单天窗期横向拨轨更换无砟轨道伤损轨道板关键技术创新与实践

刘竞

（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）

板式无砟轨道是我国建造高速铁路所采用的主要轨道结构形式。目前，我国板式无砟轨道主要有3种，即CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型［1-2］。板式无砟轨道取消了传统有砟轨道的轨枕和道床，采用预制钢筋混凝土轨道板直接支承钢轨，在轨道板与混凝土底座之间填充水泥乳化沥青砂浆或自密实混凝土充填层。板式无砟轨道具有平顺性高、稳定性好、使用寿命长、耐久性好、维修工作量少等技术优势［3-4］。

随着服役时间的延长，在温度应力、列车荷载、风化等综合作用下，个别轨道板会出现开裂、掉块、起鼓等劣化情况，劣化到一定程度时须利用天窗封锁时间（即在铁路24 h不间断的运行图内不铺画列车运行线或减少列车运行次数而为铁路维修养护及施工预留的空闲时间）对个别伤损的轨道板进行更换，以恢复线路良好状态，确保无砟轨道的安全性、稳定性和长期耐久性［5-7］。

目前高速铁路运营线更换轨道板多采用切轨更换法［8-9］，即先切断钢轨，再用轨道车的起吊设备将伤损轨道板移出并将新轨道板移入，然后重新焊接锁定钢轨。该方法须在换板前对钢轨进行切割，且当日天窗须对钢轨进行临时连接恢复，换板后还须对钢轨进行焊接、打磨及焊缝探伤等，工序较多；此外由于增加了钢轨接头，对钢轨损伤较大，并增加了后续焊缝处易断轨的潜在风险［10］。

针对切轨更换法的不足，亟需开展单天窗期在不切断钢轨情况下更换无砟轨道轨道板的技术研究。目前不切断钢轨的换板法主要有2种：抬高钢轨换板法和横向拨轨换板法。中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所在总结抬高钢轨换板技术的基础上，结合理论分析、模拟试验与工程实践，创新性地提出了一种在不切断钢轨条件下利用单天窗期采用横向拨轨的方式对伤损轨道板进行更换的技术。本文简单介绍抬高钢轨换板法的原理、工序及特点，重点介绍横向拨轨换板法的原理、可行性、工艺流程等，并通过实际工程应用进行验证。

1 抬高钢轨换板法

抬高钢轨换板法［3，6］是采用机械抬升的方式将松开一定长度扣件的钢轨抬高，利用千斤顶或电葫芦从侧向加载，将损坏轨道板从线路一侧顶出，用随车轨道吊将其移走，再按逆路径将新轨道板移入，并对损坏的充填层材料或凸台树脂进行修复或更换。该方法须根据待更换轨道板的结构尺寸特点，确定钢轨的调高量及松开扣件的长度。对于CRTSⅠ型无砟轨道板，钢轨抬高量应超过凸形挡台的高度；对于CRTSⅡ型无砟轨道板，钢轨抬高量应超过承轨台挡肩的高度；对于CRTSⅢ型无砟轨道板，钢轨抬高量应超过底座板限位槽深度和承轨台挡肩的总高度。

抬高钢轨换板法虽然避免了切轨更换法对钢轨的伤损，但是其缺点有：①工装较重，不适于天窗期施工；②对于双线无砟轨道线路，受线间作业空间限制，轨道板横移后会造成侵线，给轨道吊作业造成极大困难；③对于单线无砟轨道线路，尤其是桥梁段，受线外作业空间限制，轨道板无法横向移出或移入。

2 横向拨轨换板法

横向拨轨换板法是采用专用工装将松开一定长度扣件的钢轨沿横向拨开，预留伤损无砟轨道板的垂直吊出空间，利用线路上方空间，采用专用设备进行轨道板更换，如图1所示。在作业过程对轨道状态进行监控，确保换板过程中钢轨锁定轨温不变且不产生塑性变形，换板后线路轨道状态恢复良好，不影响行车。该方法可满足CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型无砟轨道板更换的需要，对于双线和单线无砟轨道轨道板更换均适用。

