重載鐵路長大隧道內板式無砟軌道結構研究

趙 杰

(北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068)

1 概述

我國現有的重載鐵路線路均采用由木枕或混凝土枕和碎石道床組成的有砟軌道結構。在實際運營中，由于重載鐵路具有開行大軸重的重載單元列車、運量大、效率高等特點，必然使得軌道結構長期承受較大的荷載。由此造成軌道結構及其部件的損壞比普通線路更快，線路變形量較大，使得線路的維修和養護工作量、維修成本明顯增加[1-4]。在隧道內對重載鐵路有砟軌道進行養護和維修的工作更加困難，而且長大隧道內這一問題更加突出。

因此，在長大隧道地段采用少維修的無砟軌道結構是重載鐵路的必然選擇[5]。但對于重載鐵路，目前國內還沒有鋪設無砟軌道的實踐經驗，需要對軌道結構設計及配套的軌道部件進行研究。

當前隨著高速鐵路的發展，無砟軌道的采用被世界各國所公認。因此，可以借鑒客運專線，在重載鐵路長大隧道內鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道結構。本文基于有限元方法建立重載鐵路長大隧道內CRTSⅠ型板式無砟軌道結構空間耦合靜力分析模型，對列車軸重、砂漿充填層剛度、軌道板剛度和軌道板厚度等設計因素的影響規律進行了計算與分析。

我國在隧道地段采用的CRTSⅠ型板式無砟軌道標準斷面示意圖如圖1所示。

2 模型建立

重載鐵路長大隧道內無砟軌道無縫線路主要由75 kg/m重型鋼軌、WJ-8A型扣件、軌道板、凸型擋臺、樹脂填充層、CA砂漿層和支承層等結構構成。建立隧道內CRTSⅠ型板式無砟軌道結構以及隧道圍巖及襯砌結構的仿真模型，在列車荷載作用下進行靜力學計算，分析重載鐵路軌道結構受力及變形的變化趨勢。主要參數如下：

1)扣件間距為629 mm。

2)軌道板混凝土強度等級C60，寬度為2 400 mm，厚度為200 mm。

3)凸形擋臺采用C40級混凝土，半徑為260 mm，高度為260 mm，厚度為40 mm。

4)凸形擋臺周圍的樹脂填充層彈性系數是10 kN/mm±2 kN/mm，彈性模量取為25 MPa[6]。

5)軌道板下CA砂漿層厚度為50 mm，彈性模量取為300 MPa。

6)混凝土支承層采用C40級混凝土，寬度2 800 mm，厚度250 mm。

3 影響因素分析

3.1 列車軸重影響分析

隨著貨車軸重由25 t增加到30 t和35 t，軌道結構力學特性的主要計算結果見表1。

表1 不同軸重條件下軌道結構力學特性主要計算結果

由以上計算結果分析得出，在列車荷載作用下，當列車軸重由25 t增加到30 t和35 t時，軌道結構各項受力與變形均變大。其中，鋼軌最大垂向位移和鋼軌彎矩增大了約20%和40%，因此必須要采用重型鋼軌，提高鋼軌的材質。另外，砂漿充填層應力在容許范圍之內，但在重載列車的長期作用下，CRTSⅠ型板式無砟軌道的砂漿充填層可能會出現壓碎等現象。

3.2 砂漿充填層彈性模量影響分析

為考慮不同砂漿充填層對重載鐵路長大隧道內無砟軌道結構的影響，本部分比較分析砂漿充填層彈性模量由100 MPa一直增大到30 000 MPa時軌道結構的主要力學特性。不同的砂漿充填層彈性模量條件下的主要計算結果見表2。

表2 不同砂漿充填層彈性模量條件下軌道結構力學特性主要計算結果

由以上計算結果分析得出，隨著砂漿充填層彈性模量由100 MPa一直增大到30 000 MPa，鋼軌垂向位移、軌道板垂向位移和砂漿充填層最大垂向位移逐漸減小；在受力方面，軌道板和砂漿充填層最大應力有所增大，凸臺最大應力有所減小。由于砂漿充填層的主要作用是支撐軌道板和調整軌道板高低，其強度滿足要求。僅從重載鐵路的運營角度考慮，可以采用較大的彈性模量(如10 000 MPa)。

3.3 軌道板剛度折減影響分析

為考慮軌道板混凝土開裂對隧道內無砟軌道的影響，本部分比較分析軌道板剛度分別為不折減、折減至50%和折減至20%時，在列車豎向荷載作用下，軌道板剛度對結構的影響。不同的軌道板彈性模量條件下的主要計算結果見表3。

表3 不同軌道板剛度折減條件下軌道結構力學特性主要計算結果

由以上計算結果分析得出，隨著軌道板剛度由不折減、折減至50%～20%，在位移方面，鋼軌、軌道板和砂漿充填層最大垂向位移逐漸增大；在受力方面，軌道板和砂漿充填層最大應力逐漸增大，樹脂填充層最大應力緩慢增大。因此需要重點關注軌道板的狀態，防止軌道板發生斷裂。

3.4 軌道板厚度影響分析

為了適應重載鐵路的大軸重，所以加厚軌道板厚度。本部分比較分析軌道板厚度分別為200 mm，300 mm和400 mm時，軌道結構的受力與變形。不同的軌道板厚度條件下的主要計算結果見表4。

由以上計算結果分析得出，隨著軌道板厚度由0.2 m到0.4 m逐漸增大，在位移方面，鋼軌、軌道板和砂漿充填層最大垂向位移逐漸減小；在受力方面，軌道板、砂漿充填層和樹脂填充層最大應力逐漸減小。因此，在重載鐵路中采用CRTSⅠ型板式無砟軌道結構時，可通過采用增大軌道板厚度的方法來減小變形和應力，保證軌道結構的安全使用。

表4 不同軌道板厚度條件下軌道結構力學特性主要計算結果

4 結論及建議

1)列車軸重對隧道內CRTSⅠ型板式無砟軌道的受力與變形影響較大。隨著軸重的增加，隧道內無砟軌道結構的受力與變形都逐漸增大。另外，隨著軸重的增加，在重載列車的長期作用下，CRTSⅠ型板式無砟軌道的砂漿充填層可能會出現壓碎等現象。

2)隨著砂漿充填層彈性模量的增大，隧道內無砟軌道結構的變形減小，受力增大。由于砂漿充填層的主要作用是支撐軌道板和調整軌道板高低，其強度滿足要求。僅從重載鐵路的運營角度考慮，可以采用較大的彈性模量(如10 000 MPa)。

3)隨著軌道板剛度逐漸減小，隧道內無砟軌道結構的受力與變形均有所增加。因此需要重點關注軌道板的狀態，防止軌道板發生斷裂。

4)隨著軌道板厚度逐漸增大，隧道內無砟軌道結構的受力與變形均有所減小。因此，在重載鐵路中采用CRTSⅠ型板式無砟軌道結構時，可通過采用增大軌道板厚度的方法來減小變形和應力，保證軌道結構的安全使用。