鐵路隧道用矮軌枕的設計與制造

黃偉標

(樂昌市安捷鐵路軌枕有限公司,廣東樂昌 512200)

我國研制混凝土軌枕已有近50年的歷史,隨著鐵路的重載提速,混凝土軌枕由69型、Ⅰ型軌枕發展到Ⅱ型、Ⅲ型軌枕。目前,Ⅲ型軌枕不但已經大量使用在時速160 km、最大軸重230 kN的運營線路上,還應用于時速200 km、軸重250 kN的客貨共線的運營線路上[1-5]。但是,在廣州鐵路(集團)公司所屬既有線部分隧道內由于受隧道凈空高度限制,一直使用軌枕板(寬枕)。軌枕板為密排鋪設,大型機械搗固設備無法進行道床搗固作業,在作業環境惡劣的隧道內,人力搗固無論是施工質量還是施工時間上都與大型機械作業有很大差距,軌道板無法滿足線路使用要求,成為線路提速的瓶頸之一。因此,開發既適合大型機械設備道床搗固作業且性能不低于III型枕的既有線隧道用預應力混凝土軌枕非常必要。

1 設計的主要難點[6]

(1)隧道內更換寬枕時軌面高程不能改變,為保證道床最小厚度不少于250 mm要求,矮隧道軌枕承軌槽截面高度不宜超過180 mm。

(2)在截面高度降低的情況下,設計的矮隧道軌枕的靜載試驗強度、疲勞試驗強度與Ⅲ型預應力混凝土枕應相當。靜載抗裂強度試驗值滿足：軌下截面210 kN；枕中截面170 kN。疲勞強度試驗值滿足：軌下截面230～46 kN；枕中截面180～36 kN。

(3)軌枕截面不宜過寬,鋪設時滿足現有大型機械設備(08-32搗固車)搗固作業要求,具體要求如下。

①最小枕間隙S1

以Ⅲ型軌枕為例,當搗固設備的加寬塊處于工作狀態時,搗固設備的搗固外臂張開度最小狀態L=1 040 mm(沒有夾持狀態)。如果枕間距很小,作業時會出現移枕或劈枕的現象。當搗固設備外鎬沿著被搗軌枕的臨近軌枕(第1、第4根軌枕)邊緣下插時,能夠確保不移枕,如圖1所示,這時需要的枕間隙是最小枕間距。

圖1 最小枕間距(單位：mm)

搗鎬的厚度B=80 mm,軌枕的寬度為A=300 mm,假設軌枕與軌枕之間的間隙為S1,由圖1可知,L+2B=3S1+2A,代人數值得出S1=200 mm。

②最大枕間隙S2

當搗固設備的加寬塊處于不工作狀態,即把加寬塊抬起,搗固設備的外臂張開度處于最大狀態L=1 040 mm(沒有夾持狀態)。即當搗固設備的外鎬沿著被搗軌枕的邊沿下插,為確保不移枕,必須預留好夾持距離C=50 mm,如圖2所示,如果沿著軌枕邊下插,一夾持就可能出現移枕現象。

圖2 最大枕間距(單位：mm)

由圖2可知,L=2C+2A+S2,代入數值得S2=500 mm。

為了保證線路搗固作業質量,不出現移枕或劈枕現象,軌枕間隙必須滿足如下條件：200 mm≤S≤500 mm。

(4)在滿足設計承載能力的前提下,盡可能地減小混凝土預壓應力,混凝土最大預壓應力應滿足《預應力混凝土枕設計方法》中不大于12 MPa的要求。

2 適用條件

矮隧道軌枕與Ⅲ型軌枕等強設計,適用范圍與Ⅲ型軌枕相同。

60 kg/m鋼軌,標準軌距；

機車、車輛最大軸重250 kN；

年通過總重密度50～100 Mt·km/km;

旅客列車最高行車速度200 km/h；

軌枕配置根數1 667根/km；

碎石道床,道床厚度滿足規范要求；

線路最小曲線半徑350 mm；

配套扣件為彈條Ⅱ型扣件。

3 軌枕截面及強度設計[3-5][8-10]

矮隧道軌枕設計方案是在多種方案比選后確定的,進行了如下方案對比：軌下截面高度160 mm,枕中截面高度140 mm；軌下截面高度170 mm,枕中截面高度150 mm；軌下截面高度170 mm,枕中截面高度160 mm；軌下截面高度180 mm,枕中截面高度150 mm；軌下截面高度180 mm,枕中截面高度170 mm。以上多種方案或是由于達不到Ⅲ型軌枕的設計強度或是由于混凝土預壓應力值過高而無法實施。要達到Ⅲ型軌枕的設計強度,矮隧道軌枕截面高度降低后,只有采用增加預應力鋼筋同時提高預應力鋼筋合力的方法實現。降低截面高度并增加預應力鋼筋合力,會增大混凝土的預壓應力值,過多的降低軌枕高度,會使混凝土預壓應力無法滿足《預應力混凝土枕設計方法》中不大于12 MPa的要求。經多方案比選確定的最優方案為軌下截面高度180、枕中截面高度160 mm。

