【铁道知识 ABC】3 - 轨枕 王兆洋，Mr. Why 不知道有没有人疑惑过，钢轨固定在轨枕上这种优异的结构，是不是从一开始就是这样的。 其实，最开始时候的轨枕（Ties, Crossties, Sleepers），还真不是今天这个样子的。 在铁路刚刚被发明的时候，采用的是纵向轨枕（Longitudinal Ties），可以参见下图。更多资料，可以参考维基百科 Baulk road。 图片来源："Baulk road section through longitudinal" by Geof Sheppard - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons - File:Baulk road section through longitudinal.jpg 最终没有被采用的系统，必然有其不合理之处。这种纵向轨枕的主要缺点是：1、在两条纵向的轨枕之间容易积水，积水会导致路基强度下降，并且会加剧木枕的腐烂；2、这种轨枕和道砟之间没有足够大的接触面积分散应力；3、轨枕因为受潮、温度变化等发生的弯曲（Warp）会导致轨距（Gauge）的改变。所以，这种结构后来逐渐被如今常见的横向轨枕（Cross Ties）所取代。 按照轨枕的材料，可以粗略地分为木质轨枕（Wood Ties）、混凝土轨枕（Concrete Ties）、合成材料轨枕（Composite Ties）和钢质轨枕（Steel Ties）。 木质轨枕曾经是被最广泛采用的轨枕材质，如今在中国已经大量被混凝土轨枕所取代，但是在一些支线、站场和道岔区段仍然有所使用；在美国，木质轨枕至今仍然是最主要的轨枕形式，甚至有一些铁路公司（例如 NS）完全不采用其他材质的轨枕。木质轨枕的木料不是随便选择的，必须满足一定的强度、硬度要求，我就不一一列举了。在美国，使用最为广泛的木材是橡木（Oak）。也不是随便一棵橡树砍到后就可以用来做轨枕的，树木要满足一定的树龄、尺寸要求，还要检查其中可能存在的 Decay, holes, knots, shakes, splits, checks, slope of grain, pockets 等等缺陷是否超出允许范围（我实在是无力翻译了，大家知道要检查很多缺陷就是了）。随后，木材被切削成特定的尺寸，经过晾晒（Seasoning），然后经过药物处理（Treatment）。常见的药物处理包括硼酸盐 / 杂酚油复合处理（Borate/Creosote Dual-Treatment），锌氧化物（Zinc Oxides，用这种方式处理的轨枕被称为 Green Ties），环烷酸铜（Copper Naphthenate, CuNap），氨铜砷酸锌（Ammoniacal Copper Zinc Arsenate, ACZA），二水合八硼酸（Disodium Octaborate Tetrahydrate, DOT），五氯苯酚（Pentachlorophenol）等。目前 Creosote 是美国使用最广泛的处理方式，同时 CuNap 和 ACZA 也通过了 EPA（对，就是前段时间披露大众集团一些汽车尾气排放不达标的那个 EPA，全称 US Environmental Protection Agency）的环境评估。事实上，如今木枕的处理方式，对环境的危害已经很小了（不过在人工换轨枕的时候，徒手接触轨枕还是被禁止的，至少是不提倡的，即使带着手套也不行，因为累了的时候可能会用手套擦汗，更换轨枕要用专门的工具）。之后轨枕经过高温低压烘干、然后真空加热以使木材浸透药剂、最后加压加热在外表形成一层药物的防护层。这样，木质轨枕就被生产出来了。此外，木枕两端还经常被钉上铁片（Nail Plates）或铁条（Anti-Splitting Irons），或者包上铁圈（Anti-Splitting Bands）以防止开裂，参见下图，图片摄于 Monticello Railroad Museum。对于需要拔道钉的情况，拔下道钉后留下的洞需要用制定的胶填满以防止积水腐烂。 对于混凝土轨枕，大致可以分为普通混凝土轨枕和预应力混凝土轨枕。普通混凝土轨枕就是中间有钢结构加强的混凝土条。混凝土有一个特性，就是其许用压应力显著高于其许用拉应力。所以，经过长时间的使用后，混凝土轨枕底部容易出现由于横向拉伸导致的开裂。为了克服这个问题，产生了预应力混凝土轨枕（Pre-stressed Concrete Ties）。这种轨枕在生产时，通过内部的钢结构，在轨枕中施加一定的压应力。这样，在实际使用中，就可以减小横向的拉应力，从而一定程度上防止混凝土轨枕底部的开裂。常用的混凝土轨枕生产方式有流水线切割生产（Longline System）、模具浇筑（Frame Syetem）等（中文术语可能不准确，如有错误请指正）。