有砟軌道混凝土軌枕枕下彈性墊板技術研究

朱超， 張正超， 尤瑞林

（1. 蒙西華中鐵路股份有限公司，北京100073；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081）

彈性軌枕是指在混凝土軌枕底部粘貼彈性墊板而構成具有一定彈性的軌枕結構，粘貼至軌枕底部的彈性墊板稱為枕下彈性墊板（Under Sleeper Pads，USP）。既有研究成果表明，彈性軌枕可減輕下部基礎振動沖擊，使輪軌相互作用荷載在軌道結構縱向分配的范圍更廣、枕底壓力更小。同時設置枕下彈性墊板可增大枕底道砟的接觸面積，從而減緩道砟粉化，延長道床大修周期。鋪設彈性軌枕有利于后期降低養護維修工作和運營維護成本，減小軌道結構的全生命周期成本[1]。

枕下彈性墊板在歐洲鐵路應用較多，法國、瑞士、德國、奧地利等國家都針對枕下彈性墊板開展了大量研究試驗工作，日本也曾針對有砟軌道枕下彈性墊板開展了相關研究設計工作［1-2]。我國自20 世紀80年代初開始研制在混凝土枕枕下設置彈性墊板的彈性軌枕，并先后在中國鐵路沈陽局集團有限公司、中國鐵路北京局集團有限公司、中國鐵路上海局集團有限公司干線上及礦山重載專用線鋼軌接頭部位進行了試鋪試驗。在此基礎上，于1995年制定了TB/T 2629—1995《鐵路混凝土軌枕枕下彈性墊板》標準［3]。2001年前后，考慮鐵路提速發展需求，相關鐵路局集團公司與高校及廠家合作研發了Ⅲ型軌枕用枕下彈性墊板［4-5]。2011年，我國開展研究30 t軸重成套軌道技術方案［6]，結合原中國鐵路總公司相關科研課題以及朔黃鐵路基礎設施的強化改造課題，中國鐵道科學研究院集團有限公司開展了重載鐵路枕下彈性墊板的研究和設計工作［1]。

目前，我國枕下彈性墊板的相關研究主要是基于室內試驗和有限的現場試驗段得出的，對枕下彈性墊板系統深入研究仍有欠缺。詳細總結分析國內外常用的枕下彈性墊板技術方案，闡述不同技術方案的優點與不足，通過對國內外枕下彈性墊板技術方案的總結分析，為我國枕下彈性墊板技術的深化研究提供參考。

1 國外枕下彈性墊板方案

1.1 奧地利Getzner公司

奧地利Getzner 公司生產的枕下彈性墊板見圖1。彈性墊板采用聚氨酯材料，墊層表面設置彈性絲網結構，混凝土軌枕在生產制作過程中，通過絲網與混凝土粘接來固定墊層［7-8]。這種彈性墊板主要優點有：（1）與混凝土軌枕連接方便快捷；（2）分布式粘接結構，粘接強度高；（3）枕下彈性墊板采用專門的生產工藝，生產方便。彈性墊板存在的不足有：彈性墊板與道砟接觸面光滑，摩擦力小，導致軌枕的橫向阻力降低。

圖1 Getzner枕下彈性墊板

Getzner 公司的枕下彈性墊板在國內外鐵路均有應用，使用最長時間超過20年，根據該公司提供的資料，全球已經鋪設超過500多萬根彈性軌枕（超過3000 km的軌道長度）和1500多組彈性道岔［9]。Getzner彈性墊板在我國大秦線、石太線等鐵路中也曾鋪設試驗段開展研究工作。

1.2 法國Fimor公司

法國Fimor 公司生產的枕下彈性墊板見圖2。彈性墊板采用聚氨酯材料，墊層表面設置鉚釘結構［10]，混凝土軌枕在生產制作過程中，通過鉚釘嵌入混凝土中來保證彈性墊板與混凝土軌枕的粘接性能。這種彈性墊板主要優點有：（1）與混凝土軌枕連接方便快捷；（2）與軌枕的粘接強度高；（3）枕下彈性墊板平整度高。存在的不足有：（1）彈性墊板與道砟接觸面光滑，摩擦力小，導致軌枕的橫向阻力降低；（2）彈性墊板設置鉚釘結構，生產制造工藝復雜。

圖2 Fimor枕下彈性墊板

1.3 法國Sateba公司

法國Sateba公司研發的PRA型枕下彈性墊板見圖3。彈性墊板由聚氨酯彈性層和碎石粘接形成，在混凝土軌枕生產過程中，碎石嵌入未凝固的混凝土后，彈性墊板與混凝土軌枕形成一體化結構。

