝕[7]。在運(yùn)營維護(hù)階段，混凝土岔枕的供應(yīng)是成組發(fā)運(yùn)，型號繁多，當(dāng)個別岔枕損壞后，很難配備更換，必須要整組更換，通用性差。因此，在全壽命周期50年內(nèi)，采用混凝土岔枕預(yù)計需要更換3次左右，綜合成本要遠(yuǎn)高于新型合成軌枕。

3 結(jié)語

針對西南地區(qū)某城市軌道交通線路特殊條件，通過新型合成軌枕與現(xiàn)有木枕、混凝土枕參數(shù)比對、線路工況綜合參數(shù)比對和經(jīng)濟(jì)效益比對，分析新型合成軌枕在軌道交通線路中的可行性，得到如下結(jié)論：

（1）新型合成軌枕與木枕相比，合成軌枕和混凝土軌枕均具有明顯優(yōu)勢，力學(xué)強(qiáng)度高，使用壽命長，能夠減少后期維護(hù)工作。

（2）新型合成軌枕與混凝土軌枕相比，其初期投入成本較高，用于正線時不具有明顯優(yōu)勢，但是用于橋梁和道岔等特殊路段時，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。

（3）綜合分析新型合成軌枕與另兩類軌枕性能與經(jīng)濟(jì)效益，建議在道岔路段采用新型合成軌枕替代木枕，為今后新型合成軌枕在城市軌道線路中的應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2020-05-27