3.1 軌下截面主要參數

截面底寬(按照Ⅲ型軌枕標準) 320 mm

截面高 180 mm

混凝土強度等級 C60

施加預應力時混凝土立方體強度 ≮45 MPa

預應力鋼筋強度標準值 1 670 MPa

3.2 枕中截面主要參數

截面底寬(按照Ⅲ型軌枕標準) 320 mm

截面高 160 mm

混凝土強度等級 C60

施加預應力時混凝土立方體強度 ≮45 MPa

預應力鋼筋強度標準值 1 670 MPa

4 設計荷載彎矩驗算[1，7]

矮隧道軌枕的設計荷載與Ⅲ型軌枕相當。

依據《預應力混凝土枕設計方法》,枕上壓力R計算如下

R=γ·P0(1+α)

式中γ——輪重縱向分配系數,取0.48；

α——綜合動載系數,重型軌道取1.5；

P0——輪重,取250/2=125 kN。

由此得出枕上壓力R=150 kN。

荷載彎矩計算圖示如圖3、圖4所示。

圖3 軌下截面荷載彎矩計算圖示(單位：cm)

圖4 枕中截面荷載彎矩計算圖示(單位：cm)

依據荷載彎矩計算圖3、圖4,得出正負彎矩設計值為：軌下M=17.3 kN·m；枕中M=15.0 kN·m。

5 本軌枕與其他軌枕主要技術參數的對比

目前線路上大量使用的軌枕類型有寬枕、Ⅱ型軌枕、Ⅲ型軌枕。本軌枕及寬枕、Ⅱ型軌枕、Ⅲ型軌枕的主要設計參數對比如表1所示。

表1 4種軌枕參數比較

6 矮隧道軌枕的制造和驗收要求[2]

生產矮隧道軌枕的原材料和工藝設備與Ⅲ型混凝土軌枕基本相同,因此,可按照有擋肩Ⅲ型軌枕技術條件進行矮隧道軌枕的制造和驗收。執行標準如下:《預應力混凝土枕Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》(TB/T2190—2002)；《預應力混凝土枕疲勞試驗方法》(TB/T1878—2002)；《預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法》(TB/T1879—2002)。

以上3項標準是矮隧道軌枕制造驗收的基礎,但由于矮隧道軌枕混凝土預壓應力較大,為確保矮隧道軌枕的制造質量,制造中還應嚴格遵守如下要求。

(1)預應力鋼絲的總張拉力應符合設計圖的規定,施加的總張拉力偏差應不超過設計值的±5%,其張拉程序為0→σk持荷1 min→補拉至σk后擰緊螺母,應采用自動張拉設備。

(2)預應力鋼絲受力應均勻。同組鋼絲內鋼絲長度最大值與最小值之差應不超過2 mm。

(3)采用蒸汽養生時,在溫度不大于30 ℃的環境中靜停時間應不少于3 h；混凝土升溫速度及降溫速度應不大于15 ℃/h,最高養生溫度應不大于55 ℃,最高養生溫度持續時間應不超過8 h；養生結束時軌枕表面與坑外環境溫差不大于15 ℃。

(4)軌枕脫模后,應灑水養生3 d以上。

(5)應采取措施緩慢釋放應力。當采用張拉設備放松緊固螺母時,張拉力應不超過σk值的90%。

7 結論

按照上述標準設計制造的矮隧道軌枕,既能夠提高道床的承載能力,又方便線路的維護保養,在改善軌道受力狀態等方面有較大的經濟和社會效益。我公司試制產品在京廣線大瑤山隧道使用2年多來,驗證達到了設計目的,使用效果非常明顯。

[1] 白玲.汪加蔚,等.預應力混凝土軌枕的設計計算[J].混凝土與水泥制品,2009(1)：27-30.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2190—2002 預應力混凝土枕 Ⅰ型Ⅱ型及Ⅲ型[S].北京：中國鐵道出版社,2002．

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB1879—2002 預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法[S].北京：中國鐵道出版社,2002.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB/T1878—2002 預應力混凝土枕疲勞試驗方法[S].北京：中國鐵道出版社,2002．

[5] 中華人民共和國建設部.GB50010—2002 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2002．

[6] 中華人民共和國鐵道部. 鐵運[2006]146號 鐵路線路修理規則[S].北京：中國鐵道出版社,2006．

[7] 澳大利亞鐵路基礎材料編委會.AS1085.14—2003 預應力混凝土枕[S].澳大利亞：澳大利亞標準委員會,2003.

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB10210—2001 鐵路混凝土與砌體工程施工規范[S].北京：中國鐵道出版社,2001.

[9] 中華人民共和國建設部.GB50204—2002 混凝土結構工程施工質量驗收規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2002.

[10] 中華人民共和國建設部.JGJ55—2000 普通混凝土配合比設計規程[S].北京：中國建筑工業出版社,2001.