適應復雜山區高速鐵路隧道變形的高承軌臺雙塊式無砟軌道設計研究

2022-04-24 12:38:26楊宇栓楊榮山黃嘉奇蘇乾坤曹世豪

鐵道標準設計 2022年4期

楊宇栓,楊榮山,黃嘉奇,李瑩,蘇乾坤,曹世豪

(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；3.河南工業大學土木工程學院,鄭州 450001)

近年來，隨著我國經濟建設的快速發展和“西部開發”戰略的不斷推進，高速鐵路路網逐步向西部山區拓展[1]，截止2020年底，全國高鐵營業里程已達3.80萬km[2]，其中復雜山區高速鐵路已建成約0.7萬km(占比18.4%)，在建和近期規劃約0.8萬km。由于復雜山區地形高差大，通常隧道占比較高[3]，如貴廣、成貴、川藏等眾多線路中隧道占比均超過50%，甚者高達70%以上[4-6]。無砟軌道由于其剛度均勻性好、耐久性強、維修量少等特點，在長度超過1 km隧道及隧道群地段一般都采用無砟軌道[7]。相比于其他無砟軌道，雙塊式無砟軌道以其適應性強、穩定性高、造價低等優點成為了我國復雜山區隧道內主要鋪設的無砟軌道形式[8-10]。然而受水壓、高地應力、頻繁地質活動等因素影響，由隧道基礎上拱引發的無砟軌道變形已成為隧道內無砟軌道的主要病害之一，當上拱變形量超過扣件調整范圍時，將影響鐵路運營的平穩性、舒適性和安全性。

對于復雜山區隧道而言，軟弱圍巖與高地應力交互作用、地下水動荷載反復作用、膨脹性黏土礦物在物化綜合作用下引發的體積膨脹和應力變化是導致隧道仰拱隆起的關鍵因素。目前，主要通過對拱腳及拱墻設置錨桿、注漿進行加固處理，若病害進一步發展，則需換置仰拱[11-13]。當隆起引發的無砟軌道變形較小時，可通過扣件進行調整，對于基礎變形較大的問題，相關學者開展了大量研究，歐陽旋宇[14]針對高天隧道水害造成的雙塊式無砟軌道上拱病害，提出了排水降壓、注漿加固的整治方法，并通過現場實測、調研和數值模擬共同驗證了該整治方法的有效性；肖廣智[15]提出了“泄水降壓、底部加固、水流歸槽”的整治方案，成功解決了向莆鐵路雪峰山隧道內道床板上拱現象，整治效果良好；李奎等[16]通過人工及自動監測相結合的研究方法，基于監測結果對道床隆起的病因進行了分析，提出了明洞耳墻底注漿、洞外錨固樁、道床錨桿等解決措施，改善效果明顯；王云杰[17]通過現場鉆探、調查等方法對黃土隧道洞口段軌道板上拱現象進行了分析，提出了旋噴樁加固+疏流排水的整治手段，有效控制了軌道板的上拱變形；李強[18]針對隧道內I型雙塊式無砟軌道上拱現象，基于現場實測結果，發現仰拱及填充厚度不足、隧底積水為主要病因，隨后采用分段拆換仰拱、填充及支承層+現澆道床板的方式，實現病害的徹底整治。可見，對于無砟軌道基礎上拱問題，主要通過扣件調整解決，一旦上拱變形較大，則需中斷線路，拆換、加固、重構軌道或隧底結構，其施工難度大、耗時長，無法在短時間內完成整治作業。

目前，扣件的一般調高量為(-4，+26) mm，當隧道發生上拱病害時，軌道的下調量有限，基于此，本文提出了打磨軌枕承軌臺的調整方法來降低軌道結構的垂向高度的方案，并利用ANSYS有限元分析軟件，以優化設計后的高承軌臺雙塊式無砟軌道結構為研究對象，建立了隧道內高承軌臺雙塊式無砟軌道有限元分析模型，探討了結構合理調整量，分析了在調整范圍內高承軌臺雙塊式軌枕的靜力學特性，為復雜山區隧道內無砟軌道上拱病害的整治提供參考。

1 高承軌臺雙塊式無砟軌道結構設計概況

1.1 結構幾何尺寸及構造

高承軌臺雙塊式無砟軌道結構主要由CNH60鋼軌、WJ-8扣件、高承軌臺雙塊式軌枕、道床板組成，具體結構如圖1所示。

圖1 高承軌臺雙塊式無砟軌道結構(單位： mm)

