隧道內無砟軌道道床板更換為鋼支墩可行性研究

常逢文,楊榮山,陳 帥,張建清,胡 猛

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

自我國大力發展高速鐵路以來，無砟軌道在我國眾多高速鐵路上進行大批量鋪設，面對復雜的自然環境，無砟軌道在服役過程中，出現了不同程度的傷損病害，對正常行車造成了一定影響。在隧道內，由于基礎沉降變形、地下水和隧道圍巖壓力等多方面因素的共同作用，導致道床板出現上拱、軌道結構層間離縫及混凝土掉塊等病害[1-2]。

當軌道傷損較輕時，如出現輕微裂紋、掉塊、上拱等問題[3-5]，可采取一定措施解決。近年來，國內鐵路專家等針對無砟軌道病害的具體整治開展研究。李超雄等[6]對無砟軌道相關病害維修進行了描述；楊榮山等[7]針對無砟軌道傷損類型進行系統分析，并總結國內無砟軌道各類傷損的修復技術；國內各大鐵路局對隧道內無砟軌道的維修進行了相關研究實踐，例如采用“泄水降壓、底部加固、水流歸槽”為原則的整治技術方案[8]，或采用特種灌漿料及其注漿工藝對該隧道整體道床病害進行了治理[9]。若道床板裂紋、掉塊、上拱和基礎變形較為嚴重時，會導致軌道的幾何形位出現重大偏差，列車需限速運行，因此需要對道床板進行更換，目前國內外對軌道結構更換已有一定的基礎。Rheda 2000無砟軌道更換采用可靠的臨時支護方案，待需要更換部位達到強度時再將臨時支承取消而采用原有支承，此方案造價較高且隧道地段無法實現[10]。劉喆豐[11]等針對雙塊式無砟軌道提出用混凝土切割機切除道床板，用有砟軌道代替道床板。板式無砟軌道更換有鋸軌或抬軌(不鋸軌)兩種方案[12]。鋸軌方案是在更換軌道板時，需將待更換軌道板前后的鋼軌鋸斷，需大型機械輔助完成軌道板更換，受限于空間和天窗時間，不利于大規模更換軌道板。抬軌方案需將一定長度范圍的扣件松開，起道、頂升軌道板、側向抽拉出軌道板至線間平臺，再用大型機械將軌道板吊離，該方案可避免切斷鋼軌，但松扣件距離長時有脹軌風險，抽拉板作業耗時較長，不利于在天窗時間內完成。

針對隧道內軌道上拱、開裂、道床隆起和基礎變形等無法滿足高速行車要求的問題，提出采用鋼支墩永久支護更換病害區軌道結構的維修方案，并進行相應的數值計算，改進優化鋼支墩支護設計方案，在鋼支墩周圍混凝土應力集中區域布置鋼筋籠，做好隧道軌道結構的排水措施。此方案結構較為簡單，施工更換方便，施工距離不受限制，能夠恢復正常軌面高程，長期保持軌道結構的穩定性。

1 更換方案

對隧道內軌道結構進行病害統計分析，在地下水系較為發達的地質環境中，水壓力作用導致軌道結構及下部基礎易產生上拱開裂等，若超過失穩界限，需限制列車行車速度，嚴重影響列車的正常運營。因此提出一種快速更換軌道結構的方案，對軌道結構及下部基礎傷損嚴重處結合仰拱施工縫進行全幅跳槽拆換，并借鑒CRTS I型雙塊式無砟軌道的設計理念[13]，每條線路獨立采用一套鋼支墩體系進行加固，扣件間距取600 mm，整體布置如圖1所示。

圖1 鋼支墩的線路布置(單位：mm)

更換設計方案不需要切斷鋼軌，只需采用混凝土切割機切除道床板和支承層，并將仰拱結構加深1.5 m，仰拱清理干凈后，隧底設置Ⅰ18型鋼架作為初期支護，采用C30噴射混凝土，仰拱環向鋼筋采用φ18@200 mm雙層鋼筋，縱向鋼筋采用φ12@250 mm，并設置φ12 mm箍筋，鋼筋保護層厚度為55 mm，仰拱填充層及中心水溝采用C30混凝土非一次性澆筑成型，縱環向新舊混凝土接縫應設置2道遇水膨脹橡膠止水條，以改善其防水性能。在隧道中線、邊墻腳縱向方向每隔4 m增設降壓泄水孔，并在隧道內增設集水廊道和集水鉆孔，將地下水引入側溝排走，以釋放地下水壓力。考慮到拆換工程需重新現澆仰拱填充層，應確保鋼支墩不能低于隧道仰拱頂面，同時不能侵入高速鐵路建筑限界范圍。

