干旱風沙地區高速鐵路雙塊式軌枕設計研究

褚衛松

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

干旱風沙地區高速鐵路雙塊式軌枕設計研究

褚衛松

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

雙塊式軌枕作為雙塊式無砟軌道的重要組成部分，承受列車荷載并將荷載傳遞給道床板。武廣、鄭西高速鐵路中分別采用了CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅱ型雙塊式無砟軌道結構。對于蘭州至烏魯木齊第二雙線，全線多處于嚴寒、溫差大、風沙大、日照強、干旱缺水等惡劣自然氣候條件下，國內外尚無類似條件下鋪設雙塊式無砟軌道的工程實踐。結合沿線氣候特點易造成雙塊式軌枕沙埋、磨蝕等病害，提出加高承軌臺、改進桁架筋布置、增加擋肩內配筋、枕內鋼筋絕緣等措施，解決了氣候對雙塊式軌枕帶來的不利影響，并在全線得到推廣應用。

高速鐵路；干旱風沙；無砟軌道；雙塊式軌枕

1 概述

蘭州至烏魯木齊第二雙線全線跨越甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區三省區，線路正線全長1 775.8雙線km，沿線氣候有較大差異。從氣溫特點而言，全線極端最低氣溫-21.7～-41.5 ℃，均處于嚴寒地區。就自然氣象而言，日照強烈、晝夜溫差較大，最大年氣溫差烏魯木齊地區高達82 ℃，軌溫差達102 ℃。張掖至烏魯木齊段途經安西風區、煙墩風區、百里風區、三十里風區及達坂城風區等五大風區，風區總長度580 km。全線多處于嚴寒、溫差大、風沙大、日照強、干旱缺水等惡劣自然氣候條件下[1]。

根據蘭新二線無砟軌道結構選型結果，結構形式采用雙塊式無砟軌道，基于本線所處的氣候環境，國內外尚無類似條件下鋪設雙塊式無砟軌道的工程實踐，有必要對該條件下無砟軌道結構雙塊式軌枕進行系統研究，以確保列車運營安全以及無砟軌道結構的耐久性。

2 雙塊式軌枕設計方案

在總結分析干旱風沙對鐵路軌道危害的基礎上，結合國內外雙塊式軌枕的前期工程實踐經驗，針對蘭新二線雙塊式軌枕進行特殊設計。

2.1 風沙對軌道結構的危害

干旱風沙對鐵路軌道的危害主要表現為以下2種。

(1)沙埋

線路上積沙對行車的危害主要是容易造成列車緩行、停車，嚴重情況下還可能導致脫軌。另外，被沙埋鐵路軌道清沙工作量大，若鋼軌及扣件長期被積沙掩埋，將產生銹蝕，在含鹽沙層中尤甚。

(2)磨蝕

具有一定硬度的沙粒，在氣流運動中含有較大能量，可對鋼軌、軌枕、扣件等工務設備進行撞擊和磨蝕，造成這些構件嚴重損耗，從而縮短使用年限[2]。

根據我國既有線風沙地區鐵路軌道的工程實踐，結合中東地區沙漠鐵路軌道結構防沙采取的技術措施，確定蘭新二線雙塊式軌枕設計的主要思路：增大軌下過沙通道，減少積沙，便于清沙；軌枕采用高性能混凝土，提高抗磨蝕能力。

2.2 國內外雙塊式軌枕的應用

雙塊式軌枕源于德國高速鐵路無砟軌道結構，其代表性雙塊式軌枕有雷達型和旭普林型。雷達型雙塊式軌枕為預制結構，兩混凝土塊通過鋼筋骨架聯結，從1994年的B355 TS發展到1997年的B355 TS—M(帶桁架)[3-5]。目前，雙塊式軌枕型號較多、應用較廣，在德國、韓國、荷蘭及我國高速鐵路無砟軌道中均有應用[6]。

