改善時速160 km以下鐵路隧道養護維修條件的應對措施初步研究

馬志富,楊毅秋

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300252)

1 研究的背景和意義

1.1 研究背景

以SRM80型全斷面道砟清篩機為例,機械作業凈寬需要4.03 m,考慮機械作業要求,道砟槽凈寬需要滿足單線隧道4.4 m,雙線隧道8.4 m。根據現行的部頒通用圖,時速160、200 km客貨共線鐵路及高速鐵路客運專線均滿足機械作業要求。而以現行《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)為指導,目前時速160 km以下的隧道設計圖中,有砟軌道線路中線至水溝電纜槽邊緣距離為按照軌枕端頭距離水溝電纜槽側壁不小于20 cm設計,也就是說,有砟軌道單線隧道內道砟槽寬度不小于2.9 m/3.0 m(Ⅱ型枕/Ⅲ型枕),有砟軌道雙線隧道內道砟槽寬度不小于6.9 m/7.0 m(Ⅱ型枕/Ⅲ型枕)。因此,目前時速160 km以下既有隧道不能滿足大型養路機械在隧道內清篩作業,如圖1、圖2所示。

1.2 研究意義

隨著運量的快速增長,隧道維修的難度逐漸增加,以年運量4億t的大秦線為例,在線路維修方面,大秦線在開通初期,天窗時間為180 min。1990年實行垂直天窗調整為140 min,2002年實施V形天窗,改回180 min。實際上,由于列車密度不斷增加,天窗兌現率也就在5%左右。所以,我國繁忙干線鐵路特別是重載鐵路的線路維修時間極短,隧道內維修作業變得越來越困難。

圖1 時速160 km以下單線隧道軌下示意(單位：cm)

圖2 時速160 km以下雙線隧道軌下示意(單位：cm)

在隧道部分的維護中,大型機械進不去,只能靠人工將沉積在鋼軌內的石砟、煤面及粉塵等清理出隧道,工作條件十分艱苦。而且,由于維修人員不能及時離開隧道,當天窗時間結束后,列車通過時的煤屑對躲避在避車洞內的職工們形成了強烈的侵蝕。

同時,由于隧道內維修養護條件困難,正常的維修養護工作無法按照《鐵路線路維修規則》進行,容易形成隱患,最后形成嚴重病害后不得已進行集中處理。

因此,在鐵路現代化的發展的趨勢下,為了進一步貫徹“以人為本”的理念,線路維修養護實現機械化,推行隧道內大型養路機械作業,需求十分迫切。

2 改善時速160 km以下鐵路隧道養護維修條件的應對措施

2.1 采用有砟軌道隧道斷面道砟槽寬度加大方案

目前規劃建設的時速160 km以下鐵路以重載鐵路為主,包括聯絡各大片區的大能力貨運通道、煤運通道,采取的標準以雙線為主,加之分析研究的思路相當,分析過程主要介紹雙線隧道,單線隧道列舉分析結論。

2.1.1為加寬道砟槽而加大隧道斷面的內輪廓方案情況

按照大型機械養護要求,以Ⅲ型枕軌道為基礎,雙線一側加寬2.2-1.5=0.7 m,即斷面加寬1.4 m。加大斷面思路：①按照凈高維持現行的內輪廓高度,凈寬加大,水溝電纜槽頂面與軌面齊平,見斷面一(圖3)；②按照凈高較現行的內輪廓高度降低,凈寬加大,水溝電纜槽頂面高于軌面30 cm或與軌面齊平,見斷面二、三(圖4、圖5)；③按照凈高和凈寬加大,水溝電纜槽頂面與軌面齊平或高于軌面30 cm,見斷面四、五(圖6、圖7)。溝槽頂面單側寬度為95 cm。

2.1.2 受力分析(圖8)

對以上斷面及現行時速120 km斷面內輪廓簡化為梁單元拱頂施加50 kN集中力,計算結果顯示斷面五相對斷面四其受力結構形式更加合理。斷面二與斷面三由于在斷面面積上小于另外3種斷面約6～11 m2,故受力小,且造價更加經濟。

圖3 斷面一(單位：cm)

圖4 斷面二(單位：cm)

圖5 斷面三(單位：cm)

圖6 斷面四(單位：cm)

