2.3　轨枕

轨枕是轨下基础的部件之一，它的功能是支撑钢轨，保持轨距和方向，并将钢轨对它作用的各向压力传递到道床上。因此，轨枕必须具有坚固性、弹性和耐久性。

轨枕依其构造及铺设方法可分力横向轨枕、纵向轨枕及短枕等。横向轨枕与钢轨垂直间隔铺设，是一种最常用的轨枕。纵向轨枕一般仅用于特殊需要的地段。短枕是在左右两股钢轨下分开铺设的轨枕，常用于混凝土整体道床。

轨枕按其使用目的分为用于一般区间的普通轨枕，用于道岔上的岔枕，用于无砟桥梁上的桥枕。

轨枕按其材质分主要有木枕、混凝土枕和钢枕等。混凝土枕由于料源充分、轨道结构稳定、弹性均匀，是目前城市轨道交通的首选轨枕类型。虽然近年来世界经济的发展，对木材的需求量增大，造成木材资源缺乏，但北美一些国家的森林资源仍相当丰富，所以这些国家的普速铁路仍以木枕为主。钢枕的使用范围更小，只是在欧洲一些工业发达的国家和一些特殊地区使用。

2.3.1　木枕

木枕是指用木材制成的轨枕，又称为枕木，其自铁路发明以来至今仍在广泛使用的一种轨枕，如图2-19所示。在铁路发明的初期，由于当时经济的发展和技术水平都处于较低水平，但木材资源丰富，所以铁路轨枕都使用木枕。到目前为止，北美国家铁路仍然以使用木枕为主。木枕有一些缺点，如易腐烂，轨道稳定性差，弹性不均匀等。

木枕也分普通木枕、岔枕和桥枕。我国铁路的普通木枕长为2.5m，有160mm（高）×220mm（宽）和145mm（高）×200mm（宽）两种规格。在不同的道岔部位，岔枕长度也不一样，最短为2.6m，最长为4.85m，级差为0.15m，岔枕截面为160mm（高）×240mm（宽）。桥枕的截面高度为220～300mm，宽度为200～240mm。

木枕的使用寿命短，其失效原因很多，主要有腐朽、机械磨损和开裂。木枕腐朽是生物作用的过程，而机械磨损和开裂则是列车反复作用和时干时湿的结果，这三者是互为因果的。木枕一旦腐朽，强度就要降低，同时又会加剧机械磨损和开裂的发展。相反，木枕一旦出现机械磨损和开裂，木质受到损伤，就为加速腐朽提供了有利条件。为延长木枕使用寿命，应对这三者进行综合治理。

木枕的防腐处理是延长其使用寿命的最有效措施。木枕常用的防腐剂有水溶性防腐剂和油类防腐剂两类，其中以油类防腐剂为主要类型，木枕防腐处理按规定的工艺流程，在一个密封蒸制罐中进行。

2.3.2　混凝土枕

1.混凝土枕的特点及类型

混凝土枕由于其自重远大于木枕，且与道砟之间有较高的摩阻力，所以，混凝土枕可以给轨道提供更大的纵、横向阻力。由于混凝土枕不怕虫蛀、腐烂，自然因素对混凝土枕的损害较小，所以混凝土枕具有较长的使用寿命。由于混凝土枕有较大的自重，轨道结构较木枕线路稳定，在列车荷载作用下线路的变形小，所以相应的维修工作量少。由于混凝土制品厂生产的轨枕形状、尺寸、性能都比较标准、均一，为钢轨支承的均匀性和轨面的动态平顺性提供了更可靠的条件。用混凝土枕代替木枕已成为轨枕发展的主要方向。同时也存在列车通过不平顺的混凝土枕线路时，轨道附加动力增大，故对轨下部件的弹性提出了更高的要求，以提高线路减振能力。

