高速鐵路無砟軌道無縫線路鋼軌位移觀測樁布置方案研究

李傳勇,譚社會,林 超

(1.中國鐵路上海局集團有限公司,上海 200071； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

高速鐵路鋪設跨區間無縫線路，鎖定軌溫是其關鍵參數，直接影響到無縫線路的強度和穩定性[1-3]。長鋼軌相對基礎縱向位移(簡稱“鋼軌位移”)表征了無縫線路鎖定軌溫的改變程度。一定長度的鋼軌，其兩端位移之差越大則鎖定軌溫變化量也越大。根據《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》[4]，兩相鄰單元軌節鎖定軌溫差超過5℃時，就必須對無縫線路進行應力放散和重新鎖定。為掌握無縫線路鎖定軌溫的變化情況，需在線路兩側按一定間距設置位移觀測樁。TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》[5]對鋼軌位移觀測樁的布置做了統一規定：跨區間無縫線路、區間無縫線路按單元軌節等距離設置位移觀測樁，且樁間距不宜大于500 m，長大橋梁兩端、長大隧道的洞口應設置1組位移觀測樁。但現場實際應用仍存在一定局限性。

國內針對鋼軌位移理論分析[6-8]、現場試驗[9-12]及監測方法[13-17]等進行了大量研究，但對于鋼軌位移觀測樁的設置系統研究相對不足。基于此，從無縫線路設計理論出發，結合高速鐵路線路維修規則，重點對橋梁地段無砟軌道結構鋼軌位移進行監測，分析鋼軌位移變化規律，提出鋼軌位移觀測樁設置優化建議。研究成果可為我國高速鐵路無砟軌道無縫線路的優化設計和養護維修提供一定理論參考。

1 位移觀測樁服役現狀及優化建議

現場調研表明，既有觀測標志隨運營時間的延續，易出現脫離、丟失等問題；在日常線路檢查維修作業中，數據量測的光照條件較差，位移值讀取的精度較低，觀測值存在一定偏差；此外，規范[4]要求一年需進行4次位移數值量測，全路段鋼軌位移測量工作量較大，且缺乏針對性。

針對上述問題，可考慮從材料、檢測周期、檢測方式等角度進行優化，提高位移觀測樁的服役性能和檢測效率。在材料優化方面，可加固對位移觀測樁的設立方法，采用抗腐蝕和耐久性好的合金材料標尺，利用高分子材料改進標尺粘貼方式，線路條件合適時，可考慮設置防爬觀測樁。在檢測周期優化方面，可針對不同基礎條件，按照每年2次的量測周期進行，對于位移變化異常地段加強觀測。在檢測方式優化方面，可采用數字化檢測設備解決目視直接讀數的弊端，重大控制性工程建議設置鋼軌位移長期智慧化在線監測系統。

2 鋼軌位移理論分析

高速鐵路路基與隧道內無縫線路設計理論基本一致，而橋上無縫線路鑒于梁軌縱向相互作用，需進行梁軌縱向相互作用分析，并進行無縫線路強度和穩定性檢算[18-21]。

2.1 路基和隧道區段

對于路基和隧道區無縫線路鎖定后，呈現出兩端為伸縮區和中部大范圍為固定區的現象，如圖1所示。從圖1可以看出，固定區鋼軌位移與鋼軌溫度變化無關，鋼軌溫度變化主要影響鋼軌伸縮區長度。鋼軌降溫10 ℃時伸縮區長度約60 m，鋼軌降溫60 ℃時伸縮區長度約100 m。結合現場觀測結果，路基及隧道地段固定區鋼軌-軌道板相對位移很小，按照規范[5]中既有位移觀測樁布置方式，即可滿足現場運維的實際需求。因隧道洞口存在軌溫過渡[22]，該區域鋼軌的伸縮變形較大，《鐵路無縫線路設計規范》要求在隧道洞口增設1組位移觀測樁。雖然可測得隧道洞口的鋼軌變形量，但因其與前后位移觀測樁的樁間距較大(一般在250 m)，無法確定鋼軌伸縮區長度，不利于工務部門養護維修。因此，建議在隧道洞口及其前后100 m處各增設1組位移觀測樁，從而能直接獲取隧道洞口鋼軌伸縮變形范圍。

