高原鐵路大跨橋梁軌道結構選型研究

伍衛凡

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 高原鐵路大跨度橋梁設計概況

近年來，隨著我國鐵路建設的快速發展，線路不可避免地需要跨越交通干線、陡峭峽谷、寬廣河流等地段，大跨度特殊結構橋梁在鐵路建設中得到了推廣應用，國內大跨橋梁上軌道結構應用情況如表1所示。

表1 國內已運營鐵路典型大跨度橋梁軌道結構應用情況

從橋上軌道結構形式來看，目前已建成大跨橋上一般鋪設有砟軌道結構，其中合福高鐵銅陵長江公鐵斜拉橋[3]主跨最大跨度達到630 m，滬通鐵路長江大橋[4]及連鎮鐵路五峰山長江大橋[5]主跨均達到了千米級，橋上均鋪設有砟軌道。近年來，為減少軌道養護維修工作量，部分高速鐵路大跨橋上也采用了無砟軌道，主要有昌贛高鐵贛江特大橋[6]和商合杭高鐵裕溪河特大橋[7]，其中贛江特大橋主跨跨度為300 m，裕溪河特大橋主跨跨度達324 m。

從列車運營速度來看，由于大跨橋梁柔性大，橋梁變形受溫度、列車荷載影響顯著，軌道幾何形位不易控制，目前部分大跨度橋梁處于限速運行狀態。

某高原鐵路位于青藏高原東南部，最大坡度30‰[1-2]，線路跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江等河流，橋梁重難點工程主要有高墩大跨橋梁工程，主跨1 000 m級懸索橋，主跨800 m級懸索橋，主跨400～500 m級上承式拱橋。

總體來看，國內在主跨300 m及以下大跨橋上鋪設無砟軌道開展了大量研究工作，并積累了一定經驗，但考慮到高原鐵路地處高海拔、大高差、空氣稀薄缺氧的高原高寒地區，部分區段穿越無人區，軌道結構養護維修作業條件差、應急處置困難，橋梁跨度大等，有必要針對高原鐵路開展軌道結構選型研究。

2 高原鐵路大跨度橋上軌道結構選型

2.1 有砟軌道

有砟軌道具有良好的彈性和噪聲吸收特性，同時造價低、養護維修方便，在國內外鐵路線路上得到了廣泛應用。大跨度橋梁可采用在橋面上分段設置鋼筋混凝土承砟槽，槽內鋪設有砟軌道的方案，該方案軌道養護、維修經驗成熟，軌道變形可方便調整，但由于橋面被承砟槽覆蓋，橋面系不易檢查與維護；同時，由于道床厚度較厚(軌枕以下至少需要25 cm厚)以及設有混凝土承砟槽，導致結構自重較大(約6.36 t/單線延米)；此外，橋上道砟的流動性會引起軌道結構幾何形位不易保持，因此，維修工作量較大。

2.2 合成軌枕(圖1)

圖1 鋼橋上鋪設的合成軌枕

合成軌枕是將硬質聚氨酯樹脂發泡與添加劑浸滲玻璃長纖維，將它們連續成型或在模型中發泡固化成形，生產出的一種板型構造材料[8]。合成軌枕有效降低了橋梁的二期恒載，節省了工程投資；同時，合成軌枕具有較好的耐久性和可靠性，具有一定的彈性，能有效緩解車橋之間的動力沖擊，但存在單根軌枕價格較高、國內產品技術不成熟等問題。

2.3 無砟軌道

(1)板式無砟軌道

板式無砟軌道在鐵路鋼桁橋上有較多的應用實例。中國香港青馬大橋上板式無砟軌道為點支撐方式，軌道板長度為5～6 m，可適應橋梁的大撓度變形，兩側設有橫向限位的角鋼擋塊，板下與板側支撐可提供軌道結構所需的縱、橫向阻力；俄羅斯圣彼得堡橋上板式無砟軌道標準板為1 780 mm×4 000 mm×300 mm，軌道板下設置墊層，利用螺栓將軌道板與縱梁進行聯結；德國新斯特拉斯堡-科爾鐵路連續鋼桁橋上采用B?gl板式無砟軌道，由鋼軌、扣件、B?gl板、砂漿層、緩沖層等組成，采用凸臺限位方式。如圖2、圖3所示。

