某高原鐵路無(wú)砟軌道地段護(hù)輪軌設(shè)置方案研究

劉啟賓,魏周春,蔣函珂,王 杰,劉 杰

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038)

某高原鐵路為設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值200 km/h的客貨共線(xiàn)鐵路，沿線(xiàn)高原缺氧、超長(zhǎng)隧道及超長(zhǎng)大坡道占比高、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，且線(xiàn)外交通設(shè)施薄弱，工程與環(huán)境條件極為復(fù)雜，防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)[1-4]。在雙線(xiàn)并行地段，為防止列車(chē)在地震等特殊情況下脫軌侵入臨線(xiàn)限界、引發(fā)二次嚴(yán)重傷害事故，提出了線(xiàn)間設(shè)置中隔墻、軌道設(shè)置單側(cè)護(hù)輪軌等多項(xiàng)技術(shù)措施。

高原鐵路養(yǎng)護(hù)維修條件極為惡劣，為降低運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，正線(xiàn)以鋪設(shè)雙塊式無(wú)砟軌道為主[5-6]，雙塊式無(wú)砟軌道設(shè)置單側(cè)護(hù)輪軌暫無(wú)成熟、可靠的技術(shù)方案。

基于防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)需求，結(jié)合本項(xiàng)目軌道結(jié)構(gòu)選型原則，對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道設(shè)置單側(cè)護(hù)輪軌的方案進(jìn)行了研究，為高原鐵路工程防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐與思路。

1 可行方案及比選

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外無(wú)砟軌道地段護(hù)輪軌設(shè)置方案的調(diào)研，無(wú)砟軌道安裝護(hù)輪軌已有應(yīng)用的方案主要有現(xiàn)澆承軌臺(tái)式、混凝土長(zhǎng)枕式、雙塊式軌枕衍生式和新型防脫護(hù)軌等4類(lèi)，各方案的技術(shù)特點(diǎn)及其對(duì)本項(xiàng)目工程與環(huán)境條件的適應(yīng)性分析如下。

1.1 現(xiàn)澆承軌臺(tái)式

該方案是在無(wú)砟軌道道床板澆筑成型后，在道床板上的相鄰軌枕間采用鑿毛、植筋、立模現(xiàn)澆混凝土的方式澆筑承軌臺(tái)(或?qū)⒆o(hù)輪軌扣件預(yù)埋套管直接現(xiàn)澆于道床板混凝土中)，并安裝護(hù)輪軌，如圖1、圖2所示。

圖1 現(xiàn)澆承軌臺(tái)式方案橫斷面

圖2 現(xiàn)澆承軌臺(tái)式方案平面

現(xiàn)澆承軌臺(tái)式方案目前主要應(yīng)用于有砟無(wú)砟過(guò)渡段無(wú)砟軌道一側(cè)輔助軌的安裝，如包西鐵路、拉日鐵路等項(xiàng)目。其主要優(yōu)點(diǎn)是護(hù)輪軌的設(shè)置對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較小，但存在現(xiàn)場(chǎng)植筋、鉆孔及澆筑護(hù)輪軌承軌臺(tái)混凝土工作量大且施工精度控制難度大等問(wèn)題，通常僅適用于過(guò)渡段等小范圍采用，難以大范圍推廣應(yīng)用。

1.2 混凝土長(zhǎng)枕式

該方案是無(wú)砟軌道采用具備安裝護(hù)輪軌的長(zhǎng)軌枕，典型的如過(guò)渡段專(zhuān)用枕(通線(xiàn)(2008)2201)、無(wú)砟軌道護(hù)輪軌地段用軌枕(研線(xiàn)1222)等，如圖3所示。

圖3 具備安裝護(hù)輪軌的長(zhǎng)軌枕

過(guò)渡段專(zhuān)用枕(通線(xiàn)(2008)2201)目前普遍應(yīng)用于有砟無(wú)砟過(guò)渡段，無(wú)砟軌道護(hù)輪軌地段用軌枕在蒙華、衢寧等項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用，其主要優(yōu)點(diǎn)是護(hù)輪軌安裝方便，且對(duì)正線(xiàn)鋼軌打磨、扣件維護(hù)等作業(yè)無(wú)影響，但存在軌枕與現(xiàn)澆混凝土之間新舊混凝土結(jié)合面大，運(yùn)營(yíng)期容易出現(xiàn)離縫等病害[7-9]。

1.3 衍生式雙塊式軌枕

該方案是由德國(guó)弗萊德?tīng)柼峁┑碾p塊式無(wú)砟軌道護(hù)輪軌設(shè)置方案，將軌枕塊踏步適當(dāng)延長(zhǎng)，并在踏步上預(yù)埋螺栓套筒，由螺栓固定支撐架，再將防脫護(hù)軌通過(guò)螺栓固定在支撐架上，如圖4所示。

