重載鐵路隧道內無砟軌道結構選型分析

王繼軍，尤瑞林，杜香剛，范 佳，江 成

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

近年來，重載鐵路運輸在世界范圍內迅速發展，在國際上被公認為鐵路貨運發展的方向。不僅在礦物和貨運為主的國家(美國、加拿大、巴西、澳大利亞和南非等國)大量開行重載列車，而且在歐洲以客運為主的客貨混運干線上也開始發展重載運輸。

我國重載鐵路運輸近年來也有較大發展，除大秦線、朔黃線、神朔線等既有鐵路外，目前規劃建設的山西中南部鐵路通道及蒙西至華中地區鐵路煤運通道將成為我國重要的重載運輸鐵路。山西中南部鐵路通道自山西省呂梁市興縣的瓦塘開始，跨京廣、京九線后終至山東日照南站，線路正線長度1 268 km。蒙西至華中地區鐵路煤運通道工程北起鄂爾多斯，途經蒙西、陜西、山西等我國最重要的煤炭產區，終至江西吉安，是一條吸引蒙陜甘寧能源產地、覆蓋鄂湘贛等華中能源消費地的便捷大能力煤運通道，線路全長1 816 km。

以上兩條線路均按大軸重煤運通道進行規劃設計，軌道按重型軌道設計，重車方向預留特重型軌道結構條件。山西中南部通道共有隧道198座，總長377.46 km。其中隧道長度≥6 km的隧道14座，長163.92 km。蒙華鐵路通道穿越呂梁山脈、中條山脈、東秦嶺山脈等山區，隧道總長428.4 km，且長大隧道較多，隧道長度≥10 km的隧道10座，其中長度≥15 km的隧道6座。

目前，國內外重載鐵路大都采用有砟軌道結構。一方面，重載有砟軌道隨著運量逐年增大，鋼軌、焊接接頭及道岔傷損數量大幅上升，道床殘余變形增大，道床粉化板結，軌道剛度不斷增大，加劇了列車對軌下基礎的破壞及線路幾何狀態的惡化，形成了軌道狀態劣化的惡性循環。另一方面，隨著行車密度和載重量的提高，軌道的維修工作更趨頻繁，但繁忙的貨運鐵路，天窗兌現率越來越低，可用于線路養護維修的時間較短，難以對線路病害進行及時維修。尤其在長大隧道內，有砟軌道結構養修作業更加困難。

針對山西中南部及蒙華重載鐵路煤運通道工程隧道數量多、里程長，長大隧道比例較大的工程特點，在長大隧道內采用無砟軌道結構，具有降低隧道凈空，結構耐久性強，維修工作量少，維護費用低，軌道結構穩定性、連續性和平順性好等優點［1-2］。因此，結合國內重載煤運通道建設的工程背景，開展隧道內無砟軌道結構選型研究，對我國重載鐵路運輸的發展以及重載鐵路軌道技術體系的完善具有重要意義。

1 國內外重載無砟軌道應用概況

1.1 國外重載無砟軌道應用及隧道內軌道結構概況

1.1.1 美國重載無砟軌道［3-4］

2000年，美國波特蘭水泥協會(PCA)開展了一項“貨運與高速客運線路用無砟軌道研究與試驗”的合作開發項目，目標是開發先進的無砟軌道技術。經研究篩選，確定對直接式無砟軌道(DFST)和彈性支承塊式無砟軌道(IDBT)兩種結構形式進行試驗研究，如圖1和圖2所示。

2003年7月—2006年7月由AAR下屬的TTCI在FAST重載線路上完成了無砟軌道現場試驗及驗證工作。重載列車包括3～4個機車以及60～80輛貨車，牽引質量為8 000～10 000 t，貨車軸重為35.4 t;機車軸重為29 t，列車一般運行速度為64 km/h。從2003年開始運營試驗至目前，累積通過總重4.5億t。現場試驗表明兩種軌道結構整體狀態良好，能夠保證重載列車運營的安全性，同時可以實現軌道結構的少維修。

圖1 美國直接式無砟軌道

圖2 美國彈性支承塊式無砟軌道

1.1.2 加拿大重載無砟軌道［5］

加拿大CP公司重載線路于1988年在Macdonald隧道(如圖3所示)及Shaughnessy隧道內分別鋪設了15.1 km和1.6 km的直接式無砟軌道結構(PACT)，主要考慮減少養護維修工作量［5］。

