重載鐵路隧道內無砟軌道結構選型設計與施工關鍵技術

李明領

(晉豫魯鐵路通道股份有限公司，山西太原 030045)

1 工程概況

新建山西中南部鐵路通道是國家一級重載鐵路，為目前國內第一條設計軸重30 t的重載鐵路，設計為雙線，速度120 km/h。該線橫跨晉豫魯三省，全長1 267 km，其中隧道所占比重較大。目前我國既有鐵路隧道內普遍采用整體道床，主要形式有彈性支承塊式、雙塊式、長枕埋入式三種，均是在重載鐵路隧道中首次應用。由于該重載鐵路施工精度高，隧道內作業空間小，工期緊，施工難度大，因此優化軌道結構形式和施工關鍵技術尤為重要。

山西中南部鐵路通道自山西省呂梁市興縣的瓦塘站引出，向南經臨縣、柳林、蒲縣，折向東經洪洞、長治，跨京廣線后引入湯陰東站，利用既有湯臺鐵路并增建第二線至臺前，再北跨京九線后向南跨越黃河，經泰安、萊蕪、沂源、沂水至日照南站。全線共有201座隧道，總長度380 km。其中鋪設無砟軌道的隧道共83座，約280 km(雙線)，約占隧道總長度的73.7%。

2 無砟軌道結構選型

2.1 無砟軌道結構基本組成及技術特點

目前國內尚無重載鐵路無砟軌道的工程實踐。我國前期客貨混運線路隧道內采用的無砟軌道結構主要有雙塊式、長枕埋入式和彈性支承塊式三種。

1)雙塊式無砟軌道

隧道內雙塊式無砟軌道(圖1)主要由鋼軌、彈條扣件、雙塊式軌枕等組成。軌枕由工廠預制，施工時將軌枕組裝成軌排，以現場澆筑混凝土的方式將軌枕澆入鋼筋混凝土道床內。

圖1 雙塊式無砟軌道結構

雙塊式無砟軌道結構主要優點為:結構整體性較強、施工工藝簡單;預制軌枕生產工藝易于掌握，已有成套生產設備且運輸吊裝方便;經濟性較好。其主要不足為:道床板與軌枕新老混凝土結合面易產生裂紋，裂紋控制較困難;采用工具軌施工，施工質量受工具軌、扣件等的影響;運營期間難以修復。

2)長枕埋入式無砟軌道

長枕埋入式無砟軌道結構(圖2)主要包括混凝土道床板、穿孔軌枕及配套扣件。長枕埋入式無砟軌道采用預應力長軌枕，澆入鋼筋混凝土道床中，為了保證軌枕與道床的連接，在軌枕上設5個橫向預留孔，道床上層用縱向鋼筋穿過增強其整體性。

圖2 長枕埋入式無砟軌道結構

長枕埋入式無砟軌道結構的主要優點為:結構形式簡單、整體性好、軌距保持能力強;經濟性好;道床混凝土灌注成型，均為常規施工工藝，易于掌握;軌枕制造、運輸吊裝方便。其主要不足為:新老混凝土結合面面積較大，裂紋控制較困難;預制軌枕的自重較大，與雙塊式無砟軌道相比，運輸、組裝鋪設難度較大。

3)彈性支承塊式無砟軌道

隧道內彈性支承塊式無砟軌道結構(圖3)組成主要包括混凝土道床板、彈性支承塊(混凝土支承塊、橡膠靴套、塊下膠墊)及配套扣件。

圖3 彈性支承塊式無砟軌道結構

彈性支承塊式無砟軌道是在雙塊式軌枕(或兩個獨立支承塊)的下部及周圍設橡膠或其它彈性復合材料套靴，軌枕塊底部與套靴間設橡膠彈性墊層，套靴周圍灌注混凝土而成形的一種無砟軌道結構形式。結構的主要優點為:軌道結構彈性好;施工工藝簡單;結構可修復性能較好;預制件吊裝方便。其主要不足有:套靴防水、防塵性能差;結構中彈性元件耐久性問題;軌道幾何形位的保持能力相對較弱。

