重載鐵路隧道內無砟軌道力學特性研究

楊文茂

摘要：鑒于無砟軌道諸多優點，在重載鐵路隧道內鋪設無砟軌道是一種較好的選擇，而國內外對于隧道內無砟軌道力學特性、選型設計的研究尚較少見。本文基于有限元理論建立了重載鐵路隧道內無砟軌道空間耦合實體分析模型，系統分析了四種無砟軌道型式在車輛荷載、隧道口溫度梯度作用下的力學特性，并對雙塊式無砟軌道軌枕塊—道床結合面粘結強度問題進行了探討。主要結論如下：①隧道口溫度梯度作用下，CRTSⅠ型板式軌道存在諸多問題：1）鋼軌、軌道板、底座板的縱向位移過大；2）軌道板易翹曲變形，帶動鋼軌變形致其縱向應力增大；3）軌道板脹縮擠壓道床板導致道床板局部應力過大；4）凸臺剪應力過大易被剪壞。故不推薦在重載鐵路隧道中使用該種軌道型式。②CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道對軌道結構限位能力較好，但軌枕塊—道床結合面較為薄弱，不足以抵抗25t以上軸重車輛所產生的荷載；通過軌枕塊側面鑿毛、植入外伸鋼筋等方式可提高結合面的強度。故不推薦使用未經改進的CRTSⅠ型雙塊式軌道。③彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道中橡膠套靴的存在可以較好地保護軌枕結構，顯著減小其縱向應力；同時套靴隔離了軌枕結構和道床，避免了類似CRTSI型雙塊式軌道中軌枕—道床結合面薄弱引起的一系列病害；但是這兩種無砟軌道對鋼軌及軌枕結構的垂橫向限位能力略顯不足。

Abstract： In view of many advantages of ballastless track， it is a good choice to pave ballastless track in tunnel for heavy haul railway. But there are few researches on the mechanical characteristics and design of ballastless track in tunnel. In this paper， spatial coupling solid model of ballastless track in tunnel for heavy haul railway is established based on the finite element theory. The mechanical characteristics of four types of ballastless tracks are analyzed under vehicle loads and temperature gradient， and the issue of bonding strength of sleeper-ballast bed interface for CRTSI bi-block track is discussed. The following conclusions are drawn： ①a lot of problems are exposed in CRTSI slab track under the temperature gradient of tunnel entrance： 1）longitudinal displacements of rail， track slab and bottom slab are overlarge； 2）bucking deformation of track slab is easy to occur， which causes the deformation of rail and increases its longitudinal stress； 3）the expansion and shrinkage of track slab cause overlarge stress of bottom slab； 4）the bulgy abutment bears overlarge shear stress and is prone to be damaged. Therefore， CRTSI slab track is not recommended in tunnel of heavy haul railway. ②CRTSI bi-block track has good performance in keeping the position of track structure. But the sleeper-ballast bed interface is too weak to bear the loads caused by vehicle of 25t or larger axle load. The bonding strength of interface can be enhanced by some measures like roughening the surface of sleeper and implanting steel bars in sleeper. Hence the unimproved CRTSI bi-block track is not recommended. ③For elastic bearing block track and elastic long sleeper track， the rubber boot can effectively protect the sleeper structure and decrease its longitudinal stress. Besides， the rubber boot separates the sleeper from ballast bed， which avoids some damages caused by the weakness of sleeper-ballast bed interface like CRTSI bi-block track. However， there is a slight deficiency in limiting the position of rail and sleeper for these two types of tracks.

關鍵詞：重載鐵路；無砟軌道；隧道；力學特性；結構設計

Key words： heavy haul railway；ballastless track；tunnel；mechanical characteristics；structural design

中圖分類號：U213.2+44 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0116-05

0 引言

重載鐵路具有運能大、效率高、成本低等優勢，受到世界各國鐵路的廣泛重視，已成為鐵路貨物運輸發展的共同趨勢。“十二五”期間，我國已在山西、陜西、內蒙古、新疆等省啟動多條運煤通道建設，掀起了重載鐵路建設新的高潮[1]。

