重載鐵路隧道內基床整修線路架空技術

宣言（中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心，北京　100081）

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重載鐵路隧道內基床整修線路架空技術

宣言
（中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心，北京100081）

摘要對重載鐵路隧道內基床病害整治時架空線路的方法進行了分析，研制出一種可在重載鐵路隧道內架空線路的專用便梁結構。現場試用結果表明，該便梁結構強度高，整體性好，安裝快捷方便，提高了施工效率，縮短了施工周期。便梁結構的各項動力性能指標（包括安全性）滿足25 t軸重、2萬t重載列車以45 km/h速度通行的運營要求，顯著提高了基床病害整治天窗修期間重載列車通過速度。

關鍵詞重載鐵路；架空線路；施工整治；動力性能

1　線路架空技術分析

近年來，大秦重載線路運量急劇增加。部分隧道基底在動荷載長期作用下產生裂縫甚至破碎，加之有些排水系統經長期淤積失去作用，積水經水溝縫隙侵入道床，使隧道鋪底、仰拱及整體道床發生下沉、上鼓等病害。目前的基床病害根治辦法主要是架空線路后進行大修。

我國運營隧道內線路架空基本結構形式有縱扣軌、橫扣軌、吊軌及組合軌束梁。現在軌束梁已大多用型鋼或D型便梁的橫梁代替。在隧道內進行大范圍的大修施工時，線路必須分段加固，逐次倒移，以采用橫扣軌結構形式最為便捷，應用最為廣泛。

上述各種形式均為松散個體的簡單連接，穩定性差。隧道內基床病害整治架空線路時行車速度須在15～25 km/h。列車司機以不超過25 km/h的速度操控1萬t及2萬t組合列車非常困難，尤其是在坡道地段很容易造成停車，對運輸組織非常不利，施工過程中需要的看護、檢查、補強的人工數量較大。施工整治時若使用路基施工便梁或軍用便梁，則結構體積和質量過大，不具備在隧道內施工的可操作性。因此提高大秦重載線路隧道基床病害整治時的列車通過速度是目前急需解決的難題。為此，對既有的線路架空施工方法進行了總結分析后，研發了一種整體性和穩定性良好、便于隧道內現場施工的通用線路架空方案和相應的便梁結構。

2　結構設計

2. 1基本原則和流程

在保證線路架空后軌道幾何尺寸、線路剛度、穩定性和重載貨物列車通過時安全的條件下，兼顧現場作業時空間狹窄，長大物件搬運困難的實際情況，設計時須控制施工便梁單件構件質量和長度。研發過程中，首先根據技術標準采用靜力計算確定設計參數，選定設計方案。然后通過有限元仿真計算和動力學仿真計算驗證設計方案的合理性。最后根據現場試驗結果對結構不斷加以改進。

2. 2基本計算參數

1）列車豎向動力系數

考慮到隧道內作業場所、人工搬運和拼裝、施工作業效率等因素，便梁結構設計跨度暫定為6 m。沖擊系數取值采用《鐵路橋梁搶修（建）技術規程》（鐵計［2002］100號）第3. 3. 6條規定，即1 +μ= 1 + 28φ/ （40 + L），L為跨度，這里為支點間距，取5. 5 m。設計速度取60 km/h，則φ= 0. 75，1 +μ= 1. 462。

2）離心力

便梁結構在曲線上時，列車離心力作用于軌頂以上2 m處。離心力的大小等于列車豎向靜活載乘以離心力率C，C = V2/（127R）= 0. 071。列車速度初步設計按60 km/h考慮，曲線半徑R按大秦線最小半徑400 m取值。

3）制動力或牽引力

制動力或牽引力對于直線段便梁結構，按列車豎向靜活載的10％計算，但當與離心力或列車豎向動力作用同時計算時，制動力或牽引力按列車豎向靜活載的7％計算。制動力或牽引力作用在軌頂以上2 m處。