2.2 無砟軌道性能對比分析

由前文分析可以看出，三種無砟軌道結構均具有良好的安全可靠性，完善結構設計后均可適用于重載鐵路運營條件。但針對本線運營特點，從低動力特性、可修復性以及良好的耐久性等方面進行無砟軌道結構的選型分析。

1)雙塊式和長枕埋入式

這兩種軌道結構均為現澆枕式整體道床結構，軌道彈性主要由扣件系統提供。重載運輸條件下，扣件結構若要起到保持軌距的作用并且彈性墊層具有良好的抗疲勞耐久性，則扣件彈性墊層的剛度不應過低。這使得軌道整體剛度較大，列車沖擊荷載將會加劇，對軌道結構整體性和耐久性產生不利影響。此外，軌枕和道床板新老混凝土結合面易產生裂紋，其受力特性尚需進一步的理論分析和試驗對比研究。

目前我國客貨混運線路中，雙塊式和長枕埋入式無砟軌道尚無大規模使用經驗，軌道結構長期適宜性尚缺乏運營實踐檢驗。據相關資料顯示，遂渝線幾座隧道鋪設了雙塊式無砟軌道，通行貨車幾年后2011年不同程度地出現了軌枕松動、道床板裂紋;渝懷線幾座隧道鋪設了長枕埋入式無砟軌道，2005年開通運營，自2011年4月起出現了整體道床下沉、軌枕松動、嚴重冒漿等病害，使得線路幾何尺寸變化大。此外，這兩種無砟軌道結構發生病害后維修困難。

2)彈性支承塊式

彈性支承塊式無砟軌道在混凝土支承塊下和軌下設置有彈性墊層，其軌道整體彈性較好，有利于降低重載運輸條件下的輪軌相互作用力，改善軌道結構的受力環境。

彈性支承塊式無砟軌道已成功應用于西康線秦嶺隧道和蘭武二線烏鞘嶺隧道等客貨混運線路，累計鋪設已超過300 km。秦嶺隧道和烏鞘嶺隧道已開通運營近10年，在隧道基底穩固地段，彈性支承塊式無砟軌道結構整體狀態良好。此外，相比雙塊式而言，混凝土支承塊破損、隧道基底發生局部病害后，可修復性更好。

綜上所述，彈性支承塊式無砟軌道綜合性能良好，且在我國客貨混運線路隧道內有一定規模的工程應用，在施工和養護維修方面已積累了較多經驗，是一種較為成熟的結構形式。另外，相對剛性道床而言，混凝土支承塊破損、隧道發生局部病害后具有一定的可修復性。因此，山西中南部鐵路通道隧道內選用彈性支承塊式無砟軌道結構。

3 彈性支承塊式無砟軌道結構設計要點

3.1 結構尺寸

1)彈性支承塊

彈性支承塊由混凝土支承塊、橡膠套靴和微孔橡膠墊板三個部件組成，各部件工廠化生產，具體尺寸見圖4。

圖4 彈性支承塊尺寸(單位:mm)

2)道床板

道床板寬2 800 mm，一般厚度為390 mm(可根據隧底標高適當調整)，頂面設1.0%的人字形排水坡;曲線地段根據實設超高確定，頂面排水坡不小于1.0%。

3.2 配筋

道床板直接澆筑于隧道仰拱上，采用雙層配筋，鋼筋采用φ20和φ16，縱向鋼筋末端采用彎鉤錨固在橫向鋼筋上，彎鉤直線段長度不應小于100 mm。混凝土設計強度等級為C40，道床板范圍的隧道底板或仰拱回填層需進行拉毛或鑿毛處理。

