高速鐵路新型大調整量彈性長枕式無砟軌道結構研究

李 瑩，楊榮山，鐘澤方，姚 力，龐 玲，江萬紅

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

截至2019年底，我國共建成高速鐵路隧道3 442座，運營總長5 515 km[1]。無砟軌道因其整體性好、穩定性高和維修量少等優勢，已成為我國高速鐵路隧道內的主要軌道形式[2]。根據運營線路的現場調研，我國隧道內無砟軌道的總體使用情況良好，但由于隧道工程水文地質條件復雜，受施工質量、下部基礎變形、隧道滲水等不利因素的影響[3-4]，在列車荷載和環境因素的長期作用下，容易產生道床不均勻沉降的病害。當變形超過扣件調整范圍，將會影響線路的正常運營。

目前，我國隧道內無砟軌道結構類型主要有長枕埋入式、彈性支承塊式和雙塊式無砟軌道[5]。這幾種無砟軌道均采用現澆道床結構，雖然滿足高速鐵路高平順性的要求，但受限于隧道凈空較小，導致操作難度大，施工效率低。針對隧道內無砟軌道線路變形過大的問題，有關學者進行了大量研究，徐鵬[6]提出通過揭板調整CA砂漿厚度的方案，解決隧道內I型板式無砟軌道起拱問題；李強[7]采取分段拆換仰拱、填充和支撐層，分段現澆道床板的方法，實現了隧底病害的徹底整治；歐陽旋宇[8]研究發現排水降壓和注漿加固的整治方案可有效整治軌道上拱病害；李鐵鐘[9]為解決隧道軌道上拱問題，結合現場實際情況，采用隧底抗拔錨桿注漿錨固+軌道板鉆孔植筋加固的綜合整治方案；趙彥旭[10]研究分析巖溶地區隧道內無砟軌道上拱變形產生的原因，提出了打孔排水減壓、底板錨固和增設泄水洞的綜合治理方案。以上方法雖能較為有效解決隧道內線下基礎變形病害，但普遍存在施工難度大、成本高、耗時長且須中斷線路運營等缺點。

針對復雜艱險山區隧道內無砟軌道調整量小、基礎變形病害整治難度大的問題，根據“多級可調，單元分層，層間加強”的設計理念，提出了一種豎向調高系統由“扣件+承軌臺+枕下墊板”結合的新型彈性長枕式無砟軌道，可實現較大范圍的豎向調高，以達到高效施工，快速修復的目的。為進一步分析該新型軌道的適用性、合理性，通過有限元法進行力學仿真計算，分析軌道結構不同調高狀態下的受力與變形。

1 軌道結構概況

新型彈性長枕式無砟軌道主要由與高承軌臺一體的彈性長枕、連接鋼管、枕下墊板、橡膠套靴、預制軌道板和普通混凝土墊層組成，如圖1所示。結合現有設計及隧道容許寬度[11]，軌道設計寬度取3 100 mm。為提高施工效率，減小施工誤差，高承軌臺彈性長枕、枕下墊板和預制框架板均采用預制結構。橡膠套靴包裹高承軌臺彈性長枕和枕下墊板嵌入軌道板中，以便于快速更換不同厚度的枕下墊板進行調高。連接鋼管[12]將軌道板進行橫向剛性連接，加強了軌道結構的整體性。軌道板通過鋪板機鋪設，準確定位，下部灌注流動性相對較好的普通混凝土。

圖1 新型彈性長枕式無砟軌道結構(單位：mm)

新型彈性長枕式無砟軌道結構具有施工效率高、施工難度低、整體性好、具有一定減振性能等優點。由于各部件獨立性較強，易于拆卸，可快速維修、調整高度，實現軌道結構對基礎變形的適應。

無砟軌道及過渡段采用的彈性扣件高程調整范圍為-4～+26 mm[13]。當無砟軌道結構發生上拱變形時，首先進行扣件調整；若扣件調高不足抵消變形，可通過起道的方式頂起鋼軌、撤出軌枕，同時更換或去除枕下墊板，以實現軌道結構-50～+20 mm的調整量；若變形過大時，亦可對承軌臺的上表面進行機械打磨或更換為普通承軌臺，以降低承軌臺的高度，實現軌道結構-50～0 mm的調整。通過扣件、更換枕下墊板與打磨承軌臺三級調整后，該新型彈性長枕式無砟軌道最大可實現-104～+46 mm的垂向調整量，能夠有效調整豎向變形，操作方便快捷，施工效率高。

2 軌道結構力學分析

2.1 計算模型與荷載取值

根據新型彈性長枕式無砟軌道的結構特點和受力特征，建立新型彈性長枕式無砟軌道靜力學計算模型，如圖2所示。其中，鋼軌用Euler梁單元模擬；扣件系統用線性彈簧單元模擬，與鋼軌及彈性長枕相連；軌道板、彈性長枕、普通混凝土墊層、仰拱、板下墊板、橡膠套靴和凸形擋臺均采用實體單元模擬。

圖2 新型彈性長枕式無砟軌道靜力學計算模型

模型主要計算參數如表1所示。

表1 新型彈性長枕式無砟軌道計算參數

計算時列車荷載以單軸雙輪形式加載，列車豎向荷載取為靜輪載(17 t軸重)的1.5倍，即雙輪載取255 kN；橫向力大小為靜輪載的0.4倍[18]，即68 kN；縱向力考慮制動力，取值為75.901 kN[19]。

