山西中南部鐵路通道試驗段無砟軌道設計

李　敏，牛　瑞

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055；2.無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫　214000)

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山西中南部鐵路通道試驗段無砟軌道設計

李敏1，牛瑞2

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055；2.無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫214000)

結合30 t軸重無砟軌道結構設計原則，通過不同的試驗數據、理論計算等，得到30 t軸重重載無砟軌道設計參數，提出適用于山西中南部鐵路通道工程30 t軸重重載鐵路隧道內無砟軌道設計方案，并結合既有無砟軌道調研病害情況，提出具體的優化建議措施；優化后的重載無砟軌道試驗及開通后運營良好，為試驗段重載無砟軌道結構在山西中南部鐵路通道隧道內及其他重載鐵路的擴大試用奠定了基礎。

重載鐵路；無砟軌道；設計參數；方案選型 ；結構設計

1　概述

重載鐵路速度相對較低，對于以貨運為主且運量較大的鐵路，長大隧道內鋪設少維修的無砟軌道結構具有更大優勢。山西中南部鐵路長子南—平順段試驗段(DK482+400～DK574+200)，正線長度91.8 km，試驗段內含橋梁43座(有30 t軸重荷載設計的簡支梁、連續梁及鋼桁梁)，隧道10座；紅嶺隧道和吾沿河隧道2座隧道為原鐵道部確定的無砟軌道鋪設試驗研究工點，包括彈性支承塊、雙塊式及長枕埋入式3種無砟軌道類型，其余地段均為有砟軌道。其中吾沿河隧道全長9.1 km，小里程端為半徑1 600 m曲線，出口端為半徑800 m曲線，線路坡度為10.3‰～11‰，紅嶺隧道全長4.852 km，小里程端為半徑1 200 m曲線，線路坡度為10.5‰～11‰。

2　30 t軸重無砟軌道結構設計原則

因本線以貨運為主，兼顧部分客運，隧道內無砟軌道結構設計在具有足夠強度、穩定性、耐久性的基礎上，應遵循以下設計原則：

(1)根據本線的技術標準及軸重等特點，確定合理的無砟軌道設計參數；

(2)根據具體的參數，合理選擇適宜的軌道部件，重點兼顧貨運列車低動力特性，減緩輪軌之間的沖擊對軌道和車輛的不利影響；

(3)結合山西中南部鐵路長大隧道工程實施情況及具體的地質情況，新型隧道內無砟軌道結構具有良好的適應性；

(4)擬采用的隧道內無砟軌道結構應具有良好的經濟性。

3　30 t軸重無砟軌道結構設計

3.130 t軸重無砟軌道結構選型

鑒于國內尚無重載鐵路無砟軌道的工程實踐，前期客貨混運線路采用的無砟軌道結構主要有雙塊式、長枕埋入式和彈性支承塊式。

表1為結合我國3種無砟軌道具體的傷損及對本線的適應性分析[1]。

表1　重載鐵路隧道內無砟軌道選型對比分析

從表1可看出，目前3種無砟軌道經采取措施后都可適應本線工程，結合《30 t軸重重載鐵路隧道內無砟軌道關鍵技術研究》課題成果(課題編號：2011G028-C)，最終確定在山西中南部鐵路通道隧道內鋪設了重載彈性支承塊式、重載雙塊式和重載長枕埋入式無砟軌道，同時進行重載無砟軌道方案及配套扣件的試鋪和試驗。

重載彈性支撐塊式無砟軌道結構采用彈條Ⅶ型扣件(預埋鐵座結構)，采用重載彈性支承塊軌枕，扣件間距采用600 mm，軌道結構高度647 mm(60 kg/m鋼軌)[2]。