國內外重載鐵路大多采用有砟軌道結構。在實際運營過程中，隨著運量逐年增大，鋼軌、焊接接頭及道岔的傷損數量大幅上升，道床殘余變形不斷增大、粉化板結日益嚴重，加劇了列車對軌下基礎的破壞和線路幾何狀態的惡化，形成軌道狀態的惡性循環[2]。另外，隨著行車密度和載重量的提高，軌道的維修工作更趨頻繁，但繁忙的干線鐵路，天窗兌現率越來越低，可用于重載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，作業空間受限，工作環境惡劣，有砟軌道結構養護維修作業更加困難[3]。再者，相對于無砟軌道，有砟軌道需要更大的隧道凈空，這意味著更大的隧道開挖斷面和更大的開挖難度，導致隧道建設成本的大幅增加[4]。

無砟軌道具有高平順性、高穩定性、良好的耐久性和少維修等優點，已在國內外高速鐵路以及客貨混運鐵路上得到了廣泛的應用。根據西康線秦嶺特長隧道內的養護維修經驗，無砟軌道養護維修工作量約是有砟軌道工作量的1/10。因此，重載鐵路隧道內鋪設無砟軌道不失為一種好的選擇。

然而，目前對于重載鐵路，國內外還沒有大規模鋪設無砟軌道的實踐經驗，國內外對于重載鐵路技術的研究大多局限于有砟軌道結構，對于無砟軌道結構對重載線路的適應性問題，系統、全面的研究尚不多見。因此，有必要針對重載鐵路隧道內無砟軌道結構力學特性以及選型、設計問題，進行系統的分析，為無砟軌道在重載隧道內的推廣應用提供理論基礎。

本文從力學分析角度對于重載鐵路隧道內無砟軌道的選型設計問題進行了一定的探索。基于有限元理論建立了重載鐵路無砟軌道空間耦合精細化分析模型，對于鋼軌、軌枕、道床等結構均采用實體單元進行模擬，扣件采用非線性彈簧單元進行模擬，剛度取值基于參數試驗。基于所建立的力學模型系統分析了CRTSⅠ型板式無砟軌道、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、彈性支承塊式無砟軌道、彈性長枕式無砟軌道在車輛垂、橫向荷載以及隧道口溫度梯度荷載條件下的力學特性。并對CRTSI型雙塊式無砟軌道普遍存在的軌枕塊與道床結合面粘結強度問題進行了深入的探討。

1 力學模型

基于有限元理論，借助ABAQUS軟件，分別針對CRTSⅠ型板式無砟軌道、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、彈性支承塊式無砟軌道、彈性長枕式無砟軌道四種軌道結構型式，建立空間耦合實體分析模型，如圖1所示。鋼軌及軌下結構均根據實際尺寸采用實體單元建模，對于不同軌道結構型式各結構層及細部特征進行精細化的模擬。扣件系統采用9根非線性彈簧阻尼單元進行模擬，可全面考慮扣件的縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度，同時可有效避免應力集中現象；扣件阻力、剛度取值基于參數試驗確定[5]。

2 不同無砟軌道結構力學特性分析

2.1 荷載工況 重載鐵路在軌道結構的設計過程中，車輛荷載的作用往往是大家最為關注的問題。同時，隧道內無砟軌道和無縫線路的設計要充分考慮隧道內外溫度差異引起的溫度力分布不均勻問題。因此，本節在分析無砟軌道結構力學特性時，主要考慮車輛垂、橫向荷載以及隧道口溫度梯度荷載作用的情況。

2.1.1 車輛荷載 根據《重載鐵路設計規范（報批稿）》，對于重載無砟軌道，結構設計荷載按以下方式取值：

①豎向設計荷載：Pd=α·Pj

式中：Pd為動輪載；α為動載系數，設計軸重為25t的特重三級線路取2.5，其他取3.0；Pj為靜輪載。

②橫向設計荷載：Q=0.8Pj

2.1.2 隧道口溫度梯度 關于隧道內外溫差取值，文獻[6]指出，根據我國與日本的觀測資料，夏季隧道內軌溫要比隧道外低20℃左右，冬季隧道內軌溫則比隧道外高17℃。可認為隧道內外的最大軌溫差為20℃。文獻[7]指出，據觀測，無論夏季或冬季，隧道內的軌溫與氣溫基本接近；夏季隧道內的氣溫、軌溫分別比隧道外低20～30℃，冬季隧道內氣溫、軌溫均高于隧道外3～8℃。綜合以上資料，考慮最不利的情況，本文計算中取隧道內外溫差為30℃。