圖1 溫度荷載作用下路基段鋼軌伸縮位移曲線

2.2 橋梁區段

對于橋上無縫線路固定區，在不設置鋼軌伸縮調節器的條件下，理論上鋼軌位移和梁軌縱向相互作用力不受軌溫影響，即鋼軌在鎖定軌溫、最高軌溫及最低軌溫下計算的鋼軌位移是相同的，僅鋼軌所受縱向力(含溫度力)不同。因此，橋上無縫線路鋼軌位移由梁體因溫差和列車荷載作用引起梁軌縱向相互作用產生。該鋼軌位移為彈性位移，在軌道結構不變的情況下，梁軌縱向相互作用引起的鋼軌位移隨著梁體縱向位移減小而減小，直至恢復至零。

為揭示橋上無縫線路的梁軌相互作用關系，采用有限元分析方法，針對目前高速鐵路上常用的32 m跨度簡支梁和(48+80+48) m連續梁，同時考慮扣件類型的影響，分析橋梁溫度變化30℃時的梁軌相對位移規律。模型中簡支梁固定支座均位于左側，10跨32 m簡支梁的梁軌相對位移變化曲線如圖2所示。

圖2 10跨32 m簡支梁梁軌相對位移

從圖2可以看出，每跨簡支梁的梁軌相對位移變化趨勢及量值均接近，因此，對于簡支梁區段位移觀測樁的設置，可在樁間距不宜大于500 m的基礎上，考慮簡支梁固定支座位置，樁間距取梁長的整數倍，從而保證位移觀測樁設置在簡支梁活動支座梁端。

圖3為5×32 m簡支梁+(48+80+48) m連續梁+5×32 m簡支梁的梁軌相對位移曲線。

從圖3可以看出，梁軌相對位移的最大值出現在連續梁梁端，扣件阻力變化主要對連續梁上的鋼軌伸縮范圍產生影響。

為進一步量化鋪設小阻力扣件橋梁鋼軌位移觀測樁的設置標準，選取目前高鐵溫度跨度在200 m 以下的3種常見橋梁跨度：(48+80+48) m連續梁、(60+100+60) m連續梁和(75+120+75) m連續梁，計算在鋪設小阻力扣件后的梁軌相對位移關系。圖4為不同溫度跨度條件下鋪設小阻力扣件的梁軌相對位移。

從圖4可以看出，隨著橋梁溫度跨度增加，梁軌相對位移變化趨勢基本一致。

因此，對于鋪設常阻力扣件的連續梁，可在連續梁兩側梁端各補充設置1對位移觀測樁；對于鋪設小阻力扣件的連續梁，為更好地把握橋上鋼軌位移變化規律，除在連續梁兩側梁端各補充設置1對位移觀測樁外，還可在連續梁活動支座上方補充設置1對位移觀測樁。

3 橋上鋼軌-軌道板相對位移測試

為驗證橋上梁軌相互作用關系，開展橋上鋼軌伸縮位移監測試驗。通過對現場梁軌相對位移測試，驗證理論分析結果，同時，為位移觀測樁的設置提供試驗支撐。

3.1 32 m簡支梁鋼軌位移測試

選取某高鐵線路32 m簡支梁地段進行監測，橋上鋪設CRTS I型板式無砟軌道結構，單元軌道板與底座板間的相對位移很小，因此，鋼軌-軌道板的相對位移可認為是鋼軌-橋梁的相對位移。測點布置示意如圖5所示。圖5中測點4-13和4-27分別位于1號簡支梁和3號簡支梁活動支座的梁端，測點4-26位于3號簡支梁跨中。3個測點的初始位移均為0 mm。

