高原鐵路隧道地段單元式道床板植筋檢算

劉啟賓 魏周春 徐 旸 褚衛松 趙志強

(1.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

某高原鐵路為設計速度目標值200 km/h的客貨共線鐵路，設計最大軸重為25 t[1-3]。鐵路沿線工程與環境條件復雜，養護維修條件極為惡劣，為降低運營期線路養護維修工作量，正線以采用少維護且在隧道地段具有良好經濟性能的雙塊式無砟軌道為主[4-5]。現行雙塊式無砟軌道通用參考圖中，隧道地段雙塊式無砟軌道為連續式結構，一般地段與隧道基礎之間依靠道床與基底的粘結進行限位[6]。根據現有應用經驗，連續式結構道床病害多、裂縫修補工作量大[7-8]，尤其在高原鐵路沿線工程與環境條件極為復雜的情況下，鋼筋混凝土道床結構的耐久性以及運營期的養護維修均面臨巨大挑戰。同時，該線具有地質條件復雜、線下基礎變形風險高等特點[9-10]，縱連式無砟軌道整治、修復難度大，采用單元式結構有利于養護維修及應急搶修[11-13]。因此，為提高道床結構耐久性、降低運營期養護維修工作量、提高無砟道床對沿線工程與環境條件的適應性，推薦隧道地段采用單元式道床板結構。

道床結構單元化能大幅降低裂縫出現的概率，但道床整體穩定性被削弱，為確保其與隧道基礎間連接的可靠性，需采用植筋加強二者之間的連接。為確保植筋設置的可靠性與經濟性，基于數值分析方法對道床板與隧道基礎之間植筋設置情況進行檢算分析，為高原鐵路無砟軌道結構設計提供支持。

1 荷載效應

該鐵路為客貨共線鐵路，運行的基本車型有3種，見表1。

表1 川藏鐵路列車類型

參考關于動載系數的規定[14]，對道床板植筋檢算時，選取軸重25 t的貨物列車(牽引機車重25 t，HXD)，動載系數取2.5，其機車輪對布置見圖1。

圖1 HXD列車輪對圖示(單位：mm)

客貨共線鐵路一般地段雙塊式無砟軌道的軌枕間距為625 mm，每塊道床板上布置10根軌枕，在施工段落端部及變形縫前后的調整地段可采用非標準版，根據軌枕間距及每塊板上軌枕布置數量，確定非標準道床板長4.025～6.875 m。由圖1可以看出，單個道床板上至多同時存在兩個輪對。為簡化計算，對道床板與隧道仰拱間植筋檢算作出如下假設。

(1)假設單塊道床板獨立承受一個轉向架的荷載，不考慮輪載在不同道床板間的分配(相鄰轉向架之間的距離均超過5 m，其分配效應可忽略)[15]。

(2)假設局部出現道床板離縫后，植筋仍能滿足道床板的限位需求；道床板與隧道基礎之間無粘結作用，即道床板縱橫向限位完全由植筋提供。

道床板縱向受列車制(啟)動力，橫向受輪軌橫向力，二者合力作用于植筋。基于以上假設，則道床板水平方向受力可視為全部由植筋承擔，道床板水平方向受力情況如下。

(1)道床板縱向受力

道床板所受列車最大制(啟)動力為

F縱=μ×4×Pd

(1)

其中，μ為輪軌間摩擦系數，取0.164；Pd為列車動輪載，有

Pd=αPj

(2)

其中，α為動載系數，取2.5；Pj為列車靜輪載，取125 kN，有

F縱=205 kN

(2)道床板橫向受力

按照規范規定，列車橫向設計荷載

Q=0.8×4×Pj=400 kN

基于以上分析，則道床板所受荷載的合力為

2 植筋參數

為節約投資及便于現場施工，鐵路隧道內多采用與道床結構同型號的鋼筋作為道床與隧道仰拱之間的植筋，主要參數如下。

(1)采用φ16 mm的HRB400級鋼筋，長380 mm，植入隧道仰拱回填層長200 mm，伸入道床板內180 mm。

(2)鉆孔直徑為20 mm，鉆孔與植筋之間采用植筋膠填充，植筋膠抗壓強度不小于99 MPa。

(3)隧道仰拱回填層混凝土強度等級為C20。

3 植筋數量計算

基于植筋抗剪強度、仰拱回填層混凝土局部抗壓強度及植筋膠抗壓強度要求，進行植筋數量檢算分析。

3.1 基于植筋抗剪強度計算

基于群栓抗剪強度計算理論，則植筋所受剪應力為

(3)

