鐵路運營線軌枕更換技術現狀及展望

高彥嵩 尤瑞林 李明

1.中國國家鐵路集團有限公司 科信部， 北京 100844； 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；3.中國國家鐵路集團有限公司 工電部， 北京 100844

鐵路是國家經濟發展的重要基礎設施［1］，具有運量大、速度快、能耗低等特點。鐵路線路狀態直接影響鐵路運輸安全和效率。目前國內外鐵路運營線路中主要采用有砟軌道結構，軌枕作為有砟軌道結構的關鍵部件，對線路的狀態保持具有重要作用［2-3］?；炷淋壵碛捎谄淠途眯院统休d性能優良，已成為世界主要鐵路線路的主要軌枕形式。在運營過程中，需要根據其使用狀態進行更換［4-5］。

伴隨我國鐵路運輸“提質增效”目標的確定，對線路狀態提出了更高要求，混凝土軌枕更換任務艱巨。傳統人工更換法難以滿足運營線路中混凝土軌枕大規模更換的需要，亟待采用機械化與自動化技術實現高效、精準的更換作業。機械化更換技術和裝備雖使效率和質量大幅度提高，但自動化程度與智能化水平還較低，仍有待改進［6-7］。因此，研究鐵路混凝土軌枕更換技術，加快自動化、智能化與新技術應用，對保障我國鐵路運輸安全與運營效率具有重要的實踐意義。

本文從技術特點角度研究國內鐵路運營線更換軌枕技術發展的現狀和存在的主要問題，總結人工換枕、中型機械換枕及大修列車換枕三種軌枕更換方式的施工流程，并提出中型機械換枕和大修列車換枕的發展及研究方向。

1 技術特點

目前國內鐵路運營線更換軌枕主要有三種方式：人工換枕、中型機械換枕及大修列車換枕。

1）人工換枕技術

人工換枕（圖1）是鐵路混凝土軌枕更換技術最早采用的施工方法。目前國內外在少量軌枕傷損失效而需要快速更換時，仍然會采用這種換枕技術［8-9］。人工換枕技術主要依靠大量人工和簡單工具完成。

圖1 人工換枕

2）中型機械換枕技術

國內中型機械換枕（圖2）是在既有施工機械（挖掘機）的基礎上，根據軌枕更換作業的技術特點研究出的專用機械化換枕方法。中型換枕機械主要由北京鐵路局于2015年起組織研發，隨后多個鐵路局及主機廠進行了相關研發工作。中型機械換枕主要在扒道砟、抽軌枕、換軌枕等工序中采用專用中型機械代替人工作業，實現施工機械化［10］。

圖2 中型機械換枕

3）大修列車換枕技術

國外主流的線路大修列車型號主要有奧地利Plasser＆Theurer 公司生產的SUM?Q 型、瑞士Matisa 公司生產的P95 型以及美國的Harsco Rail 公司生產的TRT?909 型［11-12］。國內2002 年起從瑞士Matisa 公司引進了P95型線路大修列車。隨后，根據國產化需求，從美國Harsco Rail 公司引進技術，在TRT?909 原型車基礎上進行了聯合設計。襄陽金鷹公司承擔了DXC?500型線路大修列車的設計開發任務［7］。2010 年，國內首臺DXC?500 型線路大修列車投入使用，之后多臺DXC?500 型線路大修列車陸續被應用。自此，大修列車換枕完全實現了作業自動化。大修列車換枕集放置新軌枕、更換軌枕和回收舊軌枕于一體，能夠實現作業后工完料凈。因而，大修列車在隧道、橋梁及多線并行地段進行換枕施工具備獨特優勢。施工現場見圖3。

圖3 大修列車換枕

人工換枕、中型機械換枕及大修列車換枕三種方式的特點對比見表1。

表1 三種換枕方式特點對比

2020—2021 年人工換枕、中型機械換枕及大修列車換枕三種軌枕更換方式的換枕數量見圖4?？芍航陙?，人工換枕量明顯減少，中型機械換枕量呈爆發式增長趨勢，大修列車換枕數量穩定。

圖4 近三年三種換枕方式換枕數量

人工換枕已無法適應現代高速和重載鐵路運營維護的要求，但在個別機械化換枕受限的情況下仍有一定需求。大修列車更換軌枕技術是一種高度集成化、自動化的技術，在隧道、橋梁和多線并行地段進行換枕作業擁有較大優勢，但大修列車施工組織復雜，需專用臨時基地，作業效率低，需要鋸切鋼軌，因而在正線施工優勢不明顯。中型機械換枕施工機械化程度大幅提升，雖然在施工的精細化和自動化方面還有待提高，但較高的施工效率和技術經濟性，使之成為當前軌枕更換的主要施工方式。