3.3 縱向連接形式及伸縮縫設置

距隧道洞口200 m范圍內道床板采用6 580 mm和12 000 mm兩種長度分塊澆筑，在距隧道洞口200 m范圍以外洞內，采用連續澆筑和6 580 mm分塊澆筑兩種形式。在隧道沉降縫處縱向鋼筋斷開，并設置伸縮縫。相鄰兩塊道床板間設置寬20 mm的伸縮縫，采用聚乙烯泡沫型板材或泡沫橡膠板填縫，在表面30～40 mm深度范圍內采用聚氨酯或瀝青密封。

3.4 無砟軌道過渡段

過渡段設置在隧道內，其中有砟軌道長度30 m;自過渡段無砟軌道和有砟軌道分界處，向有砟軌道方向30 m范圍內用聚氨酯道砟膠對道砟分別進行全部或部分粘結，具體粘結方案為:①與無砟軌道相接的有砟軌道10 m范圍內全斷面粘結;②與無砟軌道相接的有砟軌道10～20 m范圍內砟肩及軌枕底面10 cm以下部分斷面粘結;③洞口10 m有砟軌道范圍內軌枕底面10 cm以下部分斷面粘結。

4 無砟軌道結構與隧底銜接設計

通過對既有線隧道內無砟軌道結構破壞原因的分析，并結合多次專家會商意見發現，隧底的可靠度是軌道結構完好性的關鍵。因此，設計時結合地下水、工程地質條件對隧道基底進行加強是必要的。

4.1 隧底加固設計

根據對大秦線、朔黃線等既有重載鐵路隧道的調查，在列車荷載、地下水作用下，以及受當時施工工藝、施工質量等的影響，部分隧道出現了鋪底開裂、損壞、翻漿冒泥等現象。當鐵路列車軸重增加、運量提高以后，基底結構與基巖之間更易產生空洞。尤其是對于含水的軟弱圍巖和土質地層，在列車荷載的作用下，其物理性能指標和承載力將明顯降低，加劇了隧底結構開裂、下沉以及翻漿冒泥等病害的發生。因此，山西中南部鐵路通道列車軸重提高后，須對含水的軟弱圍巖及土質隧道底部進行地基加固以減少病害，確保無砟軌道結構長期穩定性及行車安全。隧底加固原則為:①基底加固處理段落應主要根據隧底圍巖特征及地下水賦存狀態，并考慮隧道支護形式等綜合確定。②對含水的土質基底、土石界面的隧道仰拱下基底采用鋼管樁、注漿加固處理。③對于富水軟巖、軟弱不均地段的隧道仰拱下部可采用注漿處理。④現場注漿施工工藝是決定隧底加固處理成敗的關鍵，應對已開展的基底加固工藝性試驗進行充分的分析總結，以完善實施方案及指導大面積施工。

工藝性試驗經驗表明:注漿漿液擴散至隧底縫隙，充填圍巖裂隙，起到加固圍巖的作用，對施工造成的隧底虛渣也可有效包裹，注漿后仰拱與圍巖可以緊密接觸，提高基底強度;注漿還可以有效阻止地下水對隧底圍巖顆粒的沖刷，避免形成隧底空洞。

4.2 完善排水系統

鋪設無砟軌道的隧道設置完善的隧底排水系統非常重要。無砟軌道排水設計應結合隧道排水系統綜合考慮。隧底排水設計應結合地下水情況，并考慮施工難以避免的一些影響因素，要形成完善的排水系統。對有水隧道隧底預設置中心水溝，要采用深排水溝且盡量靠無砟軌道側設置，以利于無砟軌道底水的釋放。隧道排水系統如圖5所示。

圖5 無砟軌道隧道排水系統示意(單位:cm)

5 無砟軌道施工關鍵技術

5.1 彈性支承塊預制質量控制

1)預制鋼模。鋼模的剛度、尺寸、平整性及預埋件固定系統是保證支承塊各部分形狀、尺寸、平整性和預埋件準確性的關鍵。鋼模的制造極限偏差應為支承塊成品極限偏差的1/2，應嚴格驗收進場。

