2021年铁路轨道工程施工 铁路轨道工程施工 铁路轨道工程施工

　　内容提要

　　本书是河南省“十三五”高等职业教育立体化教材建设项目之一。全书共分为5章，主要包括轨道结构及组成、轨道几何形位、道岔、无砟轨道、无缝线路等内容。

　　本书主要针对技术技能型人才的培养，可作为从事铁路、高速铁路和城市轨道工程施工与维护的重要基础性教材，以及铁路工程领域技术人员、高职、中专院校教师的参考用书。

　　前 言

　　本书是在河南省“十三五”高等职业教育立体化教材项目开始实施的背景下启动的。它是在按照“铁路轨道工程施工”的课程标准要求，参阅了近年来出版的有关规范、设计手册和书籍等编写的，本课程是高职铁道工程技术专业的一门核心课程。

　　本书由郑州铁路职业技术学院王为林主编，陈彦恒、王大帅担任副主编。参加编写工作的有郑州铁路职业技术学院耿文燕、潘鹏飞、卞家胜、齐悦等老师。具体分工为王为林（第一章第一、二、三、四、五、六、七节）、潘鹏飞（第二章第一、二、三、四、五节）、齐悦（第一章第八、九节；第五章第八节）、王大帅（第三章第一、二、三、四、五、六节）、耿文燕（第四章第四、五节）、卞家胜（第四章第一、二、三节）、陈彦恒（第五章第一、二、三、四、五、六、七节）。

　　本书主要针对铁路工程施工与养护技术技能型人才的培养，书中内容重点在于铁路轨道结构的基本知识及轨道工程施工的基本方法和工艺。限于编者的水平，书中难免出现不妥之处，恳请各位专家、读者批评指正，有待再版时进一步改正。

　　编者

　　217年11月

　　第一章 轨道及轨道的组成

　　轨道是行车的基础，是铁路运输的重要技术设备之一。它由钢轨、轨枕、联结零件、道床、防爬设备及道岔等主要部件所组成，起着机车车辆运行的导向作用、直接承受由车轮传来的巨大压力、并把它传布给路基或桥隧建筑物。随着机车车辆轴重的增加以及列车运行速度的提高，加剧了作用于轨道的各种外力；而运量的增加，又将使轨道提前出现各种形式的疲劳伤损。轴重、速度和运量这三个运营参数，是选择轨道结构的主要依据。为适应铁路运输日益发展的需要，轨道必须向现代化的方向发展。轨道现代化是铁路运输现代化的一个重要方面，没有轨道现代化，要实现铁路运输现代化是不可能的。

　　轨道现代化的主要内容是换铺较重型钢轨及钢筋混凝土轨枕；加速发展无缝线路；改善碎石道床及路基的工作条件并进而研究发展符合少维修或“免维修”所要求的各种新型轨下基础；采用弹性扣件和弹性垫板，铺设高速道岔并提高其构件强度；采用先进的轨道检查及养护维修机具。

　　铁路运营实践和科学技术的发展，促进了轨道的现代化。目前，世界先进国家轨道现代化，均以轮轨动力学为其理论基础，通过建立数学模型、理论计算、试验验证、现场试铺等研究阶段，掌握轮轨系统的动荷相互作用规律，为确定动荷作用力、振动特性及各部分的相对位移等主要变量之间的关系提供可能，据以进一步改进轨道结构。从力学观点来看，轨道是一个处于极端复杂条件下的工程结构物。就其工作条件来说，钢轨、轨枕、道床虽然由不同力学性质的材料组成，但却是一个统一的整体。它们之间必须协调一致，相互配合地进行工作。因此，进行轨道结构的理论研究时，不仅需将轨道作为一个整体来看，而且要将机车车辆、轨道和路基三者有机地结合起来，才能使之更臻完善。这是轮轨动力学的主要内容。

　　第一节 机车车辆与轨道

　　一、机车车辆构造性能

　　机车是铁路上牵引列车的动力。机车按其原动力分为蒸汽机车、内燃机车、燃气轮机车和电力机车。电力机车功率大、速度快、效率高、污染少，沿途不必补充燃料和水，是我国现在的主要发展方向。机车从其本身构造来说能够达到的最高运行速度，称为机车的构造速度。