重載雙塊式無砟軌道結構采用WJ-12型扣件(預埋鐵座結構)，扣件間距采用625 mm，軌道結構高度557 mm(60 kg/m鋼軌)[2]。

重載長枕埋入式無砟軌道結構配套扣件及間距與重載雙塊式無砟軌道結構一致，軌道結構高度為615 mm[2]。

對于距洞口200 m范圍以外無砟軌道采用連續澆筑，距洞口200 m范圍以內道床采用分塊澆筑，單元長度按12 m或12.5 m，道床板混凝土采用C40[2]。

3.230 t軸重無砟軌道結構列車荷載

列車荷載通常包括設計最大輪載及疲勞檢算荷載時的常用輪載。一般即可對實際線路實測后得到常用輪載，后考慮一定的安全系數確定設計輪載，而設計最大輪載根據特殊工況如車輪扁疤及焊縫不平順通過動力學確定。本工程的相關荷載取值如下。

3.2.1橫向荷載

國內有砟軌道貨運線路的測試數據表明，25 t貨車輪軌橫向力最大值不超過90 kN(最小曲線半徑600 m)。25 t軸重貨車通過遂渝線無砟軌道綜合試驗1 600、1 800、2 500 m曲線時輪軌橫向力范圍為15～55 kN。30 t軸重貨車試驗最大橫向力為107 kN。國外35.4 t軸重列車在半徑350 m曲線上，列車狀況及軌道狀況良好，測試最大橫向荷載為99.8 kN。

通過對國內外重載有砟軌道鐵路動態試驗、無砟軌道貨車動態試驗，得到列車動態橫向荷載、動態輪軌力等數據統計后認為：山西中南部通道鐵路隧道內設計最小曲線半徑為800 m，參照國內外試驗數據統計結果，按照30 t軸重列車的運營條件考慮，列車橫向荷載按100 kN計[3]。

3.2.2無砟軌道設計輪重的動力學模擬分析

(1)車輪扁疤的動力學分析

如圖1所示，通過對不同速度工況下，輪軌沖擊力的動力學模擬仿真可知，30 t軸重貨車車輪扁疤引起的最大輪軌沖擊作用力為384.785 kN，為其靜輪重(150 kN)的2.56倍。

圖1　不同時速車輪扁疤的輪軌沖擊作用力

(2)鋼軌寬軌縫的動力學分析

通過模擬計算，得到30 t軸重貨車通過18 mm構造軌縫處輪軌沖擊力最大值為225.795 kN，為其靜輪重(150 kN)的1.51倍[3]。

(3)鋼軌焊縫不平順的動力學分析

通過模擬計算，得到30 t軸重貨車通過鋼軌焊接區焊縫不平順引起的輪軌動作用力最大值為187.647 kN，為其靜輪重的1.25倍。

根據動力學仿真計算結果，并結合國內外重載貨運列車的相關試驗測試數據，山西中南部鐵路隧道內無砟軌道結構設計列車垂向荷載的動力系數取3.0[3]。

3.2.3軌道剛度的合理匹配

軌道結構剛度對輪軌動力作用影響甚大，尤其是軌下膠墊剛度對輪軌動力作用影響巨大。世界各國彈性墊層的剛度指標一般在理論分析的基礎上，根據使用經驗綜合確定。因此降低軌下基礎剛度，增加彈性，有選擇地采用高彈性墊板，彈性軌枕等一系列措施[4]。

經大量試驗研究，隧道內彈性支承塊式無砟軌道軌下墊板剛度范圍為120～160 kN/mm，支承塊下墊板剛度范圍為70～100 kN/mm；雙塊式無砟軌道軌下墊板剛度范圍為40～60 kN/mm[4]。

3.3重載無砟軌道道床板受力分析計算

依據目前國內無砟軌道設計理論與方法、技術標準和質量控制體系中對于隧道內連續式無砟軌道結構計算主要有以下幾種荷載組合形式[5]：

(1)3倍列車荷載；

(2)最大溫度力；

(3)1.5倍列車荷載+溫度力。

對3種荷載組合工況進行對比分析，第3種荷載組合為最不利工況，本次結構設計計算采用1.5倍列車荷載+溫度力工況[6]。

采用有限元軟件對試驗段隧道內重載雙塊式無砟軌道、重載彈性支承塊式無砟軌道、重載長枕埋入式無砟軌道結構分別模擬直線段和曲線段各軌道部件及道床板受力狀況，分析結果見表2～表4[7]。

