浩吉鐵路無砟軌道軌排框架法的適用性研究

劉 巍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 軌排框架法適用性研究的必要性

隨著新建中南通道、張唐鐵路等重載鐵路等陸續開通，我國重載鐵路運輸迎來了全新的發展時期。重載鐵路彈性支承塊式無砟軌道工程是鐵路工程的重要部分，我國重載鐵路隧道內無砟軌道設計原則一般規定：重載鐵路全線超過1 km隧道均采用無砟軌道結構型式，除隧道口采用長枕埋入式軌枕及部分試驗段采用雙塊式軌枕外，其余全部采用彈性支承塊式無砟軌道[1]。針對浩吉鐵路建設有必要開展針對性的無砟軌道軌排框架法的適用性研究，從而提升無砟軌道軌排框架法機械化施工程度和施工效率。浩吉鐵路雙線隧道內彈性支承塊式無砟道床斷面如圖1所示。

圖1 浩吉鐵路彈性支承塊式無砟道床斷面(單位：mm)

2 軌排框架斷面結構研究

軌排框架的整體結構是將應鋪軌道構件組合成為框架式，部件包括鋼軌、楔形夾板、連接托梁、調整裝置及縱向模板，用于懸掛彈性支承塊軌枕[2]。由于浩吉鐵路隧道內道床邊緣距水溝墻單側距離僅為100 mm，且水溝電纜槽防護墻的最高點與軌頂標高在同一水平線上，該無砟道床斷面工況同高速鐵路、中南通道、陽大鐵路等工況均有很大差異，各線路道床斷面匯總如表1所示。

表1 各線路隧道內無砟道床斷面工況 mm

由表1可知，無砟軌道道床寬度大多為2 800 mm，其中貴廣、衢寧鐵路道床邊緣距水溝墻距離為800 mm，其余均為100 mm或110 mm，軌道結構高度均在515～650 mm之間。貴廣鐵路水溝墻高度遠高于軌道結構高度，有足夠的空間設置軌調；中南通道隧道內道床邊緣距離水溝墻距離110 mm，但其水溝墻高度低于軌道結構高度，同樣可以通過支撐在隧道側壁上實現軌向調節的目的(中南通道隧道內軌排框架斷面如圖2所示)。

圖2 中南通道隧道內軌排框架結構斷面(單位：mm)

結合貴廣鐵路和中南通道的軌排斷面特點，浩吉鐵路隧道內軌排框架斷面結構采用在水溝側增加上翻螺柱支腿的方式，既避開了水溝電纜槽側墻對螺柱支腿的影響，又為軌排框架的軌調預留足夠的支撐空間，同樣可以支撐在隧道側壁實現軌向調節[3]。浩吉鐵路隧道內軌排框架斷面結構設計如圖3所示。

圖3 浩吉鐵路隧道內軌排框架結構斷面(單位：mm)

浩吉鐵路彈性支承塊式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、混凝土支承塊及配套橡膠套靴、支承塊下彈性墊板和鋼筋混凝土道床板組成。隧道內道床板為分塊結構，道床板寬度為 2 800 mm，厚度為 393 mm，每塊道床板長度一般為 6.58 m(0.29 m +0.6 m×10+0.29 m)，根據具體情況可適當調整，長度可為 5.0～7.5 m，兩塊道床板間設置伸縮縫，伸縮縫寬度為 20 mm，用聚乙烯泡沫板填充和采用聚氨酯密封。在隧道沉降縫處道床板對應位置設置20 mm寬伸縮縫。

3 軌排框架長度確定

鐵路的曲線半徑對于軌排框架的長度影響較大，尤其是對于曲線半徑較小的線路，對軌排框架的長度選擇有很大限制。根據重載鐵路最小曲線半徑情況及軌排框架本身的結構限制，研究確定不同曲線半徑適用的最大軌排框架長度[4]。由于隧道內軌枕間距均為600 mm，為實現軌排順鋪施工的目的，需將軌排框架長度限定為L=(600×n)mm，n為軌排框架懸掛彈性支承塊個數。考慮曲線半徑與軌縫適應性、軌排組裝效率、軌排成本及工裝運輸等因素影響，浩吉鐵路軌排框架長度設計為6 600 mm，懸掛支承塊的軌排框架見圖4。