4）列車的橫向搖擺力

列車的橫向搖擺力取為100 kN，作為一個集中荷載，取最不利位置，以水平方向作用在鋼軌頂面。

5）外荷載組合及容許應力提高系數（表1）

表1　外荷載組合及容許應力提高系數

2. 3橫梁與主梁連接方式

橫梁與主梁連接按其豎向相對位置可分為上承式、下承式和中承式3種。根據主梁和橫梁豎向位置中承式也可分為高位和底位2種布置方式。橫梁與主梁連接方式對比見表2。綜合比選后采用高位中承式結構，構件布置見圖1。中承式結構橫梁端部與主梁側面全斷面拼接。主梁與橫梁采用對接式拼接，以便于采用拼裝沖釘使橫梁與主梁對位。

表2　橫梁與主梁連接布置方式對比

圖1　高位中承式便梁構件布置（單位：mm）

2. 4橫梁（鋼枕）與鋼軌連接方式

一般采用齒狀楔形扣板扣件連接鋼軌和D型便梁鋼枕。在侯月線上行寺西1#隧道進行了23 t軸重貨物列車試驗，發現扣件彈程不足。隨后設計了彈條扣件作為鋼軌與便梁的連接體，將焊有彈條扣件鐵座的鋼底板，通過M24摩擦型高強螺栓與橫梁上翼緣連接。考慮到要在曲線上使用，鋼底板上設長圓孔以靈活調整軌距，通過摩擦傳力。帶長圓孔底座板扣件如圖2所示。

圖2　帶長圓孔底座板扣件示意

2. 5主梁支承處構造

便梁結構共有4個支點位置，單個支點最大支反力為362. 5 kN。主梁下翼緣底面在支座處設置連接鋼板，每個支座處設置4個M16預埋化學錨栓，滿足100 kN橫向力作用時的強度要求，用以將主梁縱、橫向受力傳至基礎。支座豎向高度采用特制橡膠墊板調整。

3　仿真結果分析

建立三維有限元模型，主梁、橫梁及鋼軌采用梁單元模擬，便梁兩側各考慮6 m左右軌道結構，不考慮道床的縱向和橫向阻力。便梁結構為簡支約束。

1）主梁豎向靜撓度

HXD3 + C80作用下，主梁跨中豎向靜撓度為5. 83 mm，撓跨比為1 /926；中-活載特種活載作用下，跨中豎向靜撓度為6. 42 mm，撓跨比為1 /841，撓跨比均滿足＜1 /600的要求。

2）主梁、橫梁強度及穩定性

HXD3 + C80活載各組合下以及中-活載特種活載各組合下，主梁、橫梁控制應力小于材料容許應力。主梁、橫梁腹板剪應力最大為64. 5 MPa，小于基本容許剪應力。主梁、橫梁強度及整體穩定性滿足要求，各板件寬厚比可保證局部穩定性滿足使用要求。

3）結構橫向自振頻率

不考慮鋼軌及相鄰軌排對結構橫向自振頻率的貢獻，計算可得結構橫向自振頻率為23 Hz，滿足f＞45 /L0. 5= 11. 7 Hz的橫向剛度要求。

4）動力學仿真分析

利用動力學分析軟件NUCARS建立車輛-軌道-橋梁結構耦合動力學分析模型，車輛采用大秦線主型貨車C80，軸重25 t。輪軌接觸模型采用實時輪軌接觸模型。軌道不平順采用大秦線實測數據，考慮較不利工況，行車速度分別按25，45，60 km/h共3個級別計算。計算結果表明，各動力響應指標整體趨勢均隨速度增加而增加。安全性指標中脫軌系數較小，不會影響行車安全；減載率變化幅度較大，60 km/h通過時最大為0. 55，滿足限值（0. 8）要求。

4　現場試驗驗證

4. 1試驗概況

為減少對運輸的影響，選擇了運量較小的聯絡線路基段進行試驗。該線每天通行4列25 t軸重、2萬t編組貨物列車?？紤]較不利運用工況，選取曲線半徑600 m線路，超高設置為110 mm。試驗前進行了路基地質勘測（砂黏土B級）和地基承載力測試。

