山區隧道內雙塊式無砟軌道道床板分塊長度研究

蘇乾坤 江萬紅 巫 江 盧 野

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著我國不斷推動《鐵路“十三五”發展規劃》和西部發展戰略，到2020年，我國高速鐵路運營里程達3×104km，西南主要城市間將實現高速鐵路的互通互達，基本形成布局合理、覆蓋廣泛、層次分明、安全高效的鐵路網絡[1]。西南地區的高速鐵路建設具有地質條件復雜、海拔高度相差較大、橋隧占比高、艱險山區多的特征，而高速鐵路無砟軌道結構對平順性、穩定性、耐久性有著更高的要求，因此在復雜山區鋪設無砟軌道，受山區自然條件制約和鐵路自身技術標準的限制，具有較高的技術挑戰性。

無砟軌道作為列車荷載直接作用的下部結構基礎，其結構功能性直接影響行車的舒適性和安全性。目前我國主要的無砟軌道型式有CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式和CRTSⅢ型板式[2-4]。其中，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道是直接將雙塊式軌枕澆注在混凝土道床中，并適應ZPW-2000軌道電路的單元軌道板式無砟軌道結構型式，其路基地段道床下設置支承層，橋梁地段設置混凝土底座，在隧道地段道床則直接澆注在仰拱回填層上或在底板上構筑。CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構簡單、對線路的適應性非常好、具有較好的平順性，造價低于板式無砟軌道，且其施工工藝相對簡單，采用預組裝軌排定位，自上而下的施工可確保軌道最終的施工質量。從山區鐵路的運輸、施工便利性及工程投資等多方面綜合考慮，西南山區高速鐵路建設一般選用CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道。隧道內CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道斷面如圖1所示。

圖1 CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道橫斷面圖(單線有仰拱隧道直線地段)(mm)

為更好地適應復雜地質條件下的隧道變形，減少運營期的養護維修工作量，本文對艱險山區高速鐵路隧道內的CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道分塊長度展開研究，研究結果具有一定的工程設計指導意義。

1 理論分析

對于單元式軌道，列車荷載為主要荷載，荷載彎矩為設計的主要依據。而連續式軌道，溫度影響與列車荷載同樣重要，混凝土收縮與降溫也是影響設計的重要因素[5-6]。通常隧道內所采用的道床板為連續澆筑，線下基礎剛度較大，主要考慮列車荷載和溫度荷載(含混凝土收縮等效降溫量)，復雜地質條件(大變形高風險地段)下需考慮基礎變形作用。

參考文獻[7]，設計輪載取列車運行在線路上的最大可能輪載再加上一定的安全裕量，本次計算列車荷載取單輪300 kN。板底當量摩阻系數μ，隧道內道床板與支撐層間摩阻系數取1.5；無載時扣件極限阻力為24 kN/m/軌。軌道結構參數如表1所示。

表1 隧道內CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道基本參數

1.1 列車荷載影響分析

采用ANSYS有限元軟件建立梁板有限元模型[8]，荷載加載在板中間位置(兩組扣件的中間位置)，加載方式為單軸雙輪，作用效果如圖2所示。

圖2 模型中荷載作用效果圖

在輪載作用下，荷載作用影響明顯的范圍大約為左右各3.5組扣件間距離，即荷載作用的顯著影響長度約為4.375 m。在此范圍內，基礎反力在荷載作用點位置處最大，沿兩側以近似二次拋物線的型式衰減。即在板長大于4.375 m時，車載對板長的影響較小。荷載彎矩作為設計的控制因素，對板的結構參數起著重要的控制作用，不同板長彎矩計算結果如表2所示。

表2 道床板不同分塊長度下彎矩的計算結果

由表2可知，板長大于20 m時，在輪載作用下板的內力幾乎不發生變化。最大單寬正彎矩約為13.6 kN·m，最大單寬負彎矩約為2.9 kN·m。最大正彎矩出現在荷載作用處，最大負彎矩出現在距荷載作用點大約3～4組扣件間距的位置。當板長大于4.375 m時，列車荷載對道床板分段長度影響不大。縱向彎矩分布如圖3所示。

圖3 20 m板長縱向彎矩分布圖(N·m)

1.2 溫度荷載影響分析

對于無限長板，在升降溫作用下，當混凝土內部應力小于σt時，混凝土內部應力分布趨勢如圖4所示。

圖4 無限長板溫度應力示意圖

板兩端存在伸縮區lr，伸縮區溫度應力隨著板長增加而線性增加，線性增加斜率與板底摩阻力和板上扣件縱向阻力相關。板中為固定區lg，溫度應力恒定。溫度應力計算公式為：

σt1=EcαΔT

(1)

式中：σt1——溫度應力；

Ec——混凝土彈性模量；

α——混凝土線膨脹系數；

ΔT——溫度變化幅度。

道床板采用C40混凝土時，其設計抗拉強度為1.71 MPa，設計抗壓強度為19.1 MPa，根據溫度應力計算公式求得對應的降溫幅度為5.26 ℃，升溫幅度為58.77 ℃。