　　车辆是铁路上运载客货的工具。根据使用目的，车辆分为客车、货车两大类。

　　车辆由车体、转向架、车钩及缓冲装置、制动装置等四部分组成。转向架是车辆的走行部分，目前我国铁路上主要采用的是二轴转向架如图1所示。

　　图1 转向架示意图

　　二、机车车辆走行部分

　　机车的走行部分包括车架、轮对、轴箱、弹簧装置、转向架及其他部件组成。车辆的走行部分是转向架，它包括侧架、轴箱、弹性悬挂装置、制动装置、轮对及其他部件。

　　轮对是机车车辆走行部分的基本部件，由一根车轴和两个相同的车轮组成，如图2所示。我国车辆上使用的车轮有整体轮和轮箍轮两种，如图3所示。

　　图2轮对

　　车轮由轮心及轮箍组成。轮箍用热套的方法安装在轮心上。轮箍的内径较轮心的外径小1/8～1/1，用炉火或电热法将轮箍加热到3℃左右，使它膨胀，扩大内径，然后将轮心镶入，侯轮箍冷却，就会压紧轮心外周。

　　（a）整体轮 （b）轮箍轮

　　1-踏面；2-轮缘；3-轮辋；4-辐板；5-轮毂；6-轮箍；7-扣环；8-轮心

　　图3 车轮

　　车轮和钢轨接触的面称为踏面。车轮踏面有锥形踏面和磨耗型踏面两种形式。

　　锥形踏面如图4（a）所示，锥形踏面的母线是直线，由12和11两段斜坡组成。其中12的一段经常和钢轨顶面相接触，11的一段只在小半径曲线上才与钢轨顶面接触。车轮踏面采用圆锥面，可以减小横向水平力对车轮的影响，增加车辆行驶的平稳性。同时可使直线地段上行驶的车辆，当偏向轨道一侧时，由于左右车轮滚动半径的不同，仍能返回到轨道中线。这样，虽然车轮的轨迹蛇行运动，但不会在轮踏面上形成凹槽形磨耗，从而避免车轮通过道岔辙叉时，发生剧烈的冲击和振动。需要指出的是，上述诸优点均系指与圆柱形踏面比较而言的。磨耗型踏面把车轮踏面形状改成曲线型踏面(亦称磨耗型踏面)，即将踏面制成与钢轨顶面形状基本吻合约曲线形状，这种踏面具有磨耗小、轮轨接触应力小以及通过曲线时转向性能得以改变等优点，如图4（b）所示。

　　（a）锥形踏面

　　（b）磨耗型踏面

　　（c）车辆轮踏面

　　图4车轮踏面

　　为防止车辆脱轨，在踏面内侧制成凸缘（图4中的左侧突起），称为轮缘。

　　轮缘左侧竖直的一面称为车轮内侧面，因在运行时，它在钢轨的内侧。踏面右侧终端的竖直面为车轮外侧面。车轮内侧面与外侧面之间的距离称为车轮宽度(轮幅宽)。

　　通过踏面上距车轮内侧面一定距离的一点，划一水平线，称为踏面的测量线。由测量线到轮缘顶点的距离，称为轮缘高度。由测量线向下1mm处量的轮缘厚度称为轮缘厚度。

　　取踏面上距车轮内侧面一定距离的一点为基点，规定在基点上测量车轮直径及轮箍厚度。

　　轮对上左右两车轮内侧面之间的距离称为轮对的轮背内侧距离。这个距离再加上二个轮缘厚度称为轮对宽度，如图5所示。

　　图5 轮对

　　因为铁路轨道要求有一定的宽度(轨距)，为使机车车辆在轨道上安全行驶，所有轮对都具有相同的宽度，即固定在车轴上的二个车轮的轮对宽度应当完全相同，只容许有很小的制造公差。

　　由图5可见，

　　(1)

　　根据《铁路技术管理规程》(简称《技规》)，我国机车车辆轮对的主要尺寸，如表1所示。表列数字没有把车轴受荷挠曲后，对轮对宽度的影响考虑在内。

　　表1 轮对几何尺寸

　　车轮

　　名称

　　轮缘高度

　　轮缘厚度d

　　轮背内侧距离T

　　轮对宽度q

　　最大(正常)

　　最小

　　最大

　　正常

　　最小

　　最大

　　正常

　　最小

　　机车轮

　　28

　　33

　　23

　　1356

　　1353

　　135

　　1422

　　1419

　　1396

　　车辆轮

　　25

　　34

　　22

　　1356

　　1353

　　135

　　1424

　　1421

　　1394

　　因为蒸汽机车的轴箱，装在车轮内侧轴颈上，经过轴箱传到车轴上的荷重，使车轴向下挠曲，轮对宽度因此略有增加。车辆的轴箱，装在车轮外侧轴颈上，车轴受荷后向上挠曲，轮对宽度因此略有缩小，此项轮对宽度的改变，随车辆的构造及荷重的大小而异，一般可取为=±2mm。