PRA 型彈性墊板的設計理念與Getzner 產品類似，都是彈性層復合一種連接結構在混凝土軌枕生產過程中進行粘接。2種產品不同在于，前者通過碎石與混凝土軌枕連接，而后者通過彈性絲網與混凝土軌枕連接。根據Sateba公司介紹，PRA型枕下彈性墊板在法國的高鐵和普通線路中均有應用，鋪設根數超過2萬根。

1.4 英國Pandrol公司

英國Pandrol 公司作為全球頂級扣件生產廠家，也研發了枕下彈性墊板產品。其彈性墊板材料采用樹脂橡膠，墊板頂面帶有微纖絲結構，在混凝土軌枕生產過程中，微纖絲結構與混凝土粘接。另外，在彈性墊板與道砟接觸面設置凹凸紋理結構（見圖4）。這種彈性墊板主要優點有：（1）與混凝土軌枕連接方便快捷；（2）分布式粘接結構，粘接強度高；（3）與道砟接觸面設置紋理結構，可在一定程度上增大摩擦力。存在的不足：紋理結構增加摩擦力有限，導致軌枕的橫向阻力偏低。

圖3 PRA型枕下彈性墊板

圖4 Pandrol型枕下彈性墊板

1.5 西班牙V Systems公司

V Systems 公司主要開展改善軌道結構性能的相關研究工作，該公司針對有砟軌道混凝土軌枕開發了V FIT 型枕下彈性墊板（見圖5）。V FIT 型枕下彈性墊板可用于整體式混凝土軌枕，也可用于雙塊式軌枕，其主要技術特點是在成品軌枕的底面直接澆筑聚氨酯材料，聚氨酯材料凝固后形成彈性墊板。

這種彈性墊板主要優點有：在軌枕底面直接澆筑成形，形狀和面積易于控制。彈性墊板存在的不足有：（1）需軌枕成形后二次施工，工藝相對復雜；（2）粘接強度受所用材料的粘性制約；（3）形成的聚氨酯彈性層厚度均勻性難保證。

圖5 V FIT型枕下彈性墊板

1.6 日本新干線

日本新干線高架橋上有砟軌道為減少養護維修工作量和降低振動噪聲，從20 世紀70年代開始研制、試鋪枕下彈性墊板，經歷了由初始型—標準型—實用型—廉價型枕下彈性墊板的試鋪試驗過程，取得了良好效果。新干線初始型枕下彈性墊板是在既有3T 型混凝土枕的底面和側面覆置彈性橡膠層。標準型枕下彈性墊板以4H 型PC 枕為基礎改進制作。實用型枕下彈性墊板是以4T 型PC 枕為基礎改進制作（見圖6）。近年來，為降低新造枕下彈性墊板的造價和推進既有PC枕的彈性化，開發了只在軌枕底面粘接彈性橡膠墊板的廉價型枕下彈性墊板［5，11]。

日本枕下彈性墊板經過多年的研究和發展，期間采用了不同的結構形式?？傮w來看，日本的枕下彈性墊板以橡膠材料為主，與混凝土軌枕的連接方式為包裹粘接或直接粘接為主。

圖6 日本新干線實用型枕下彈性墊板

2 我國枕下彈性墊板方案

2.1 TDZ Ⅲ型復合枕下彈性墊板

2006年青島泰達軌道墊板有限公司聯合中國鐵路濟南局集團有限公司，研制開發了對應Ⅲ型枕的TDZ Ⅲ型復合枕下彈性墊板［4，12]（見圖7）。該型彈性墊板主要技術特點為：枕下墊板由上層減振膠和下層承壓膠復合而成，上層減振膠帶有若干溝槽與混凝土枕底面粘接，下層承壓膠與道砟接觸底面內深約1 mm 處復合一層骨架綿綸布，以增強抗穿刺能力。枕下墊板與道砟接觸的底面進行特形設計，以保證彈性軌枕的縱、橫向阻力。枕下彈性墊板與混凝土枕除了使用膠粘劑粘接外，還使用錨桿錨結。

圖7 TDZ Ⅲ型枕下彈性墊板

這種彈性墊板主要優點有：（1）與道砟接觸面采用不同類型的凸臺結構設計，增加了與道床的摩擦力；（2）下層與道砟接觸承壓橡膠層內置綿綸布，因此墊層的抗穿刺力強、耐磨性好；（3）與混凝土軌枕粘接的彈性橡膠層表面采用溝槽形狀設計，一定程度上利于提高兩者間粘接性能。彈性墊板存在的不足有：（1）主要采用粘接和錨固的方式連接彈性墊板與混凝土軌枕，因此生產工藝較為復雜；（2）枕下彈性墊板采用雙層復合結構，成本較高。