2)預埋鐵座及安裝。預埋鐵座表面應潔凈平整，修邊整齊，不應出現任何分裂、剝落或者剝離現象，顏色應均勻。預埋鐵座應有生產廠家出廠合格證明書，并應符合設計要求和相關技術條件規定。預埋鐵座安裝后下列參數必須滿足設計要求:①兩軌底外側預埋鐵座間的距離;②同一軌底內外側預埋鐵座距離;③預埋鐵座支承面至軌面高度;④預埋鐵座與承軌面的垂直度;⑤預埋鐵座內側面與承軌面縱向中心線的垂直度等。

3)橡膠套靴及微孔橡膠墊板。橡膠套靴及微孔橡膠墊板生產質量極為重要，必須保證其耐磨耗、耐老化、抗疲勞性能，同時要保持墊板變形和靜剛度的穩定性。橡膠套靴原材料為三元乙丙或氯丁膠，微孔橡膠墊板原材料為三元乙丙膠，嚴禁摻加再生膠;橡膠套靴表面應潔凈平整，修邊整齊，不應出現任何分裂、剝落或者剝離現象，顏色應均勻，各項指標應符合技術條件要求。進行駐廠監造，嚴格出廠和進場檢驗。

4)底面平整度。成型后的支承塊(圖6)底面平整度要求在±1 mm內。通過試制表明，在生產節奏不快時，可通過人工抹面保證。但事實表明，受工作面的限制，這一方法卻不適用于批量生產，所以底面平整度這一指標須通過機械打磨實現。

圖6 成型后彈性支承塊

5.2 整體道床施工必備條件

無砟軌道施工前6項必備條件:①隧道基底加固處理、第三方檢測質量缺陷及缺陷整治。檢測部件包括隧道內預埋件、過軌管線等;②隧道滲漏水檢查，包括隧道排水系統溝槽與預留泄水孔;③隧道沉降變形觀測;④精測網的建立與評估;⑤無砟軌道施工組織設計及作業指導書;⑥無砟軌道設計圖紙、技術交底。

5.3 軌道施工關鍵工序及控制要點

5.3.1 工裝設備配置及檢查

合理配置工裝設備是保證無砟軌道施工進度和精度的關鍵。結合本線隧道實際情況，主要采用軌排框架工裝，具體工裝設備配置如表1。

5.3.2 施工工藝流程(圖7)

5.3.3 軌排精調

軌排精調是關鍵工序，對軌道的幾何尺寸、最終位置能否達到設計及驗收標準的要求起著決定性的作用。精調方法:①使用專用調整扳手配合精調小車測量系統進行軌道精確調整。根據測量小車電腦顯示數據(可顯示到0.1 mm)，調整豎向支撐螺桿，通過轉動豎向螺桿，垂直調整軌道高程，通過調整軌排兩側撐桿，實現水平調整。在曲線地段，調整時可能產生水平位置和高度的沖突，因此必須在垂直及水平兩方向同時進行調整，最終保證各項軌道高低及中線參數的偏差值不超過0.5 mm，并且越小越好。②使用接頭夾板將軌道排架連接起來，保證接頭的平順性。③軌排精調測量測點應設在軌排支撐位置，保證鋼軌及其接頭的平順。

表1 主要工裝設備(一套)

圖7 隧道內彈性支承塊式無砟軌道施工流程

精調檢查:利用CPⅢ點，使用軌檢小車和全站儀逐一檢測每根軌枕處的軌面高程、軌道中線位置、軌道平順度等幾何狀態，全站儀測角標稱精度不應大于1″，測距標稱精度不應大于 2 mm+2D×10－6，D為距離，km。精調后軌排允許偏差應符合下列規定:軌面高程(以一股鋼軌為準)與設計高程允許偏差±2 mm;軌道中線(以一股鋼軌為準)與設計中線允許偏差為2 mm;線間距允許偏差為0～+5 mm;軌距偏差為±1 mm;高低、水平、軌向偏差均按±1 mm控制。

