川藏鐵路昌都至林芝段軌道選型與設(shè)計(jì)需求分析

劉 杰

(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

川藏鐵路昌都至林芝段設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為200 km/h，貫通方案全長(zhǎng)約372 km。線路位于青藏高原東南部，沿線山高谷深、地形起伏嚴(yán)峻，超長(zhǎng)大坡道占比高，復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁、超長(zhǎng)深埋隧道眾多，具有高寒缺氧、地形高差顯著、交通條件困難等特點(diǎn)[1-3]，是川藏鐵路建設(shè)最為艱難一段。

受上述因素的影響，相比于一般項(xiàng)目，川藏鐵路在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型方面存在系列技術(shù)難題。為確保川藏鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與可靠性，需要對(duì)已建項(xiàng)目軌道結(jié)構(gòu)在類(lèi)似工程環(huán)境條件下的服役狀態(tài)進(jìn)行調(diào)研分析，并結(jié)合川藏鐵路沿線的實(shí)際工程與環(huán)境條件，提出軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求和優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，指導(dǎo)川藏鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型。

1 軌道結(jié)構(gòu)選型分析

目前，軌道結(jié)構(gòu)類(lèi)型整體上可分為有砟軌道和無(wú)砟軌道兩種。對(duì)于設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值200 km/h的客貨共線鐵路，從技術(shù)上分析，有砟軌道與無(wú)砟軌道均能滿足其運(yùn)營(yíng)需求。但考慮到川藏鐵路昌都至林芝段沿線環(huán)境復(fù)雜，部分區(qū)段穿越了無(wú)人區(qū)，且受高寒缺氧、超長(zhǎng)隧道及超長(zhǎng)大坡道占比極高等條件的限制，本線在運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修條件極差，軌道應(yīng)盡量采用少維修或免維修的結(jié)構(gòu)形式，以降低高原缺氧條件下軌道結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)維修工作量，確保川藏鐵路建成后高效、可靠運(yùn)營(yíng)。

因此，推薦本項(xiàng)目正線以采用運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量少的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為主。

目前，國(guó)內(nèi)無(wú)砟軌道的主要類(lèi)型有雙塊式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式、彈性支承塊式及長(zhǎng)枕埋入式6種。既有板式無(wú)砟軌道在隧道內(nèi)鋪設(shè)的經(jīng)濟(jì)性較差，對(duì)本項(xiàng)目隧道占比極高的工程條件適應(yīng)性差[4-6]。彈性支承塊式無(wú)砟軌道目前僅在設(shè)計(jì)速度≤160 km/h的隧道地段鋪設(shè)[7-8]。相比于長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道，雙塊式無(wú)砟軌道的軌枕桁架鋼筋與道床混凝土粘接在一起，道床的整體性強(qiáng)、耐久性好，且施工便捷。

綜合分析，推薦本項(xiàng)目一般地段采用雙塊式無(wú)砟軌道，在活動(dòng)斷裂帶等線下基礎(chǔ)變形難以控制的區(qū)域和規(guī)模較大的車(chē)站范圍，采用便于調(diào)整的有砟軌道。對(duì)采用有砟軌道的區(qū)段，為降低運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量，道床可采取膠結(jié)、固化等措施[9-11]。

2 軌道設(shè)計(jì)需求與建議

2.1 鋼軌

川藏鐵路昌都至林芝段為設(shè)計(jì)時(shí)速200 km的客貨共線鐵路，沿線處于高寒環(huán)境且長(zhǎng)大坡道占比高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，川藏鐵路昌都至林芝段軌面海拔最低為2 100 m，最高為4 360 m，沿線年平均氣溫多在15 ℃以下，其中邦達(dá)機(jī)場(chǎng)年平均氣溫僅1.5 ℃，最低氣溫-25.7 ℃(局部無(wú)人區(qū)缺少氣溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))；本段線路最大坡度30‰，30‰坡度的最大坡段長(zhǎng)度約50 km，全段大于20‰坡段長(zhǎng)度合計(jì)191.6 km，占線路總長(zhǎng)度的51.5%。