2.3 雙塊式軌枕總體設計方案

(1)設計原則

蘭新二線雙塊式軌枕的設計遵循以下原則：滿足結構需要的抗彎剛度、抗扭剛度；提高軌下過沙通道的凈空 ；原則上不影響線下基礎的高程；考慮枕內配筋對軌道電路傳輸長度的影響；型式美觀；經濟。

(2)總體設計方案

基于國內外工程實踐經驗，蘭新二線雙塊式軌枕的設計方案為鋼筋桁架聯結混凝土塊的結構，按施工工藝及桁架鋼筋形式的不同提出以下3種方案。

①方案1。采用加高承軌臺方式實現軌下凈空的增大，部分桁架鋼筋露于軌枕塊外。

②方案2。采用加高混凝土軌枕塊實現軌下凈空的增大，部分桁架鋼筋露于軌枕塊外。

③方案3。采用加高承軌臺方式實現軌下凈空的增大，桁架鋼筋位于軌枕混凝土塊內。

對比上述3種雙塊式軌枕整體方案的結構特點及施工工藝，從軌枕質量(涉及制造時振動成型、現場散枕、運輸等)、控制道床板裂紋發展、混凝土澆筑后道床板外觀、經濟性等角度進行綜合比選，確定選用方案1。

3 雙塊式軌枕設計

根據蘭新第二雙線的氣候特點，結合我國前期雙塊式軌枕設計經驗和工程實踐，對蘭新二線雙塊式軌枕從以下幾個方面進行特殊設計。

(1)加高承軌臺，增大軌下凈空面積

針對蘭新第二雙線風沙大的特點，結合其防風工程的設計，采取加高承軌臺的方式，增大軌底與道床板頂面距離，從而獲得較大的過沙通道，減少積沙，并便于運營階段的清沙工作。

本設計中軌底至道床板表面距離增至114 mm，較前期設計增大41%。見圖1。

圖1 加高承軌臺示意(單位：mm)

(2)改進桁架筋布置，使軌枕存放及運輸時受力更合理

桁架的波形筋從以下兩個方面進行改進。

①軌下截面。為使雙塊式軌枕在木方支撐存儲時受力狀態更合理，考慮將鋼軌中心線下部的桁架筋盡量置于波谷。

圖2 改進后桁架鋼筋(單位：mm)

②軌枕中間截面。為保證桁架連接鋼筋以軌枕橫向中間截面對稱布置，設計時將此處置于波形筋的波谷或波峰位置。

經對比波長193 mm及190 mm兩個方案，最終選用190 mm波長的桁架鋼筋。見圖2。

(3)增加擋肩內配筋

由于承軌臺加高后，支承塊內桁架筋及箍筋對擋肩部位的混凝土約束程度降低，同時為控制擋肩與承軌臺之間可能出現的裂紋及便于運營階段混凝土擋肩的修補，在混凝土擋肩內增設補強鋼筋。見圖3。

圖3 混凝土擋肩增設配筋

(4)軌枕質量控制

本設計通過控制軌枕混凝土外形尺寸，在加高承軌臺的基礎上有效控制了雙塊式軌枕的質量，與前期大量應用的雙塊式軌枕相比，總質量基本相當或略減少，方便了軌枕的存放、運輸及施工；減少了與現澆混凝土的接觸面，降低了新老混凝土結合面開裂風險[9]。見圖4。

圖4 優化后雙塊式軌枕外形(單位：mm)

(5)枕內鋼筋絕緣措施

雙塊式軌枕受自身結構所限，鋼筋桁架、混凝土塊中的箍筋及擋肩內配筋離鋼軌均較近，且使得2組鋼筋桁架形成閉合回路，為減少軌枕配筋對軌道電路傳輸長度的影響，并配合雙塊式無砟軌道結構進行絕緣處理，雙塊式軌枕內部鋼筋骨架采取絕緣措施[1]。

4 雙塊式軌枕檢算

(1)混凝土擋肩受力檢算

我國《高速鐵路設計規范》(試行)[10]規定，橫向設計荷載Q=0.8Pj(Pj為靜輪載)，則Q=68 kN。考慮其分配系數及動力附加系數，計算的單根軌枕承受的橫向壓力Q1=68 kN×0.5×1.5=51 kN。