圖2 俄羅斯鋼橋上無砟軌道

圖3 德國鋼橋上無砟軌道

單元板式無砟軌道能適應橋梁的大撓度變形，具有較好保持軌道幾何形位的能力，養護維修工作量小等優點，但軌道板精調復雜，在平曲線和豎曲線地段施工難度較大。

(2)雙塊式無砟軌道

國內大跨度鋼橋上鋪設雙塊式無砟軌道的應用案例較少，武廣高速鐵路汀泗河特大橋主跨為140 m鋼箱系桿拱橋，橋上鋪設雙塊式無砟軌道。為適應梁端轉角過大，在梁端設置了過渡梁結構，有效控制了梁端扣件上拔力過大等問題，同時為解決橋梁梁面下撓可能導致的軌面動態平順性問題，施工中在無砟軌道表面設置了預拱度。如圖4所示。

圖4 武廣高鐵汀泗河大橋上的雙塊式無砟軌道

雙塊式無砟軌道結構簡單，具有較好的線路適應性和軌道平順性，成橋后的梁面變形可方便通過混凝土底座調平。

2.4 軌道結構選型

高原鐵路地處高海拔、大高差、空氣稀薄缺氧的高原高寒地區[9]，部分區段穿越無人區，道路交通極其不便，施工便道修建困難，養護維修作業條件差、應急處置困難；同時，考慮到高原鐵路隧道占比極大，隧道內有砟軌道養護維修工作環境差以及高原缺氧等，養護維修難度大且對養護工人身體健康影響較大。因此，高原鐵路需要采用少維護且維修時對空氣環境影響較小的軌道結構。

有砟軌道存在軌道幾何保持能力差、養護維修工作量大等缺點，特別是隧道內道砟搗固、打磨、清篩等大型機械作業存在煙塵污染等問題，且高海拔、大坡道區段作業車輛存在動力不足等問題。

無砟軌道具有良好的穩定性、平順性和耐久性，維護工作量較少[10-11]，已在國內外高速鐵路中廣泛采用。截至2018年底，我國已共計鋪設了各類型無砟軌道約3.2萬鋪軌公里，在無砟軌道結構設計、施工、維修等方面積累了大量的經驗。

因此，結合高原鐵路工程特點及養護需求，高原鐵路大跨橋梁上軌道結構應選擇少維修、可調整的軌道結構形式，在工程技術條件允許的地段，應盡量采用無砟軌道結構形式。

3 高原鐵路大跨度橋上鋪設無砟軌道技術可行性

3.1 面臨的主要技術難點

3.1.1 橋梁豎向及徐變變形大

(1)橋梁豎向變形大

根據TB10621—2014《高速鐵路設計規范》要求，對于跨度96 m及以下的混凝土橋梁，在豎向靜活載作用下，梁體的豎向撓度不應大于表2中限值。

表2 梁體豎向撓度限值

從實際工程應用來看，我國高速鐵路大跨度橋梁特別是斜拉橋主跨較大，撓跨比一般在1/670～1/799，如表3所示，因此，對于大于96 m跨度的橋梁，其撓跨比應該根據研究確定。

表3 梁體豎向撓度限值

(2)橋梁徐變變形大[12]

根據TB10621—2014《高速鐵路設計規范》要求，對于設計時速200 km及以上鐵路無砟軌道橋面預應力混凝土梁，當跨度大于50 m時，無砟軌道橋面徐變變形不應大于L/5 000且不應大于20 mm。

通過對我國9座200m左右跨度連續梁(剛構)橋梁徐變變形統計，其中7座橋梁的工后徐變變形超過20 mm，最大徐變變形達34.1 mm，可見，大跨度橋梁豎向徐變變形控制在20 mm內一般很難做到，如表4所示。

表4 大跨度連續剛構(梁)橋主梁工后徐變統計

(3)橋梁組合變形大

大跨度橋梁在列車活載、溫度作用及工后徐變等多因素組合工況下產生的變形較大且隨溫度不斷變化，昌贛客專贛江特大橋在列車荷載、最不利溫度影響以及徐變組合作用下，最大撓度達219.4 mm，在橫風和雙線運行列車組合作用下，最大橫向變形達35.1 mm，如圖5所示，其最大變形均遠大于中小跨度橋梁變形絕對值。