根據(jù)對(duì)既有西成客專(zhuān)和成蘭線長(zhǎng)大坡道軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的調(diào)研分析，軌道結(jié)構(gòu)及部件存在的主要問(wèn)題是鋼軌擦傷。在超長(zhǎng)大坡道區(qū)段，車(chē)輛采用的防滑(如撒砂)和制動(dòng)措施會(huì)導(dǎo)致鋼軌磨耗及傷損的速率加快，增加維護(hù)工作量，按規(guī)范應(yīng)選擇強(qiáng)度高、耐磨性好的U75VG鋼軌。但由于本段沿線處于高原寒冷地區(qū)，含碳量較高的鋼軌在低溫環(huán)境下容易產(chǎn)生脆斷；高原寒冷地區(qū)既有青藏線及拉日線均采用U71Mn鋼軌，研究表明，U71Mn鋼軌含碳量較低時(shí)，低溫韌性較好[12-13]。因此，對(duì)于川藏鐵路，鋼軌應(yīng)具備良好的抗擦傷性能和耐低溫性能。

對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速200 km的客貨共線鐵路，根據(jù)工程及環(huán)境條件，可采用的鋼軌類(lèi)型主要有U75VG、U75VG在線熱處理，U71MnG和U71MnG在線熱處理4種，4種鋼軌的強(qiáng)度、耐磨性及耐低溫性能如表1所示。

表1 不同鋼軌的耐磨性及耐低溫性能對(duì)比

由表1可以看出，U71MnG在線熱處理鋼軌的耐磨性與U75VG相當(dāng)，且具有良好的耐低溫性能，對(duì)川藏鐵路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工程及環(huán)境條件具有良好的適應(yīng)性。因此，推薦本項(xiàng)目全線采用U71MnG在線熱處理鋼軌。

同時(shí)，為提高川藏鐵路鋼軌的服役品質(zhì)，豐富鋼軌類(lèi)型，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，更好地為川藏鐵路建設(shè)服務(wù)，建議開(kāi)展適用于川藏鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、特殊工程及環(huán)境條件的鋼軌材質(zhì)或相關(guān)減少養(yǎng)護(hù)維修工作量措施的研究工作。

2.2 扣件

川藏鐵路沿線高寒缺氧、超長(zhǎng)大坡道和超長(zhǎng)隧道占比高，運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修條件極為惡劣。為降低運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)維修強(qiáng)度，軌道幾何形位及高程的調(diào)整宜采用扣配件調(diào)整，盡量避免通過(guò)道床調(diào)整。同時(shí)，由于現(xiàn)有無(wú)砟軌道扣件高程調(diào)整能力僅為-4～+26 mm[14]，有砟軌道扣件高程調(diào)整能力僅為0～+10 mm[15]，根據(jù)調(diào)研分析，此兩種扣件調(diào)整量主要用于基礎(chǔ)工程沉降后的調(diào)高，調(diào)低量小，對(duì)基礎(chǔ)上拱變形的適應(yīng)性差。雖然目前已研發(fā)出特殊調(diào)整扣件，高程調(diào)整能力為-10～+60 mm，但根據(jù)TJ/GW132—2015《WJ-7和WJ-8特殊調(diào)整扣件暫行技術(shù)條件》相關(guān)規(guī)定，特殊調(diào)整扣件鋪設(shè)后一般情況下使用時(shí)間為3年，超過(guò)3年后應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)評(píng)估，難以長(zhǎng)期采用。一般項(xiàng)目有砟軌道通常采用抬道或落道進(jìn)行軌道高程的調(diào)整，聚氨酯固化道床采用起道后在枕底和道床頂面之間填塞或灌注墊層的方式進(jìn)行軌道高程的調(diào)整，但由于本項(xiàng)目特殊工程及環(huán)境條件，人員設(shè)備及既有大型機(jī)械難以適應(yīng)，抬道或落道等作業(yè)難度大。因此，有必要研發(fā)便于調(diào)整軌道幾何形位及高程的大調(diào)整量扣件。同時(shí)，考慮到川藏鐵路養(yǎng)護(hù)維修條件極為惡劣，應(yīng)采取措施提高扣件服役的可靠性和耐久性。

