我國鐵路有砟軌道預應力混凝土軌枕的研究與發展綜述

尤瑞林，范 佳，寧迎智

(1.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； 2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室， 北京 100081； 3.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所， 北京 100081)

軌枕是有砟軌道結構中關鍵部件，其主要功能包含兩方面：一方面承受著來自鋼軌的各向荷載并傳遞于下部道床；另一方面有效保持鐵路線路的軌距、軌向等幾何形態[1]。軌枕按其材質分為木枕、 混凝土枕、 鋼枕和復合材料軌枕等[2-4]。軌枕按照支承鋼軌的方式可分為：橫向軌枕、縱向軌枕和短軌枕等。軌枕按照外觀特征可分為：整體式軌枕、雙塊式軌枕、梯子形軌枕和Y形軌枕等[5]。軌枕按其使用特征可分為普通軌枕、 橋枕、 岔枕、伸縮調節器枕等[6]。

目前鐵路線路中應用最為廣泛的軌枕為整體式混凝土軌枕，并以鋼軌橫向支承的方式最為普遍[7]?；炷淋壵淼奶攸c是強度高、剛度大、穩定性好、保持軌道幾何能力強[8]，且混凝土枕不受氣候、腐朽、蟲蛀及火災的影響，使用壽命長。目前，世界鐵路網中，每年約需5億根混凝土軌枕，除北美由于自身資源條件不同的原因仍普遍采用木枕外，混凝土已成為世界上絕大多數軌枕生產制造的首選材料[9]。

我國自1956年研制出預應力混凝土軌枕以來，目前整體式混凝土軌枕已經大量使用[5]。本文將回顧和總結我國有砟軌道混凝土軌枕研究和發展的歷史，并結合當前情況，展望混凝土軌枕的研究與發展的方向。

1 我國混凝土軌枕發展階段劃分

我國早在1910年廣九鐵路上就曾試用普通鋼筋混凝土軌枕，1921年至1926年間在杭州、上海、常州等地方線路上也試鋪過少量普通鋼筋混凝土軌枕[10]。以上僅開展的是局部普通混凝土軌枕的試鋪工作，真正意義上混凝土軌枕的研制工作則要到新中國成立后的1953年才開始。在開展大量研究工作后，我國于1956年研制出第一種預應力混凝土軌枕，1957年在北京豐臺建立第一條預應力混凝土軌枕生產線，此后預應力混凝土軌枕開始在我國逐步推廣使用[11-12]，因此，通常以1956年作為我國混凝土軌枕發展的開始年代[13]。如果按照大類型軌枕的研究與發展時段來劃分，我國混凝土軌枕的研究與發展大致可劃分為5個階段：早期研究探索階段；Ⅰ型軌枕研制和發展階段；Ⅱ型軌枕研制和發展階段；Ⅲ型軌枕研制和發展階段；Ⅳ型軌枕研制和發展階段。各個階段大致的時間段及對應的主要軌枕類型如表1所示。

表1 我國混凝土軌枕發展階段劃分

注：弦79和筋79型軌枕分別是弦69和筋69型軌枕的改進型，因此后來統一命名為J-1型和S-1型軌枕。

2 我國混凝土軌枕各階段研究與發展情況

2.1 早期混凝土軌枕發展階段

我國早期研制的混凝土軌枕主要包括1966年以前研制的弦15B型、弦Ⅱ61A型、弦61型、弦65B型等類型，這幾種類型軌枕均是整體式預應力混凝土軌枕，其主要特征是：①預應力鋼筋采用的是φ3 mm高強碳素壓波鋼絲；②未設置箍筋；③固定扣件的道釘采用預埋木螺栓的方式；④木螺栓周圍配有螺旋筋。

我國這一階段幾種類型混凝土軌枕的承載能力是按建設型機車、軸重21 t、最高速度85 km/h、鋪設密度1 840根/km設計的，軌枕的相關參數如表2所示，其中弦61型軌枕的外形尺寸如圖1所示。

由于這幾種類型軌枕屬于我國早期探索階段設計的軌枕，因此在截面尺寸、鋼筋配置、原材料性能、扣件接口設計等方面均存在不足，在現場的鋪設運營過程中逐漸暴露出各類傷損問題，因此，我國開始立項研究改進預應力混凝土軌枕結構。