圖5 徐變、溫度及列車活載組合作用下贛江橋中跨主梁豎向位移

3.1.2 豎向線形較難滿足縱斷面設計要求

TB10098—2017《鐵路線路設計規范》規定：正線宜設計為較長的坡段。最小坡段長度一般條件下不應小于900 m，且不宜連續使用；困難條件下不應小于600 m，且不應連續使用。

大跨橋梁在列車荷載、溫度作用以及工后徐變作用下，實測成橋面軌面高程與原設計軌面高程均存在偏差。為適應大跨橋梁實際成橋線形，一般需要調整大跨橋梁上線路縱斷面坡度，但調坡后的線路縱斷面坡段長度較難滿足設計規范要求[13-16]。此外，大跨橋梁在溫度作用下，成橋后豎向變形隨溫度呈周期性變化，由此形成的最小坡段長度也較難滿足現行規范對坡長的要求，但贛江特大橋和裕溪河特大橋運營經驗表明，成橋后隨溫度變化引起的豎向變形可以滿足設計行車速度要求。

3.1.3 軌道長波不平順不滿足現行技術要求

軌道長波不平順采用弦測法進行檢測，當采用不同弦長對軌道靜態平順性進行控制時，弦測法可以覆蓋從短波到長波全波長范圍的不平順。 TB10621—2014《高速鐵路設計規范》及現行高速鐵路線路維修規則均采用10 m弦長幅值2 mm、30 m弦長矢距差2 mm、300 m弦長矢距差10 mm來評價軌道靜態不平順。

昌贛高鐵贛江特大橋主跨跨中在溫度作用下最大下撓為63.7 mm，徐變下撓為27 mm，組合變形達90.7 mm，主跨在溫度、徐變作用下的豎向變形超出了現行規范300 m弦長矢距差10 mm管理值的要求。

此外，廣珠城際容桂水道特大橋主跨185 m，鋪設板式無砟軌道，無車時溫度作用下豎向變形最大值為41.1 mm，武漢天興洲特大橋、大勝關長江大橋、銅陵長江公鐵大橋、北盤江特大橋等大跨橋梁上鋪設有砟軌道，無車時溫度作用下豎向變形分別達±80，±40，±51，±50 mm。如果不把溫度變形做為誤差基準，均無法滿足現行規范對軌道長波不平順的要求，但動態檢測和運營實踐表明其行車舒適度均可滿足要求。

相關研究[17-20]也發現：10 m弦長、30 m弦長多用于控制中短波不平順，300 m弦長矢距差不適用大跨度橋梁發生大變形時軌道長波不平順的評價。

3.2 技術可行性分析

3.2.1 橋梁豎向及徐變變形大

根據TB10621—2014《高速鐵路設計規范》中“無砟軌道路基工后沉降擬合豎曲線半徑需要滿足Rsh≥0.4V2”的要求，對于時速350 km大跨度橋梁，由于橋梁豎向變形引起的擬合豎曲線半徑不小于49 000 m，遠大于32 m簡支梁最大容許變形為L/1 500時的豎曲線半徑6 000 m。此外，贛江特大橋、裕溪河特大橋、廣珠容桂水道大橋等橋的動態驗收、檢測和實際運營表明，大跨度橋梁豎、橫向及徐變變形較大時，車輛運行安全和舒適性均滿足要求。因此，建議高原鐵路大跨橋梁豎向及徐變變形值不套用現有中小跨度橋梁要求，以免造成較大的工程浪費，甚至影響工程設計方案。

3.2.2 豎向線形較難滿足縱斷面設計要求

坡段長度對乘坐舒適度的影響主要體現在兩個方面，一是振動的峰值，二是兩個豎曲線產生振動的相隔時間。當坡段長度較短時，第一個豎曲線產生的振動衰減不夠充分，再與第二個豎曲線產生振動疊加，從而增加振動的峰值；同時，兩個豎曲線產生的振動間隔時間短，人體感受的振動沖擊變化頻繁，從而影響乘坐舒適性。從控制前后曲線垂向振動疊加的角度來看，直接限定豎曲線間夾坡段長度比限定兩變坡點之間坡段長度更為合理。相關研究成果表明，夾坡長0.4V與0.8V對車體垂向加速度峰值的影響相差較小，夾坡長最小可取0.4V。