混凝土枕按配筋方式分有普通钢筋混凝土枕和预应力混凝土枕两大类。普通钢筋混凝土枕抗弯能力很差，容易开裂失效。预应力混凝土枕，在轨枕制造时给混凝土施加一定的预压应力，因而具有抗裂性能好、用钢量少的优点。我国主要采用整体式预应力混凝土枕，简称混凝土枕（PC枕）。

按照施工方法不同分为先张法和后张法预应力混凝土枕两类，配筋材料为钢丝或钢筋。我国主要采用先张法预应力混凝土枕。

混凝土枕的结构形式有整体式、组合式和短枕式三种，如图2-20所示。

我国铁路的混凝土枕自20世纪50年代开始开发研究、制造、使用以来，目前各大铁路干线都使用混凝土枕。Ⅰ型混凝土枕是在1980年以前制造，目前已停止生产，在一级干线上也不得使用；Ⅱ型混凝土枕目前使用得较为广泛，主要用于一般客货共线的既有干线铁路和城市轨道交通线路，其典型结构如图2-21所示。Ⅲ型混凝土枕是近些年开发研制，主要用于速度在140～160km/h，轴重为25t的提速重载线路。

2.混凝土枕外形及尺寸

混凝土枕截面力梯形，上窄下宽。梯形截面可以节省混凝土用量，减少自重，也便于脱模，如图2-21所示。

轨枕顶面宽度应结合轨枕抗弯强度、钢轨支承面积、轨下衬垫宽度、中间扣件尺寸等因素进行综合考虑加以确定。轨枕顶面支撑钢轨的部分称为承轨槽，做成1∶40的斜面，以适应轨底坡的要求。轨枕底面在纵向采用两侧为梯形，中间为矩形的形状，两端有较大的道床支撑面积，以提高轨枕在道床上的横向阻力。轨枕底面宽度应同时满足减少道床压力和便于捣固两方面的要求。底面上一般还做出各种花纹或凹槽以增加轨枕与道床间的摩阻力。

轨枕长度与轨枕受力状态有关。一般在2.3～2.7m之间，我国Ⅰ、Ⅱ型混凝土枕长度均为2.5m。

混凝土枕的高度在其全长是不一致的，轨下部分高些，中间部分矮些。我国三种类型混凝土枕的主要设计参数见表2-2。

在隧道内的整体道床一般采用预应力钢筋混凝土长枕，适用于DT-Ⅲ型扣件地段。有挡肩式长枕如图2-22所示，无挡肩式长枕如图2-23所示。长枕主筋采用4根直径10mm，冷拉2级螺纹钢筋。混凝土枕的混凝土强度等级为C50，采用不低于325号快硬硅酸盐水泥，其技术标准应符合GB 199-79的规定，或采用525号普通硅酸盐水泥，其技术标准应符合GB 175-77的规定。粗骨料宜采用碎石或卵碎石，细骨料宜采用硬质天然砂。玻璃钢套管垂直于承轨槽面，并高出4mm，混凝土枕制造时采用金属整体式模型，混凝土枕底面菱角作成20mm×10mm的折角。混凝土枕各部分尺寸应满足精度要求，承轨槽挡肩坡度为60°（允许误差0.5°），承轨槽表面凹凸不大于1mm。

世界大多数国家都采用整体式混凝土枕，图2-24是整体式混凝土枕轨道，但法国采用双块式混凝土枕。法国的双块式混凝土枕线路如图2-25所示。

奥地利联邦铁路还开发了新型的框架式混凝土枕，如图2-26所示。铺设轨道时，轨枕与轨枕靠在一起，并在框架中部填满道砟，这样大大提高了轨道的稳定性，降低了道床顶面应力，延长了轨道的维修养护周期。

日本近几年开发了梯子式轨道，类似于纵向混凝土枕，主要是用于重载铁路，如图2-27所示。通过美国FAST试验中心的试验表明，该轨道结构的线路稳定，维修养护工作量少，这种轨道结构的混凝土和钢材的用量与普通混凝土枕线路基本相同，所以梯子式轨道结构具有良好的发展前景。