表2 我國早期混凝土軌枕相關參數

圖1 弦61型軌枕外形尺寸(單位：mm)

2.2 Ⅰ型混凝土軌枕發展階段

1966年～1968年，由鐵科院和原鐵道部第三設計院開始研究新型預應力混凝土軌枕結構，直至1969年定型為“69型”軌枕。69型軌枕根據預應力主筋的不同分為“弦69”和 “筋69”兩種類型。69型軌枕采用C50混凝土，長度為2 500 mm，軌下截面高度為200 mm，中間截面高度為155 mm，軌枕設計有4個預留孔，采用硫磺錨固的方式來固定扣件的道釘。

69型軌枕對我國預應力混凝土軌枕設計具有里程碑式的意義，一方面，硫磺錨固工藝首次在軌枕中成功應用，硫磺錨固作業簡單、成本低廉、性能可靠，極大地改善了軌枕與扣件系統的連接效果，提高了軌道結構的強度、穩定性和耐久性，該項技術至今仍在我國鐵路混凝土軌枕中廣泛使用；另一方面，調質熱處理高強鋼筋首次在混凝土軌枕中作為預應力主筋采用，與最早生產的預應力鋼絲混凝土軌枕相比較，采用相對大直徑的鋼筋簡化了預應力鋼絲的編組工藝，提高了勞動生產率，此后設計的軌枕雖仍有部分型號采用細鋼絲作為預應力主筋，但已不再是主流。

69型軌枕相對于早期設計的軌枕，性能上有了很大的改進，但仍存在不足，主要表現在預留孔四周縱裂現象較多、枕中截面承載能力弱。針對該型的軌枕開展了進一步的優化設計，這就是后期定型的“79型”軌枕?！?9型”軌枕與“69型”軌枕相比，主要優化改進點包括：中間截面高度改為175 mm；軌枕內增設了箍筋；預留孔處設螺旋筋；承軌槽外側頂面由原來的斜坡改為平面[11]。

1984年，原鐵道部工務局下達“預應力混凝土軌枕統一名稱”的規定，要求以1、2、3……表示軌枕強度從低到高的等級，且將鋼弦型示為“S”，鋼筋型示為“J”。根據此規定，“弦69”型、“筋69”型、“弦79”型和“筋79”型歸并為Ⅰ型枕，這也就是后期統一命名的S-1型和J-1型軌枕。Ⅰ型枕設計的適用條件：機車軸重23 t，列車速度85 km/h；鋼軌類型50 kg/m，軌枕鋪設根數1 760根/km，軌枕中部道床掏空。Ⅰ型枕的主要性能參數如表3所示，其中筋69型軌枕的外形尺寸如圖2所示。

表3 Ⅰ型混凝土軌枕相關參數

圖2 筋69型軌枕外形尺寸(單位：mm)

2.3 Ⅱ型混凝土軌枕發展階段

Ⅱ型混凝土軌枕的研究與發展又可細分為3個子階段：第1個子階段是筋81 型(J-2型)、弦81型(S-2型)的研發階段[14]；第2個子階段是YⅡ-C、YⅡ-D、YⅡ-E、YⅡ-F型及TKG-Ⅱ等型號軌枕的研發階段；第3個子階段為新Ⅱ型軌枕研發階段[15]。

20世紀80年代，隨著鐵路運輸條件的變化，I型軌枕已不能適應線路運營條件，幾乎全部出現預留孔縱向裂紋及軌下截面正彎矩橫向裂紋，而且傷損速率明顯加劇，在正線上大量更換下道。在此背景下，我國研發了“筋81”和“絲81”型軌枕，這就是后面后期定型分別更名的“J-2型”和“S-2型”軌枕，這也就是Ⅱ型軌枕發展的第一個子階段。這一階段的Ⅱ型軌枕與Ⅰ型枕外形尺寸相同，主要區別在于：預應力鋼筋的數量有所增加，其中S-2型枕的預應力鋼筋是44根φ3 mm高強碳素壓波鋼絲，J-2型枕的預應力鋼筋是4根φ10 mm高強熱處理低合金鋼筋，鋼筋截面為圓形，表面帶螺紋；混凝土強度等級提高到C60；取消軌枕中部道砟掏空的要求，僅要求浮砟狀態。