當溫度不斷降低(升高)，混凝土達到設計抗拉(壓)強度后，可能出現裂紋，無限長板斷裂成2塊板，又各自形成1個伸縮板，繼續降(升)溫，循環斷裂，直至板長減短至2lr，此時板長正好能夠完全伸縮，應力分布如圖5所示。

圖5 完全伸縮板

此處考慮無載時扣件極限阻力為24 kN/m/軌，板底摩阻系數μ=1.5。則有：

線路扣件阻力：r1=24×2=48 kN/m

板底摩阻力：r2=Aγμ=26.775 kN/m

恰好完全伸縮的板長：

(2)

式中:γ——道床板容重，取25 000 N/m3；

A——道床板斷面面積，取0.714 m2；

ft——C40混凝土設計抗拉強度，取1.71 MPa。

在溫度荷載作用下，確定最優板長為32 m。當長度超過32 m時，溫度荷載作用下的道床板分段意義不明顯(與鋪設連續道床板性質相似)，可能出現裂紋。考慮到隧道內滲水離縫和防止板的垂向“拍打”作用，在道床板與支撐層的層間鑿毛或植入預埋件，加強層間連接，相應的板底當量摩阻系數μ增加。為使板能夠滿足自由伸縮，板長應相應減短。

1.3 基礎變形影響分析

針對艱險山區鐵路隧道穿越區域受地震、活動斷裂、大變形、巖溶等不良地質的影響，考慮基礎變形對無砟軌道的影響具有實際意義。線下基礎變形采用撓度隨動法[9]，即認為在基礎變形作用下，無砟軌道將發生與下部變形相同的變形，如圖6所示。

圖6 基礎變形計算示意圖

此時，無砟軌道在跟隨線下基礎變形作用下的彎矩為：

M=EI×K

(3)

式中：EI——無砟軌道結構層的抗彎剛度；

K——變形曲率。

由式(3)分析可知，在一定的線下基礎變形情況下，道床板彎矩值受下部基礎變形曲率大小控制，道床板將在變形曲率最大處率先出現裂紋，若此處設置有道床伸縮縫，則基礎變形引起的道床板變形將在道床伸縮縫處發生轉角釋放，從而避免道床混凝土出現裂紋。故從基礎變形角度考慮，為盡量避免基礎變形對道床板造成影響，道床板分塊長度宜較短。

此外，影響隧道內道床板結構出現裂紋等病害的其它因素還有混凝土配合比、澆筑和養護等，但這些影響因素與道床板分段長度關系不大。

2 工程實踐經驗

依據鐵路工程建設CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道通用參考圖，隧道內CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道采用連續道床板方案為主，在仰拱沉降縫處對應設置道床伸縮縫，如廈深鐵路、湘桂鐵路、滬昆鐵路、云桂鐵路等均采用了此種軌道結構方案，投入運營后，軌道服役性能總體良好。但受道床混凝土澆筑、隧道變形等因素影響，道床板局部地段存在開裂現象，在個別隧道變形嚴重地段，引起無砟軌道上拱，形成限速點[10-11]。

同時，也有部分鐵路隧道雙塊式無砟軌道采用了分塊式設計，如六沾鐵路(12.5 m分塊)、廣昆鐵路(12.5 m分塊)、襄渝鐵路(15 m分塊)。雙塊式無砟軌道分塊式設計運行情況總體良好，道床裂紋較少，但局部地段由于地下水豐富，隧道滲漏水進入道床板與仰拱回填結合面，出現道床板拍打、翻漿冒泥等病害。

據調研，達成鐵路云頂隧道、廣昆鐵路秀寧隧道、滬昆客運專線光照隧道及王家山隧道現場反饋的情況，復雜地質條件引起的隧道變形范圍為25～40 m，從后期維護角度考慮，道床板分塊長度應小于此范圍。

3 結論及建議

本文針對西南艱險山區高速鐵路隧道內所采用的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，從列車荷載、溫度荷載及基礎變形條件下分析了雙塊式無砟軌道的受力情況，并結合工程實踐經驗，對不良地質條件下的隧道內雙塊式無砟軌道分塊長度展開研究，主要結論及建議如下：

(1)當道床板長大于4.375 m時，列車荷載對道床板不同分塊長度的意義不明顯，但對裂紋的擴展有較大影響；在溫度荷載作用下，確定最優板長為32 m，當長度超過32 m時，溫度荷載下的道床板分段意義不明顯(與鋪設連續道床板性質相似)，可能出現裂紋。因此，為了盡量避免基礎變形對道床板造成影響，道床板分塊長度宜較短。

(2)結合既有工程實踐經驗，復雜地質條件引起的隧道變形范圍為25～40 m，從后期維護角度考慮，道床板分塊長度應小于此范圍。

考慮到道床伸縮縫應處于軌枕間距正中，道床分塊長度應為軌枕間距整數倍，本文建議復雜地質條件下的隧道洞口200 m范圍內道床板分塊長度6.25 m；距隧道洞口200 m往內，道床板按40個軌枕間距進行分塊設計，即分塊長度為25 m，同時應加強道床板與仰拱回填層之間的連接。