關于隧道口溫度過渡段的長度，文獻[6]根據在北京局豐沙線隧道內外進行的軌溫測量結果得出結論：隧道內外軌溫變化過渡區大約在洞外15m范圍內。文獻[7]指出，溫度過渡段的長度因隧道長短、方向和通風條件的不同而不同，一般為10～50m。同樣考慮最不利的情況，取溫度過渡段長度為10m進行計算，則對應的溫度梯度取值為3℃/m。

2.2 力學特性分析 本節系統分析CRTSⅠ型板式無砟軌道、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、彈性支承塊式無砟軌道以及彈性長枕式無砟軌道四種軌道結構在車輛荷載和隧道口溫度梯度作用下的力學特性。

2.2.1 車輛荷載 以30t軸重車輛垂、橫向荷載為例，計算結果對比見表1、表2。

由表1、2可以看出，在車輛荷載作用下，CRTSⅠ型板式無砟軌道和CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的鋼軌垂、橫向位移均較小，說明其軌下垂、橫向剛度較大，對鋼軌的限位能力比較好。相比之下，彈性支承塊式無砟軌道和彈性長枕式無砟軌道由于橡膠套靴的存在，降低了其軌下支承剛度，削弱了對鋼軌的限位能力。

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道鋼軌動彎應力相差不大，而CRTSⅠ型板式無砟軌道鋼軌動彎應力明顯偏大，這也主要是由于其軌下支承剛度較大所致。

具有獨立軌枕結構的無砟軌道中，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的軌枕塊垂、橫向位移明顯較小，這說明其對軌枕塊的限位能力較強。彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道的軌枕結構垂、橫向位移均較大，說明其對軌枕的限位能力相對較弱。幾種無砟軌道道床結構垂、橫向位移相差不大，且均較小，垂向位移最大為0.15mm，橫向位移最大為0.038mm。

在垂向荷載作用下，軌枕和道床受壓應力為主，加裝橡膠套靴的彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道受力較CRTSI型雙塊式無砟軌道明顯偏小。在橫向荷載作用下，軌枕道床結構主要受拉應力，彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道的軌枕、道床縱向應力明顯小于CRTSI型雙塊式無砟軌道，但橫向應力比雙塊式無砟軌道大。總體來看，無砟軌道道床結構應力水平較低，一般不超過1.3MPa，軌枕結構應力相對較大。

2.2.2 隧道口溫度梯度荷載

隧道口溫度梯度荷載作用下不同軌道結構力學特性對比見表3。

由表3可以看出，在隧道口溫度梯度荷載條件下，CRTSⅠ型板式無砟軌道鋼軌、軌道板、底座板的縱向位移最大可達1.43mm，遠遠大于其它三種無砟軌道。這是由于CRTSⅠ型板式無砟軌道為單元板式結構，每塊軌道板都會產生一定的伸縮，而其它三種軌道結構的道床均為縱向連續的鋼筋混凝土結構。

CRTSⅠ型板式無砟軌道軌道板垂向位移及垂向相對位移（同一塊板垂向位移最大最小值之差）也明顯大于其他三種軌道結構，通過受力變形分布圖（圖2）可以看出，CRTSⅠ型板式無砟軌道在溫度梯度荷載下會比其他軌道結構更易產生翹曲變形，影響軌道結構強度和幾何形位。

CRTSⅠ型板式無砟軌道鋼軌縱向溫度應力也明顯較大，彈性長枕式無砟軌道鋼軌溫度應力相對最小。同樣由圖2可知，CRTSⅠ型板式無砟軌道在溫度梯度荷載下軌道板翹曲變形帶動鋼軌隨之變形，使板端位置處鋼軌的應力顯著增大。

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道軌枕塊縱向應力較大，可達10.97MPa，然而在加裝橡膠套靴后，軌枕塊縱向應力大大減小。彈性長枕式無砟軌道的軌枕縱向應力相對最小，僅為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的3.4%。由此可見，橡膠套靴放松了對軌枕塊脹縮變形的限制，對軌枕塊起到了有效的保護作用。