綜合分析，建議針對(duì)川藏鐵路沿線地質(zhì)條件復(fù)雜、養(yǎng)護(hù)維修條件惡劣的實(shí)際情況，分別針對(duì)無(wú)砟軌道和有砟軌道進(jìn)行具備大調(diào)整能力、高可靠性和高耐久性扣件系統(tǒng)的研發(fā)。

2.3 無(wú)砟道床

(1)一般地段無(wú)砟道床

雙塊式無(wú)砟軌道可以適用于時(shí)速200 km客貨共線鐵路的運(yùn)營(yíng)條件，但目前原鐵道部和原中國(guó)鐵路總公司發(fā)布的通用圖，是基于我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線無(wú)砟軌道再創(chuàng)新研究成果編制的，并明確了其使用范圍為高速鐵路[16-18]。考慮到客運(yùn)專(zhuān)線鐵路貨車(chē)軸重較大、列車(chē)編組長(zhǎng)，尤其是川藏鐵路沿線工程環(huán)境條件復(fù)雜，現(xiàn)有通用參考圖難以滿足本項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求。同時(shí)，根據(jù)對(duì)既有客貨共線鐵路雙塊式無(wú)砟軌道的調(diào)研，由于現(xiàn)有雙塊式軌枕通用圖中[19-20]，軌枕?yè)跫绮糠譃樗鼗炷粒谶\(yùn)營(yíng)中部分軌枕?yè)跫缁蜍壵矶瞬康来舶寤炷脸霈F(xiàn)碎裂現(xiàn)象，如圖1和圖2所示。

圖1 軌枕?yè)跫缡?/p>

圖2 軌枕端部道床板混凝土碎裂

因此，建議針對(duì)川藏鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及工程環(huán)境條件，開(kāi)展客貨共線鐵路雙塊式無(wú)砟軌道和軌枕設(shè)計(jì)研究工作，并編制相應(yīng)的通用參考圖和技術(shù)規(guī)程。

(2)大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋上無(wú)砟道床

川藏鐵路昌都至林芝段沿線地形起伏嚴(yán)峻，峽谷深切，大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁合計(jì)5座，其中懸索橋2座、獨(dú)塔斜拉橋1座、拱橋2座，最大跨度的橋梁為怒江特大橋，主跨1 040 m、橋高637 m。本段大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁情況如表2所示。

表2 大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁

考慮到大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁在外部荷載作用下的變形較大，無(wú)砟軌道難以適應(yīng)大變形要求，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)速200 km及以上的鐵路，在大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁上多采用有砟軌道，采用無(wú)砟軌道最大跨度的橋梁為昌贛鐵路的贛江特大橋，其主跨為300 m[21]。大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁上采用有砟軌道存在軌道二期恒載大、橋梁投資高，且以鋪設(shè)無(wú)砟軌道為主的線路局部采用有砟軌道存在運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)工作量大、作業(yè)困難等缺點(diǎn)[22]。

因此，建議研究大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁采用輕型無(wú)砟軌道的可行性，以減輕橋梁二期恒載，降低橋梁工程投資，減少運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量。

2.4 有砟道床

(1)長(zhǎng)大坡道有砟道床

在長(zhǎng)大坡道區(qū)段，受列車(chē)頻繁制動(dòng)影響，軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)受到一定程度的影響，當(dāng)?shù)来沧枇Σ蛔阋缘挚箿囟攘烷L(zhǎng)大坡道上列車(chē)制動(dòng)力時(shí)，軌排會(huì)產(chǎn)生不均勻的縱向位移，在極端不利因素疊加作用下，誘發(fā)鋼軌折斷或碎彎，甚至導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，在長(zhǎng)大坡道區(qū)段，需對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu)采取加固措施，以確保軌道結(jié)構(gòu)服役的安全性與可靠性。