5.3.4 施工質量控制關鍵技術

彈性支承塊式整體無砟道床采用軌排框架法施工，施工精度要求高，軌排鋪設跨度大，工序多且干擾大，其中軌排驗收、鋼筋布置、軌排架設及混凝土澆筑是關鍵。

1)軌排(含工具軌)驗收。軌排進場后對其工具軌、軌距、軌底坡等進行檢查驗收。工具軌端部平整度≤0.3 mm/1 m;鋼軌中部平整度≤0.4 mm/1 m;工具軌高度≤－2 mm;軌面寬度≤－2 mm且表面無裂紋、損傷等;軌距偏差≤±1 mm，軌距變化率不得大于1‰;軌底坡按1/38～1/40控制。

2)鋼筋安裝。按照設計圖紙設置道床板鋼筋網，特別是支承塊周圍箍筋安裝高度與支承塊間距應符合設計要求;鋼筋交叉及搭接處設置小型絕緣卡，道床板鋼筋架設完畢后，應進行絕緣性能測試，符合要求后方可進行下一步施工。

3)軌排架設及粗調。龍門吊從組裝平臺上吊起軌排緩慢平穩地運至施工地點，按中線和高程進行粗略定位，誤差控制在高程－10～0 mm，中線±10 mm。相鄰軌排用夾板聯接，每接頭4套螺栓，初步擰緊，軌縫控制在6～10 mm。初步就位后用軌向鎖定器鎖定軌排水平方向后開始進行軌排粗調。調整原則:先中線后高程。調整方法:左右調節軌向鎖定器中線對中，旋動豎向支撐螺桿調整高程。粗調完成后軌面高低允許偏差為0～－5 mm，軌道中線允許偏差為±5 mm。粗調完成后相鄰兩排架間按1-3-4-2順序擰緊接頭螺栓。

4)混凝土澆筑。混凝土澆筑前要采取有效措施防止混凝土對扣件、軌枕、鋼軌污染，以保證軌道精調精度。應嚴格控制道床板混凝土的塌落度，一般在140～160 mm，灌注時沿線路縱向由支承塊一側邊澆筑邊振搗，直至混凝土從彈性支承塊底部流出。對彈性支承塊下及四周應加強振搗，確保無氣泡、空洞，同時避免搗固棒接觸橡膠套靴和軌排。加強軌排桁架底部的收光抹面措施，保證道床板的平整度要求，高程允許誤差3 mm。道床板混凝土表面不得高于橡膠套靴帽檐的下邊緣，嚴禁混凝土掩埋橡膠套靴。混凝土澆筑完畢，根據初凝時間，及時解除扣件約束，防止混凝土收縮開裂。

6 結論及建議

本文以山西中南部鐵路通道重載鐵路隧道工程為依托，通過對我國客貨混運線路無砟軌道結構形式的比選及對無砟軌道整體結構設計與施工關鍵技術的分析，得出如下結論:

1)彈性支承塊式無砟軌道綜合性能良好，滿足重載鐵路對無砟軌道彈性和可修復性的要求，可作為中南部重載鐵路隧道內無砟軌道首選結構形式。

2)無砟軌道結構只有建立在隧道基底穩定基礎上才能保證其長期穩定性。

3)精密控制網是保證無砟軌道結構施工精度和質量的關鍵。

4)彈性支承塊套靴和彈性墊板材質及安裝質量是無砟軌道抗列車沖擊和抗疲勞能力、使用壽命、維修量及列車運行平穩性的關鍵。

建議:

1)針對鋪設無砟軌道的隧道地質和結構狀況，完善隧道排水系統設計。一是對于雙線隧道應設中心水溝;二是優化側溝溝底標高及位置，以確保無砟整體道床底部水順暢排泄到側溝。

2)我國目前尚無重載鐵路無砟軌道的設計與施工經驗。山西中南部通道無砟軌道結構設計及施工參數尚需進一步研究和試驗驗證。

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