CRTSⅠ型板式無砟軌道并未起到降低軌道結構溫度應力的作用，其軌道板縱向應力可達4.12MPa，道床板縱向應力甚至達到15.71MPa，超過了相同荷載條件下的縱連式軌道。結合結構受力變形圖（圖3）可知，由于軌道板的伸縮變形對道床板產生了較強的拉壓作用，導致道床局部應力增大。

另外，CRTSⅠ型板式無砟軌道凸臺水平面所受剪應力較大，達到4.68MPa，凸臺很容易因此而被剪壞，如圖4所示。

3 CRTSI型雙塊式無砟軌道軌枕塊與道床粘結強度問題的討論

對于CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，軌枕塊為工廠內預制，而道床為現場澆筑。這樣一來，相對來說，軌枕塊為舊混凝土，而道床為新混凝土。大量的試驗測試和工程實踐表明，在新舊混凝土結合面處存在著一個過渡區，過渡區強度較小，是混凝土結構中較為薄弱的環節。

另外，在雙塊式無砟軌道中，新、舊混凝土的相對位置較為不利，更加劇了界面過渡區的產生和發展。道床（新混凝土）位于軌枕塊（舊混凝土）的下部和側部，在道床凝結硬化的過程中，位于軌枕塊下部的道床混凝土，由于混凝土泌水、氣泡截留于軌枕塊底部等原因，形成了更為薄弱的過渡區，進一步削弱了結合面的粘結性能。而位于軌枕塊側部的道床混凝土，更容易因為缺漿現象而降低結合面的粘結性能[8-10]。

而對于其它三種軌道結構來說，CRTSⅠ型板式無砟軌道的軌道板、底座板均為預制，只有砂漿層現澆，砂漿層強度較小，其本身強度就小于其與軌道板和底座板之間的粘結強度，故無需考慮結合面強度問題。彈性支承塊式無砟軌道和彈性長枕式無砟軌道由于橡膠套靴的存在，道床與軌枕塊本身就是分離的，故也不存在新舊混凝土粘結強度問題。因此，本節只針對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構，討論其普遍存在的新舊混凝土粘結強度問題。

3.1 軌枕塊—道床結合面抗剪強度

對于未植入鋼筋的混凝土，新舊混凝土結合面的抗剪強度與舊混凝土表面粗糙度存在著密切的關系[11]。粗糙度是影響粘結性能的一個重要因素，適當的粗糙度能夠有效提高混凝土的粘結質量。根據文獻[12]，表面粗糙度與粘結強度存在如圖5所示關系。

CRTSI型雙塊式無砟軌道施工中，軌枕塊表面較為光滑，未進行鑿毛處理，可認為其表面粗糙度為0，按照圖5中所示公式計算，結合面粘結強度為1.129MPa。當表面粗糙度為2mm左右時，根據圖5算得粘結強度為1.491MPa。因此可以假定，光滑表面比粗糙度為2mm左右時粘結強度降低了24%左右。另外，根據文獻[11]，表面粗糙度約為2mm時，結合面在未植筋、未刷界面劑情況下的抗剪強度約為新混凝土抗剪強度的58%左右。因此，可認為在較為光滑的條件下（表面粗糙度約為0），結合面抗剪強度約為新混凝土抗剪強度的58%×（1-24%）=44.08%。

綜合以上分析，樂觀估計，雙塊式無砟軌道軌枕塊與道床板結合面抗剪強度應在道床混凝土強度的45%以下。根據文獻[13]，C40混凝土純剪強度為1.35MPa，按45%折減為0.608MPa。

3.2 軌枕塊—道床結合面剪切應力分析

考察25t、30t、35t軸重車輛垂向荷載作用下，CRTSI型雙塊式無砟軌道軌枕塊—道床結合面的剪切應力分布情況。動載系數根據2.1.1節中討論取值，計算結果如圖6、7所示。

