第二章 文獻回顧
2.4 軌道之不穩定與穩定因素
夏季軌溫升高時,由鋼軌溫度壓力與軌道變形之發展過程可知,
誘發軌道失去穩定的因素有二(臺鐵局,2002):
一、 為鋼軌溫度壓力,它是軌道結構失去穩定的主要因素。
二、 是軌道原始不平順(原始彎曲),它是降低軌道抵抗軌道挫屈的能 力。
保持軌道穩定的因素有二:
一、 是道碴橫(縱)向阻力。
二、 是軌框剛度。
鋼軌溫度壓力長焊鋼軌鋪定後,隨著軌溫的升高,溫度壓力增 加,但由於道碴橫(縱)向阻力與軌框剛度作用,使軌道保持著原來 的狀態。一旦軌溫繼續升高,壓力增大,軌道就可能在一些原始彎曲 大或道碴橫(縱)向阻力的薄弱環節出現較大的彎曲變形。一旦溫度 壓力增加到某一臨界值,軌溫在稍高或稍有外界干擾,彎曲變形就將 突然增大,失去穩定進而產生軌道挫曲。
軌道原始不平順是由彈性初彎與塑性初彎所組成。彈性初彎是在 外力作用下(如撥道、列車作用及溫度力等)產生的,一旦外力撒去,
也就消失。一般而言,鋼軌剛度愈大,原始彎曲變形愈小;塑性初彎 包括焊接不平順,及軋鋼、運輸時碰撞的死彎。路線方向允許 10m 弦量矢度不超過 4mm 的彎曲等。這些原始的微小彎曲對長焊鋼軌路 線的穩定性影響很大。
2.4.2 軌道穩定因素
有道碴阻力、軌框剛度等兩因素:
一、道碴阻力
道碴粒徑在2.3 至 6.3 cm,可以一般的土工機械(如道碴整 形機)進行舖設與夯實。為改善一般傳統軌道的缺失,在需要道 碴加厚的曲線路段上進行道碴層固結的處理可防止軌道變形與 破壞。
道碴的阻力有橫向、縱向,其目的乃在支承及限制軌框的 移動,同時可使雨水易於排出。良好的排水是養護良好軌道的首 要條件,乾淨的石碴可使雨水順利排出。如石碴充滿污泥會積存 水份。一旦底層道碴或路基之土壤含水量達飽和程度,極易產生 超額孔水壓降低道床承載力進而在承受車輛載重下變形,因此,
軌道的方向與水平會極速地惡化。過多的石碴會阻礙排水,亦會 妨礙軌道檢查,但如石碴不足,尤其是曲線外軌側石碴不足,更 是造成軌道挫曲的主要因素。
Evans(1993)指出,良好道碴應具備:
能提供支持承受軌道縱向及橫向壓力作用下所產生的垂直 彈性變形。並提供軌道其它構成組件在承受壓力作用時一定程度 的回彈能力及彈性伸縮。均勻分配載重到軌道的其它構造層,允 許軌道平面的微變形適應及作必要的軌面調整。
Shenton(1993)針對路基及道碴的設計要求,也提出以下各點:
(一)減少良好路基產生偏斜現象,避免道碴因此產生形狀受損 的大變形。
(二)在堅硬的道碴上提供足夠且適當的伸縮彈性,以減少高動 力、高密度的載重作用。
(三)預防路盤層(即次道碴層)受磨耗形成細粉狀,進而在道 碴中形成唧筒作用,產生噴泥現象。
(四)預防路盤層承受過量的載重和移動,以避免軌道因此產生 大的偏移現象。
(五)將因外在及列車通過對道碴的污染,軌道的環境及損傷影 響減至最小。
(六)儘量使新的土方填築工程及新填築部分與舊有鄰接結構的 差異性,減至最小。
(七)提供各斷面鄰接區域良好快速的排水效果,避免路盤層及 路基層因浸水過久而產生軟化下沉,導致路線變形。
二、目前臺鐵引用長焊鋼軌區間道碴相關規定如下:
(一)道碴道床應具有如表 2-7 規定之道碴橫向阻力,舖設前應 先以道碴阻力測定器作抽樣試驗。
(二)半徑300m 以上未滿 600m 之曲線,為確保道碴橫向阻力,
外軌側之道碴間寬應保持在 600mm 以上,並加高道碴 150mm 以上;內軌側之道碴肩寬應為 400mm 以上,加高 道碴為50mm 以上。如軌道構造無法達到前述條件,得加 設挫屈防止鈑,以補道碴肩寬之不足。
(三)半徑600m 以上之曲線,應視道碴橫向阻力是否達到表 2-7 長焊鋼軌區間道碴橫向阻力表之規定,而酌予加寬及加高 曲線內軌側與外軌側之道碴,以及加設挫屈防止鈑。
(四)道碴橫向阻力:如表2-7,其說明如下。
1. 無道碴軌道與道碴軌道銜接處之界面路段道碴橫向阻力應 達到600Kg/m 以上。
2. 道碴橫向阻力一般以軌道單側每㎏/m 表示,其測量方法,係 使用「道碴阻力測定器」將道床中之PC 枕 1 根向軌道外方 抽拉,然後視壓力計達最大值時,記錄其道碴阻力,再將該
道碴阻力值換算為軌道單側每㎏/m 之道碴橫向阻力值。
道碴橫向阻力之計算例如下(如圖2-11):
25 公尺長之鋼軌,枕木配置 44 根,抽拉 PC 枕 1 根時之阻 力為500 ㎏,則
500 ㎏ ×1/2 = 250 ㎏ --- 軌道單側阻力 44 根 ÷25 m = 1.76 根/m
250 × 1.76 = 440 ㎏/m --- 道碴橫向阻力(軌道單側每㎏
/m)
即道碴橫向阻力為440 ㎏/m
道碴縱向阻力之計算例如下(如圖2-12):
25 公尺長之鋼軌,枕木配置 44 根,抽拉 PC 枕 1 根時之阻 力為800 ㎏,則
800 ㎏ ×1/2 = 400 ㎏ --- 軌道單側阻力 44 根 ÷25 m = 1.76 根/m
400 × 1.76 = 704 ㎏/m --- 道碴縱向阻力(軌道單側每㎏
/m)
即道碴縱向阻力為704 kg/m 道碴肩部標準表:如表 2-8。
三、軌框剛度
軌框剛度是影響軌道挫屈之重要因素,鋼軌扣件扣不緊,
將產生不均勻軸壓分布,降低軌框剛度。因此除了鋼軌種類之 外,確保扣件的扣緊力,也是提高軌框剛度的有效方法。