其中，ξ為植筋受力不均勻系數，取1.1；n為單塊板植筋數量；r為植筋半徑。

植筋采用HRB400級，其抗拉強度標準值400 MPa，設計值為360 MPa；抗剪強度設計值為

[τ]=(0.6～0.8)×[σ]=(216～288) MPa

基于安全考慮，取[τ]=216 MPa。

由植筋抗剪強度計算的植筋數量為

基于植筋抗剪強度檢算結果，隧道地段單元式道床板每塊板需12根植筋。

3.2 基于植筋孔混凝土抗壓強度計算

植筋對隧道仰拱混凝土壓應力為

(4)

其中，ξ為植筋受力不均勻系數；n為單塊板植筋數量；D為鉆孔直徑；h為植筋植入底板長度。

隧道仰拱填充層混凝土強度等級為C20，其材料自身的容許壓應力為5.4 MPa，植筋與混凝土之間的作用可以視為局部承壓，則其容許壓應力為

[σ1]=5.4×β

(5)

因此，[σ1]=31.9 MPa

則由植筋孔混凝土抗壓強度計算所需植筋數量為

基于植筋孔混凝土抗壓強度檢算結果，隧道地段單元式道床板每塊板需要植筋4根。

3.3 基于植筋膠抗壓強度計算

植筋膠所受壓應力為

(6)

其中，ξ為植筋受力不均勻系數；n為單塊板植筋數量；d為植筋直徑；h為植筋植入底板長度。

(7)

其中，σ設計為抗壓強度設計值，取99 MPa；λ為系數，取2.5。

則[σ2]=39.6 MPa

由植筋膠抗壓強度計算所需植筋數量為

基于植筋膠抗壓強度檢算結果，隧道地段單元式道床板每塊板需4根植筋。

綜合以上計算結果，該鐵路隧道內每塊道床板植筋數量的受控因素為植筋抗剪強度，據此計算出當植筋采用φ16 mm的HRB400級鋼筋時，每塊標準板上所需植筋數量至少12根。

4 植筋數量確定及布置方案

由上述檢算結果可知，每塊標準板上所需植筋數量為12根。考慮到該鐵路沿線工程與環境條件、高原地區日照和風的影響、洞口微區域極端環境、項目地形條件、超長大坡道占比等因素，為提高道床與隧道仰拱之間連接的可靠性，一般地段考慮1.3倍的植筋安全系數，對線路縱坡大于25‰的地段和隧道洞口200 m范圍，考慮1.5倍的安全系數。則單元式道床板所需植筋的最少數量如下。

一般區段取16根；洞口200 m范圍及線路縱坡≥25‰地段取18根。

為充分發揮植筋的限位作用，需將植筋布置在軌枕塊中間，每個軌枕塊對應布置2根植筋，即每排布置4根植筋。植筋布置橫斷面見圖2。

圖2 道床板植筋布置橫斷面(單位：mm)

對于一般區段，每塊板上可布置4排植筋，即每塊板上布置16根；對于洞口200 m范圍及線路縱坡≥25‰的地段，每塊道床板上可布置5排植筋，即每塊板上布置20根。植筋平面布置見圖3、圖4。

圖3 一般地段道床板植筋布置

圖4 洞口200 m及坡度≥25‰地段道床板植筋布置

5 植筋對特殊病害整治的影響分析

無砟軌道鋪設前，應進行線下基礎沉降評估，當滿足鋪設無砟軌道要求后方可施工；對于不滿足鋪設無砟軌道要求的地段，應采用有砟軌道或其他大調整量的軌道類型。實際工程實踐中，受圍巖環境變化等因素影響，局部無砟軌道地段可能出現變形較大的情況，通常采用無砟軌道整體拆除重建(機械鑿除)、仰拱回填層切割落道(采用繩鋸鋸切仰拱回填層本體，調整后再次進行層間粘接與植筋)等工程措施。對于單元式結構，植筋雖然加強了道床與仰拱回填層之間的粘結，但不影響采取上述措施進行整修工作。

6 結語

高原鐵路沿線工程與環境條件復雜，運營期養護維修條件極為惡劣，為解決連續式道床板裂縫病害多、后期修補難度大且對基礎變形適應性差的問題，推薦采用單元式結構。道床結構單元化會削弱道床結構的整體穩定性，需采用植筋加強道床與隧道基礎間的連接。針對該問題，結合本項目運營期實際開行的列車種類，基于數值分析方法對道床板與隧道基礎之間植筋的可靠性進行評估，得出主要結論如下。

(1)當采用φ16 mm的HRB400級鋼筋時，基于植筋抗剪強度、仰拱回填層混凝土局部抗壓強度及植筋膠抗壓強度要求，隧道地段單元式道床板植筋數量不應小于12根。

(2)結合該鐵路工程與環境特點以及植筋橫斷面布置要求，一般地段每塊道床板可布置植筋16根；洞口200 m范圍及線路縱坡≥25‰的地段，每塊道床板可布置植筋20根。