客運專線倒T型端刺和∏型端刺設置方案研究

魏永恒

1 概述

CRTSⅡ型板式無砟軌道橋上底座為縱向連續的鋼筋混凝土結構，橋梁起終點設置摩擦板、端刺及過渡板。其中摩擦板、端刺的主要作用是將橋上連續底座上產生的溫度力、制動力等傳至路基內，同時實現無砟軌道在兩種不同線下結構上的平順過渡，是Ⅱ型板式無砟軌道的重要結構之一。

正在建設的京滬高速鐵路徐滬段采用CRTSⅡ型板式無砟軌道。由于部分路段端刺施工前，臺后路基施工已經完成，且路基填料采用的是A，B組填料，若要采用京津城際的倒T型端刺方案，需要對已完工的路基進行開挖，不僅造成工程浪費、延長施工工期，而且將降低既有路基的承載能力，導致路基工后沉降超標。為了盡量利用原有路基，減少對其擾動，需要研究更可行的方案。擬對原有端刺的結構形式和尺寸進行調整，使其一方面縱向變形量滿足工程要求，另一方面有效降低工程造價，大大方便施工，縮短施工工期，這對于創新和完善我國CRTSⅡ型板式無砟軌道理論體系具有重要的意義。

橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道底座全橋縱連，兩端越過橋臺和路橋過渡段后與端刺連接。作用在底座的溫度力和制動力通過摩擦板和端刺傳遞到與橋梁工程相連接路基中，為了確保能將存在的力傳遞至路基中，在摩擦板下設置了小端刺。大端刺除承受底座中的縱向力以外，豎向上受到路基土體的縱向阻力、縱向上受到路基土體自重產生的摩擦力以達到平衡。根據倒T型端刺結構的傳力特性，在京津城際標準端刺和摩擦板原有結構形式的基礎上，最終確定在路基A，B組填料已經填筑的路段采用∏型端刺方案。

2 方案研究

2.1 倒T型端刺和∏型端刺整體受力分析

京津城際上采用的標準型端刺為倒T型，摩擦板寬度一般為9.0 m，厚度為0.4 m，長度根據不同橋梁結構設計確定，一般為50 m或100 m。摩擦板下設置厚1.0 m、高1.0 m、寬度與摩擦板同寬的小端刺，間距根據摩擦板長度合理布置，一般間隔3.5 m。標準端刺形式尺寸:上部結構沿線路縱向厚度為1.0 m，沿線路橫向寬度為9.0 m，高度為2.75 m;下部結構沿線路縱向為8.0 m，沿線路橫向為9.0 m，厚度為1.0 m。

京滬高鐵徐滬段一般地段∏型端刺摩擦板長度為42.5 m，寬度為12 m，厚度為0.4 m。摩擦板下設置寬度與摩擦板同寬的小端刺，其中與∏型端刺相鄰的3個小端刺厚1.0 m、高1.5 m，間距為3.5 m。與橋臺相鄰的小端刺厚1.0 m、高1.0 m，間距為2.5 m。主端刺縱向厚度為4 m，高2.5 m，橫向寬度為12 m;次端刺縱向厚度為2 m，高度2 m，橫向寬度為12 m。

2.1.1 計算模型

應用ANSYS計算軟件中的實體(Solid45)單元，分別對各部件進行模擬，土體采用TP材料，用接觸單元(Targe170和Conta173)模擬端刺與土體之間非線性作用關系，有限元模型見圖1，圖2。

2.1.2 材料參數

材料參數見表1。

表1 材料參數表

2.1.3 作用荷載

參照京津城際鐵路，荷載取11 MN/m。

2.1.4 端刺最大縱向水平位移限值

參照京津城際鐵路，端刺最大縱向水平位移限值取3mm。

2.1.5 加載位置和方向對比分析

荷載取11 MN/m，分別對倒T型和∏型端刺進行加載。根據加載位置和方向，有以下兩種不同的計算工況:

