[科普中国]-轨道更换

轨道部件更换

无柞轨道结构部件的维修与更换是两个不同层次的轨道修复方式。维修在于保养轨道各组成部分，防止病害产生或进一步发展，以保持轨道几何形位和轨面平顺为主。部件更换则是使轨道质量恢复到初始标准或达到更高标准，属于中修甚至大修范畴，两者的综合难易程度具有较大差异。
一般而言，国内外无柞轨道结构部件的维修或更换分三个阶段。第一阶段，当轨道变形较小时，可用钢轨扣件进行调整；第二阶段，轨道变形较大仅利用扣件难以调整时，可在轨道板与砂浆垫层之间灌注充填材料进行调整；第三阶段，轨道变形显著或因突发灾害事件及其他原因导致无柞轨道部件失效，严重影响运营的情况，则需要更换轨道部件，进行彻底整治。
目前，国内外对无柞轨道结构维修的研究与应用主要集中在第二阶段，我国也开展了诸多针对第二阶段工况维修的研究与应用，如抬板注浆维修法。此外，由于现场伤损形式多样，针对不同维修工况的相关计算模型和理论分析工作缺乏系统深入的研究，如CRTS I型轨道板抬高到什么程度时需要对凸台进行加高或者更换处理。
第三阶段的轨道部件更换，属于无柞轨道大修技术研究范畴，是较前瞻性的储备技术。我国无柞轨道通车里程长、环境跨度大，这是必须研究的重要课题，重点在于材料、设备和工法的研究。

理论基础与材料
无柞轨道最易伤损的薄弱结构是充填层，由于修理时间有限，抢修的充填层材料无法具备与新建铁路相同的养护时间，对此，还需从理论上演算出抢修材料在首次通车时最低的力学性能要求，据此结果来研发适宜于部件更换抢修的充填层砂浆或树脂等材料。
有研究认为无柞轨道部件更换宜采用替代现有支承方案的方法，待需要替换部位达到强度时再将替换支承取消而采用原有支承。Rheda2000无柞轨道更换方案即采用这种思路。这种思路可以保证材料有充分的硬化时间，但需要可靠的临时支护方案，甚至需要在现有轨道旁边再修一段轨道，造价较高且在桥梁和隧道地段无法实现。这种修复方案的设计和计算可以直接利用原有的轨道结构设计理论和计算方法。对于无柞轨道修复来说，仅部分材料产生破坏，轨道的主要支承条件并未发生根本改变，计算时仅考虑完好部分轨道的受力和变形对修复部分的影响，采用线弹性计算理论即可解决问题。针对保持原有支承条件的前提下进行局部更换，需要建立全新的理论模型和计算方法。与以往的无柞轨道修复计算方法不同的是，轨道的支承需要修复材料独自完成，因此在建模时应考虑材料在达到强度指标最终硬化过程中的本构关系，需要建立考虑材料非线性的理论计算模型和计算方法。

机具
无柞轨道维护的天窗时间短，对轨道部件的更换速度提出了较高要求。除各部门的协调组织要及时外，研发专业机具是实现轨道部件快速更换的关键。若主要采用人工则费时费力，如2013年10月某轨道板和底座板的更换，约160人连续花费10天，在此之前还筹备和演练了将近7个月。因此，应根据现场无柞轨道实际情况，依托自动化程度高的专业机具，研究更换方案，经实际工程验证后逐步推广。
部件更换所需机具应包括分离充填层的切割装置、轨道板快速定位装置等。另外，还需进行此类专用切割机具的设计开发，以满足我国无柞轨道部件的快速更换。

更换工法
轨道部件更换速度与质量是运输秩序与安全的重要保障，针对不同的部件，应采用不同的工艺与材料。在无柞轨道结构中，有长钢轨、道岔、轨道板和充填层四种大部件，其更换较为复杂，而且，当前并没有详细工法，处于探索阶段。
高速铁路无柞轨道长轨更换施工，是轨道结构大修中的一项主要内容。介绍了240 min内的长轨更换施工，提出研发适宜无柞轨道的换轨大修作业机具，实现机械化施工，进一步探索高速铁路运输天窗条件下无柞轨道长轨更换施工技术。
轨道板更换工艺也较为复杂，包括松开扣件，轨道板运输、精调，现场充填层快速抢修材料的制备、施工等，整个过程极为繁琐。针对CRTS II型轨道板更换，提出了两种更换流程。一种切割钢轨进行更换，另一种不切割钢轨而是从侧面推出轨道板进行更换，但CRTS I型板由于凸台限位，不能采用这种侧面推出轨道板更换的方式，因此，对于板式无柞轨道板的更换还需根据机械开发、材料研发，结合具体更换条件进行工法研究。1

技术要求工艺工艺需满足以下技术要求：
(1)安全可靠，保证结构稳定性。部件更换后不能对原结构造成影响，应以恢复原结构状态为目标，保证无作轨道结构稳定性。
(2)简单快速，便于天窗内施工。高速铁路无作轨道天窗修的作业制度决定了所有更换施工必须在夜间有限的天窗时间内完成，并保证不影响次日列车运营，因此更换工艺必须简单快速、便于施工。
(3)不影响行车。对于部分结构关键部件的更换在1个天窗时间内无法完成的，需要将整个更换工艺进行模块化设计，有效利用天窗时间逐步推进，并保证每个天窗施工后，不影响次日行车。
(4)修复效果好，耐久性好。结构部件更换的最终目标是提高结构耐久性，恢复甚至提高结构的服役寿命，这就要求更换工艺实现修复的“内实外美”，长期耐久性好。

材料材料需要满足以下技术要求：
(1)性能与原结构相当。作为一种更换材料，其基本力学性能应与被替换部件的性能相当，方能实现更换后部件与原结构良好的相容性，以及与无作轨道系统良好的匹配性。
(2)可施工性好。夜间天窗作业时间短，所使用的结构部件更换材料须有良好的施工性能，以满足快速施工的要求。
(3)固化速度快。对于部件更换材料，既要满足施工时具有较好的工作性能，又要满足施工完成后即可快速固化，具有良好的早期力学强度，满足高速列车的通过要求。

(4)与基体黏结性好。为保证更换完成后结构的整体性，部件更换材料必须与原有基体具有良好的虱结性。
(5)耐久性好。高速铁路是百年工程，更换完成后的结构部件的耐久性应满足无作轨道结构设计使用寿命的要求，具有良好的耐久性。2