2 施工流程

2.1 人工換枕主要施工流程

1）施工準備。軌枕預卸至換枕地段，對施工作業人員進行安全培訓，施工正式開始前工機具進場。

2）拆除扣件。使用手持式螺栓扳手將需要更換軌枕的扣件進行拆除，取出軌底橡膠墊板，將拆下的舊扣件成套擺放在軌枕兩側，便于穿入新軌枕后上扣件。

3）抽出舊軌枕。將需要更換軌枕一側枕盒內道砟扒出，移動需要更換的舊軌枕至枕盒內，使舊軌枕的螺栓低于鋼軌底面，通過拖拽的方式將舊軌枕從線路外側抽出，抽出后將舊軌枕放至路肩安全限界外。

4）安裝新軌枕。舊軌枕取出后，在扒開道砟的枕盒處移動拖拽新軌枕，確保新軌枕方正，并放置到原來扣件節點位置。

5）安裝扣件。當新軌枕調整到位后，翹起軌枕一端，在承軌槽位置放置墊板，并安裝扣件緊固吊起軌枕，用同樣的方法安裝軌枕另一側的扣件。

6）回填道砟。使用扒砟工具進行扒砟回填作業，將之前枕盒內扒出的道砟向后回填至已換入的新軌枕的枕盒內。

7）復緊扣件。已更換軌枕地段人工用沖擊扳手將扣件復緊一遍。為防止扣件扭力不足，抽換軌枕后應及時用沖擊扳手將扣件復緊。

8）線路搗固。對于更換新軌枕后的區段，根據現場施工組織情況，采用小型搗固機械或大型搗固機械進行線路的搗固穩定。

9）開通線路。點畢開通前，對作業地段進行全面檢查確認具備開通條件后，按照規定速度開通線路。

10）施工后清理現場。施工后需要專門安排軌枕回收，并整理道床斷面。

2.2 中型機械換枕主要施工流程

1）施工準備。軌枕預卸至換枕地段，對施工作業人員進行安全培訓，施工正式開始前中型換枕機械（自行或采用平板車運輸）及工機具進場。

2）拆除扣件。使用手持式螺栓扳手將需要更換軌枕的扣件拆除，取出軌底橡膠墊板，將拆下的舊扣件成套擺放在軌枕兩側。拆除扣件時注意以一定間距保留適當扣件，以保證中型換枕機械運行平穩。

3）抽出舊軌枕。操作道砟挖鏟將換枕起點枕盒內道砟向后扒出，再將道砟挖鏟收起，改為軌枕夾鉗作業，操作軌枕夾鉗夾持舊軌枕前后反復移動，使舊軌枕螺栓低于鋼軌底面，隨后將舊軌枕從線路外側抽出，抽出后將舊軌枕放至路肩安全限界外。當抽出軌枕后空檔距離大于1 根軌枕的長度時，采用軌枕夾鉗夾持舊軌枕向后移動至空檔處，并使軌枕螺栓低于鋼軌底面，隨后將舊軌枕旋轉90°與鋼軌平行，從軌道中間取出舊軌枕放至路肩安全限界外。

4）安裝新軌枕。舊軌枕取出后，將已放在路肩的新軌枕用軌枕夾鉗夾持，從空檔處與鋼軌平行方向放入，使軌枕螺栓低于鋼軌底面并旋轉90°，隨后移動至換枕標記位置擺正軌枕并夾持等待安裝扣件。

5）安裝扣件。人工配合換枕機，按照鋼軌軌腰標記的位置，精調新軌枕位置，軌枕應方正。軌枕位置調整到位后，人工安裝扣件，并在枕下放入橡膠墊板，隨后緊固扣件螺栓，螺栓緊固后換枕機松開夾鉗。

6）回填道砟。用換枕機挖鏟將前方舊軌枕間道砟向后回填至已換入的新軌枕處。換枕機向前移動，重復抽換軌枕。

7）復緊扣件。已更換軌枕地段人工用沖擊扳手將扣件復緊一遍。為防止扣件扭力不足，抽換軌枕后應及時用沖擊扳手將扣件復緊。

8）線路搗固。對于更換新軌枕后的區段，根據現場施工組織情況，采用小型搗固機械或大型搗固機械進行線路的搗固穩定。

9）開通線路。點畢開通前，對作業地段進行全面檢查確認具備開通條件后，按照規定速度開通線路。

10）施工后清理現場。施工后需要專門安排軌枕回收，并整理道床斷面。

2.3 大修列車換枕主要施工流程

1）施工準備。開展大修列車換枕施工前線路障礙物等調查評估、技術交底及人員培訓、基地軌枕扣件組裝、軌枕裝車、施工車編組、測量放樁等工作。

2）人員設備進場。開展防護設置、人員機具上道、換枕地段切入和切出龍口鋸切軌準備、按隔八留一拆除扣件、施工車列對位與充風等工作，供電專業進行停電作業。

3）大修列車切入作業。施工車列充風完畢后，牽引機車與大修列車摘鉤，列車操作員操作大修列車開始切入作業。切入過程中，需先與供電單位辦理停電確認手續，然后龍門吊和軌枕車作業人員才能上車頂作業。