工況1:作用在端刺指向端刺;工況2:作用在端刺指向橋臺。

從表2可知，對于倒T型端刺而言，同一個加載位置，力的作用方向相反，端刺縱向位移值相差很大，說明倒T型結構在設計上對端刺縱向位移的限制存在缺陷，即結構在設計上對于荷載作用在端刺并指向橋臺方向存在不足。相反，荷載作用方向對∏型端刺縱向位移值相差很小，可見∏型端刺結構在設計上優化了荷載作用在端刺并指向橋臺方向時存在的不足。此外，∏型端刺和倒T型端刺最大水平位移基本吻合，說明此優化結構與倒T型標準端刺在縱向上作用是一致的。

2.2 倒T型端刺和∏型端刺經濟性分析

表2 荷載加載方向對端刺位移的影響 mm

兩類端刺經濟性分析見表3。

2.3 倒T型端刺和∏型端刺施工技術比較

∏型端刺在A，B組填料路基反挖后灌注混凝土施工，不需要復雜的施工組織。

倒T型端刺在已經施工完畢的路基上施工時，則需要挖出主端刺底部20 m頂部40 m左右范圍的路基;并且回填水泥級配碎石。由于已填完路基地段施工場地狹窄，不具備機械作業的條件，施工組織困難，需要新征臨時用地，并征用A，B組填料棄土場，延長施工工期，并進一步增加工程成本。

倒T型主端刺在過渡段級配碎石填筑至設計標高及墊層施工完成后進行施工。主端刺分兩步采用現場澆筑施工:第一步施工倒T型趾部，第二步施工倒T型主端刺的豎墻。施工完成混凝土需要等強度達到后，對稱回填，施工工藝復雜、施工周期長。

2.4 倒T型端刺和∏型端刺質量控制比較

2.4.1 施工質量控制

進行倒T型端刺施工，需要大斷面挖除主端刺部分已填A，B組填料，造成已填路基土體應力釋放，降低既有路基的承載能力。

2.4.2 路基填筑質量

∏型端刺路基結構通過長時間的預壓后，級配碎石及A，B組填料已比較密實，開挖后整體質量較高，澆筑后路基與端刺及摩擦板結合較好。倒T型端刺施工時，先進行倒T型端刺趾部的施工，再進行主端刺豎墻的施工，然后進行級配碎石的填筑，再進行小端刺基坑的開挖、小端刺澆筑、摩擦板的連接，由于級配碎石填筑時間較短，質量難以控制，甚至會產生較大的沉降;回填水泥級配碎石在10 m(底部)～20 m(上部)范圍內施工，不能進行機械作業，壓實質量難以保證;同時路基之間接頭處理質量不易控制;由于工期原因，造成新填部分預壓期不足，引起路基本體工后沉降超標。

2.4.3 端刺區路基填料組合方面

∏型端刺路基結構離橋臺處為級配碎石，長度約20 m，然后是A，B組填料。倒T型端刺方案，在橋臺至主端刺之間40 m～60 m范圍內有不同施工時間、不同填料種類的三段短小路基，易產生不均勻沉降;部分采用水泥級配碎石包A，B組填料結構，特別是小端刺之間采用剛度較大的水泥級配碎石(相當于混凝土)，與路基面不能有效結合，兩者之間的接觸質量也難以控制，并且自身由于溫度變化會產生較大的伸縮，可能存在較大的端刺縱向位移。

3 結語

本文從結構受力、經濟性、施工技術以及質量控制四個方面對倒T型端刺和∏型端刺進行了系統的分析。分析結果表明:

1)縱向力作用下∏型端刺和倒T型端刺最大水平位移基本吻合，說明此優化結構與倒T型標準端刺在縱向上作用是一致的。此外，∏型端刺結構在設計上優化了荷載作用在端刺并指向橋臺方向時存在的不足。

2)對于臺后路基先行填筑地段，采用∏型方案開挖量小，可顯著降低工程造價。

3)∏型端刺施工工藝簡單、施工質量容易控制，而倒T型端刺不僅施工組織困難、施工工藝復雜，而且工期長、投資大、施工質量也難以控制。

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