當相鄰豎曲線長度不控制時，根據實際成橋線形擬合縱斷面的最小夾坡段長度按0.4V可取80 m(按某高原鐵路設計時速200 km)，考慮8輛編組列車，最小坡段長度可取200 m；當相鄰豎曲線長度較長時，根據實際成橋線形擬合縱斷面的最小夾坡段長度按lp=Δi1/2×Rsh1+Δi2/2×Rsh2+0.4V公式計算確定。

因此，對于高原鐵路，為適應大跨橋梁實際成橋線形而進行線路縱斷面坡度調整時，建議最小坡段長度可取200 m與公式計算lp二者中的較大值。

3.2.3 軌道長波不平順不滿足現行技術要求

車體加速度與軌道不平順相關性較好，特別是當軌道不平順波長與車體敏感波長一致時，軌道不平順與車體加速度對應性較好。我國目前京滬、京津等高速鐵路運行的動態檢測車檢測速度在280～300 km/h之間，列車速度為250，300，350 km/h等不同速度時敏感波長如表5、表6所示。

表5 不同車型動檢車垂向敏感波長匯總 m

表6 不同車型動檢車橫向敏感波長匯總 m

可以看出：當列車速度為250 km/h時，垂向敏感波長應介于53～85 m；當列車速度為350 km/h時，垂向敏感波長應介于75～119 m。由此可知，對于250,300,350 km/h線路，軌道高低不平順的管理波長應分別不低于85,105,120 m。而滿足有效測量波長范圍弦長應分別不小于50,60,60 m，同時為保證弦測結果與車體響應的相關性，測弦長度應不低于40 m。

鐵道科學研究院楊飛通過分析列車振動敏感波長、不同弦長有效測量波長的范圍，提出了60 m弦長的控制指標。該指標建立了弦測法幅值與車體振動加速度限值的關系，提出了車體加速度為0.1g，0.15g，0.2g時不同速度鐵路對應的60 m弦長幅值三級管理限值，如表7所示。

表7 運營期高速鐵路300及350 km/h速度下60 m弦長軌道長波高低不平順控制標準

綜上所述，如果對我國目前運營高鐵線路不平順分析采用現有的矢距差法測量，結果都會明顯超出驗收標準，但運營經驗表明超過驗收標準的區段，大部分列車實際運營狀況均良好，綜合檢測車檢測的動態軌道長波不平順和車輛振動加速度也無明顯響應。建議某高原鐵路大跨橋梁上軌道長波不平順可采用60 m弦進行測量。

4 結論

高原鐵路地處高海拔、大高差、空氣稀薄缺氧的高原高寒地區，部分區段穿越無人區，道路交通極其不便，施工便道修建困難，軌道結構養護維修作業條件差、應急處置困難。為指導高原鐵路大跨橋上軌道結構選型，對國內大跨橋上軌道結構應用現狀進行了分析，梳理了大跨度橋梁鋪設無砟軌道面臨的技術問題，并結合工程應用情況提出了應對方案，主要結論及建議如下。

(1)有砟軌道具有成熟應用經驗，能適應大跨度橋梁，但其平順性不易保持，道床搗固、清篩、換填工作量大，結合高原鐵路軌道結構養護維修作業條件差等特點，建議大跨度橋梁優先采用無砟軌道結構。

(2)大跨橋上鋪設無砟軌道面臨著橋梁豎向及徐變變形大、豎向線形較難滿足縱斷面設計要求、軌道長波不平順不滿足驗收容許偏差管理值等問題，需進一步開展針對性研究，完善相關設計規范。

(3)無砟軌道精度控制是保證行車舒適性的關鍵，大跨度橋上二期恒載、施工設備荷載、溫度不斷變化，運營期間橋梁軌道隨溫度和行車而變化，CPⅢ控制網點亦會隨梁變形產生位移，造成軌道幾何狀態測不準、評價難，有必要設計科學的控制測量網和適用的測量方案。