4）切入龍口安裝夾板。在大修列車夾鉗到達鋸軌口位置時，停止大修列車走行，地面配合人員使用夾板對切入口進行臨時固定，以便于大修列車通過切入口。一般控制大修列車過龍口速度不大于5 km/h。

5）大修列車換枕作業。切入完成后，按軌枕配置要求設置軌枕間距，采取自動循環模式控制大修列車放、換、收軌枕一體化換枕作業，并同步安放軌下墊板，回收舊扣件。同時由地面配合人員及時監測大修列車換枕后的軌頂標高和線路偏移情況，并反饋給大修列車進行調整，確保線路平縱斷面誤差滿足要求。

6）安裝扣件。大修列車通過后，進行扣件安裝和復緊。

7）大修列車切出作業。當大修列車換枕到達切出龍口位置時，大修列車操作手開始切出作業，依順序收起工作裝置，同時地面配合在切出口回填道砟，采用手動控制方式在切出口放置最后四個軌枕。

8）切出鋸軌、合龍口。大修列車切出后，用夾板對切出口進行夾緊固定，切入口插入短軌并用夾板連接。電務單位同步安排人員配合打孔、安裝連接線。

9）線路整修。對于更換新軌枕后的區段，采用大型養路機械進行搗固穩定、配砟整形。

10）開通線路。對作業地段進行全面檢查確認具備開通條件后，按照規定速度開通線路。

11）線路調整。根據施工進度情況，天窗點內需要對前期換枕地段切入口鋼軌進行焊接，并同步進行線路精測精調作業，后續還需安排無縫線路應力放散工作。

3 展望

在人工換枕、中型機械換枕和大修列車換枕三種軌枕更換技術中，人工換枕較為傳統，在技術和管理方面均較為成熟，雖然應用量逐漸減小，但在個別機械化換枕受限情況仍有一定應用需求。發展十余年的大修列車換枕技術和新興的中型機械換枕技術仍有進一步提升的空間。

3.1 中型機械換枕技術展望

1）優化施工組織技術。中型機械換枕時需提前卸軌枕、施工后回收軌枕，導致對運輸資源影響較大，需通過優化創新施工組織技術，實現一個天窗內卸、換、收一體化施工，進而提高總體施工效率，減少對運輸資源的占用。

2）提高自動化、智能化水平。目前中型機械完全依靠機械操作人員進行作業，對操作人員作業熟練度要求較高，同時也需要地面人員配合安裝扣件，需通過開展作業自動化、智能化技術研究，提高換枕過程施工效率，減少配合人員。

3）開展鋼軌、軌枕保護技術研究。中型機械換枕時扒砟板、軌枕夾鉗及軌枕等容易碰傷鋼軌，自行式履帶容易壓壞軌枕，需要開展換枕過程鋼軌及軌枕保護技術研究。

3.2 大修列車換枕技術展望

1）提升施工效率。目前，大修列車在一個210 min天窗時間內可更換長350 ～ 450 m線路的軌枕，需通過研究施工組織技術進一步提升施工效率。

2）開展相關工序作業機械化技術研究。大修列車在局部工序，如扣件的拆除、安裝等方面仍需人工參與，既導致配合人員增加，也影響施工效率，有必要開展拆除扣件、安裝扣件等工序機械化施工技術研究。

3）提高技術經濟性。目前大修列車的自身費用和使用成本較高，從而導致換枕成本相對較高，需要通過設備技術優化降低部件費用、減少維修成本，從而提升大修列車換枕施工的技術經濟性。

4 結論與建議

1）伴隨我國鐵路運輸“提質增效”目標的確定，對線路狀態提出了更高要求，混凝土軌枕更換任務艱巨。研究鐵路混凝土軌枕更換技術，加快自動化、智能化與新技術應用，對提高我國鐵路線路運營安全與運營效率，具有重要的實踐意義。

2）目前國內運營鐵路線路軌枕更換主要有人工換枕、中型機械換枕及大修列車換枕三種方式。人工換枕勞動強度大，施工質量低，已不能適應現代化換枕的需要。中型機械換枕以其機動靈活、施工效率高、成本低、無需鋸切鋼軌等特點，已成為當前國內鐵路線路軌枕更換的主要方式。大修列車換枕集成化、自動化程度高，在隧道、橋梁和多線并行地段作業具有較大優勢。

3）對于中型機械換枕，今后在施工組織、自動化、智能化、鋼軌軌枕保護和作業安全方面需要加大技術研發力度。大修列車換枕未來在施工效率、個別工序機械化、提高技術經濟性等方面仍需持續提升。