表2　距洞口200 m范圍內道床板應力計算結果(直線段)　MPa

表3　距洞口200 m范圍內道床板應力

表4　距洞口200 m范圍外道床板應力計算結果　MPa

從上述計算結果可看出，由于洞口采用了單元式結構及受溫度力影響，道床板板頂及板底縱橫向拉應力都明顯高于洞內其他地段，因此洞口處3種重載無砟軌道結構設計都應加強，因此從減小無砟軌道道床板應力角度看無砟軌道結構應優先采用連續式。3種重載無砟軌道結構對曲線地段都有較好的適應性，較直線段應力增加有限。3種重載無砟軌道受力均可滿足本線試驗的軸重要求[7]。

4　相關結論及建議

通過上述選型分析及受力分析可以看出：上述3種重載無砟軌道結構均具有良好的安全可靠性，雙塊式與長枕埋入式形式及特點具有相通性，兩者的加強措施具有通用性。

針對本線運營特點，并結合國內外既有線無砟軌道調研病害等情況，通過完善和加強結構設計，提出了適用于本試驗段的建議措施[7]。

4.1重載雙塊式無砟軌道結構設計細部優化加強措施

重載雙塊式無砟軌道存在新老混凝土結合面易產生裂紋、裂紋控制較難、軌枕損壞較難修復等缺點。主要原因是雙塊式軌枕與道床之間的二次澆筑，其結合面存在新老混凝土結合不足，其結合面在長期荷載及溫度力作用下易形成疲勞開裂[8]。

為彌補這一不足，針對重載雙塊式無砟軌道主要采取的措施有：

(1)雙塊式軌枕中預留4個孔，道床上的縱向鋼筋貫穿軌枕，提高軌枕與道床新老混凝土結合面處的抗剪及抗拉強度；

(2)為增加新老混凝土結合面的粘結，將軌枕脫模后立即對軌枕側面用水進行沖刷處理，增加新老結合面的粗糙度。

4.2重載彈性支承塊式無砟軌道結構設計細部優化加強措施

彈性支承塊式無砟軌道結構存在的主要問題有橡膠套靴防水、防塵性能差，軌道幾何形位的保持能力減弱[9]。

針對上述缺點，重載彈性支承塊式無砟軌道結構采取的措施主要有：

(1)為防止粉塵及水等進入套靴內部，在套靴口四周塊與道床之間采用密封膠將道床與套靴間的縫隙封閉；

(2)為防止支承塊四周道床開裂，在支承塊四周設置2根構造箍筋。

山西中南部鐵路通道長子南—平順段試驗段已于2014年開通，成功進行了30 t軸重的相關試驗。經試驗測試，3種重載無砟軌道運營狀況良好，并于同年在山西中南部鐵路通道長度大于0.5 km以上的隧道內進行了擴大試鋪，進一步提升了國內重載鐵路技術，填補了我國重載鐵路大規模鋪設無砟軌道運營實踐經驗的空白。山西中南部鐵路通道是我國首條大規模鋪設重載無砟軌道結構的工程應用，為我國其他重載鐵路無砟軌道的選型奠定了很好的基礎。

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Ballastless Track Design of Test Section of Shanxi Center-south Railway

LI Min1， NIU Rui2

(1.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China;2.Wuxi Metro Group Co.， Ltd. Construction Branch， Wuxi 214000， China)

Based on 30 t axle load ballastless track structure theoretical calculation and experimental data， design parameters for 30 t axle load ballastless track are obtained and the design scheme for ballastless track structure in the tunnel is proposed and specific optimizations are recommended in view of the existing ballastless track defects. The optimized heavy load ballastless track is tested and remains in good condition in service， which have laid foundation for further application of such heavy ballastless track in the tunnels of Shanxi center-south railway and other heavy haul railways．

Heavy haul railway; Ballastless track; Design parameters; Scheme selection; Structure design

2016-01-12；

2016-04-12

鐵道部科技研究開發計劃項目(2011G028-C)

李敏(1982—)，女，高級工程師，2008年畢業于北京交通大學道路與鐵道工程專業，工學碩士，主要從事軌道工程設計與研究工作，E-mail：21801586@qq.com。

1004-2954(2016)09-0001-03

U213.2+44

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.001