国台湾海洋大学河海工程学系九十四学硕士在职专班研究...

國立臺灣海洋大學河海工程學系九十四學年度碩士在職專班研究成果發表會-1-鐵路小半徑軌道長軌化之探討（以宜蘭線蘇新至蘇澳間為例）徐仁財1交通部台灣鐵路管理局正工程司兼台東工務段長張固宇國立台灣海洋大學河海工程學系教授陳俶季國立台灣海洋大學河海工程學系教授摘要一般而言於軌道上舖設長焊鋼軌，即可有效提高軌道強度並大幅減少養護工率，但舖設長焊鋼軌因軌道挫曲應力極大故首要考量橫向阻力是否足夠。雖然台鐵在長焊鋼軌的舖設已積有數十年之經驗，但對於各種軌道狀態的道碴橫向阻力則尚未做過完整的舖設試驗及量測，且長焊鋼軌更從未舖設於銳曲線（半徑600公尺以下）之路線上。再者鐵路局長焊鋼軌施工規範自九十一年修訂後已允許長焊鋼軌舖設於半徑300公尺以上之小半徑曲線上，但必須具備規定之橫向阻力。鐵路局宜蘭線正線上曲線半徑在300~400公尺間之小半徑曲線尚有72處，為配合人力精簡政策減少養護工率及成本，將小半徑曲線長焊鋼軌化實為一最簡捷方法，但小半徑曲線受長軌縱向軸力作用下其挫曲應力將較直線路段更大，如何提昇道碴橫向阻力以達到舖設長焊鋼軌之需求即為本試驗研討議題。Discussionofthelittlelongrailofradiustrackoftherailway(SuNewtoSuAustraliaamongthestationasexamplewithYilanline)Hsu,Jen-TsaiThestraightprojectdepartmentofadministrationbureauofTaiwaneserailwayoftheMinistryofCommunicationsandconcurrentlyTaitungengineeringaffairheadChang,Ku-YuProfessor,Dept.ofHarborandRiverEngineering,NationalTaiwanOceanUniv.Chern,Shuh-GiProfessor,Dept.ofHarborandRiverEngineering,NationalTaiwanOceanUniv.AbstractGenerallyspeakinglayandweldtheraillongonthetrack,canimprovetheintensityoftrackeffectivelyandreduceandmaintaintheworkerratebyawidemargin,butlaylongandweldtherailandfrustratethestressofthesonggreatlybecauseofthetracksoconsiderhorizontalobstructionprimarilyitisenough.Thoughsetsofironlongtoweldtoisitaccumulateexperiencethathavedecadesalreadytolayrail,butcuthorizontalobstructionandhasnotdoneintactlayingtestingandquantitytoexaminetooneofvariouskindsoftrackstatesyet,andlongtoweldrailitlaystobeon-lineonsharpwayofcurve(600ofradiusunder)neverevenmore.Moreoveritison-linethattherailwaychiefweldstherailconstructionnormandalreadyallowstolongweldtherailandlayinthelittleradiussongofmorethan300metresinradiussincerevisingin91,butmustpossessthehorizontalobstructionstipulated.Stillthereare72on-linesmallradiuscurvesamong30000metresofradiusofcurveonthelineofYilanofRailwayBureau,forcooperatewithmanpowersimplifypolicyisitmaintainworkerrateandcosttoreduce,smallradiusbeingcurvelongtoweldrailonesimpleanddirectmethodmostinfact,butthesmallradiuscurveisfrustratedstressofthesongbiggerthanthehighwaysectionofthestraightlinebyitunderthelongverticalaxlestrengthfunctionofrail,howtopromoteonetocuthorizontalobstructionandregardreachingandlayingthelongdemandofweldingrailthistestasanddiscusstopics.1地址：台東市岩灣路101巷406號Tel：089-223697Fax：[phone]Email：[e-mail]國立臺灣海洋大學河海工程學系九十四學年度碩士在職專班研究成果發表會-2-第一章緒論鐵路運輸因具有安全、舒適、低噪音、運輸量大等特性，為民眾不可或缺的陸上主要交通工具。但由於軌道穩定度易受鐵路運輸密度、行車速度、列車負載的影響，使原有的軌道狀態容易遭受破壞。尤其是曲線路段及接頭處因受列車車輪橫向衝擊之影響，比一般地段破壞更為嚴重，不但增加養護作業之頻率更減少軌道材料之壽命，在在都反映於養護人力及成本上。台鐵為減少維修成本，已將直線及曲線半徑600公尺以上之路線予以長軌化，使列車行駛時能提供更優質之圓滑軌面、更穩定舒適之軌道。惟曲線半徑600公尺以下之軌道因受限於軌道橫向阻力不足，在行車安全為考量之前提下皆以定尺軌(25m)舖設。造成在接頭處軌面因受車輛衝擊產生慣性變形而需經常維修；故於曲線半徑600公尺以下之定尺軌路段仍無法有效節省人力、降低維修成本。我們知道鋼軌接頭為軌道結構中最大弱點，也是最難養護的地方。接頭受列車載重激烈衝擊，最易發生道床鬆弛、接頭下沈，因而加速軌道材料之破壞，且給予旅客不舒適的振動。鑑於台鐵傳統定尺軌軌道每年均需投入大量養護人力及材料之更新，加上接頭枕木舖設及養護不易(為易肇生事故處所)等因素影響，如何減少接頭、提高行車安全及穩定性，已為台鐵工務部門當下刻不容緩應解決之課題。本研究即針對小半徑軌道由傳統定尺軌演化為長軌化之鋼軌，從規劃、設計、施工、檢測等各類工作來探討如何提昇軌道強度，以達到降低養護人力、成本及行車安全與乘車舒適之目的。鋼軌長軌化為鐵道工程之主要工作，如何能減少鋼軌接頭之存在，有效地控制軌道穩定、加強道床的縱橫向阻力進而防止軌道挫曲，於路線舖設時應由規劃、設計、施工及監測等階段進行全面研討考量。本研究針對台鐵宜蘭線蘇澳新站至蘇澳站間半徑300至400公尺之6處小曲線分別施作（一）道碴肩部加高及加寬；（二）軌枕安裝挫屈防止鈑；以及（三）軌枕端部撒布固結安定劑等三種工法，除在規劃設計階段於預算編列工作項目經費、及訂定施工規範外，同時也對完工後之小半徑進行檢測分析、建立資料庫，並針對各種工法的特性、優缺點作深入分析探討，以作為日後推動小半徑曲線長焊鋼軌化之參考。藉由上述各項措施，冀能達到以下成果：一、提高軌道品質──藉由成本效益的分析探討，採用適當的施工法增加軌道道床的穩定性及乘車的舒適感，以達到預期的品質。二、降低維護成本──降低維修頻率，避免投入大量的人力及經費維護，以達有效節省人力之目標。三、延長材料使用年限──藉由接頭數量的減少以延長材料使用的年限(降低鋼軌抽換的頻率)，並儘量避免重大事故發生，或將災損降至最低，保持安全舒適。