我国铁路规定，桥上轨道需要安装护轨。近几年来，我国开发了有砟桥面上混凝土枕，所以在工作轨内侧有安装护轨的螺栓孔，桥枕的长度一致，中间部分不向下凹，桥枕如图2-28所示。

岔枕与桥枕不同，在道岔的不同部位，岔枕的长度不一样，最短与区间线路的轨枕长度相同，最长为4.9m。岔枕上需要安装四根工作轨，在不同的道岔部位，工作轨在岔枕上的位置也不一样。列车直向通过时，两根工作轨受力，当列车侧向通过时，则另两根工作轨受力，所以岔枕的受力条件更加复杂。岔枕如图2-29所示。

2.3.3　轨枕间距

轨枕间距也是轨道设计中的重要参数之一。轨枕间距大小与每公里铺设的轨枕数有关，而每公里铺设轨枕数与列车速度、机车车辆轴重、列车速度及钢轨、轨枕类型有关。我国铁路每公里轨枕数最少是1520根，一般是在一些次要线路和站场线路上，以后各级为每公里增加轨枕80根，即每公里1600根、1680根、1760根、1840根，最多是每公里1920根。每公里轨枕数越多，轨枕间距越密，超过每公里1920根轨枕，则在线路维修养护捣固时就会发生困难。我国使用最多的是每公里1680根、1760根和1840根三种轨枕间距，即每根25m长钢轨的轨枕数分别为42根，44根和46根。一般在钢轨接头处的轨枕间距稍小，靠近接头一孔的轨枕间距次之，其余的轨枕间距一样。近年来铺设跨区间无缝线路，不考虑每25m钢轨长度的轨枕数，而且Ⅲ型混凝土枕的强度较高，所以统一采用轨枕间距0.6m，也即每公里轨枕数为1667根。

2.3.4　轨枕常见病害及换枕作业

1.混凝土枕伤损的主要形态

轨下截面出现过大的横向裂缝，如图2-30所示。混凝土枕是一个承受不稳定重复荷载的构件，荷载的变化带有随机的性质。混凝土枕在使用期内轨下截面有可能出现大于该截面抗裂强度的荷载弯矩，在这种情况下就产生了横向裂缝。一般来说，这种裂缝较小，不致引起轨枕的失效。但在某些情况下，轨下截面的荷载弯矩远远大于轨枕的抗裂强度，就会出现过大的横向裂缝，导致轨枕失效。

轨下截面压溃，如图2-31所示。轨枕轨下部分由于橡胶垫板损坏或窜出，使钢轨直接作用于承轨槽，引起轨下部分混凝土压溃。有些轨枕由于轨下截面横向裂缝过大，混凝土受压区产生过大的压应力使混凝土压溃。

轨枕中间部分出现过大的横向裂缝，如图2-32所示。轨枕中间部分出现的裂缝包括中间上部裂缝和下部裂缝两种轨枕中间上部出现裂缝，是由于轨枕中部产生较大的负弯矩所致；轨枕中间下部出现裂缝，是由于中部产生较大的正弯矩所致。通过调查得知，因轨枕中部出现过大的横向裂缝而失效的轨枕多于因轨下截面出现横向裂缝而失效的轨枕，因轨枕中间下部出现过大横向裂缝而失效的轨枕多于因轨枕中间上部出现横向裂缝而失效的轨枕。

轨枕中间部分压溃。轨枕中间部分由于受了过大的正弯矩，不仅使轨枕中间部分的下部产生过大的裂缝，而且还引起截面受压区的过大压应力，致使混凝土压溃，这种情况一般发生在钢轨接头，如图2-33所示。有些轨枕由于中间部分承受了过大的负弯矩，不但引起中间部分的上部裂缝，而且还使中间截面下部受到过大的压应力以致压溃，甚至出现钢筋外露，如图2-34所示。

轨枕纵向裂缝如图2-35和图2-36所示。轨枕沿长轴线方向的裂缝统称纵向裂缝。纵向裂缝一般有端头裂缝、端部上表面裂缝、侧面水平纵向裂缝、钉孔纵裂、贯通纵裂等，纵向裂缝较多的部分是沿螺栓孔的两侧或应力钢筋处发生，并向端头及中部发展。这种裂缝的出现，将严重地影响轨枕的使用寿命。