　　为防止车轮由于轮对歪斜而陷落轨道之间，安装在同一车架或转向架上的车轴，必须保持相互间的平行位置。如图6所示，同一机车最前位和最后位的车轴中心间水平距离，称为机车的全轴距。为使全轴距较长的机车仍能顺利通过半径较小的曲线，可把全部车轴分别安装在几个车架上。同一车架或转向架上始终保持平行的最前位和最后位车轴中心间水平距离称为机车的固定轴距。固定轴距和全轴距是两个不同的概念。例如在前进型1-5-1蒸汽机车上，中间五个动轮轴安装在同一个车架上，前后导从轮轴分别安装在各自的转向架上，因此，机车的全轴距为1 72mm(导轮轴至从轮轴间距离)，而固定轴距则为64mm (动轮I至动轮V间距离)。固定轴距是机车能否顺利通过小半径曲线的控制因素。

　　图6 全轴距、固定轴距及车辆定距

　　第二节 直线轨道的几何形位

　　一、轨距

　　轨距为两钢轨头部内侧间与轨道中线相垂直的距离。《技规》规定线路直线地段的轨距在钢轨头部内侧顶面下16mm处测量，标准轨距尺寸为1435mm，轨距用道尺或其它工具进行侧量。轨距的变更，须和缓平顺，每一米距离中，不可有1mm以上的差异，因在短距离内如有显著的轨距变化，即使不超过允许误差，也会使机车车辆发生剧烈的摇摆。

　　因为轨道的轨距大于轮对宽度，钢轨与轮缘之间，就有空隙，也叫游间。图7中，当轮对的一个车轮轮缘与钢轨贴紧时，另一个车轮轮缘与钢轨之间的游间为

　　(2)

　　式中，S为轨距，q为轮对宽度。

　　图7 轮对宽度、轮轨游间和轨距

　　设S为标准轨距，q为正常轮对宽度，则正常空隙

　　设及分别为最大及最小轨距，及分别为最大最小轮对宽度，则最大及最小游间分别为

　　我国机车车辆轮轨游间最大值及最小值见表2所列。

　　表2 我国机车车辆轮轨游间

　　车轮名称

　　轮轨游间值（mm）

　　最大

　　正常

　　最小

　　机车轮

　　45

　　16

　　11

　　车辆轮

　　47

　　14

　　9

　　计算值时，没有把轮对宽度由于车轴挠曲而产生的变动（=±2mm)，以及轨距在列车通过时可能发生的弹性扩大（一般可取为2mm）考虑在内。

　　钢轨与轮缘间的游间是必要的，也是客观存在的。它对列车运行的平稳性和轨道的稳定性有重要的影响，如果游间太小，就会增加行车阻力和钢轨及车轮的磨损，甚至可能会楔住车轮、挤翻钢轨或导致爬轨，危及行车安全。如果游间过大，车辆行驶时蛇行运动的幅度愈大，横向加速度愈大，轮缘对钢轨的冲击角愈大，作用于钢轨上的横向力也愈大。行车速度愈高，其影响愈严重。所以，为提高行车的平稳性和线路的稳固性，应限制于一个最小的必要数值，特别是在高速铁路上。根据我国现场测试和养护维修经验，认为减小直线轨距有利。改道时轨距按1434mm或1433mm控制，尽管轨头有少许侧磨发生，但达到轨距超限的时间得以延长，有利于提高行车的平稳性，延长维修周期。随着行车速度的日益提高，目前世界上的一些国家正致力于通过实验研究的办法寻求游间的合理取值。

　　二、水平

　　水平是指线路左右两股钢轨顶面的相对高差。为保持列车平稳运行，并使两股钢轨均匀受力，直线地段上两股钢轨顶面应保持同一水平，在曲线地段应满足外轨超高均匀和平顺的要求。

　　水平可用道尺或其它工具进行测量。两股钢轨轨顶的水平误差，变化不可太快。在1m距离内，这个变化不可超过1mm，否则即使两股钢轨的水平误差不超过允许范围，也将引起机车车辆的剧烈振动。