四、建立一套完整施工規範──針對軌道工程之小半徑長軌化建立本土化之施工技術，加以系統化整理，提供學術單位或相關機關參考改進。第二章軌道概論2.1軌道結構2.1.1軌道基本結構傳統鐵路之軌道結構係由路基（subbase）、道碴（ballast）、軌枕（sleeper）、支承墊（pad）、鋼軌（rail）及其附屬設備所組成，鋼軌受力傳至扣件、墊片、軌枕、道碴（無道碴）至路基。由於軌道並非完全彈性體，經車輛不斷行駛後，結構逐漸變形，即所謂軌道不整。軌道不整超過容許限國立臺灣海洋大學河海工程學系九十四學年度碩士在職專班研究成果發表會-3-度，就會危及行車安全。因此軌道需符合以下條件：(1)強度足夠(2)確保車輛之安全圓滑行駛(3)軌道不整量在容許範圍內(4)乘車舒適感(5)合乎經濟(6)保養維護簡易2.1.2軌道路基依據交通部台灣鐵路路基施工之規定，路堤之填築材料分為:(1)路基面下30公分為「級配層」；(2)路基面下30公分至l80公分為「土石層」；(3)路基面下180公分以下部份為「填土層」，但第二層(土石層)厚度得視工地情形酌予增減。2.1.3道碴(ballast)道碴或稱道床，乃支承並固定軌框結構,吸收軌框震動,將軌框載重分散到下面的路基。其功用為：(1)防止枕木移動。(2)將枕木傳來的荷重分散到下面的路基。(3)增加軌道彈性，吸收列車造成的衝擊震動,減少其他材料受損，降低軌道不整程度，改良乘車舒適感。(4)防止軌道挫屈。(5)吸收部份行車造成的噪音。因此道碴需有下列特性：(1)質地堅硬，耐壓耐磨。(2)富稜角，且可五相契合，以傳達荷重，發揮彈性。且單位重量大，不易移動，足以抵擋枕木之位移，保持正確的軌框結構。(3)不含細砂黏土，排水容易，雜草不生。(4)軌道養護容易。(5)產量豐富，價格低廉2.1.4枕木枕木功用為(1)固定鋼軌維持軌距之正確；(2)將鋼軌傳來之荷重分佈到道碴；以及(3)於長軌地段，阻止軌道挫曲。為滿足上述功用，枕木須具備下述特性：(1)抗彎矩之充分強度。(2)緩衝列車衝擊震動之適當彈性。(3)阻止軌道縱橫兩方向的移動。(4)易固定鋼軌，減少軌距變化。(5)鋪設簡易，養路容易。(6)耐久、價廉且容易取得枕木可依材質、舖設法等來分類：(1)依材質分類：有木枕、PC枕、鋼枕及不同材質之組合枕等。以往木枕居多，由於木材資源漸稀、養路人工日少及長軌舖設等，PC枕日見普遍。(2)依舖設方法分類：可分為橫枕、縱枕及短塊狀枕等。一般軌道用橫枕，隧道、高架等混凝土或瀝青道碴之場合可採用縱枕或短塊狀枕。2.1.5鋼軌2.1.5.1鋼軌斷面形狀鋼軌斷面需符合下列功能上之要求：(1)以最少的斷面積承受垂直及水平方向的壓力。(2)頭部不易磨耗，且有充分的餘裕容許磨耗，以延長耐久年限。(3)易於固定，且形狀安定不易傾倒。2.1.5.2鋼軌長度鋼軌長度短，則接頭多，車輛受接頭影響之處數增加，乘車舒適感降低。接頭又是軌道的弱點，軌道不整情形較易發生，保養維護困難，安定性亦較低。反之，鋼軌長度又受接頭最大縫寬限制，太長時，由於縫寬不足，夏季易肇致挫屈。同時較長鋼軌的製造、搬運、舖設均不方便，且稍受損傷即整根鋼軌須更換，似嫌不經濟。不過，近來為考慮乘車舒適感及節省養路勞力，有盡量減少接頭，而採用較長鋼軌的趨勢。2.1.6鋼軌扣件國立臺灣海洋大學河海工程學系九十四學年度碩士在職專班研究成果發表會-4-鋼軌扣件(fastening):將鋼軌固定在枕木上的構件稱鋼軌扣件。車輛通過時，鋼軌頭部被向外推，鋼軌向外傾，把外側的道釘外擠，同時拔起內側的道釘，使道釘與鋼軌間產生空隙，逐漸使軌距加寬。此種情形，曲線地段尤其明顯。另外，行車造成的軌道波動及接頭的輪錘作用將使扣緊不良的鋼軌發生爬行現象。因此，為抵抗鋼軌之縱橫方向移動，必須將鋼軌固定在枕木上，此即鋼軌扣件功能。2.2長焊鋼軌一般的金屬材料均有熱漲冷縮的性質，鋼軌亦然。其伸縮量與長度、溫度的