轨枕的龟裂如图2-37所示。龟裂是轨枕表面纵横交错的细小裂纹，一般多发生在轨枕端部及中部顶面和侧面处。龟裂对轨枕的使用寿命影响也很大。

轨枕中间部分斜裂及扭伤如图2-38所示。轨枕中间部分斜裂扭伤是指沿对角方向的破损。线路维修工作中的捣固作业，因在轨枕两侧进行对角捣固，过车时容易使轨枕中间部分产生斜裂或扭伤。据调查统计，因线路维修养护不当使轨枕中部扭断、折断的轨枕在伤损轨枕总数中占有一定的比例。

轨枕挡肩破损如图2-39所示。轨枕挡肩承受由扣件传来的水平推力而产生破损，特别在小半径曲线上这种现象十分普遍，有的采用加宽铁座仍不能解决问题，据统计，在半径为400m的曲线上，挡肩破损高达70％。另外，由于垫片损坏或在轨枕制造过程中挡肩部分的缺陷也可能造成挡肩破损。

轨枕的腐蚀。在长期放水地段和车辆装载有害介质散落在轨枕上，都会造成轨枕的腐蚀，轻者混凝土表面出现麻点、脱层等现象，重者钢筋锈蚀，并逐渐向里延伸。

轨枕底边掉块。手工捣固冲击轨枕底边使混凝土掉块，严重时掉块面积可多达100cm2，其结果是轨枕受力状况恶化，容易出现应力集中而造成其他各种伤损，并且削弱了轨道的稳定性。

2.混凝土枕伤损的原因

造成混凝土枕伤损的主要原因集中在制造质量、养护维修作业和轨枕结构三个方面。

制造质量。在混凝土枕各类损伤中，纵向裂缝对行车安全危害最大，而且一经发生，发展极为迅速，严重者贯通轨枕全长，造成劈裂和龟裂，混凝土疏松、剥落，对轨枕承载能力、保持轨道状态能力和使用寿命危害很大，这类损伤一般都是由于制造质量不良引起的。

养护维修作业。混凝土枕断面和配筋的设计都是在一定受力条件的前提下进行的，而混凝土上轨枕截面实际承受的荷载弯矩与线路养护维修作业有密切关系。在养护维修作业中，如果使轨枕受力状态发生了变化，就可能出现轨枕断面荷载弯矩大于轨枕抗裂强度的现象，以致产生轨枕伤损。养护维修作业对轨枕伤损的影响主要表现在以下几个方面：捣固作业、轨下垫层及绝缘缓冲垫片损坏没有及时更换、没有及时整治道床病害、接头养护不良、没有及时消灭轨面不平顺。

轨枕结构。为了解混凝土枕的使用情况，进而采取措施提高轨枕结构的可靠性，多年来，有关单位曾多次组织较大规模的现场调查。历次调查的资料表明，现有轨枕按50年使用寿命的要求，并考虑可能出现的非正常运营条件，轨枕结构强度必须适当提高。

3.换枕作业

单根更换木枕。线路上铺设的木枕达到《修规》规定的失效标准，有计划地更换失效的或其他需要更换的木枕。作业程序：预钻道钉孔和捆头→散布木枕→拆除防爬设备→扒砟→起钉→抽出旧枕→穿入新枕→回填道砟→捣固→回填整理→回检验收。抽换木枕作业如图2-40所示。

单根更换混凝土枕。线路上铺设的混凝土枕达到《修规》规定的失效标准，应有计划地更换失效的或其他需要更换的混凝土枕。作业程序：散布轨枕→拆除防爬设备和轨距杆→扒道床→卸下扣件→抽出旧轨枕→整平枕底道床→穿入新轨枕→安装扣件→捣固→安装防爬设备和轨距杆→回检找细→整理料具。