重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)選型及技術(shù)研究

羅章波 張曉東 趙 東

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600；2.石家莊鐵道大學(xué) 河北石家莊 050043；3.中國鐵路北京局北京高鐵工務(wù)段 北京 100071)

1 引言

我國的現(xiàn)有重載鐵路大多采用有砟軌道結(jié)構(gòu)。在實(shí)際運(yùn)營過程中，隨著線路通過總重及運(yùn)量的增加，有砟軌道變形快、軌道結(jié)構(gòu)病害發(fā)生和發(fā)展速度成倍加快。特別是在長大隧道內(nèi)，導(dǎo)致維修工作量急劇加大，嚴(yán)重影響運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。因此，在作業(yè)空間受限的隧道內(nèi)采用具有高平順性、高穩(wěn)定性和少維修等優(yōu)點(diǎn)的無砟軌道成為趨勢(shì)[1]。

因此，研究適合于重載鐵路運(yùn)營特點(diǎn)和隧道內(nèi)鋪設(shè)基礎(chǔ)和環(huán)境條件的無砟軌道結(jié)構(gòu)型式，對(duì)提升重載鐵路隧道設(shè)計(jì)技術(shù)具有重要意義。

2 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道技術(shù)發(fā)展

中國鐵道科學(xué)研究院在充分調(diào)研國內(nèi)外重載無砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道無砟軌道結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了詳細(xì)的研究比選分析，提出了重載彈性支承塊式、雙塊式、長枕埋入式3種無砟軌道結(jié)構(gòu)型式和相關(guān)參數(shù)，完成了尺寸設(shè)計(jì)和配筋設(shè)計(jì)。

鐵五院的劉蘭利高工、郭亞娟高工，通過在鵝嶺隧道開展不同軸重條件下，雙塊式無砟軌道仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比，提出不同圍巖條件下，基底結(jié)構(gòu)的荷載分布特征、受力特性和基底結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議[2－3]。

中南大學(xué)的曾志平教授，通過對(duì)重載列車荷載作用下尺寸改進(jìn)型和傳統(tǒng)型彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)靜載、落軸沖擊、疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為:改進(jìn)型在軌道幾何形位保持能力、支承塊穩(wěn)定性方面優(yōu)于傳統(tǒng)型，能夠滿足30 t重載鐵路軌道幾何形位的相關(guān)要求。與傳統(tǒng)型相比，改進(jìn)型在進(jìn)行列車荷載分配時(shí)，輪下荷載分配比例更低，有利于降低支承塊、靴套、道床板、底座板應(yīng)力[4]。

3 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)型式選擇

3.1 選型原則

重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道選型主要考慮以下原則:(1)結(jié)構(gòu)安全可靠性；(2)耐久性好；(3)良好的力學(xué)性能；(4)良好的適應(yīng)性；(5)良好的施工性能；(6)較好的可修復(fù)性；(7)合理的經(jīng)濟(jì)性。

目前，適用于重載鐵路隧道內(nèi)的、有比選價(jià)值的軌道類型有:彈性支承塊式無砟軌道、彈性長枕式無砟軌道、長枕埋入式無砟軌道、雙塊式無砟軌道、板式無砟軌道等五種結(jié)構(gòu)型式。

3.2 結(jié)構(gòu)整體技術(shù)性能分析

(1)有枕與無枕對(duì)比分析

有枕式無砟軌道其靈活多樣的調(diào)整與固定方案，創(chuàng)造出多種無砟軌道結(jié)構(gòu)型式。預(yù)制與現(xiàn)澆結(jié)合的方式和“單枕”靈活的調(diào)整能力，保證了其對(duì)曲線、岔區(qū)等特殊地段的廣泛適用性。

無枕式無砟軌道消除了軌枕間的薄弱連接，加強(qiáng)了鋼軌支點(diǎn)間的整體性。其中的預(yù)制板式軌道滿足了快速、機(jī)械化和工業(yè)化需要，但板的適應(yīng)能力稍差，在曲線、道岔等特殊地段應(yīng)用比較困難。

(2)全現(xiàn)澆與部分現(xiàn)澆、拼裝式結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

全現(xiàn)澆無砟軌道消除或減少了新舊混凝土結(jié)合面，不需要專門的預(yù)制工廠進(jìn)行預(yù)制件生產(chǎn)；但需一次成型，對(duì)施工要求高，施工技術(shù)難度大。

預(yù)制拼裝或部分預(yù)制式無砟軌道，依靠工廠化生產(chǎn)有效地保證了關(guān)鍵部件的質(zhì)量，有利于組織快速施工、保證精度和控制精度。

3.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

建立重載貨車與各種無砟軌道的動(dòng)力相互作用模型，對(duì)比分析了30 t軸重貨車通過不同無砟軌道結(jié)構(gòu)時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)，見圖1、圖2[5]。