可以看出，當軸重達到25t時，軌枕—道床前后結合面剪切應力已接近限值，軸重更高情況下則剪切應力超出限值范圍，雙塊式軌枕與道床板間極易發生剪切破壞。

3.3 結合面加強措施初探

既有設計條件下，雙塊式軌枕表面較為光滑，通過下部鋼筋框架將兩個軌枕塊橫向連接，這樣既保證了軌枕塊的橫向剛度，也提高了軌枕塊底部與道床板的連接強度，確保軌枕塊不會因上拔力影響而破壞。但軌枕塊側面的光滑表面導致軌枕—道床側向連接較為薄弱，由上節計算結果可知，在重載條件下，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道存在軌枕—道床結合面抗剪強度不足的缺陷。針對此問題，須對軌枕塊側面進行改進處理，以適應重載運輸條件。

對軌枕塊側面的處理可以從側面鑿毛和設置軌枕塊外伸鋼筋兩方面來考慮。通過側面鑿毛，提高軌枕塊表面的粗糙度，對軌枕—道床結合面抗剪強度會有一定的提高，而設置軌枕塊外伸鋼筋對于提高結合面抗剪強度能夠起到更為顯著的效果。

根據文獻[11]，一般的鑿毛處理能使舊混凝土表面粗糙度達到2mm左右，在粗糙度為2mm的條件下澆筑混凝土，結合面抗剪強度為澆筑混凝土的58%左右，即約為：58%×1.35MPa=0.783MPa。

從圖8可以看出，軌枕塊側面經鑿毛處理后，無砟軌道結構能適應的軸重條件由25t提高至30t，且有一定安全余量，但仍不能滿足35t軸重的要求。

外伸鋼筋能夠更好地提高結合面粘結強度，具體提升比例與外伸鋼筋數量及鋼筋外伸長度有關。根據文獻[11]，在100mm×100mm試件上植入4根？準10鋼筋，并外伸50mm時，結合面抗剪強度提升至新混凝土抗剪強度的120%左右，外伸100mm時抗剪強度提升達新混凝土的200%左右。

可見，通過植入外伸鋼筋可使結合面抗剪強度超過新混凝土本身的抗剪強度。假定在雙塊式軌枕周圍外伸鋼筋，而抗剪強度為道床板抗剪強度的100%，即1.35MPa，在此情況下結合面抗剪強度對于重載條件的適應性如圖9所示。

此時，即使當車輛軸重增至35t時，雙塊式軌枕與道床板的結合面仍不會因車輛荷載的作用而被剪壞，且尚有較大安全余量。

4 結論

本文基于有限元理論建立了重載鐵路無砟軌道空間耦合精細化實體分析模型，系統分析了CRTSI型板式、CRTSI型雙塊式、彈性支承塊式、彈性長枕式無砟軌道在車輛荷載以及隧道口溫度梯度荷載條件下的力學特性，并對CRTSI型雙塊式無砟軌道軌枕塊與道床結合面粘結強度問題進行了探討。主要得出以下結論：

①隧道口溫度梯度荷載下，CRTSⅠ型板式無砟軌道存在諸多問題：1）鋼軌、軌道板、底座板的縱向位移過大；2）軌道板易產生翹曲變形，帶動鋼軌變形并導致鋼軌縱向應力增大；3）軌道板的脹縮會對下部的道床板產生較強的拉壓作用，導致道床板局部應力過大；4）凸臺剪切應力較大，易被剪壞。故不推薦在重載鐵路隧道中使用該種軌道結構型式。②CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道對軌道結構的限位能力較好。但在軌枕塊—道床結合面較為薄弱，結合面抗剪強度不足以抵抗25t以上軸重車輛所產生的荷載。通過在軌枕塊側面鑿毛、軌枕塊四周植入外伸鋼筋等方式可以在一定程度上提高軌枕—道床結合面的強度。故不推薦在重載鐵路隧道中使用未經改進和處理的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。③在彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道中，橡膠套靴的存在可以較好地保護軌枕結構，使其在隧道口溫度梯度荷載下不至于產生過大的縱向應力。同時，橡膠套靴隔離了軌枕塊和道床，使彈性支承塊式和彈性長枕式無砟軌道中不存在類似CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的軌枕—道床結合面，從而避免了因軌枕—道床結合面薄弱而產生的一系列病害。但是，這兩種無砟軌道對鋼軌及軌枕結構的垂橫向限位能力略顯不足。

研究可為重載鐵路隧道內無砟軌道的選型和優化設計提供理論依據和參考，為無砟軌道在重載鐵路隧道中的推廣應用奠定一定的研究基礎。

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