(2)隧道內(nèi)不良地質(zhì)區(qū)域有砟道床

川藏鐵路昌都至林芝段沿線地質(zhì)情況復(fù)雜，活動(dòng)斷裂帶、軟巖大變形等不良地質(zhì)段落多且占比高，長(zhǎng)大隧道內(nèi)局部難以滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道的要求，需采用有砟軌道。考慮到本段養(yǎng)護(hù)維修條件極為惡劣，局部采用有砟軌道存在養(yǎng)護(hù)維修工作量大、作業(yè)環(huán)境差且難以采用大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械作業(yè)，因此在不良地質(zhì)區(qū)域采用有砟道床時(shí)需采取措施提高道床結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、減少運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量。結(jié)合對(duì)目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的調(diào)研分析，建議對(duì)局部不良地質(zhì)區(qū)域采用的有砟道床采取聚氨酯發(fā)泡材料膠結(jié)、固化等措施，可顯著提高道床的整體性與穩(wěn)定性，降低運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量。在線下基礎(chǔ)變形量較大時(shí)，可采用大調(diào)整量扣件加抬高軌枕并在枕底和道床頂面之間填塞或灌注墊層的方式快速修復(fù)。

2.5 與隧道工程接口條件

川藏鐵路昌都至林芝段軟巖大變形分布廣泛且占比高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全線預(yù)估軟巖大變形段落長(zhǎng)度約50.84 km，如在軟巖大變形區(qū)域全部采用有砟軌道，則存在軌道結(jié)構(gòu)過(guò)渡頻繁、運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修不便等問(wèn)題。根據(jù)對(duì)既有蘭渝線蘭州至廣元段軟巖大變形隧道的調(diào)研分析，運(yùn)營(yíng)期軟巖大變形區(qū)域出現(xiàn)仰拱上拱病害段落合計(jì)0.26 km(4處)，占全線軟巖大變形區(qū)段長(zhǎng)度的比例僅為0.34%。可以看出，軟巖大變形段落隧道施工完成后仰拱的穩(wěn)定性多數(shù)能夠滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道的條件，個(gè)別點(diǎn)由于地質(zhì)情況特殊、地下水及施工質(zhì)量等耦合因素共同作用下出現(xiàn)了病害情況。因此，為盡量降低在川藏鐵路昌都至林芝段復(fù)雜地質(zhì)與環(huán)境條件下軌道結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)維修工作量，推薦在軟巖大變形地段暫按無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了避免局部在多重不利因素耦合作用下隧道仰拱穩(wěn)定性不滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道的需求，建議軟巖大變形區(qū)域的隧道斷面能夠兼容鋪設(shè)有砟軌道的需求，軌道結(jié)構(gòu)高度暫按有砟軌道766 mm預(yù)留，然后對(duì)仰拱穩(wěn)定性進(jìn)行沉降觀測(cè)與評(píng)估，如仰拱沉降評(píng)估結(jié)果能夠滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道的需求，則繼續(xù)回填仰拱至軌面以下515 mm處，并施作無(wú)砟軌道；如局部無(wú)法滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道的要求，則將軌道結(jié)構(gòu)變更為有砟軌道。軟巖大變形區(qū)域仰拱根據(jù)沉降評(píng)估結(jié)果分層施作，可以有效避免局部不滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道要求的段落鑿除隧道仰拱回填層的工作量，進(jìn)而避免出現(xiàn)廢棄工程，既能有效解決實(shí)際工程問(wèn)題，又能節(jié)省投資、綠色環(huán)保。

目前，時(shí)速200 km客貨共線鐵路隧道通用參考圖中，有砟軌道斷面與無(wú)砟軌道斷面在軌面以下存在一定的差異，以下以Ⅱ級(jí)圍巖帶仰拱復(fù)合式襯砌斷面為例進(jìn)行說(shuō)明。Ⅱ級(jí)圍巖帶仰拱復(fù)合式襯砌斷面無(wú)砟隧道與有砟隧道軌面以下斷面設(shè)計(jì)情況如圖3、圖4所示，可以看出：無(wú)砟隧道中心水溝與軌面距離比有砟軌道小9 cm，隧道外輪廓下在隧道中心線處小19 cm，相應(yīng)的斷面面積小1.524 m2。