图1 横向拨轨换板示意

2.1 横向拨轨换板法可行性研究

横向拨轨换板法的技术核心是针对特定的钢轨轨道状态，确定待更换轨道板（长L0）前后的拨轨距离f与松开扣件最小长度L的相关关系（图1），确保拨轨过程钢轨处于弹性变形且不损伤钢轨。这决定了采用横向拨轨更换伤损轨道板的技术可行性。

采用无缝线路实际锁定轨温检测系统（Neutral Temperature Detecting System，NTS）［11］进行锁定轨温的测试。根据换板区实测钢轨温度、钢轨实际锁定轨温，通过有限元分析与迭代计算确定需松开扣件的最小长度L，并通过模拟试验进行验证。结果显示：当待换板两侧松开扣件特定长度且其拨轨宽度满足轨道板垂直吊装空间要求时，测得的钢轨松开扣件的尾端A，D处均无位移；A，B，C，D这4处最大应变不超过250×10-6；钢轨恢复后，残余应变小于20×10-6，钢轨处于弹性变形且未影响钢轨原锁定轨温。这为横向拨轨换板法的创新与应用提供了技术支撑。

2.2 横向拨轨换板法工艺流程

横向拨轨换板法主要工艺流程如图2所示，更换轨道板时可实现1个天窗至少更换1块以上的轨道板。

图2 横向拨轨换板法工艺流程

2.2.1 准备阶段

准备阶段包括现场踏勘调研、轨道板试吊、原轨道板位置采集与定位线标注、零配件编号、实际锁定轨温与轨温测试、轨道状态测试元件布设等。由于运营中长轨条因轮轨相互作用而被辗长、维修作业不当引起长轨条不均匀爬行等原因，长轨条锁定轨温发生改变（一般比施工锁定轨温下降5～8℃），导致无缝线路施工锁定温度记录不准确，在运营中存在一个实际的锁定轨温。因此，须准确掌握换板地段无缝线路的实际锁定轨温，为拨轨施工方案中确定换板作业时松开扣件的长度提供基础数据，确保在天窗期换板作业后及时恢复线路并避免对无缝线路产生不利影响。该阶段的关键工序是采用NTS系统进行实际锁定轨温的测试。NTS系统无需锯切钢轨且无需钢轨材质和残余应力等资料，采用无损方法进行实际无缝线路锁定轨温检测，该系统由液压提升架、拉力传感器、位移传感器、轨温传感器、数字采集仪和NTS软件（笔记本电脑内）组成。采用NTS系统进行无损检测前对其拉力传感器和位移传感器进行标定，测试精度为1.5℃。根据测试结果，NTS系统自动给出轨温安全区域图形，并给出轨温及锁定轨温对无缝线路的影响评价。完成实际锁定轨温测试后，对现场钢轨温度进行测试并与实际锁定轨温比较，根据相关有限元分析与迭代计算，确定换板两侧松开扣件的长度。

2.2.2 换板阶段

换板阶段包括接触网停电、零配件拆除、原凸台树脂凿除、横向拨轨与实时监控、轨道板与砂浆脱粘、旧板移出、充填层表面清理、新板移入、钢轨恢复、轨道板粗铺与精调、新凸台树脂浇筑、板底注胶、线路测量与微调、回检清场、轨道状态跟踪监测共15个步骤。该阶段的关键工序是横向拨轨与实时监控，包括：①实测钢轨温度并与实际锁定轨温进行比较，根据不同轨道温差下钢轨最大允许拨轨量与不同松开扣件长度对照情况，将换板两侧一定长度区间内的扣件松开；②拨轨时严格控制拨轨量，待拨轨量达到设计要求时在紧邻起道点处及每间隔一定距离设置尺寸合适的撑杆，对拨轨后的钢轨予以支撑稳固；③在钢轨拨轨作业中实时监控拨轨力及钢轨的应力应变演变状态，如有异常立即停止作业。