由于隧道內排水不暢、洞口附近基礎不均勻沉降、道床板配筋及道床板與底座連接鋼筋設計不足等原因，導致道床板出現開裂、掉塊等傷損。現場主要采用改進表面排水、注入環氧材料以及傷損道床板的移除和換鋪等措施進行修復;目前已對約115 m長的地段進行了換鋪維修。

圖3 加拿大隧道內直接式無砟軌道(單位:mm)

1.1.3 南非重載無砟軌道［6］

南非目前有兩條典型的重載鐵路，里查茲灣(Richards Bay)運煤專線和斯申—撒爾丹哈(Sishen-Saldanha)鐵礦石專運線。

里查茲灣運煤專線全長588 km，線路的設計年運量1 750萬t/年，擴能改造后為4 200萬t/年。運營列車的機車軸重28 t(總重168 t)，車輛軸重26 t。全線共有隧道37座(共計44 km)，其中最長隧道為3.9 km。隧道內全部為直接式無砟軌道結構。

斯申—撒爾丹哈鐵礦石專運線全長861 km，線路設計年運量2 100萬t，完成既有線擴能改造后，目前實際年運量達到6 300萬t。運營列車的機車軸重28 t，車輛軸重30 t。該線只有一座隧道，長787 m，隧道內也是采用直接式無砟軌道(如圖4所示)。

圖4 南非隧道內直接式無砟軌道

南非隧道內無砟軌道總體使用情況較好。里查茲灣運煤專線，在實際使用中無須任何養護作業，據介紹曾有一塊道床板在水壓作用下出現松動，通過打入巖石錨桿進行了修復。另外，里查茲灣運煤專線一些隧道內鋼軌扣件的扣壓效果不好，曾在個別隧道內進行了相關試驗研究。

1.2 國內客貨混運鐵路隧道內無砟軌道應用概況

我國客貨混運無砟軌道結構的發展也有較長歷史，早期曾試鋪過支承塊式、整體灌注式、短木枕式及無砟無枕式等無砟軌道結構形式，主要應用于隧道和橋梁等剛性基礎地段，1965年—1984年間，整體道床鋪設長度達到300 km。在20世紀90年代，結合高速鐵路無砟軌道的前期研究，選定秦沈線沙河、狗河和雙何三座特大橋進行長枕埋入式和板式無砟軌道的試鋪，為完善兩種無砟軌道技術，在渝懷線魚嘴2號隧道、圓梁山隧道和贛龍線楓樹排隧道又分別進行了長枕埋入式和板式無砟軌道的鋪設。為形成區段鋪設無砟軌道成套技術，2004年在遂渝線建設了無砟軌道綜合試驗段，線下基礎涵蓋了路基、橋梁、隧道及過渡段，試驗段范圍內鋪設了板式、雙塊式和長枕埋入式等多種形式無砟軌道結構。此外，彈性支承塊式無砟軌道在西康線秦嶺、寧西線東秦嶺、蘭新線的烏鞘嶺隧道以及黔桂線、大麗線等干線鐵路長大隧道內得到廣泛應用。

結合30 t軸重重載鐵路隧道內無砟軌道關鍵技術的研究，相關單位開展了對我國客貨混運鐵路無砟軌道應用情況的調研工作，調研情況的總結分析表明:

1)國內客貨混運鐵路隧道內無砟軌道結構及線路狀態總體情況良好。

秦嶺、白清、烏鞘嶺隧道內彈性支承塊式無砟軌道結構及線路狀態總體情況良好，相比有砟軌道，其維修工作量顯著減少。在渝懷線魚嘴2號隧道內鋪設的長枕埋入式無砟軌道結構以及贛龍線楓樹排隧道板式無砟軌道結構，運營了貨物列車，軌道結構及線路狀態總體情況也較好，達到了減少養護維修工作量的目的。

2)部分隧道內隧底處理不當以及防排水措施不完善是無砟軌道結構產生病害的主要原因。

烏鞘嶺隧道內由于隧道仰拱下未設排水設施、加之基底處理不當等施工原因導致彈性支承塊式無砟軌道出現兩處較大的道床下沉病害。黔桂線定水壩、銀洞坡隧道內彈性支承塊式無砟軌道，由于前期施工質量缺陷以及基底處理不當等問題，導致出現道床板開裂、支承塊傷損、套靴與支承塊間離縫，形成動態空吊等病害，軌道結構及線路狀況總體情況不良。