圖4 衍生式雙塊式軌枕

衍生式雙塊式軌枕方案僅應(yīng)用在柏林—漢諾威高速鐵路哈弗爾河橋、哈弗爾—海峽橋和萊比錫—埃爾福特高速鐵路上跨A9高速公路橋上，其主要優(yōu)點(diǎn)是軌枕仍為雙塊式結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)澆道床之間結(jié)合緊密、整體性好，但存在的主要問(wèn)題是護(hù)輪軌與基本軌之間的凈距小，影響正線(xiàn)鋼軌打磨及扣件維護(hù)作業(yè)[10]。

1.4 新型防脫護(hù)軌

該方案在無(wú)砟軌道鋪軌施工完成后采用特制支撐架將護(hù)軌安裝在基本軌上，如圖5所示。

圖5 新型防脫護(hù)軌

新型防脫護(hù)軌在我國(guó)城市軌道交通項(xiàng)目中的高架線(xiàn)上應(yīng)用較為廣泛[11-13]，在遂渝線(xiàn)張家院子中橋、嘉陵江大橋等橋上也進(jìn)行了應(yīng)用，其主要優(yōu)點(diǎn)是安裝方便，且對(duì)無(wú)砟道床結(jié)構(gòu)本體無(wú)影響，主要缺點(diǎn)與衍生式雙塊式軌枕方案一致。

綜合以上分析可知，上述4種方案由于其各自存在的問(wèn)題，均未能在無(wú)砟軌道地段得到推廣應(yīng)用。高原鐵路沿線(xiàn)工程環(huán)境復(fù)雜，如設(shè)置護(hù)輪軌，應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝且不影響運(yùn)營(yíng)維護(hù)的基本要求。基于此原則，本文在SK-2型雙塊式軌枕的基礎(chǔ)上進(jìn)行了安裝單側(cè)護(hù)輪軌方案研究。

2 基于雙塊式軌枕的單側(cè)護(hù)輪軌方案研究

單側(cè)設(shè)置護(hù)輪軌方案考慮在既有SK-2型雙塊式軌枕的基礎(chǔ)上，采用將一側(cè)雙塊式軌枕塊的內(nèi)側(cè)擋肩及踏步適當(dāng)延長(zhǎng)并優(yōu)化，以使其能夠滿(mǎn)足護(hù)輪軌的安裝需求。影響護(hù)輪軌安裝位置及雙塊式軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素如下。

2.1 接口關(guān)系

為降低軌枕改造對(duì)現(xiàn)有軌道部件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，軌枕改造方案在接口方面應(yīng)滿(mǎn)足WJ-8型扣件的安裝需求，即軌枕內(nèi)側(cè)擋肩及踏步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不能改變SK-2型軌枕內(nèi)側(cè)擋肩的線(xiàn)形與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)，在護(hù)輪軌安裝位置，應(yīng)預(yù)埋一對(duì)與扣板式扣件相匹配的套筒，以安裝護(hù)輪軌。

2.2 護(hù)輪軌安裝技術(shù)要求

規(guī)范中規(guī)定護(hù)輪軌頂面不應(yīng)低于基本軌軌面25 mm且不得高于基本軌軌面5 mm[14-16]。為便于廢舊鋼軌的充分利用，節(jié)約資源，護(hù)輪軌應(yīng)滿(mǎn)足廢舊60 kg/m鋼軌和50 kg/m鋼軌(以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)“60軌”、“50軌”)的安裝需求。同時(shí)，由于高原地區(qū)鐵路網(wǎng)密度較小，僅青藏鐵路一條線(xiàn)路具備大規(guī)模更換鋼軌的情況，且考慮到高原鐵路特殊的地理位置與惡劣的工程環(huán)境條件，受廢舊軌運(yùn)距、運(yùn)輸方式、整修代價(jià)等因素的影響，個(gè)別區(qū)段護(hù)輪軌采用廢舊鋼軌的綜合代價(jià)會(huì)高于新軌。因此，護(hù)輪軌應(yīng)兼顧新舊60軌和50軌的安裝需求。

結(jié)合既有項(xiàng)目鋪設(shè)護(hù)輪軌的工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)護(hù)輪軌采用新60軌時(shí)，受鋼軌磨耗、高低不平順及裝配誤差等影響因素，護(hù)輪軌與基本軌的高程差會(huì)出現(xiàn)>5 mm限值標(biāo)準(zhǔn)的情況。因此，護(hù)輪軌安裝設(shè)計(jì)應(yīng)考慮一定的冗余量，本次護(hù)輪軌安裝方案設(shè)計(jì)冗余量暫按5 mm考慮。

基于以上分析，在護(hù)輪軌安裝設(shè)計(jì)考慮5 mm冗余量的情況下，當(dāng)護(hù)輪軌采用與基本軌一致的新60軌時(shí)，護(hù)輪軌頂面高程不得超過(guò)±0 mm(基本軌頂面高程為±0 mm)；當(dāng)護(hù)輪軌采用廢舊50軌時(shí)，護(hù)輪軌頂面高程不得低于-20 mm。