圖1 不同軌道結(jié)構(gòu)鋼軌支點(diǎn)壓力及回填層動(dòng)應(yīng)力比較

圖2 不同軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力指標(biāo)比較

從以上分析可以看出:

(1)五種軌道結(jié)構(gòu)的車輛響應(yīng)指標(biāo)相差不大，滿足行車安全性和平穩(wěn)性要求。

(2)彈性支承塊式無砟軌道動(dòng)態(tài)軌距變化最大，但在規(guī)范限制內(nèi)。

(3)長枕埋入式無砟軌道、單元板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道的道床板加速度較大，彈性長枕式無砟軌道和彈性支承塊式無砟軌道的道床板振動(dòng)加速度較小。

(4)彈性長枕式無砟軌道和彈性支承塊式無砟軌道，可同時(shí)兼顧較好地降低道床板振動(dòng)和隧道回填混凝土動(dòng)應(yīng)力。

以上研究，與鐵三院在山西中南部通道隧道內(nèi)無砟軌道選型研究(輪軌動(dòng)力響應(yīng)研究)和鐵五院在鵝嶺隧道關(guān)于重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道靜力、動(dòng)力特性的研究成果較為吻合。

3.4 適應(yīng)性分析

整體式結(jié)構(gòu)(整體道床、軌枕埋入式、雙塊式等)整體性強(qiáng)、縱向連續(xù)性好，局部的損毀往往需要在相當(dāng)長的范圍內(nèi)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，不利于快速修復(fù)。單元式軌道結(jié)構(gòu)以一定的長度為軌道單元，單元間相互影響有限，是能滿足上述條件的最佳選擇。

3.5 施工性對(duì)比分析

雙塊式軌道軌枕制造工藝較簡單，雙塊式道床板現(xiàn)場(chǎng)澆筑，施工質(zhì)量受氣候條件影響大，混凝土圬工量大，施工進(jìn)度相對(duì)較慢。單元板式軌道板在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)為組裝式施工，施工質(zhì)量和過程容易控制，但板式軌道板生產(chǎn)、制造、運(yùn)輸及安裝，砂漿灌注需要專業(yè)設(shè)備，工序相對(duì)復(fù)雜[6]。

縱連板式軌道施工特點(diǎn)基本與單元板式軌道相同，但軌道板承軌臺(tái)采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精密打磨，機(jī)械設(shè)備昂貴，且制造工效低、施工較復(fù)雜。

3.6 可維護(hù)性分析

雙塊式無砟軌道連續(xù)道床板現(xiàn)場(chǎng)澆筑，結(jié)構(gòu)一旦損壞，很難修復(fù)；雙塊式單元道床板結(jié)構(gòu)，相對(duì)連續(xù)道床板結(jié)構(gòu)，可修復(fù)性略好。縱連板式軌道板縱向連接，結(jié)構(gòu)連續(xù)，可修復(fù)性不強(qiáng)；單元板式軌道分塊鋪設(shè)，組裝式施工，基礎(chǔ)發(fā)生較大變形時(shí)，可通過板下瀝青砂漿層方便調(diào)整，單元板式無砟軌道可修復(fù)性較強(qiáng)[7]。

3.7 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

一般線路雙塊式無砟軌道每公里初期投資約367萬元，縱連板式無砟軌道每公里初期投資在540萬元以上，單元板式無砟軌道每公里初期投資約495萬元。

雙塊式軌道初期投資較低，結(jié)構(gòu)損壞后維修難度大、維修費(fèi)用較高，對(duì)運(yùn)營干擾大；單元板式軌道初期投資適中，但方便維修，對(duì)運(yùn)營影響較小，綜合效益較好；縱連板式初期投資高，一旦損壞，維修較困難。

3.8 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道方案綜合對(duì)比分析

無砟軌道方案綜合對(duì)比見表1。

表1 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道方案綜合對(duì)比分析

3.9 推薦意見

隧道內(nèi)無砟軌道在安全可靠性滿足要求的前提下，推薦采用可修復(fù)性、低動(dòng)力性的彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

4 彈性支承塊幾何尺寸及埋深研究

通過建立彈性支承塊式無砟軌道靜力分析的參數(shù)化有限元模型(見圖3)，分析隧道內(nèi)30 t軸重運(yùn)營條件下彈性支承塊式無砟軌道支承塊幾何尺寸及埋深對(duì)軌道橫向穩(wěn)定性的影響。

圖3 實(shí)體有限元計(jì)算模型

4.1 彈性支承塊短側(cè)面坡度研究

傳統(tǒng)支承塊的長、短側(cè)面均接近垂直，僅考慮施工和維修方便設(shè)置了約1∶20的坡度。這種設(shè)計(jì)構(gòu)造簡單、受力明確，但在列車橫向水平力作用下，橡膠套靴的外短側(cè)面上部承受的支承塊擠壓力較大，易出現(xiàn)疲勞損傷，影響套靴使用壽命。采用靜力分析方法，研究支承塊短側(cè)面坡度與鋼軌和支承塊的變形量的關(guān)系，確定合理的支承塊短側(cè)面坡度，見圖4[8]。