3)加強隧道內無砟軌道施工質量控制是保證運營階段少維修的一個前提條件。

客貨混運條件下，雙塊式或長枕埋入式無砟軌道新老混凝土界面處為薄弱環節，施工處理不當易產生開裂、離縫、軌枕松動等病害，因此應加強施工控制，采取枕面粗糙處理、設置連接鋼筋等措施加強預制枕與現澆混凝土的粘結，道床板施工時加強枕底面混凝土的振搗密實。彈性支承塊式無砟軌道在軌排組裝階段則應嚴格控制支承塊、橡膠套靴和枕下彈性墊板之間各界面的密貼，封閉支承塊和套靴之間的縫隙，控制現澆道床板的頂面標高，避免出現支承塊空吊、離縫、軌距不良等運營病害。黔桂線定水壩、銀洞坡隧道內彈性支承塊式無砟軌道以及遂渝線隧道內雙塊式無砟軌道由于施工工藝和工程材料質量方面的問題出現過支承塊空吊、雙塊式軌枕松動、道床板開裂等病害。2011年7月遂渝線開行貨車之后，上述病害現象的發生呈上升趨勢。

2 隧道內重載鐵路無砟軌道選型原則

2.1 重載鐵路煤運通道長大隧道線路特點

結合我國山西中南部及蒙華鐵路煤運通道工程概況，總結分析重載鐵路煤運通道工程長大隧道線路主要有以下特點:

1)運量高、軸重大

大秦和大包等重載鐵路的運營實踐表明，列車軸重的增加將帶來軌道部件傷損增多、軌道幾何狀態變化加快、軌道大中修周期縮短等不利影響。山西中南部及蒙華鐵路煤運通道均按重載線路設計規劃，設計部分列車牽引質量10 000 t，遠期有可能開行30 t軸重貨車，且年運量也會非常大，高運量、大軸重的運營條件，對軌道結構的破壞作用可以預見。

2)橫向荷載大

目前山西中南部及蒙華重載鐵路煤運通道隧道設計最小曲線半徑均為800 m，列車軸重的增加勢必造成橫向荷載的增大，不僅對扣件系統的軌距保持能力及抗傾覆性能提出更高要求，對軌道結構橫向穩定性的要求也更為嚴格。

3)縱向荷載大

重載列車(特別是長編組重載及組合列車)對軌道結構產生的縱向荷載主要源于列車前后部制動力差，其與列車軸重、車長、編組方式、機車位置和配置、制動系統的性能和參數、線路縱橫斷面參數等多種因素有關。山西中南部及蒙華重載鐵路煤運通道隧道設計最大上坡6‰，最大下坡13‰，列車運行時產生的縱向力要求扣件系統具有相適應的縱向阻力，軌道結構應有較好縱向穩定性。

4)污染嚴重

大秦鐵路運營經驗表明，煤粉對隧道內軌道結構污染嚴重，且清理難度較大，對軌道彈性產生不利影響。山西中南部及蒙華重載鐵路通道均為運煤線路，設計中應考慮煤粉對軌道結構的影響。

5)地質條件復雜、部分地段地下水發育

山西中南部及蒙華重載鐵路煤運通道隧道眾多，分布在我國各個不同省份，地質條件復雜。長大隧道內的特點是溫度變化較小，且不受雨水侵蝕，可為無砟軌道鋪設提供良好的環境條件。但若隧道通過地段，地質條件較差，隧道地下水發育，處理不當將會對無砟軌道結構造成不利影響。

結合上述特點分析，我國重載鐵路隧道內無砟軌道結構的選擇必須與線路特點相適應。

2.2 長大隧道內重載鐵路無砟軌道選型原則

為研究重載鐵路隧道內無砟軌道結構形式，借鑒客運專線無砟軌道技術再創新研究成果，并結合線路特點，提出長大隧道內重載鐵路無砟軌道結構選型原則:

1)安全可靠性。在設計荷載作用下，無砟軌道結構具有足夠的承載強度儲備，線路應保持安全、可靠的幾何狀態。

2)耐久性。結合軌道結構生命周期理念，設計中考慮長期疲勞荷載，使無砟軌道結構滿足使用壽命要求。

3)良好的適應性。軌道結構應與隧道工程和軌道電路等站后工程有良好的適應性，同時，應與煤運通道具體條件相結合。

4)良好的施工性能。針對隧道條件，無砟軌道結構應便于組織和施工，制造和施工精度應易于保證，同時應能較易實現與有砟軌道的過渡。

5)較強的可修復性。在隧道工程變形超限、結構部件損壞時，無砟軌道結構應具有一定的調整量和可修復性。

6)適宜的彈性。為減緩輪軌沖擊力對軌道和車輛的不利影響，一般要求無砟軌道要有與有砟軌道相近的軌道彈性。

7)合理的經濟性。在滿足軌道結構安全可靠性和耐久性等的前提下，無砟軌道結構應盡可能降低建造成本，提高綜合效益。

3 重載鐵路隧道內無砟軌道選型分析

通過國內外研究應用情況的調研可以看出，目前國內尚無重載鐵路無砟軌道的應用先例，世界范圍內也僅有少數國家在重載線路上進行了無砟軌道結構的有益嘗試;總的來說，重載鐵路無砟軌道領域經驗尚不豐富，技術尚待完善。因此，在進行重載鐵路隧道內無砟軌道的結構選型時，有必要對國內外重載和客貨共線鐵路典型的無砟軌道結構進行總結和分析。

3.1 單元板式無砟軌道

主要由鋼軌、扣件系統、預制混凝土軌道板、砂漿充填層以及現澆鋼筋混凝土底座等部件構成。

單元板式無砟軌道鋪設于客貨共線鐵路贛龍線楓樹排隧道和遂渝線無砟軌道綜合試驗段。目前，遂渝線開行有25 t軸重貨運列車。

結構的主要優點有:結構形式簡單，力學傳遞路徑明確;預制軌道板采用工廠化生產，可施加預應力，質量(混凝土裂紋控制、絕緣處理等)易于控制;現澆混凝土量少，預制件現場組裝，施工進度快;外觀質量整潔美觀;結構可修復性較好。

存在的不足有:鋪軌時，軌道狀態調整工作量略大;經濟性一般;施工作業面相對較大，隧道內施工存在一定困難;對小半徑曲線適應性較差。

3.2 長枕埋入式無砟軌道

主要由混凝土道床板、整體式軌枕及配套扣件等部件構成。長枕埋入式無砟軌道結構以現澆混凝土的方式將整體預應力混凝土軌枕埋入道床板中，使之成為整體，為保證軌枕與現澆道床的牢固連接，在軌枕上設橫向預留孔，使道床上層縱向鋼筋穿過，以增強其整體性。

長枕埋入式無砟軌道鋪設于客貨共線鐵路渝懷線魚嘴2號隧道、圓梁山隧道和遂渝線無砟軌道綜合試驗段道岔區，遂渝線開行有25 t軸重貨運列車。

結構的主要優點有:結構形式簡單，整體性好，軌距保持能力強;經濟性較好;道床混凝土灌注成型，均為常規施工工藝，利于掌握，軌枕單根設置，曲線適應能力強;可利用現有軌枕工廠，制造方便;軌枕的運輸吊裝方便。

存在的不足有:新老混凝土結合面較大;軌道結構高度相對較大;施工質量易受工具軌、扣件等因素影響;可修復性一般。

3.3 雙塊式無砟軌道

主要由混凝土道床板、雙塊式軌枕及配套扣件等部件構成。工廠內預制通過桁架鋼筋相連的雙塊式軌枕，施工時將雙塊式軌枕組裝成軌排，與現澆混凝土形成整體結構。

雙塊式無砟軌道鋪設于襄渝線、遂渝線無砟軌道綜合試驗段等客貨混運線路。目前，遂渝線開行有25 t軸重貨運列車。

結構主要優點有:結構整體性較強;道床混凝土灌注成型，為常規施工工藝，便于施工;預制軌枕生產工藝利于掌握，具備成套生產設備;預制件較小，運輸吊裝方便;經濟性較好。

存在不足有:新老混凝土結合面易產生裂紋，控制較困難;工具軌施工，施工質量受工具軌、扣件等因素影響;可維護性一般。

3.4 直接式無砟軌道

直接式無砟軌道是現場灌注的鋼筋混凝土整體道床結構，鋼軌直接通過扣件系統與道床連接。西班牙、南非、加拿大和荷蘭等國重載和高速線的橋隧結構上應用的PACT無砟軌道結構形式，以及美國HTL大軸重環線上鋪設DFST軌道都屬于直接式無砟軌道結構。