與Ⅰ型混凝土軌枕相比，Ⅱ型混凝土軌枕的軌下斷面承載能力提高13%，枕中斷面負彎矩承載能力提高40%，改善了軌枕的現場使用效果，但隨著鐵路貨物運輸的發展，軌枕也暴露出釘孔縱裂嚴重、枕中截面承載力不足等問題[16，17]，特別是采用φ3 mm鋼絲配筋的S-2型鋼絲混凝土軌枕，因鋼絲的工藝性能欠佳，致使軌枕質量不夠穩定，傷損情況突出。在此背景下，相關設計部門對Ⅱ型軌枕開展改進和優化設計，分為YⅡ系列軌枕和TKG-Ⅱ型軌枕。其中，YⅡ系列軌枕，外形尺寸相同，只是配筋方式不同，早期分為YⅡ-C型(18φ5 mm刻痕鋼絲)、YⅡ-D型(10φ7 mm規律變形鋼筋)及YⅡ-E型(8φ7.5 mm規律變形鋼筋)3種軌枕，后期定型后統一為YⅡ-F型(8φ7 mm規律變形鋼筋)軌枕。由于鋼筋設計不合理，YⅡ-F型軌枕難以通過性能檢驗，而同期設計的TKG-Ⅱ型混凝土軌枕布筋合理，提高了Ⅱ型軌枕的使用性能，但上排鋼筋混凝土保護層略顯不足[18-19]。1999年鐵道部組織召開有關Ⅱ型軌枕設計、生產及運營情況的總結研討會，并確定由鐵科院牽頭開展新Ⅱ型鋼筋混凝土軌枕的研制，通過技術鑒定后將全面推廣，以取代前期各類Ⅱ型鋼筋混凝土軌枕[20]。

以上為Ⅱ型軌枕的研究和發展的歷程，各型Ⅱ型軌枕雖然在具體結構設計上存在差別，但總體設計條件相同，均是按照列車軸重25 t、列車設計最高速度140 km/h、鋼軌類型50 kg/m或60 kg/m、軌枕鋪設根數1 760～1 840根/km進行設計。Ⅱ型軌枕的主要性能參數如表4所示，其中，新Ⅱ型軌枕的外形尺寸如圖3所示。

基于框架語義學的二語詞匯教學方法的“核心問題是訓練學習者如何準確理解二語詞義，主張詞義解釋以框架為依據”(汪立榮，2011：52)，因材施教，對不同學習程度的學員進行不同的詞義解釋途經。對英語基礎薄弱；依賴漢語釋義的學員，充分利用漢語譯詞引導的框架進行解釋，幫助其理解；對英語基礎好的學員，通過揭示英語框架來進行詞義解釋，幫助其建立二語框架。

表4 Ⅱ型混凝土軌枕相關參數

圖3 新Ⅱ型軌枕外形尺寸(單位：mm)

2.4 Ⅲ型混凝土軌枕發展階段

Ⅲ型混凝土軌枕的研發歷程從時間上看與Ⅱ型軌枕的研發改進具有一定的重合區間，我國Ⅲ型混凝土軌枕是從1990年TK-Ⅲ型枕的研究設計開始的。TK-Ⅲ型枕是按照當時的重載運營條件進行設計，具體設計條件為：機車車輛最大軸重25 t；年通過總重大于30 Mt；設計最高速度為貨車100 km/h、客車160 km/h；鋼軌類型為60 kg/m或75 kg/m；最小曲線半徑350 m；扣件類型為Ⅰ、Ⅱ型彈條扣件(或Ⅲ型扣件)。TK-Ⅲ型枕在設計中，系統研究了提高軌枕本身承載能力，合理選用預應力鋼材，并優化選擇軌枕的外形尺寸以提高軌道穩定性等綜合措施[21]。