圖5 鋼軌-軌道板縱向相對位移測點布置示意

圖6為2015～2018年3個測點的鋼軌-軌道板縱向位移隨時間變化曲線。從圖6可以看出，3個測點的位移變化趨勢基本相同，兩個梁端測點位移變化量基本相同，每年的變化量大概在±2 mm。由此可知，簡支梁地段位移觀測結果與理論計算接近，位移觀測樁的設置可考慮簡支梁固定支座位置，樁間距取梁長的整數倍，從而保證位移觀測樁設置在簡支梁活動支座梁端。

圖6 鋼軌-軌道板相對位移變化曲線

3.2 鋪設常阻力扣件的連續梁橋鋼軌位移測試

高速鐵路采用的連續梁橋結構形式較多，一般為三跨或四跨，主跨為48～192 m不等。本次監測選取的測點位于某鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道連續梁梁端，跨度為(70+125+70) m，線路線型為曲線，半徑4 500 m，超高175 mm，如圖7所示。扣件為常阻力扣件，軌道板與底座板之間采用凸臺限位，板間相對位移很小，鋼軌-軌道板的相對位移可認為是鋼軌-橋梁相對位移。

圖7 CRTSIII板式無砟軌道連續梁梁端傳感器安裝

圖8為2016年6月1日～10月31日梁端鋼軌-軌道板相對位移變化曲線。從圖8可以看出，梁端曲線外側的鋼軌-軌道板相對位移變化量大于曲線內側，曲線外側的鋼軌-軌道板相對位移最大值為18.88 mm，曲線內側的鋼軌-軌道板相對位移最大值為13.80 mm。梁端位移計算結果與理論計算結果量級接近。推薦在鋪設常阻力扣件連續梁梁端各增設1組位移觀測樁。

圖8 連續梁梁端鋼軌-軌道板相對位移變化曲線

3.3 鋪設小阻力扣件的連續梁橋鋼軌位移測試

以某高速鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道連續梁橋(104+168+168+112) m為研究對象，線型為圓曲線，半徑7 000 m，超高175 mm，采用小阻力扣件。測點設置在大跨度連續梁上，7號墩為固定支座，具體布置位置如圖9所示。

圖9 CRTSⅠ型板式無砟軌道橋上鋼軌位移測點布置(單位：m)

圖10為連續梁鋼軌-軌道板相對位移隨時間變化曲線。從圖10可以看出，連續梁支座附近鋼軌軌道板相對位移變化的較為平緩，梁端鋼軌-軌道板相對位移變化最為劇烈，3個測點全年變化量分別為1.8，13，32 mm。對于鋪設小阻力扣件連續梁橋，除在梁端設置1組位移觀測樁外，還可在連續梁活動支座處補充設置1組位移觀測樁，作為梁軌相對位移伸縮范圍的分界點，便于指導后期養護維修。

圖10 連續梁鋼軌-軌道板相對位移變化曲線

4 結論

基于無縫線路養護維修的現場調研，采用理論計算和試驗測試相結合的方法，研究了高速鐵路無砟軌道變形規律，提出了位移觀測樁的優化布置方案，主要結論如下。

(1)建議從材料、檢測周期、檢測方式等方面提高位移觀測樁的服役性能和檢測效率。

(2)為獲取隧道洞口鋼軌伸縮變形范圍，方便工務部門日常養護，建議在隧道洞口及其前后100 m處各增設1組位移觀測樁。

(3)為保證位移觀測樁設置在簡支梁活動支座梁端，建議簡支梁地段位移觀測樁的設置考慮固定支座位置、梁長等因素。

(4)對于鋪設常阻力扣件的連續梁橋，可在兩側梁端各增設1組位移觀測樁；針對鋪設小阻力扣件的連續梁橋，除梁端增設位移觀測樁外，還可在連續梁活動支座處增設1組位移觀測樁。