試驗前對該線路區段進行了大機搗固作業。為對比驗證試驗前進行了正常線路測試，試驗列車最高速度45. 8 km/h。之后進行了4 d施工便梁結構狀態下的測試，試驗列車最高速度48. 3 km/h。

4. 2正常線路測試結果

正常線路測試期間共采集到6組有效數據。列車通過正常線路時的安全性指標見表3，輪軌力見表4，軌道結構動態變形見表5。

表3　列車通過正常線路時的安全性指標

表4　列車通過正常線路時的輪軌力　kN

表5　列車通過正常線路時的軌道結構動態變形mm

4. 3施工便梁測試結果

便梁結構狀態測試期間共采集到18組有效數據，其中25～30 km/h有3列，30～35 km/h有8列，35～40 km/h有3列，40～50 km/h有4列，最高速度達到48. 3 km/h。具體數據見表6—表10。

表6　列車通過施工便梁時的安全性指標

表7　列車通過施工便梁時的輪軌力　kN

表8　列車通過施工便梁時的軌道結構動態變形mm

表9　列車通過施工便梁時梁體動態變形　mm

表10　列車通過施工便梁時的應力　MPa

4. 4測試結果分析

由表3—表10可知：

1）內外軌脫軌系數均滿足規范中規定的第二限度（1. 0）。與列車通過正常線路時安全性指標相比略有增大，但在安全限值以內。表明該便梁結構滿足25 t軸重、2萬t編組貨物列車安全運營要求。

2）列車通過施工便梁時，內外軌水平力相差不大，且與列車通過正常線路時內外軌水平力基本相當；內外軌垂直力均略小于列車通過正常線路時內外軌垂直力。

3）列車通過施工便梁時，鋼軌橫移與列車通過正常線路時基本相當，鋼軌垂移略大于列車通過正常線路時的，主要由便梁變形引起。

4）內縱梁垂向位移大于外縱梁。

5）縱梁和橫梁上翼緣均承受壓應力，下翼緣承受拉應力。內縱梁受力大于外縱梁，端橫梁受力大于中橫梁。

6）便梁的縱梁和橫梁上下翼緣應力測試結果均小于Q345qD基本容許彎曲應力240 MPa，滿足材料性能要求。

綜上所述，各項指標測試結果表明施工便梁動力性能能夠滿足25 t軸重、2萬t編組貨物列車以45 km/h通過的要求。

5　結論

1）研制的架空線路方案和便梁結構簡便易行，可快速拼裝。該結構能保證線路架空時的軌道幾何尺寸、線路剛度和穩定性，同時適應現場空間狹窄、長大物件搬運困難的情況。

2）現場測試結果表明列車通過時各項動力性能指標滿足25 t軸重的2萬t列車以45 km/h速度通行的要求。

3）使用該便梁結構，在3 h天窗內能夠完成結構整體移動，減少了看護和檢查工作量，架空線路施工整治的單元施工周期由9～10 d縮短至6 d，施工效率提高了30％以上。

參考文獻

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（責任審編李付軍）

Technology to form Track in Suspension State by Support During Bedding Maintenance of Heavy Haul Railway Tunnel

XUAN Yan
（Railway Science Technology Research and Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

AbstractT he overhead line method of heavy haul railway tunnel during the period of bedding diseases treatment was studied and a special beam structure for the overhead line in the heavy haul railway tunnel has been developed. T he field trial results showed that the beam structure has such characteristics as high strength，good integrity and convenient assembling，which could improve the construction efficiency and shorten the construction period. Each dynamic performance index of beam structure including the safety could meet the operational requirements when 20 000 t heavy haul train with the 25 t axle load is running at speed of 45 km /h and could greatly improve the heavy haul train passing speed during the skylight maintenance of the bedding diseases treatment.

Key wordsHeavy haul railway；Overhead lines；Construction regulation；Dynamic performance

中圖分類號U216. 6

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 36

文章編號：1003-1995（2016）06-0137-04

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-04-21

基金項目：鐵道部科技研究開發計劃（2011G016-B）；中國鐵道科學研究院基金（2011YJ66）

作者簡介：宣言（1972—），男，副研究員，博士。