后來定型的用于普速鐵路的Ⅲ型枕有兩種外形：與彈條Ⅰ、Ⅱ型扣件配套的為有擋肩軌枕(Ⅲa型)，與彈條Ⅲ型扣件配套的為無擋肩軌枕(Ⅲb型)。軌枕長度有2.5 m和2.6 m兩種，適應不同的生產工藝(目前2.5 m長度的Ⅲ型軌枕基本不再生產使用[22])。Ⅲ型枕設計的截面尺寸基本上與TK-Ⅲ型一致，主要區別在于，采用流水機組工藝生產的Ⅲa和Ⅲb型枕均配置10φ7.0 mm螺旋肋鋼絲代替TK-Ⅲ型枕中的三面壓痕鋼絲。Ⅲa和Ⅲb型枕軌下和枕中截面承載能力與TK-Ⅲ型枕相當[23]。

適用于普速鐵路的Ⅲ型枕于1995年通過鐵道部技術鑒定，1997年形成標準設計圖，直至目前，Ⅲ型枕仍在全路提速干線、重載運煤專線上大量應用[24]。

2007年，為滿足混凝土軌枕在客運專線上的使用要求，Ⅲ型枕上配套扣件改用彈條V型，其螺旋道釘與軌枕的聯接采用預埋套管代替硫磺錨固，解決了硫磺錨固澆筑作業對環境的污染問題。這樣，軌枕承軌槽的硫磺錨固預留孔也相應改為預埋套管，這種軌枕后定型為Ⅲc型枕[9]。

以上為Ⅲ型軌枕的研究和發展的歷程，可以看出，從軌枕的結構設計來看，3種類型的Ⅲ型軌枕外形尺寸和配筋設計相同，主要差別在于配套扣件的接口有所不同。Ⅲ型軌枕的主要性能參數如表5所示，其中Ⅲa型軌枕的外形尺寸如圖4所示。

表5 Ⅲ型混凝土軌枕相關參數

圖4 Ⅲa型軌枕外形尺寸(單位：mm)

2.5 Ⅳ型混凝土軌枕發展階段

Ⅳ型混凝土軌枕是我國近年發展重載鐵路技術過程中研究的軌枕類型。2011年，結合山西中南部鐵路通道(瓦日線)工程建設，原鐵道部系統組織開展了30 t軸重重載鐵路相關技術的研發[25-26]。鐵科院承擔相關課題，開展重載有砟軌道結構及部件的研究設計，研發了重載Ⅳa型和Ⅳb型軌枕。Ⅳa型和Ⅳb型軌枕統稱為Ⅳ型混凝土軌枕，具體設計條件為： 列車最大軸重30 t；年通過總質量100 Mt以上；鋼軌類型60 kg/m或75 kg/m；最小曲線半徑350 m；鋪設根數1 667根/m或1 760根/km。Ⅳa型和Ⅳb型軌枕的配筋和關鍵尺寸參數相同，主要差別在于扣件接口尺寸，Ⅳa型軌枕為有擋肩結構，軌枕中設置預留孔與彈條Ⅵ型扣件相配套；Ⅳb型軌枕為無擋肩結構，軌枕中設置預埋鐵座與彈條Ⅶ型扣件相配套。

Ⅳ型軌枕長度與Ⅲ型枕相同；軌下截面高度和枕中截面分別比Ⅲ型枕高5 mm和10 mm；軌下截面底寬和Ⅲ型枕相當；枕中截面底寬比Ⅲ型枕大4 mm；質量比Ⅲ型軌枕增加約30 kg。Ⅳ型軌枕設計的軌下截面正向和枕中截面負向承載能力分別為22.57 kN·m和21.33 kN·m，與Ⅲ型枕相比，軌下截面和枕中截面的承載能力分別提高了18.5%和23.3%。另外，單根軌枕的橫向阻力Ⅳ型軌枕相對于Ⅲ型枕提高約15%[6]。