經力學和施工可行性分析，鋼支墩具體布置方式及尺寸如圖2所示，鋼支墩由A區和B區兩部分組成，采用4片[20a型鋼和3塊鋼板拼接而成。B區部分由分隔線下方的2塊[20a型鋼組成，將其埋入仰拱填充層以保證鋼支墩下部完全固定；A區部分由2塊[20a型鋼和2片鋼板組成，位于分割線的上方(即仰拱填充層的上方)，A區下部與B區間通過槽鋼連接鋼板用高強螺栓連接為一個整體，A區上部通過扣件將頂部支撐鋼軌鋼板與鋼軌連接，以確保整個鋼支墩系統在軌道系統中的穩定。

圖2 鋼支墩結構示意(單位:mm)

依據型鋼混凝土柱設計施工理念，鋼支墩周圍混凝土在長期荷載作用下會出現疲勞傷損，因此在此基礎上在鋼支墩周圍配置鋼筋籠，以約束鋼支墩附近應力較大區域混凝土，保護該區域混凝土，保障鋼支墩的穩定性。參考湯鵬[14]對型鋼混凝土柱腳埋深研究，同時為保證鋼支墩埋入仰拱填充層的穩定性，取鋼支墩的埋深比(埋入深度/出露高度)為1.8，使用φ12 mm的HRB335鋼筋在B區鋼支墩的周圍空間配置鋼筋籠。該鋼筋籠在鋼支墩附近每隔200 mm布置垂向鋼筋，箍筋每隔100 mm布置一層，上層箍筋的保護層厚度取35 mm，兩個槽鋼的翼緣用鋼筋焊接在一起，以防止鋼筋籠在澆筑仰拱填充層時發生晃動。具體布置如圖3所示，以鋼支墩出露高度為0.3 m時的配筋為例。

圖3 鋼筋籠布置(單位:mm)

2 施工準備及流程

2.1 施工準備

在施工前應確立施工方案及細則，準備施工材料及機械，確定人員配置，主要的施工材料及機械如表1所示。

表1 主要施工材料及機械

2.2 施工流程

采用鋼支墩更換隧道內無砟軌道方案的施工相比常見的無砟軌道施工較為簡單，主要施工流程如下。

(1)分析軌道檢測數據，并進行實地考察確定線路結構損傷嚴重地段。

(2)施工準備：材料，機械，人員配備等。

(3)拆除扣件系統，采用混凝土切割機切除道床板和仰拱填充層，并清掃現場。

(4)綁扎鋼筋支好鋼筋籠，并將鋼筋籠與B區鋼支墩焊接在一起，固定B區鋼支墩。

(5)澆筑仰拱填充層并做好排水措施。

(6)對仰拱填充層進行養護，待混凝土凝固后安裝A區鋼支墩。

(7)采用WJ-7扣件將鋼軌與鋼支墩連接起來，調整線路平順性。

在整個流程中最為關鍵的流程為步驟(3)、(4)和(5)。在步驟(3)切割道床板和仰拱填充層前，應先拆除損壞軌道結構附近的扣件系統，頂起附近一定長度范圍內的鋼軌，用混凝土切割機每隔1～2塊軌枕距離切割道床板和仰拱填充層，再沿軌道縱向中心線將其切割成若干小塊，并清掃現場。隧道內鋪設無砟軌道時，待澆筑仰拱填充層強度達到75%時再澆筑道床板[15]，而步驟(4)和步驟(5)中采用鋼支墩代替道床板，可省去重新澆筑道床板及其養護所用時間，為快速恢復既有線鐵路運營提供了保障。

因此更換方案將鋼支墩直接埋入仰拱填充層內，可節省大量施工時間，操作簡單，減小了施工難度，并提高了施工的可行性，為一個快速修復方案；同時在A區鋼支墩與B區鋼支墩間可嵌入橡膠墊板調整結構的剛度和軌道高低。在施工完成后，若下部基礎沉降變形超過扣件系統調整量，可在“天窗”內直接更換合適的A區鋼支墩，不影響列車正常運營。

