雙塊式無砟軌道嵌套式軌道排架研究與應(yīng)用

姚坤鋒

中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600

智能建造是工程建造的發(fā)展方向，是新形勢下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢［1］。由于當(dāng)前雙塊式無砟軌道精調(diào)勞動強度較大，自動化水平不高，且不同人員操作對精調(diào)數(shù)據(jù)影響較大，施工過程中質(zhì)量不可控。為實現(xiàn)雙塊式無砟軌道智能化精調(diào)，需將軌道排架軌向調(diào)整設(shè)置為單側(cè)調(diào)節(jié)，于是出現(xiàn)了嵌套式軌道排架。將軌道排架自動精調(diào)機構(gòu)與嵌套式軌道排架的高程螺桿、軌向螺桿連接起來，能實現(xiàn)高程、軌向同時達到精調(diào)需求。本文對嵌套式軌道排架及其在鄭州—萬州高速鐵路中的應(yīng)用進行介紹和分析，為類似工程應(yīng)用提供參考。

1 嵌套式軌道排架

1.1 嵌套式軌道排架的組成

圖1 嵌套式軌道排架施工斷面

嵌套式軌道排架（圖1）由工具軌、托梁、高低螺桿、防護墻固定座、鎖定裝置等組成。托梁由內(nèi)外套組成，內(nèi)外套通過十字銷軸在豎向螺桿處連接，內(nèi)套可沿著外套滑動而不影響高程［2］。嵌套式軌道排架通過軌向調(diào)節(jié)撐桿調(diào)整軌道排架中線，取消了線路中部的斜支撐，高程螺桿底部設(shè)有保護座。

1.2 嵌套式軌道排架的工作原理

嵌套式軌道排架通過托梁內(nèi)外套滑動的方式實現(xiàn)軌向調(diào)整，將軌向與高程獨立調(diào)整。防護墻固定座與嵌套式托梁外套通過軌向撐拉桿牢固連接，每根工具軌與托梁內(nèi)套連接處設(shè)2個楔形夾板。楔形夾板處于軌道側(cè)面，保證軌距始終處于（1 435±0.5）mm范圍內(nèi)。施工過程中軌距若超過該范圍，可通過專用工具移動楔形夾板，起到調(diào)整軌距的作用［3］。

采用嵌套式軌道排架施工時，通過工具軌模擬線路正線軌道的幾何形位進行無砟道床澆筑，待混凝土達到規(guī)定的強度后，拆除軌道排架，最后統(tǒng)一鋪設(shè)正線軌道［4-5］。

1.3 嵌套式軌道排架施工流程

①在自動分枕機上完成嵌套式軌道排架與軌枕的智能組裝，通過調(diào)節(jié)軌向調(diào)節(jié)螺桿使托梁內(nèi)外套完成對中，操作嵌套式軌道排架上的角度調(diào)節(jié)螺桿將豎向螺桿調(diào)至適當(dāng)位置。②由粗鋪機將組裝完成的嵌套式軌道排架運送至預(yù)鋪位置，安裝防護墻固定座及配套撐拉桿。③軌排精調(diào)機上道并完成自校，全站儀自由設(shè)站后與軌排精調(diào)機進行通訊鎖定，將軌排精調(diào)機的伺服調(diào)整器連接到嵌套式軌道排架的高低螺桿和軌向調(diào)節(jié)螺桿上，如圖2所示。④啟動全站儀自動測量模式和軌排精調(diào)機自動精調(diào)模式開始測量，實測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實時處理并傳回控制系統(tǒng)，軌排精調(diào)機控制伺服調(diào)整器精確轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺桿，實現(xiàn)嵌套式軌道排架的軌向和高程調(diào)整。

圖2 嵌套式軌道排架與軌排精調(diào)機待連接狀態(tài)

2 嵌套式軌道排架在鄭萬高速鐵路無砟軌道施工中的應(yīng)用

2.1 工程概況

鄭萬高速鐵路橋梁段無砟軌道結(jié)構(gòu)的高度為715 mm，道床寬度為2 800 mm，道床板邊緣距防護墻距離為600 mm。無砟軌道的混凝土底座直接澆筑在橋面上，并采用預(yù)埋連接鋼筋與橋面連接。混凝土底座采用分塊式結(jié)構(gòu)，底座長度與寬度跟道床板的長度與寬度相同。每塊底座上設(shè)置2個抗剪凹槽。橋上曲線超高采用外軌抬高方式在混凝土底座上實現(xiàn)［6］。

鄭萬高速鐵路隧道段無砟軌道結(jié)構(gòu)的高度為515 mm，道床寬度為2 800 mm，道床板邊緣距水溝側(cè)墻距離為800 mm。除隧道洞口段200 m道床分塊設(shè)置外，其余地段道床板均采用連續(xù)澆筑，軌枕間距600～650 mm，一般取650 mm。

2.2 軌道排架長度的確定

鐵路的曲線半徑對于軌道排架的長度影響較大，曲線半徑較小時軌道排架的長度受到很大限制。鄭萬高速鐵路路基及隧道內(nèi)軌枕間距均為650 mm。為實現(xiàn)軌道排架順鋪，限定軌道排架長度L=600nmm，n為軌道排架懸掛的雙塊式軌枕個數(shù)。綜合考慮曲線半徑、軌道排架組裝效率、軌道排架成本、工裝運輸?shù)纫蛩兀琻取11，L=650×11=7 150 mm。懸掛雙塊式軌枕的軌道排架如圖3所示。