Ⅳ型軌枕已經在瓦日、朔黃及蒙華等重載鐵路中鋪設應用，其中瓦日鐵路自2014年12月正式開通以來，Ⅳ型軌枕及配套扣件經過了4年多的運營考驗，軌枕狀態良好。

另外，Ⅳ型軌枕還在美國TTCI高噸位試驗線上進行了現場試鋪和試驗，試驗段自2012年9月鋪設運行，運行車輛軸重主要為35 t左右，編組最短為40節，最長134節，通過總質量累計超過7億t，軌枕狀態穩定，軌道幾何狀態良好，進一步驗證了產品的可靠性和穩定性。Ⅳ型軌枕的主要性能參數如表6所示，其中Ⅳa型軌枕的外形尺寸如圖5所示。

表6 Ⅳ型混凝土軌枕相關參數

圖5 Ⅳa型軌枕外形尺寸(單位：mm)

3 總結與展望

混凝土軌枕是我國有砟軌道結構中重要的軌道部件，自20世紀50年代研究發展至今，積累了豐富的設計、生產制造及運營維護經驗?；炷淋壵砑夹g發展伴隨著鐵路行業的發展，不斷改進革新，從早期的探索階段到目前分別適用于250 km/h高速鐵路和30 t軸重重載鐵路的各型軌枕的研發應用，軌枕成套技術體系不斷豐富完善。通過我國混凝土軌枕的研究發展歷程的總結與回顧，對混凝土軌枕技術未來的研究與發展總結如下。

(1)混凝土軌枕在當前和可見的未來仍是我國有砟軌道中首選的結構形式。

當前軌枕采用了木材、鋼材以及相關復合材料等多種材料類型，但混凝土仍然是軌枕的首選材料?；炷敛牧檄h境適用性好、性能穩定、可塑性強、配制方法簡單，制作的構件強度和剛度可根據不同的設計條件進行調整，因此能夠適用于不同的鐵路運營條件。目前，大量的工程實踐驗證了混凝土軌枕的適用性與可靠性，作為應用廣泛的一種軌道部件，短期內還沒有其他任何一種材料能在全國乃至世界范圍內全面替代混凝土來制作軌枕。

(2)混凝土軌枕的設計將不斷融入軌道結構的整體設計中。

目前，世界各國混凝土軌枕仍主要作為一個單獨的軌道部件來進行設計，隨著鐵路技術的不斷發展進步，將來結構的整體性能將是衡量軌道技術優劣的首要指標，而不是單純去評價扣件、軌枕或道床自身。這就要求混凝土軌枕在設計的過程中要與扣件、道床乃至下部基礎統一考慮，不僅要考慮不同部件之間接口的需要，還要考慮軌道結構的強度、剛度、穩定性、耐久性、可維修性及經濟性等方面因素，開展系統設計，同時開展RAMS分析[27-28]。設計的軌枕可能不是強度最高、生產成本最低的，但需要其與配套的扣件和道床結構組合在一起以后是最適用于設計運營條件、綜合性能最優的。

(3)混凝土軌枕的技術發展未來與材料技術的發展密不可分。

由我國鐵路混凝土軌枕的發展歷程可以看出，預應力鋼絲技術的提高、硫磺錨固工藝的研發都對軌枕技術的發展提供了巨大推動作用，可以預見未來隨著其他新材料的研發和應用，混凝土軌枕技術還將不斷進步。作為混凝土軌枕的研究和設計者也應緊密關注相關材料領域的最新進展情況，將相關技術吸收引進到軌枕設計過程中。

(4)特殊運營條件仍將會對混凝土軌枕技術的進步提出更高要求。

我國混凝土軌枕現在是標準化、體系化的產品，這有利于制訂統一的生產制造、檢驗測試和養護維修標準，但對于小半徑曲線、減振特殊需求及軌道超常規調整等特殊區段，仍然需要混凝土軌枕結合其他軌道部件進行特殊設計來滿足現場的運營條件。

(5)信息化、智能化等技術的進步也將推動混凝土軌枕生產技術的革新。

隨著互聯網技術的迅猛發展，信息化和智能化等相關技術也在工程中逐步推廣應用。我國目前混凝土軌枕的生產技術總體而言，仍然相對落后，各工廠在改善產品生產質量、提高產品生產效率、加強產品檢測等方面都具有較大的提升空間，信息化、智能化技術的引入將會帶來軌枕生產技術的革新。