【铁道知识ABC】2-道砟 王兆洋，Mr. Why 在大多数人眼中，道砟无非是枕木下面的一堆石子。其实，这里面大有文章。 在美国，道砟（Ballast）是铁路公司的第 5 大财产，其价值甚至超过了铁路公司所拥有的货车价值的总和。接下来，我们就来研究一下这一堆小“石子”中的大学问。 本文创作同时，我对 为什么普通铁路铁轨上都会铺石子而高铁铁轨不用？ - 王兆洋的回答 下我的答案进行了补充，下文中“更新的答案”就是这篇回答。 对道砟的基本要求是： 有足够的强度承担枕木的压力 有足够的硬度承受道砟间的磨损 有足够致密的级配（注）提供足够的力固定枕木 能够抵抗温度的变化和水的侵蚀 注：级配，即 gradation，用来反映颗粒（aggregates）大小的分布情况，可以参见维基百科 Sieve analysis，gradation 分为 Dense（致密）、Uniform（均匀）、Gap、Open、Rich 等几种，级配致密的颗粒中，各种尺寸的石头数量差不多，因此石头与石头之间的空隙小；与之相比，级配均匀的颗粒中，石头的尺寸基本相当。感谢 @DerCampus 的补充。 图片来源：The role of aggregate in concrete countertop mix formulas 铁路使用的道砟主要有破碎岩石（Crushed Stone）、破碎矿渣（Crushed Slag）、改良砾石（Treated Gravel）等。其中，改良砾石除运量极小的支线或场站线路以外，一般是不会使用的。使用最广泛的是破碎岩石，以火成岩（Igneous Rock）和硬质石灰岩（Hard Limestone）为佳。下图为四种使用较为广泛的岩石种类，自左至右分别为花岗岩（Granite）、石英石（Quartzite）、玄武岩（Basalt）和石灰岩（Limestone）。 图片来源：Geology - rocks and minerals; Geology - rocks and minerals; Geology - rocks and minerals等，有修改。 注：石灰岩并不是非常理想的道砟原材，在我国已禁止使用。感谢 李小天 补充（知乎搜索出了好多“李小天”，我不知道是哪一个……大家可以去评论区找 TA~）。 另外，道砟所用石头的一个重要参数就是它有多“圆”，即 Roundness 或 Angularity。一般来说，棱角越多的石头之间的摩擦越强，越适合做铁路的道砟。 道砟的主要作用包括： 将枕木的压力分散到路基上 防止轨道爬行 吸收列车运行时的冲击 排水 方便养护 下面逐一解释这些作用。 首先，列车的重力，经过钢轨、枕木、道砟传递到路基，枕木承受的压力是相当大的，而路基的强度往往不足以承受如此大的压力，因此需要道砟在其中分散枕木的压力，即通过增大作用面积，减小单位面积上的压力（即压强）。通过 P=F/S 的公式，可以看出，在压力一定的情况下，面积越大，压强越小。其中，P 为压强，F 为压力，S 为作用面积。 第二，防止轨道爬行。在弯道上，轨道需要提供列车转弯所需的向心力，其反作用力会使轨道向外轨方向移动；在上坡路段，机车牵引力的反作用力会使轨道向山谷移动；在下坡路段，列车的制动力仍然会使轨道向山谷移动。通过使道砟包裹枕木，可以减少轨道的移动。 第三，吸收列车运行时的冲击。和汽车不同，火车运行时是钢制的车轮在钢制的轨道上滚动（Steel Wheel on Steel Rail），在经过钢轨接头时，或者由于车轮不是完美的圆形，会造成相当大的冲击，其对轨道的瞬时压力可以高达静态重量的两倍，并且没有橡胶用来吸收冲击。这样的瞬时冲击如果直接作用在路基上，会导致路基沉降、以及 pumping（在不断重复的冲击下水溢出地表的现象，大家可以通过在潮湿的地面上不停地跺脚来模拟）；如果直接反作用在轨道上，会导致扣件、钢轨甚至枕木折断。因此，需要相对“软”一点的道砟来吸收这种冲击。