鄭萬高速鐵路橋上無砟軌道軌枕間距同路基和隧道內(nèi)略有不同。以橋梁中常見的32 m簡支梁為例，兩端、中間的軌道板軌枕間距分別為624、633 mm。需根據(jù)橋梁段無砟軌道軌枕分布情況，對嵌套式軌道排架進行設(shè)計。采用（6.855+6.330+6.330+6.330+6.855）m軌道排架組合方式進行32 m梁上無砟軌道施工，如圖4所示。

圖3 懸掛雙塊式軌枕的軌道排架（單位：mm）

圖4 32 m梁嵌套式軌道排架縱向分布（單位：m）

2.3 嵌套式軌道排架結(jié)構(gòu)強度和剛度的驗算

嵌套式軌道排架托梁采用內(nèi)外套結(jié)構(gòu)，矩形管內(nèi)套與60 kg∕m鋼軌通過楔形夾板連接成一體，承受自重、鋼軌及軌枕的重量［7］。為了保證嵌套式軌道排架結(jié)構(gòu)的安全，需驗算托梁在施加橫向荷載、調(diào)整出滿足正線軌道幾何形位的情況下，嵌套式軌道排架結(jié)構(gòu)的強度和剛度是否滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)要求。

軌道排架與雙塊式軌枕組裝完成后，澆筑混凝土之前軌道排架承受自重和軌枕重量［8］。澆筑之后混凝土初凝前可視為液體，軌道排架還要承受雙塊式軌枕傳遞來的液體浮力。單個軌枕的液體浮力F的計算公式為

式中：V為軌枕浸入澆筑混凝土的體積，mm3；γc為液態(tài)混凝土重度，N∕mm3。

組裝完成的軌道排架每個懸掛點按照四點接觸，結(jié)構(gòu)自重、軌枕重量及液體浮力平均分配到每個懸掛點［9］。

采用7150型嵌套式軌道排架進行有限元數(shù)值模擬。矩形鋼管結(jié)構(gòu)采用板單元，鋼軌采用三維實體單元，單元形狀盡量接近正方形或正方體［10］。軌道排架中鋼軌長度為7.142 m，4根托梁間距均取1.950 m。每榀嵌套式軌道排架通過8根高程螺桿與地面剛性連接，高程螺桿與托梁內(nèi)套剛性連接。托梁一端x，y，z三個方向均固定，另一端通過調(diào)節(jié)螺桿施加橫向調(diào)整力，即沿y向施加荷載10 kN，每榀嵌套式軌道排架上均勻分布11塊軌枕，單塊軌枕質(zhì)量為250 kg。嵌套式軌道排架計算模型見圖5。

圖5 嵌套式軌道排架計算模型

嵌套式軌道排架材料采用Q345鋼，其楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7.85 kg∕m3；結(jié)構(gòu)自重（包含鋼軌及托梁）20.3 kN，每根托梁橫向調(diào)整力10 kN。每塊軌枕重量2.5 kN，安全系數(shù)取1.3，則11塊軌枕總重量F=2.5×11×1.3=35.75 kN。均布荷載q=F∕（nL）=35.75∕（2×7150）=2.5 N∕mm。

嵌套式軌道排架應(yīng)力和位移計算結(jié)果見圖6。可知，嵌套式軌道排架托梁內(nèi)套最大應(yīng)力為49.4 MPa＜應(yīng)力容許值［σ］=230 MPa，可見嵌套式軌道排架的強度滿足設(shè)計要求。托梁內(nèi)套矩形鋼管最大位移為1.134mm＜撓度容許值［f］=l∕800=3000∕800=3.75mm，l為托梁長度。可見嵌套式軌道排架的剛度滿足設(shè)計要求。

圖6 嵌套式軌道排架應(yīng)力和位移計算結(jié)果（單位：MPa）

2.4 嵌套式軌道排架現(xiàn)場應(yīng)用效果

對采用雙塊式無砟軌道嵌套式軌道排架施工的鄭萬高速鐵路郝家灣特大橋一跨32 m梁的軌道幾何形位進行了現(xiàn)場測量。軌檢小車在每個軌道排架托梁處所測的軌向及軌距偏差見圖7。其中：1?6.8?01為32 m梁中第1榀長6.855 m軌排的第1根托梁，每榀軌排均設(shè)有4根托梁，其余以此類推。

圖7 32 m梁嵌套式軌道排架托梁處軌向和軌距偏差

由圖7可知：32 m梁嵌套式軌道排架托梁處軌向的平均偏差僅為0.33 mm，最大偏差為1.50 mm，嵌套式軌道排架托梁處軌距的平均偏差僅為0.08 mm，最大偏差為0.30 mm，其整體偏差均滿足TB 10754—2018《高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標準》中規(guī)定的軌向允許偏差±2mm、軌距允許偏差±1mm的要求。

3 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)軌道排架相比，嵌套式軌道排架通過設(shè)置托梁內(nèi)外套將軌向與高程獨立調(diào)整，通過軌向調(diào)節(jié)螺桿實現(xiàn)軌道排架托梁內(nèi)外套的相對滑動，從而實現(xiàn)軌向的調(diào)整及鎖定功能。嵌套式軌道排架配合智能化軌道排架精調(diào)機施工，還可大大縮短道床精調(diào)時間，提高施工效率。

2）隧道與路基采用統(tǒng)一型號的7150型嵌套式軌道排架，橋梁采用6855型、6330型嵌套式軌道排架施作無砟軌道，滿足了隧路橋三種工況下的無砟軌道施工。

3）對嵌套式軌道排架結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，其強度和剛度均滿足結(jié)構(gòu)使用要求。

目前雙塊式無砟軌道嵌套式軌道排架正在鄭萬高速鐵路各站前無砟軌道標段按計劃施工，嵌套式軌道排架完全滿足CRTS雙塊式無砟軌道智能化施工的要求，值得推廣應(yīng)用。