60軌比50軌高24 mm，即當(dāng)護(hù)輪軌采用新60軌軌面高程為±0 mm時(shí)，則匹配新50軌時(shí)的軌面高程為-24 mm(考慮5 mm的誤差限值，護(hù)輪軌墊板厚度需要根據(jù)實(shí)際情況增加0～4 mm)；如采用廢舊50軌，為滿(mǎn)足護(hù)輪軌頂面高程與基本軌頂面高程的限值要求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增加軌下墊板厚度≮5～10 mm(一般地段護(hù)輪軌墊板厚3 mm[17]，50軌重傷標(biāo)準(zhǔn)為垂直磨耗9 mm[18])。

綜合以上分析，為滿(mǎn)足護(hù)輪軌安裝要求，以護(hù)輪軌采用新60軌為基礎(chǔ)，護(hù)輪軌頂面高程應(yīng)為±0 mm，此種情況下，如護(hù)輪軌采用廢舊50軌，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增加軌下墊板厚度≮5～10 mm。

2.3 運(yùn)維需求

在滿(mǎn)足扣件安裝和列車(chē)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，護(hù)輪軌與基本軌之間的凈距越小，其防脫效果越好，但護(hù)輪軌的安裝會(huì)影響軌道結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)。如Ⅲ型混凝土橋枕基本軌與護(hù)輪軌凈距為220 mm，運(yùn)維中道床搗固、鋼軌打磨等大機(jī)作業(yè)需要拆除護(hù)輪軌后方可實(shí)施，工程量巨大，新Ⅲ型混凝土橋枕設(shè)計(jì)時(shí)，為避免對(duì)大機(jī)作業(yè)的影響，將基本軌與護(hù)輪軌凈距調(diào)整為500 mm[19]。

對(duì)于無(wú)砟軌道，大機(jī)作業(yè)主要有鋼軌打磨及探傷，探傷車(chē)要求的基本軌與護(hù)輪軌之間凈距不得小于80 mm；按照規(guī)范要求，鋼軌打磨作業(yè)角度為-10°～+60°[20]，當(dāng)鋼軌打磨角度為60°時(shí)，打磨車(chē)搖架距離護(hù)輪軌最近為280 mm。因此，鋼軌打磨是控制基本軌與護(hù)輪軌間凈距的關(guān)鍵因素，再考慮50 mm安全余量的條件下，滿(mǎn)足大機(jī)打磨作業(yè)要求的護(hù)輪軌與基本軌間的凈距不得小于330 mm。

綜合分析，得出基于雙塊式軌枕的單側(cè)護(hù)輪軌設(shè)置方案及無(wú)砟軌道平面布置如圖6～圖8所示。

圖6 單側(cè)護(hù)輪軌設(shè)置方案(新60軌)(單位：mm)

圖7 單側(cè)護(hù)輪軌設(shè)置方案(新50軌)(單位：mm)

圖8 單側(cè)設(shè)置護(hù)輪軌道床平面布置

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

相比于SK-2型軌枕，單側(cè)設(shè)置護(hù)輪軌軌枕每根需要增加的材料用量如表1所示。

表1 單側(cè)設(shè)置護(hù)輪軌軌枕材料增加用量

經(jīng)測(cè)算，相比于SK-2型軌枕，單側(cè)設(shè)置護(hù)輪軌軌枕每根造價(jià)增加32.93元，即本方案每正線(xiàn)公里需增加投資10.54萬(wàn)元(僅軌枕費(fèi)用，不含護(hù)輪軌的材料費(fèi)及安裝費(fèi))，相對(duì)無(wú)砟道床的投資較低，經(jīng)濟(jì)性較為合理。

3 結(jié)語(yǔ)

某高原鐵路沿線(xiàn)工程與環(huán)境條件極為惡劣，線(xiàn)外交通基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，運(yùn)營(yíng)期防災(zāi)減災(zāi)面臨巨大挑戰(zhàn)，如何防止列車(chē)在地震等特殊條件下脫軌后侵入臨線(xiàn)限界、引發(fā)二次嚴(yán)重傷害事故，成為工程設(shè)計(jì)中面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題。針對(duì)此問(wèn)題，基于現(xiàn)有工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道單側(cè)設(shè)置護(hù)輪軌的方案進(jìn)行了研究分析，在不改變軌道結(jié)構(gòu)與線(xiàn)下基礎(chǔ)之間、軌道部件之間接口關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了合理的護(hù)輪軌設(shè)置方案，為高原鐵路防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐與思路。得出的主要結(jié)論如下。

(1)現(xiàn)有無(wú)砟軌道護(hù)輪軌應(yīng)用案例在道床結(jié)構(gòu)整體性、施工及運(yùn)維便捷性等方面存在問(wèn)題，不適用在高原鐵路大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

(2)基于接口關(guān)系、護(hù)輪軌安裝技術(shù)要求及運(yùn)維需求的研究分析，護(hù)輪軌與基本軌凈距不應(yīng)小于330 mm，為滿(mǎn)足護(hù)輪軌兼容新舊60軌和50軌的安裝需求，當(dāng)護(hù)輪軌采用新60軌時(shí)，護(hù)輪軌頂面高程宜為±0 mm。

(3)采用將SK-2型雙塊式軌枕一側(cè)軌枕塊的內(nèi)側(cè)擋肩及踏步延長(zhǎng)并適當(dāng)優(yōu)化的方式安裝護(hù)輪軌，經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行。