高承軌臺式軌枕塊尺寸為800 mm(長)×280 mm(寬)×274 mm(高)，通過桁架鋼筋和加固鋼管共同連接，保證軌距并增強軌道結構橫向穩定性；道床板尺寸為2 800 mm(寬)×300 mm(高)，采用現澆施工方式，直接澆筑在仰拱回填層上。

當線下基礎變形引發軌道結構上拱，且變形較小時，為使軌道結構恢復至原設計高程，優先采用扣件對其進行調整，扣件最大下調量為4 mm[19]；當扣件調整量不足時，采取打磨承軌臺的方式向下進行調整：根據軌道結構實際上拱變形量，確定打磨厚度，沿承軌臺輪廓形狀平行向下進行打磨，必要時可打磨至CRTSⅠ型雙塊式承軌臺高度，即本軌道結構最大垂向調整量為90 mm，如圖2中紅色虛線所示。

圖2 軌枕調整、打磨細部構造(單位：mm)

1.2 軌枕內部配筋設計

縱向(軌枕長度方向)選用2根有效直徑為22 mm的HRB400鋼筋；箍筋設計成網片狀，采用φ7 mm帶肋鋼筋，根數為6根，強度等級為CRB550，簡稱為鋼筋網片；套管四周的螺旋筋為φ3 mm的低碳冷拔鋼絲。如圖3所示。

圖3 高承軌臺雙塊式軌枕內部配筋

2 合理調整量的取值與驗證

2.1 計算模型

為確定軌道結構的合理調整量和高承軌臺雙塊式軌枕靜力學特性，根據高承軌臺雙塊式無砟軌道的結構特點和受力特征，按前述設計尺寸，建立了考慮軌枕實際輪廓及枕上結構的計算模型，如圖4所示，模型中涉及相關參數見表1。

圖4 高承軌臺雙塊式無砟軌道計算模型

表1 高承軌臺雙塊式無砟軌道計算參數

模型中鋼軌、扣件、螺旋道釘、預埋套管、軌下膠墊、軌枕、道床板均采用實體單元，遠處鋼軌采用梁單元，并通過耦合、約束方程與實體鋼軌進行連接，以傳遞位移及彎矩。螺栓通過設置預緊單元加載預緊力[20]；在不影響扣件以下部件力學性能的前提下，對扣件進行了一定的簡化，便于網格劃分，并考慮扣件與周圍結構的接觸關系。

2.2 軌枕擋肩及承軌臺受力分析

根據現有調研資料統計[21]，在實際運營過程中，雙塊式軌枕擋肩、承軌臺開裂現象時有發生，當裂縫發展嚴重時，將影響行車的安全性。考慮高承軌臺雙塊式軌枕擋肩、承軌臺為軌道結構承載不利位置，并按疲勞檢算荷載對承軌臺、擋肩的受力進行檢算。列車軸重取17 t，考慮列車垂、橫向荷載，其中列車垂向荷載動載系數取1.5，橫向荷載動載系數取0.4[7]，參考目前隧道內無砟軌道上拱變形實際情況[18，22]，結合高承軌臺雙塊式軌枕實際厚度，取垂向調整量分析范圍為0～90 mm，承軌臺頂面第一主應力、擋肩剪應力云圖以及隨調整量變化關系如圖5、圖6所示。

圖5 承軌臺、擋肩應力云圖

圖6 承軌臺、擋肩應力隨調整量的變化關系

由圖5、圖6可知，承軌臺頂面最大壓應力分布在軌下墊板支承處一側，調整分析范圍取0～90 mm時，承軌臺壓應力與調整量呈正相關變化趨勢，應力增大22.7%，其極大值為3.51 MPa，遠小于C60混凝土的抗壓強度設計值27.5 MPa；擋肩最大剪應力出現在橫向力作用一側承軌槽中部，其值與調整量呈正比關系，在整個調整分析范圍內，其擋肩剪應力增大7.7%，其極大值為1.39 MPa，小于C60抗剪強度設計值1.428 MPa[23]。

綜上，根據軌枕承軌臺、擋肩的受力情況，當調整量取90 mm及以下時，軌枕承軌臺、擋肩力學指標滿足設計要求，初步驗證本結構垂向最大調整量可取至90 mm。

2.3 軌枕露出與埋深高度適應性分析

道床板作為現澆結構，高承軌臺雙塊式軌枕與道床板的粘接面屬結構薄弱環節[24-25]。為保證粘接面在調整范圍具有足夠的強度，根據《高速鐵路CRTS雙塊式無軌道通用參考圖》，軌枕埋深取139 mm，荷載取WJ-8扣件最大縱向阻力15 kN[26]，垂向調整量分析范圍取0～90 mm，道床板、軌枕粘接面的第一主應力隨調整量變化關系如圖7所示。