圖3 無(wú)砟隧道軌面以下斷面(單位：cm)

圖4 有砟隧道軌面以下斷面(單位：cm)

為解決在軟巖大變形地段局部鋪設(shè)有砟軌道難題，根據(jù)現(xiàn)有斷面形式，可采取兩種方案。

方案一：軟巖地段采用有砟隧道斷面，非軟巖地段采用無(wú)砟隧道斷面。

方案二：全線均采用有砟隧道斷面。

如采用方案一，存在中心水溝順坡過(guò)渡困難、局部排水不暢等問(wèn)題；如采用方案二，可以有效解決不同斷面中心水溝順接的問(wèn)題，但無(wú)砟軌道地段隧道開(kāi)挖斷面大，隧道棄渣量及仰拱回填量亦大，與本項(xiàng)目建設(shè)生態(tài)環(huán)保的要求不符。

綜合以上分析，為解決軟巖大變形地段軌道結(jié)構(gòu)選型問(wèn)題，建議針對(duì)本項(xiàng)目開(kāi)展兼容有砟軌道與無(wú)砟軌道隧道斷面的研究工作[23]，在確保隧道斷面能夠同時(shí)滿足有砟軌道和無(wú)砟軌道鋪設(shè)要求的前提下，使本項(xiàng)目隧道設(shè)計(jì)滿足“保護(hù)生態(tài)、安全可靠”的基本要求。

3 結(jié)語(yǔ)

川藏鐵路昌都至林芝段工程環(huán)境條件極為惡劣，為確保川藏鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與可靠性，基于對(duì)已建項(xiàng)目軌道結(jié)構(gòu)在類(lèi)似工程環(huán)境條件下服役狀態(tài)的調(diào)研分析，結(jié)合沿線實(shí)際工程環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)川藏鐵路昌都至林芝段軌道結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)需求進(jìn)行了分析，并給出了相關(guān)建議，主要結(jié)論如下。

(1)軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有可靠性、可調(diào)整性、易修復(fù)性等功能，以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、特殊氣候條件及不同線下基礎(chǔ)的要求。

(2)一般地段宜采用少維修的雙塊式無(wú)砟軌道。

(3)推薦全線采用耐磨性及耐低溫性能兼顧的U71MnG在線熱處理鋼軌，建議開(kāi)展適用于本項(xiàng)目的鋼軌材質(zhì)或相關(guān)減少養(yǎng)護(hù)維修工作量措施的研究工作。

(4)針對(duì)本項(xiàng)目復(fù)雜工程及環(huán)境條件，建議研發(fā)具備大調(diào)整能力、高可靠性和高耐久性扣件系統(tǒng)。

(5)建議開(kāi)展客貨共線鐵路雙塊式無(wú)砟軌道和軌枕設(shè)計(jì)研究工作，并針對(duì)大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁研發(fā)輕型無(wú)砟軌道系統(tǒng)。

(6)在活動(dòng)斷裂帶及不良地質(zhì)等線下基礎(chǔ)變形難以控制區(qū)域采用便于調(diào)整的有砟軌道。有砟軌道在長(zhǎng)大坡道區(qū)段需采取強(qiáng)化措施，長(zhǎng)大隧道內(nèi)可采取膠結(jié)、固化等措施降低養(yǎng)護(hù)維修工作量。

(7)軟巖大變形區(qū)域暫按無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)，但預(yù)留變更為有砟軌道的條件。隧道仰拱分層填筑可有效解決無(wú)砟軌道與有砟軌道結(jié)構(gòu)高度差異問(wèn)題，建議開(kāi)展兼容有砟軌道與無(wú)砟軌道鋪設(shè)要求的隧道斷面研究工作。