圖4 支承塊橫移與支承塊短側(cè)面坡度的關(guān)系

由計(jì)算結(jié)果可見，彈性支承塊短側(cè)面坡度從1∶20到1∶3逐漸變大過程中，鋼軌和支承塊的橫向位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，而減小的趨勢(shì)逐漸變緩。可見，在一定范圍內(nèi)，為支承塊設(shè)置較大的短側(cè)面坡度可起到有效控制鋼軌軌距擴(kuò)大和支承塊的橫向變形，提高軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。因此，建議在30 t軸重條件下，彈性支承塊短側(cè)面設(shè)置1∶5 ～1∶6的斜坡。

4.2 彈性支承塊長度研究

分析列車荷載作用下鋼軌與彈性支承塊隨長度變化的最大橫向位移，見圖5。

圖5 支承塊橫移與彈性支承塊長度的關(guān)系

結(jié)果表明，彈性支承塊長度增加，對(duì)于減小彈性支承塊的翻轉(zhuǎn)角、減小鋼軌的側(cè)轉(zhuǎn)和橫向位移效果明顯。所以，增加彈性支承塊長度是提高彈性支承塊式無砟軌道的穩(wěn)定性、控制軌距擴(kuò)大的一種有效途徑。從軌道橫向位移限值、軌道剛度、經(jīng)濟(jì)性等因素考慮，建議彈性支承塊長度取值范圍為600～700 mm。

4.3 彈性支承塊寬度研究

由圖6可知，支承塊寬度從230 mm增加到330 mm，彈性支承塊橫向最大位移、鋼軌翻轉(zhuǎn)角和彈性支承塊翻轉(zhuǎn)角等均有所降低，但變化趨勢(shì)不明顯。建議彈性支承塊寬度取值范圍為250～310 mm。

圖6 支承塊橫移與支承塊寬度的關(guān)系

4.4 彈性支承塊埋深研究

由圖7可知，彈性支承塊埋深由130 mm增加到230 mm，鋼軌最大橫向位移變化呈現(xiàn)先減小后增大又減小的趨勢(shì)，但是變化量很小。翻轉(zhuǎn)角隨埋深增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；彈性支承塊最大橫向位移先減小后增大，在埋深大于170 mm后最大橫向位移有增長的趨勢(shì)，彈性支承塊翻轉(zhuǎn)角先增大后減小，在埋深大于210 mm之后，翻轉(zhuǎn)角有減小的趨勢(shì)。綜合考慮短枕埋深對(duì)扭轉(zhuǎn)能力及軌道建筑高度的影響，彈性支承塊埋深取值范圍為150～210 mm[9]。

圖7 支承塊橫移與支承塊埋深關(guān)系

5 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能評(píng)價(jià)

通過模擬落軸試驗(yàn)和車輛－軌道耦合動(dòng)力分析，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的改進(jìn)型彈性支承塊式無砟軌道系統(tǒng)的動(dòng)力性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。分析表明:優(yōu)化設(shè)計(jì)后的改進(jìn)型彈性支承塊式無砟軌道系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)匹配較合理，滿足貨車運(yùn)行相關(guān)規(guī)范要求，軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好，見表2～表4[10－12]。

表2 軌道動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大結(jié)果

表3 軌道結(jié)構(gòu)位移響應(yīng) mm

表4 軌道結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng) m/s2

動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大最大值為2.286 mm，小于國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值。

可以看出，該彈性支承塊無砟軌道系統(tǒng)的車輛響應(yīng)均在規(guī)范規(guī)定的安全限值內(nèi)。軌道板位移響應(yīng)受速度影響較小，軸重增加，結(jié)構(gòu)的位移、加速度響應(yīng)呈增大趨勢(shì)，但整體變化不大。

從動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果可以看出，新型隧道內(nèi)無砟軌道系統(tǒng)力學(xué)性能滿足貨車運(yùn)行相關(guān)規(guī)范要求，軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好。

6 結(jié)論

(1)隧道內(nèi)無砟軌道推薦采用可修復(fù)性好、低動(dòng)力性的彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

(2)彈性支承塊短側(cè)面設(shè)置坡度可減小列車荷載作用下鋼軌的橫向位移量和翻轉(zhuǎn)角，有利于動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量，增強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。建議30 t軸重條件下支承塊短側(cè)面坡度宜設(shè)為1∶5～1∶6。

(3)30 t軸重條件下，建議彈性支承塊長度取650 mm，寬度取280 mm，埋深取170 mm。