　　实践中有两种性质不同的钢轨水平误差，对行车的危害程度也不相同。第一种称为水平差，这就是在一段相当长的距离内，一股钢轨的轨顶水平，始终较另一股为高，另一种称三角坑，这就是在一段不太长的距离内。先是左股钢轨较右股高，后是右股较左股高，而且，两个最大水平误差点的距离，不足18m。

　　在一般情况下，超过允许标准的水平差，只是引起车辆摇晃和两股钢轨的不均匀受力以及磨耗。但是如果在延长不足18m的距离内出现水平差超过4mm的三角坑，就会使车辆最前和最后的四个轮中，只有三个正常紧压钢轨，另一个悬空。如果恰好在这个车轮上出现强大的横向力，就可能使浮起的车轮只能以它的轮缘紧贴钢轨，在最不利的情况下甚至可以爬上钢轨，引起脱轨事故。因此，必须立即予以消除。

　　三、高低

　　轨道的纵向平顺情况称前后高低。有些地方，从表面上看，轨面是平顺的，但实际上轨底与轨枕之间存在间隙（间隙超过2mm时称为吊板），或轨枕与道砟之间存在空隙（空隙超过2mm时称为空板或暗坑），当列车通过时，这些地段的轨道下沉较大，也会产生不平顺。

　　轨道前后高低不平，即存在不平顺，危害甚大。列车通过这些地方时，冲击动力增加，使道床变形加速，从而又进一步扩大不平顺，使机车车辆对轨道的破坏力增大。所以，对轨道来说，这是一个恶性循环过程。

　　不平顺时的破坏作用与其长度成反比，而与其深度成正比。一般来说，长度在4m以下的不平顺，都会使机车车辆对轨道产生较大的破坏力，从而加速道床变形。因此，养路工区不能允许这种不平顺存在。一旦发现，应在临时补修中加以消灭。

　　长度在1～3mm范围内的不平顺，主要起因于钢轨波浪形磨耗，焊接接头低塌，或轨面擦伤等。车轮经过这些处所，会产生冲击。行车速度愈高，冲击愈大

　　经过维修或大修的轨道，要求目视平顺，前后高低差用1米弦量不超过4mm。

　　四、方向

　　方向又称轨向，是指轨道中线位置应与它的设计位置一致。但在机车车辆运行过程中，往往可使直线轨道不直，曲线轨道不圆顺。直线地段的轨道，实际上并不是一条理想的直线，而往往由许多波浪形“曲线”组合而成，这种曲线的长度大约在1～2m左右，不过一般肉眼不易看出。若直线不直，方向不良，则必然会引起列车的蛇行运动。在行驶快速列车的线路上，线路向对行车的平稳性具有特别重要的意义。

　　相对轨距来说，轨道方向往往是控制性的。只要方向偏差保持在容许范围以内，轨距变化对车辆振动的影响就不会很大。在无缝线路地段，若轨道方向不良，则到了高温季节，在一定条件下，还会引起胀轨跑道，严重威胁行车安全。

　　《修规》规定直线方向必须目视平顺，用1米弦量，误差正线不超过4mm；站线及专用线，不得超过6mm。

　　五、轨底坡

　　因为车轮踏面的主要部分作成1:2的斜坡，所以在直线上，钢轨不应竖直铺设，而要适当地向内倾斜，因此轨底与轨道平面之间就形成了一个横向坡度，称之为轨底坡。

　　如果钢轨保持竖直，车轮的压力将离开钢轨的中线而偏向道心一侧，且略向外斜，其结果将使钢轨头部磨耗不均，腰部弯曲，在轨头与轨腰连接处发生纵裂，甚至折损。

　　钢轨中轴线对垂直于轨枕顶面的法线(在直线上为竖直线)的倾斜度称为钢轨的轨底坡（也叫内倾度）。设置轨底坡的目的，是为了使车轮压力更集中于钢轨的中轴线，减少荷载的偏心距，降低轨腰应力。与此同时，还可以减少钢轨头部由于接触应力而产生塑性变形，因为在轨头中部，塑性变形的积累，要较二侧部分缓慢得多。

　　轨底坡一般与车轮踏面主要部分的斜度相同。在任何情况下，轨底坡不应大于1:12，或小于1:6。轨底坡是否正确，可从钢轨顶面上的光带位置判定。如果光带偏向内侧，说明轨底坡不足；如果偏向外侧，则说明轨底坡过大。在我国铁路上过去轨底坡规定为1:2，但在机车车辆的动力作用下轨道被弹性挤开，

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