3 力學分析

鋼支墩與仰拱填充層在列車反復荷載作用下，鋼支墩是否會出現較大變形及周圍混凝土是否會發生破壞，需計算分析其結構的受力特性及變形，確定更換方案是否滿足設計要求。

3.1 參數確定

利用連續彈性支承梁模型在理論分析時的便利性和彈性點支承梁模型在鋼軌支點力計算上的適應性[16]，推導出鋼軌支點力分布解析式[17]。計算模型如圖4所示。

圖4 鋼軌支點力簡化計算模型

圖4中，Q為輪重；EI為鋼軌的抗彎剛度；k為鋼軌基礎等效彈性模量；kd為扣件剛度；a為扣件間距；p(z)為連續彈性基礎支承力；F(z)為所求的鋼軌垂向支點力。

經推導得出多個輪載作用時所求的鋼軌支點力為

(1)

高速列車軸重取170 kN，豎向輪載取靜輪載的1.5倍，即取127.5 kN，橫向輪載取為靜輪載的0.4倍，即34.000 kN[18]。鋼支墩作為剛性體結構，其剛度遠大于扣件剛度，將其與扣件考慮為等效串聯彈簧時，只需考慮扣件剛度對鋼軌支點力的影響，運用上式計算得到鋼軌垂向支點力為43.051 kN。同樣建立軌道橫向連續彈性支承梁模型，得到鋼軌橫向支點力為12.224 kN。

軌道更換結構的材料參數如表2所示[19]。

表2 材料參數

3.2 靜力分析

基于有限元計算理論,建立了更換結構的局部計算模型，更換結構主要由鋼支墩、仰拱填充層和鋼筋籠組成，鋼支墩及其周圍混凝土層間作為更換結構的薄弱環節，為了研究其受力特性，鋼支墩和仰拱填充層按實體單元進行模擬，并將兩者進行粘接，內部的鋼筋籠采用桿單元進行模擬，不考慮鋼筋與混凝土間的粘結滑移，將鋼筋從實體中切分得到分離式模型，以確保計算結果精確[20]。

將上述鋼軌垂向和橫向支點力換算為均布力施加在如圖5所示的局部模型中，對鋼支墩及周圍混凝土進行力學性能分析。

圖5 局部模型

為了適應隧道內不同地段軌道產生的不平順及不同軌底凈高的要求，對鋼支墩不同出露高度的變形和應力進行研究，以出露高度為0.04 m作為初始值，如圖6所示。

圖6 更換結構位移和應力隨鋼支墩出露高度變化趨勢

由圖6(a)可知，更換結構的豎向及橫向變形均滿足軌道平順性的要求，其中鋼支墩的豎向位移略大于橫向位移，隨著出露高度的增加，其橫向和豎向位移逐漸增大，且二者間的差值逐漸減小；鋼支墩周圍仰拱的豎向和橫向位移略微增加，基本保持不變。由圖6(b)可知，鋼支墩周圍混凝土的應力隨著鋼支墩出露高度的增加而增大，當出露高度達到0.35 m時第一主應力超限，混凝土在列車荷載作用下可能出現裂紋，應力超限范圍如圖7紅色區域所示，主要位于槽鋼的翼緣附近。

圖7 鋼支墩周圍混凝土應力云圖(單位:Pa)

經靜力分析計算，建議鋼支墩埋深比(埋入深度/出露高度)取1.8，其出露高度應取0.04～0.34 m。

4 結論

針對隧道內地下水壓力對軌道結構產生的病害，經施工可行性分析,提出采用鋼支墩更換軌道結構的整治方案，基于有限元計算得到以下結論。

(1)更換方案可借鑒CRTS-I型雙塊式無砟軌道的經驗，每條線路獨立采用一套鋼支墩體系加固，并運用鋼筋籠對鋼支墩進行加固，經檢算此方案具有一定的可行性，施工作業過程簡單，節省維修時間，為快速恢復既有線鐵路運營提供了保障。

(2)該方案在A區鋼支墩與B區鋼支墩間可嵌入橡膠墊板調整結構的剛度和軌道高低。在施工完成后，若下部基礎沉降變形超過扣件系統調整量，可在“天窗”內直接更換合適的A區鋼支墩，不影響列車正常運營。

(3)經對鋼支墩靜力分析發現，在應力位移滿足要求的基礎上，鋼支墩的埋深比應取為1.8，出露高度可取為0.04～0.34 m。