（这里的“软”是相对于钢轨和轨枕而言的，道砟其实一点也不“软”）。这一点也将会在我更新的答案中提到。 第四，排水。排水绝不仅仅是靠排水沟实现的，好的道砟对排水至关重要。可能有人会问，排水是道砟的主要功能还是次要功能。假设排水不好不会影响路基的强度，那么道砟就不需要拥有排水功能，但事实并非如此。想要拥有好的路基强度，就必须做好排水。因此，我会说排水是道砟不得不具有的功能。 最后，方便养护。比如随着列车的运行，外轨超高什么的可能会发生改变。此时，如果进行线路养护，可以很方便地通过垫高或者减少道砟进行修正。作为对比，虽然混凝土整体道床的线路参数更不容易随着列车运行而发生变化，但是一旦变化，其养护工作是很难的。这一点也将会在我更新的答案中提到。 说了这么多，接下来看看道砟的截面图。砟肩（Shoulder Ballast）、枕盒道砟（Crib Ballast）和面砟层（Top Ballast）一般采用相同的石材，底砟层或砂垫层（Sub Ballast）采用尺寸稍小一些的石材。有时候，在面砟层和底砟层之间还会有一层底砟（Bottom Ballast），道砟的尺寸介于二者之间。砟肩的作用主要是防止轨道的横向移动，枕盒道砟的主要作用是防止轨道爬行。面砟层和底砟层承担枕木的压力，统称为支撑道砟（Support Ballast）。感谢 李小天 所指出的中文名称。 对于每一条线路，需要铺设多厚的道砟，是根据枕木压力和路基强度通过计算得到的，计算方法在此就不详细叙述了。 随着列车的运行，道砟会变“脏”，道砟之间的空隙被磨损下来的道砟碎屑、枕木碎屑和撒漏的货物碎屑填满，导致脏污道砟（Fouled Ballast），如下图所示，左边脏脏的是 Fouled Ballast，右边看起来非常好看的是新道砟。Fouled Ballast 会使道床强度变小，排水变差，并且会引发 Pumping（工务一般称为“翻浆冒泥”，感谢 @此木 ）等一系列问题。 此时，就需要进行“清筛”作业（Cleaning）。下图是一张人力清筛的图片，摄于滦南站，基本上就是一堆人上线路，挖出道砟，除去土壤碎屑后再将道砟填回去。这种方式的工作效率比较低，一般用于运量小的线路，或者道岔等困难区段。 下面的图是清筛机，远处烟尘滚滚的那个就是，摄于滦南站。 下图是更清楚的照片，图片来源 http://couriernews.com/bookmark/18136226-Can-t-undercut-this-crew，这种清筛机被称为 Undercutter，原理是把一根类似钢锯的东西从一端伸过去，或者把一根铁链从两端连接起来，然后通过旋转把道砟“刨”出来，清除土壤碎屑后再填回去。 下图是边坡清筛机（Shoulder Ballast Cleaner），只能为砟肩进行清筛，图片摄于 2015 AREMA Annual Conference, Minneapolis。 清筛后，一般需要紧接着进行“捣固”（Tamping），把“蓬松”的道砟压实。人力捣固大致就是这样的，图片摄于 Monticello Railway Museum。 也有手持的捣固机械，如下图所示。感谢 @八坂克图格亚 补充。 图片来源：https://www.youtube.com/watch?v=Oc0ZhHoJ7ng 当然，人工捣固是一种非常低效率的方式，并且质量也不高，因此在规模较大的施工中，会采用捣固机进行捣固（工务称为“大机捣固”，或者简称为“大机捣”）。捣固机大概长这样，图片摄于滦南站。 捣固时，那一组“钢爪”插入道砟中，枕木下表面以下，然后进行挤压，确保枕木下方的道砟是压实的，如下图所示。 在“捣固”时，一般只捣固钢轨作用面（Rail Seat）正下方的道砟，因为如果枕木中间的道砟过于结实，会增大枕木折断的风险，如下图所示。 嗯，道砟暂时就说这么多吧，欢迎交流讨论，谢谢大家观看。 发自知乎专栏「Trains · Cars · Bikes」