流水线切割生产方式下，工厂会预制很长的混凝土条，然后在切割成所需的尺寸；模具浇注生产方式下，工厂会在模具中直接将轨枕浇筑成型，因而无需切割。实际生产中，这两种方式的质量和效率基本相当。下图所示为混凝土轨枕，图片摄于济西编组站。（猜猜中间的黄色“小板凳”是干嘛的？） 合成材料轨枕，或者“塑料轨枕”，其特性和木制轨枕基本相仿，鉴于应用不是特别广泛，就不特别介绍了。下图是维基百科中的合成材料轨枕图片，这个属于长得比较炫的，大多数合成轨枕长得和木质轨枕差不多。 图片来源："KLP Hybrid Plastic Sleeper" by LankhorstEP - Own work. Licensed under CC BY-SA 4.0 via Commons - File:KLP Hybrid Plastic Sleeper.JPG 钢质轨枕的应用也不是特别广泛，下图同样来自维基百科。钢质轨枕的下部是空心的，使用时需要用道砟填满轨枕下部。可想而知，这种施工作业不是很方便。 图片来源："Pine Creek Rail Steel Sleepers DSC03637" by Yewenyi at the English language Wikipedia. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons - Fileine Creek Rail Steel Sleepers DSC03637.jpg 对于混凝土轨枕和木质轨枕的优劣，简单对比如下： 混凝土轨枕能更好地维持轨距； 混凝土轨枕能够承担更大的载重（当然这个不能独立来看，线路的载重能力和每个部件都有密切联系，和运行速度等运营指标也有密切联系）； 木质轨枕有更好的绝缘性能； 木质轨枕材质较软，因此对扣件和道砟的损耗小； 至于环保方面，这是一个一直备受争论的话题，其实森林的砍伐不是大问题，因为如今的木材来源都是来自规模经营的林场，只要有良好的运作和管理，木材被砍了还会长出来；木枕对环境的影响在于其药物处理带来的危害，而水泥生产也是高耗能、高污染产业，所以孰优孰劣其实很难对比。 此外，还有几种特别的轨枕形式。因为不是就轨枕材料而言，所以分开讨论。 首先说说桥梁轨枕（Bridge Ties）。如今中国的桥梁结构一般都是有砟道床或者混凝土整体道床，但是在美国等很多国家，大量存在直接把轨枕架在桥梁的钢结构上的施工方法。但是，这样会存在一系列问题：首先，桥梁的钢结构很“硬”，因此对扣件的损耗会增大，另外和桥梁以外土质路基的衔接地段会因为路基强度的变化产生各种各样的问题；并且，桥梁的钢结构不“平”，因此需要用轨枕来找“平”；另外，没有道砟的存在，轨枕的承受的压力将直接作用在桥梁的钢结构上。所以，一般而言，桥梁轨枕的厚度更大、铺设更密、并且没有任何两个桥梁轨枕是完全一样的。下图摄于芝加哥的高架城轨线路，Chicago Loop。 然后，再来说说道岔轨枕（Switch Ties）。在道岔区段，因为需要布设辙叉、转辙机等线路和设备，所以需要使用长轨枕。一般木质轨枕的长度呈阶梯型变化，而混凝土轨枕的长度是连续变化的。下图是木质道岔轨枕，摄于 BNSF Northern Yard, Minneapolis。此外，一些使用第三轨的区段，也需要使用长轨枕。 最后，说说 Zig-Zag。嗯，这是一种很奇葩的轨枕布置形式。根据维基百科的介绍，这种布置形式能够很好地分散列车重量，抵抗轨道爬行的能力也很好，噪声水平略高。90% 的这种布置形式都在德国。嗯，或许“德国人严谨”更准确的表达方式是“德国人会认真地补脑洞”？ 图片来源："Gleise y normal stahlschwellen" by No machine-readable author provided. Factory X~commonswiki assumed (based on copyright claims). - No machine-readable source provided. Own work assumed (based on copyright claims).. Licensed under CC BY 2.5 via Commons - File:Gleise y normal stahlschwellen.jpg 关于轨枕上承担的应力的计算，以及轨枕间距的计算，就不在这里详细叙述了。 关于混凝土整体道床，请参考 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。 更多相关内容，请参考维基百科 Railroad tie。 感谢大家观看。 发自知乎专栏「Trains · Cars · Bikes」