2.2.3 后续阶段

后续阶段包括线路测量、轨道精调等。利用精测小车对作业区段及前后50 m进行测量，对线形进行分析，制定精调方案并按照精调方案对线路进行调整。

3 横向拨轨换板法工程实践

在不切断钢轨情况下，在一客专铁路采用横向拨轨换板法更换伤损轨道板。该线采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构、WJ-7型扣件，采用60 kg/m、100 m定尺长、U71MnG钢轨一次铺设跨区间无缝线路，全线设计锁定轨温为（28±5）℃。轨道板更换作业前，NTS系统测试的实际锁定轨温为26℃，拨轨作业前测得的钢轨温度为20℃。根据测试结果及有限元分析与迭代计算，确定拨轨换板时两侧松开扣件的长度。

3.1 横向拨轨力

为确保拨轨力在可控范围内且横向拨轨时钢轨不被顶伤或产生硬弯，每次换板拨轨时均对钢轨的拨轨力进行监测。实测数据显示，钢轨拨轨力均在预期范围内。

3.2 钢轨变形

钢轨拨开后，对比实测钢轨拨开线形与理论线形，发现钢轨每个测试点的拨开量与理论计算拨开量基本相符。钢轨所产生的最大附加压、拉应力均远小于钢轨允许应力，钢轨应变在弹性范围内。经现场仔细检查，钢轨无硬弯、无损伤。

3.3 轨道动态性能响应

为评估更换轨道板处的轨道动态性能响应是否满足列车运行时的安全性和平稳性要求，布设测点实测列车通过更换轨道板时的轨道动态响应，测点布设如图3所示。其中，在更换轨道板板缝位置选取1处断面布设2个轮轨力测试通道，在新轨道板两端各布设1个轨道板加速度测试通道，在相邻的原轨道板板端各布设1个加速度对比测试通道，共计2个轮轨力测试通道和4个加速度测试通道。共测试3 d，其中前2 d列车限速120 km/h运行，第3天恢复常速。测试期间，共采集有效通过列车54列，列车通过测点速度最高269.9 km/h，最低70.7 km/h。

图3 轨道动态性能响应测试点位分布

1）列车运行安全性指标

动车组通过测试工点时，测得不同车速下脱轨系数、轮重减载率等。结果表明，动车组通过时的脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力均在其相应评判标准限值内。其中，实测脱轨系数最大值0.18（对应车速79.7 km/h），实测轮重减载率最大值0.14（对应车速254.6 km/h）。

2）轨道结构振动

动车组通过测试工点时，测得不同车速下轨道板振动加速度。结果表明，动车组通过时轨道板振动加速度在其相应评判标准限值内。其中，实测新轨道板振动加速度最大值为56.6 m/s2（对应车速191.4 km/h），相邻原轨道板振动加速度最大值为66.5 m/s2（对应车速95.9 km/h）。

工务部门采用添乘仪对换板区段的线路运行状况进行检测，结果显示换板前后无添乘仪偏差，与轨道动态性能响应的测试结果基本一致，进一步说明了轨道板更换施工未对轨道结构动态响应带来不利影响，能够满足动车组安全舒适的运输要求。

综上，用横向拨轨换板法更换轨道板后，横向拨轨力测试及钢轨变形情况良好；动车通过时的安全参数、轨道板振动加速度等相关实测结果均在标准限值内，且新轨道板与相邻原轨道板的振动加速度相差不大，轨道动态性能响应满足列车运行时的安全性和平稳性要求，技术应用效果较好。

4 结论

针对切轨更换法及抬高钢轨换板法更换轨道板的弊端，创新性提出了在不切断钢轨情况下单天窗期采用横向拨轨换板法更换轨道板的全套技术。

1）横向拨轨法实现了在不切断钢轨的前提下更换伤损轨道板，避免了无缝长钢轨的切割及焊缝处易断轨的潜在风险。

2）根据换板区钢轨实际锁定轨温、实测钢轨温度及相关有限元分析与迭代计算等，确定待换板前后需松开扣件的最小长度；通过试验与工程验证，辅以拨轨作业时可靠的轨道状态监控，可确保拨轨后长钢轨锁定轨温不变、无塑性变形或硬弯损伤。

3）采用横向拨轨法更换轨道板后，动车组通过时安全参数、轨道板振动加速度等相关实测结果均在标准限值内，且新轨道板与相邻原轨道板的振动加速度相差不大。轨道板更换施工未对轨道结构动态响应带来不利影响，能够满足动车组安全舒适的运输要求。