該水平力的作用面積約為125 mm×237 mm，剪應力

τ=1.72 MPa

C60混凝土容許剪應力值為1.75 MPa(不考慮擋肩內配筋加強作用)，擋肩應力小于容許剪應力。因此，擋肩的尺寸滿足設計要求。

(2)承軌臺混凝土受力檢算

我國《高速鐵路設計規范》(試行)規定，列車豎向設計荷載取300 kN，考慮輪載的分配系數，可得鋼軌支點反力為150 kN，扣件鐵墊板支承面積約為290 mm×160 mm。則混凝土枕承軌臺上的壓應力為

σc=3.23 MPa

軌枕采用的混凝土強度等級為C60，容許應力為16.0 MPa，承軌臺壓應力小于容許壓應力。

5 結論

為適應戈壁地區風沙大的環境特點，盡量減少道床板表面積沙，對蘭新第二雙線所采用的雙塊式軌枕進行了優化設計，其主要優化內容包括：

(1)承軌臺加高35 mm，增大軌下過沙面積；

(2)改進桁架筋布置，選用190 mm波長的桁架鋼筋，優化了桁架鋼筋受力；

(3)在混凝土擋肩內增設補強鋼筋，使軌枕不因承軌臺的加高而降低擋肩橫向約束；

(4)控制軌枕質量，軌枕外形優化，降低新老混凝土結合面開裂風險。

經過對雙塊式軌枕的優化設計，解決了氣候對雙塊式軌枕帶來的不利影響，并在全線得到推廣應用，確保了工程的實施。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.蘭新第二雙線初步設計總說明[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010．

[2] 劉輝.太中銀鐵路沙害現狀調查及防治原則探討[J].鐵道標準設計，2012(10)：8-10．

[3] Rheda 2000無砟軌道系統技術轉讓[Z].Pfleiderer track systems，2006．

[4] 徐學東.德國Rheda型無砟軌道的技術特點[J].中國鐵路，2006(2)：51-57．

[5] 李向國.高速鐵路技術[M].北京：中國鐵道出版社，2008．

[6] 趙國堂.高速鐵路無砟軌道技術[M].北京：中國鐵道出版設，2006．

[7] 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道雙塊式軌枕[S].北京：鐵道部經濟規劃研究院，2011．

[8] 朱應娟.合武鐵路無砟軌道雙塊式軌枕設計[J].鐵道工程學報，2009(8)：60-63．

[9] 章建華.路基段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道混凝土裂紋成因分析與防治[J].鐵道建筑，2014(2)：86-89．

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[11] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50010—2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010．

[12] 鐵道部科學技術司.客運專線高性能混凝土暫行技術條件[S].北京：鐵道部科學技術司，2005．

Design of Double-Block Sleeper in High Speed Railway in Arid and Sandstorm Area

Chu Weisong

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xian 710043, China)

Double-block sleeper is an important component， bearing and transfering the train load to the track bed slab. CRTSⅠand Ⅱslab ballastless track structures are widely employed for Wuhan-Guangzhou and Zhengzhou-Xian high-speed railways. The second double-track railway line from Lanzhou to Wulumuqi is the first railway construction project in rugged area with bitter cold， large temperature difference， raging sandstorms， strong sunshine， drought and other adverse natural climatic conditions. In order to reduce sand burial， erosion and other hazards likely encountered， a series of improved measures including heightening track-bed， optimizing the layout of rebar truss， increasing reinforcement in shoulder and insulation are employed to minimize the impact of adverse weather conditions on double-block sleeper and applied in the entire project．

High-speed railway; Arid and sandstorm area; Ballastless track; Double-block sleeper

2014-02-19

鐵道部科技研究開發計劃項目(2010G019-A)

褚衛松(1984—)，男，工程師，2008年畢業于中南大學道路與鐵道工程專業，工學碩士，E-mail:94693572@qq.com。

1004-2954(2014)11-0041-03

U238； U213.3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.010