結構主要優點有:由于道床板全部為現澆混凝土，軌道結構整體性較強;道床結構中無預制結構，不存在新老混凝土結合面粘結強度問題。

存在不足有:現澆混凝土量大，施工速度相對較慢;對于軌距、高低、軌底坡等軌道幾何尺寸在施工時較難控制，尤其對于設置曲線超高或順坡等特殊區段;施工中對扣件連接件固定的精度要求高，施工出現的誤差只能通過扣件自身調整。

3.5 彈性支承塊式無砟軌道

彈性支承塊式無砟軌道是在兩個獨立(或有連接)混凝土支承塊的下部及四周設橡膠套靴，支承塊底部與套靴間設橡膠彈性墊層，套靴周圍灌注混凝土而成型的一種無砟軌道結構形式。

彈性支承塊式無砟軌道作為一種低振動軌道結構，在國外高速鐵路、客貨共線鐵路和城市軌道交通領域均有廣泛應用。彈性支承塊式無砟軌道結構在我國干線鐵路隧道內(如秦嶺、烏鞘嶺隧道等)累計鋪設300 km，開行有最大軸重25 t貨運列車。美國TTCI試驗段開行有軸重35.4 t重載列車。

結構主要優點有:扣件和枕下墊板共同提供彈性，軌道結構彈性好;支承塊之間相互獨立，曲線適應性好;采用“自上而下”施工，工藝簡單，國內有前期施工及使用經驗;軌道結構可修復性較好。

存在的不足有:橡膠套靴防水、防塵性能需進一步研究;結構中彈性元件耐久性問題;軌道幾何形位的保持能力減弱。

4 結論

針對我國重載鐵路隧道特點，以上幾種典型無砟軌道結構性能綜合對比如表1所示。

表1 隧道內重載無砟軌道方案比選

由以上各種無砟軌道結構特點分析及表1對比可以看出:

1)各種無砟軌道結構均具有較好的耐久性，并能實現少維修。

2)對于單元板式無砟軌道結構，軌道板下水泥乳化瀝青砂漿承受重載運營條件的適應性仍有待研究;并且軌道結構的技術經濟性相對現澆道床結構不具優勢。

3)雙塊式、長枕埋入式以及直接式無砟軌道均為現澆整體道床結構，綜合性能較好。這3種無砟軌道結構受力體系基本相同，直接式無砟軌道施工性相對較差，并且對配套扣件系統要求較高，國內目前沒有工程實踐經驗。雙塊式與長枕埋入式無砟軌道結構在我國客貨混運的線路上有一定的應用經驗，但這兩種軌道結構彈性完全由扣件系統提供，針對重載運營條件，扣件的設計難度加大，且軌道結構可維修性能一般。

4)彈性支承塊式無砟軌道結構綜合性能良好，在我國客貨混運線路隧道內有一定規模的工程應用，在施工和養護維修方面已積累了較多經驗。從現場調研和美國試驗情況來看，總體狀態較好，是一種較為成熟的無砟軌道結構形式。彈性支承塊式無砟軌道通過在支承塊下和軌下設置雙層彈性墊層，使得軌道結構整體彈性較好，有利于降低重載運輸條件下的輪軌相互作用力并衰減對隧道基底的振動沖擊，且相對剛性道床而言，混凝土支承塊破損、隧道發生局部病害后具有一定的可維修性。

綜合以上分析，根據我國新建重載鐵路建設和運營特點，隧道內無砟軌道在安全可靠性滿足要求的前提下，側重于可修復性、低動力特性，以及從前期工程實踐經驗的角度考慮，隧道內彈性支承塊式無砟軌道結構為推薦方案;雙塊式和長枕埋入式無砟軌道結構可作為對比方案進行研究。

對于彈性支承塊式無砟軌道結構應用于重載鐵路需重點研究解決軌道結構剛度的合理匹配，彈性材料的耐久性以及重載運營條件下的軌距保持能力;雙塊式和長枕埋入式無砟軌道結構需開展針對重載運營條件的研究設計和優化，研究分析合理的剛度取值，設計配套扣件系統，并針對兩者新老混凝土結合面的粘結性能開展理論分析和相關試驗對比研究。

［1］趙國堂.高速鐵路無碴軌道結構［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］盧祖文.客運專線鐵路軌道［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

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