圖7 斷面五(單位：cm)

圖8 雙線各斷面彎矩統計

2.1.3 小結

因此,為了改善時速160 km以下鐵路隧道養護維修條件,時速160 km以下雙線隧道斷面推薦采用斷面三形式,隧道內道砟槽寬度為8.4 m, 直線段內軌上有效凈空面積推薦采用65.30 m2。

同樣,時速160 km以下單線隧道道砟槽寬度為4.4 m, 直線段內軌上有效凈空面積推薦采用35.48 m2。

2.2 無砟軌道方案

如果不考慮加大隧道斷面,改善時速160 km以下鐵路隧道養護維修條件的另一個方法就是在隧道內鋪設無砟軌道,下面將無砟軌道的優越性與局限性進行分析。

2.2.1 鋪設無砟軌道的優越性

(1)降低養護維修工作量,綜合效益好

無砟軌道初期投資比有砟軌道大,但無砟軌道結構可大幅度減少養護、維修費用,特別對長大隧道、繁忙干線等養護維修困難地段,無砟軌道消除了有砟軌道中頻繁的道砟清篩、搗固等繁重的體力勞動,節省了養護維修費用,減少了對運營的干擾,帶來顯著的社會效益與經濟效益。

無砟軌道相對有砟軌道結構高度低,能降低隧道凈空,減小隧道的開挖面,也可降低工程造價。

(2)保持行車安全平穩

無砟軌道采用鋼筋混凝土結構,耐久性、穩定性好,能長久保持軌道結構良好的平順性和穩定性。長大隧道內由于受空間限制,列車一旦發生脫軌等安全事故,救援工作將極其困難,而無砟軌道結構穩定性好,能有效降低隧道內列車脫軌等安全隱患。

(3)改善作業環境

兼運煤的干線鐵路特別是重載鐵路煤灰污染成為了值得關注并應加以解決的問題。據對大秦線相關調查資料顯示,隧道內散落煤灰清理麻煩,養護維修人員經過在隧道內作業后,幾乎都成了“煤灰人”。后采取加強隧道通風,改進車輛防塵等措施,但還是無法從根本上解決問題。無砟軌道隧道則相對易于清理。

2.2.2 鋪設無砟軌道的局限性

我國大秦、朔黃、侯月等重載鐵路隧道中,主要以鋪設寬軌枕有砟軌道為主,無砟軌道在國內客貨混跑的部分特長隧道中有使用,但在重載鐵路隧道中的使用情況還需要進一步研究,若隧道內全部采用無砟軌道結構形式,仍存在一定的風險。

2.3 加大斷面與隧道內鋪設無砟軌道的比較

2.3.1 加大斷面襯砌參數及其經濟性

(1)與目前時速160 km以下雙線隧道相比,加大斷面襯砌參數支護稍有加強,襯砌則按拱墻加厚5 cm,Ⅳ、Ⅴ級圍巖仰拱厚度加厚5 cm,參數見表1。

表1 加大斷面雙線隧道襯砌斷面參數

(2)研究過程中將加大斷面雙線隧道與目前時速160 km以下雙線隧道進行數量及投資增加的估算,結果見表2。

表2 加大斷面雙線隧道相對現行雙線隧道各級圍巖增加投資估算

假設隧道各級圍巖的長度占整個隧道長度比例相當,則增加投資的均值為2 938元/m。

2.3.2 鋪設無砟軌道的經濟性

根據某重載鐵路測算結果,維持目前的雙線隧道斷面不變,有砟軌道隧道改為無砟軌道平均指標增加3 612.86元/m。

3 研究結論

(1)為了進一步貫徹“以人為本”的理念,改善鐵路隧道養護維修條件,推行隧道內大型養路機械作業十分必要。

(2)當隧道內采用有砟軌道時,為了滿足隧道大型養路機械作業要求,隧道斷面寬度應較現行的隧道斷面進行加寬,單、雙線隧道內道砟槽寬度分別采用4.4 m和8.4 m,直線段單、雙線隧道內軌上有效凈空面積分別推薦采用35.48 m2和65.30 m2。

(3)當鐵路線路較長、線隧比較高,在隧道斷面適當加寬的基礎上,有必要對目前的大型養路維修機械進行適應性改進。

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