2.2 高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板

西南交通大學針對高速鐵路運營條件研究設計了高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板［11]（見圖8）。該類枕下彈性墊板的主要技術特征是：軌枕生產過程中，在軌下的枕底位置設置凹槽結構；軌枕養護完成后，對枕底凹槽結構進行打磨處理，然后粘接彈性墊板。

圖8 高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板

高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板的主要優點有：（1）與混凝土軌枕粘接表面采用溝槽形狀設計，一定程度上利于與混凝土枕底面粘接；（2）與道砟接觸面采用波浪形凹槽設計，一定程度增加了與道床的摩擦阻力。枕下彈性墊板存在的不足有：（1）紋理結構增加摩擦力有限，導致軌枕的橫向阻力偏低；（2）與混凝土軌枕粘接工藝復雜，粘接效果難以保證。

2.3 重載枕下彈性墊板

圖9 重載枕下彈性墊板結構

2011年，我國開展研究軸重30 t 成套軌道技術方案，中國鐵道科學研究院集團有限公司開展了重載鐵路彈性軌枕的研究和設計工作。重載枕下彈性墊板（見圖9）由混凝土軌枕和枕下彈性墊板通過粘接劑粘接成為一體，枕下彈性墊板形狀為矩形，主要尺寸為1000 mm（長）×240 mm（寬）×15 mm（厚）。為提高枕下墊板在列車荷載作用下的耐久性，在墊板與道砟接觸面設置耐穿刺和耐磨損材料，同時在墊板與道砟接觸面設計凹凸槽來提高枕下彈性墊板底面與道床之間的摩擦阻力，從而保證軌道結構的橫向穩定性。在墊板與軌枕粘接面設計有一定粗糙度，進一步提高墊板與軌枕底面的粘接性能。該彈性軌枕在我國山西中南部鐵路通道內鋪設試用［2]。

高速鐵路Ⅲ型枕下彈性墊板的主要優點有：（1）彈性墊板內采用耐穿刺和耐磨損性能的材料；（2）與道砟接觸面采用凹槽設計，一定程度增加了與道床的摩擦阻力。枕下彈性墊板存在的不足有：（1）凹槽增加摩擦力有限，導致軌枕的橫向阻力偏低；（2）與混凝土軌枕粘接工藝復雜，粘接效果難以保證。

3 技術特點對比

基于對國內外枕下彈性墊板的總結分析，從彈性墊板的粘接方式、彈性軌枕成形工藝等不同方面，國內外典型枕下彈性墊板技術特點對比見表1。

表1 國內外典型枕下彈性墊板技術特點對比

4 結論與建議

通過以上對比分析，可以看出：

（1）國內外不同類型枕下彈性墊板的設計理念不同，技術特點各不相同?？傮w來看，枕下彈性墊板與混凝土軌枕主要通過軌枕成形后粘接、錨固或軌枕生產過程中自粘接方式連接成為一體，而軌枕成形后的粘接、錨固作業，需對軌枕進行二次施作，工序相對復雜。

（2）目前國外產品更加注重在混凝土軌枕生產過程中直接連接枕下墊板，從而減少作業工序和生產成本，尤其是減少人工成本，而我國前期相關產品對此關注不夠，未開展相關設計。

（3）彈性墊板與道砟接觸底表面總體上可分為光滑面和粗糙面2種類型，后者對于提高軌枕與有砟道床之間的阻力更為有利。

（4）彈性墊板與軌枕連接面的形式主要跟彈性墊板與軌枕連接方式有關，若彈性墊板自身設計了連接體，將方便彈性墊板與軌枕連接。

基于國內外枕下彈性墊板的技術特點分析，對我國枕下彈性墊板技術的深化研究提出以下建議：

（1）枕下彈性墊板在設計過程中要綜合考慮產品性能和生產制造方面等因素，在保證枕下彈性墊板性能的前提下，盡可能便于生產制造。

（2）枕下彈性墊板的主要優勢在于改善軌道剛度、減少道床應力、減輕道床及下部基礎的沖擊效應，因此在枕下彈性墊板結構設計時，要重點考慮合理剛度的設置。

（3）枕下彈性墊板的設計過程中，要考慮有砟軌道散粒體道床的結構特點，考慮枕下彈性墊板對道床阻力的影響以及在道砟支承條件下受力特點，確保彈性軌枕強度、穩定性和耐久性滿足軌道結構的總體要求。