圖7 道床板、軌枕應力隨調整量變化關系

由圖7可知，在0～90 mm調整分析范圍內，道床板拉應力、軌枕拉應力與調整量大致呈正相關變化，其中軌枕拉應力增幅較大，道床板拉應力增長相對平緩；在調整量取90 mm時，軌枕、道床板拉應力取極大值，分布于軌枕與道床板交界面縱向力作用一側，分別為0.665，0.428 MPa，均小于相應結構的應力允許限值。

綜上，當軌枕埋深取139 mm時，在0～90 mm垂向調整分析范圍內，軌枕露出與埋深高度設計匹配合理，道床板與軌枕粘接面強度滿足相關設計要求，即本結構最大垂向調整量取90 mm是可行的。

2.4 扣件系統抗拔承載力分析

WJ-8扣件系統主要以軌枕-預埋套管-螺旋道釘組成錨固結構，當套管埋深較大時，可能出現螺桿拉斷、套管擠壓或拉斷等破壞現象[27]，考慮承軌臺加高而引起的埋深深度增大，因此需要對調整前、后扣件系統的抗拔性能進行檢算。由于沿螺紋牙的載荷分布幾乎不受螺紋升角影響，道釘螺紋設置為平螺紋[28]，取最大垂向調整量90 mm，即調整前、后預埋套管埋深深度為230 mm和140 mm，根據文獻[29]，計算得到單個螺桿受到的最大上拔力為103 kN，按照第四強度理論進行計算分析，為便于查看結構內部應力分布情況，提取半剖面螺桿以及預埋套管的等效應力云圖，詳見圖8。

圖8 螺桿、預埋套管等效應力云圖

由圖8可知，在上拔力作用下，埋深不同時，螺桿等效拉應力分布均隨埋置深度增加而減小。螺桿最大等效拉應力均出現在第一個螺紋與螺桿交界面處，埋深為230 mm時，其值為324 MPa，埋深為140 mm時，其值為289 MPa，兩者均遠小于螺桿屈服應力900 MPa，且埋置深度較淺時，螺桿等效應力值相對更小；對于預埋套管，不同埋深時，在上拔力作用下，套管內部的螺紋接觸面上均受到較大等效拉應力，主要分布于螺紋接觸面上半部分，其等效拉應力值均與埋置深度成負相關變化。埋深為230 mm時，套管完整，上部光滑部分受到的等效拉應力較小。套管最大等效拉應力區域分布在前兩個螺紋接觸面，其值為63.1～70.9 MPa，小于其限值82 MPa。當埋深為140 mm時，套管經過磨削，除前兩個螺紋接觸面等效應力處于較高水平之外，其最大等效拉應力區域分布于套管與混凝土接觸面處，說明在埋深較淺時，套管與混凝土之間的粘接作用增強，其等效拉應力值為70.3～78.8 MPa，接近但小于其限值82 MPa。

綜上，調整量取90 mm時，調整前、后螺桿和預埋套管在最大上拔力作用下的力學指標滿足相關設計要求，扣件系統具有足夠的抗拔承載力。

3 承軌臺在線打磨修復技術

為實現軌枕承軌臺的快速打磨，中鐵二院等單位聯合研發了無砟軌道承軌臺在線處理裝備進行施工作業[30-32]。作業時，該裝備主要通過對承軌臺進行仿形“磨削”或“銑削”，在不改變承軌臺斷面形狀的前提下，快速降低軌道結構高程，根據不同處理深度，單個承軌臺處理可在1～4 min內完成，一個天窗點內可完成20～40 m內的上拱病害整治。

承軌臺經處理完成后，其表面質量良好，見圖9；承軌臺輪廓形狀滿足扣件系統的安裝需求，同時承軌臺經打磨后，軌枕擋肩橫向力作用點高度降低，結構安全性得到加強，打磨后扣件安裝情況見圖10。基于該裝備對無砟軌道承軌臺的處理技術及優勢，提出了采用該無砟軌道承軌臺在線處理裝備的高承軌臺雙塊式軌枕承軌臺打磨工藝流程，如圖11所示。