2.2 橡膠套靴彈性的影響

新型彈性長枕式無砟軌道中長枕兩端由厚度為7 mm的橡膠套靴包裹，為長枕提供周向支撐剛度。長枕底部另有厚度為50 mm的枕下墊板(主要用于調高)為長枕提供豎向支撐剛度，使新型彈性長枕式無砟軌道具有良好的減振降噪功能。在彈性長枕式無砟軌道中，套靴采用橡膠材料，彈性模量可調整范圍較大，而現有橡膠套靴彈性模量一般為3 MPa左右[20]，為分析橡膠套靴對軌道結構受力的影響，取橡膠套靴彈性模量為3～15 MPa。

鋼軌橫垂向位移、軌道板拉應力、混凝土澆筑壓應力、凸形擋臺拉應力和枕下墊板壓應力隨橡膠套靴彈性模量的變化規律如圖3、圖4所示。

圖3 不同橡膠套靴彈性模量下的鋼軌位移

圖4 不同橡膠套靴彈性模量下的應力分布

由圖3、圖4可知，鋼軌垂向位移和橫向位移隨著橡膠套靴的彈性模量增大而減小，枕下墊板壓應力也與橡膠套靴的彈性模量呈負相關。而軌道板拉應力、混凝土澆筑層壓應力和凸形擋臺拉應力隨橡膠套靴彈性模量增大而增大，呈正相關。當橡膠套靴彈性模量為9 MPa時，鋼軌垂向位移為1.48 mm，接近基準值1.5 mm[21]，橫向位移為1.16 mm。軌道拉應力為0.133 MPa，混凝土澆筑層壓應力為0.046 MPa，凸形擋臺拉應力為0.025 MPa，遠小于結構的強度限值。

因此，考慮到列車高速行車和減振降噪的要求，同時結合鋼軌位移限值，橡膠套靴的彈性模量宜取9 MPa。

2.3 枕下墊板厚度的影響

枕下墊板作為軌道結構主要的調高部件，厚度變化較大。為分析枕下墊板厚度變化對軌道結構受力影響，取枕下墊板厚度為0～100 mm，橡膠套靴彈性模量取9 MPa。鋼軌橫垂向位移、軌道板拉應力、混凝土澆筑層壓應力及凸形擋臺拉應力隨枕下墊板厚度變化關系如圖5、圖 6所示。

圖5 不同枕下墊板厚度下的鋼軌位移

圖6 不同枕下墊板厚度下的應力分布

由圖5、圖6可得，鋼軌垂、橫向位移與枕下墊板厚度呈正增長關系。當枕下墊板厚度為70 mm時，鋼軌垂向位移為1.495 mm，橫向位移為1.162 mm，接近其位移限值；軌道板拉應力、混凝土澆筑壓應力和凸形擋臺拉應力與墊板厚度均與枕下墊板厚度呈現正相關，但均遠小于對應結構的強度限值。

因此，當通過更換枕下墊板能夠實現軌道結構-50～+20 mm的調整時，該新型無砟軌道結構能保證列車高速行車的要求。

2.4 承軌臺高度的影響

新型彈性長枕式無砟軌道采用高承軌臺彈性長枕，高承軌臺較普通承軌臺高出50 mm。為分析承軌臺高度的影響，取承軌臺塊高度為0～50 mm進行討論(本文承軌臺高度為相比普通承軌臺的高度值)。前述研究表明枕下墊板厚度越大，鋼軌垂橫向位移越大，故考慮最不利情況，研究時取枕下墊板厚度為70 mm，橡膠套靴彈性模量取9 MPa。

鋼軌橫垂向位移、軌道板拉應力、混凝土澆筑層壓應力及凸形擋臺拉應力、枕下墊板壓應力隨承軌臺塊高度的變化如圖7、圖8所示。

圖7 不同承軌臺高度下的鋼軌位移

圖8 不同承軌臺高度下的應力分布

由圖7、圖8可得，鋼軌垂橫向位移受承軌臺高度變化的影響較小；混凝土壓應力、凸形擋臺拉應力和枕下墊板壓應力隨承軌臺高度增加而小幅度增大；軌道板拉應力隨承軌臺高度增加而小幅度減小，同時均小于結構應力允許限值。

因此，當通過打磨承軌臺能夠實現軌道結構-50～0 mm的調整時，軌道結構的各項力學指標變化較小，且均滿足相關技術標準要求。

3 結論

針對復雜艱險山區隧道內無砟軌道調整量小、基礎變形病害整治難度大的問題，經研究分析，主要結論如下。

(1) 提出一種高度可調、能夠主動適應基礎變形的新型彈性長枕式無砟軌道，其豎向調高系統由“扣件+承軌臺+枕下墊板”組成，具有高效施工，快速修復的優點。

(2)為滿足軌道結構調高要求，并兼具減振降噪，新型彈性長枕式無砟軌道的橡膠套靴彈性模量建議取9 MPa。

(3)靜力學計算表明，通過更換枕下墊板和打磨承軌臺可實現新型彈性長枕式無砟軌道結構垂向-106～+46 mm的調整量。