圖4 浩吉鐵路6600型軌排框架(單位：mm)

浩吉鐵路隧道口30 m范圍內采用長枕埋入式無砟軌道，軌道結構高度、道床斷面情況等均同彈性支承塊無砟軌道，需要指出的是長枕埋入式無砟軌道工況下軌枕間距為625 mm，施工中需考慮采用6 600型軌排框架滿足該工況下無砟軌道施工要求。綜合考慮現有工況的施工現狀，采用6 600型軌排+275型軌節組成6 875型軌排的方案，進行長枕埋入式無砟軌道的連續順鋪施工。該方案借用正常施工的6 600型軌排框架，輔以短軌節完成長枕埋入式無砟軌道的順利鋪設，施工單位無須再次采購相對應的6 875型軌排設備，為施工和業主單位節約了工程投入。

4 軌排框架有限元受力分析

浩吉鐵路隧道內采用軌排框架法施工的原理是工具軌模擬線路正線軌道的幾何形位進行無砟道床澆筑，待混凝土達到規定要求后，拆除軌排框架，最后統一鋪設正線軌道[5]。由于軌排框架是由矩形鋼管與鋼軌通過夾板及螺栓連接的組合式結構，需驗證浩吉鐵路軌排框架的托梁在施加橫向荷載、調整出滿足正線軌道幾何形位的情況下，滿足鋼結構規范要求[6]。

軌排與彈性支承塊組裝完成后，澆筑混凝土前后的受力情況并不相同，澆筑之前軌排框架受自重和軌枕兩種荷載；澆筑之后，由于混凝土初凝前可視為液體，軌排框架還要受到通過彈性支承塊傳遞的液態浮力[7]，單個軌枕的液態浮力計算公式為：F=Vγc。式中：F為液態浮力(N)；V為軌枕侵入澆筑混凝土的體積(mm3)；γc為液態混凝土重度(N/mm3)。

組裝完成的軌排框架每處懸掛點按照四點接觸，結構自重、軌枕自重、配件重量及液態浮力平均分配到每個集中點[8]。有限元計算模型中，鋼軌與矩形管通過楔形夾板緊密固結，二者共用節點，加載后的計算模型如圖5所示。

圖5 浩吉鐵路軌排框架計算模型

邊界條件施加在高程螺柱底部，在軌排單側4個支撐點位置施加約束：Tx=Ty=Tz=0，Rx=Rz=0；在另一根主梁下(后端)，在軌排另一側4個支撐點位置施加約束：Tx=Tz=0，Rx=Rz=0。其有限元邊界條件添加如圖6所示。軌枕自重按照梁單元的均布荷載施加，考慮結構自重、軌枕自重、配件重量在鋼軌上施加均布荷載5 N/mm，其有限元加載如圖7所示。

圖6 軌排框架邊界條件

圖7 軌排框架加載情況

軌排結構材料采用Q235A，根據《起重機設計手冊》第二版，鋼結構按組合B進行校核，其許用應力[σ]=175 MPa，參考橋式起重機對剛度要求為fL≤L/400=3 000 mm/400=7.5 mm。通過有限元分析得出的托梁應力云圖如圖8所示，可知矩形方管螺栓固定點處最大應力為85.4 MPa<[σ]，此應力是由于矩管與鋼軌連接處的應力集中造成；托梁應變云圖如圖9所示，托梁中部變形最大，其最大值為5.2 mm<7.5 mm。綜上可知，浩吉鐵路軌排框架滿足鋼結構設計要求。

圖8 軌排框架托梁應力計算結果

圖9 軌排框架托梁剛度計算結果

5 軌排施工遇到的問題及解決方案

隧道內無砟道床施工達到預期的實踐效果不僅取決于性能可靠的施工設備，水溝側墻、仰拱填充等前期工程能否達到設計要求也至關重要。浩吉鐵路部分隧道水溝側墻侵線、仰拱填充標高誤差大等問題時有發生。

針對隧道水溝側墻侵線導致軌排框架高程螺柱難以支撐在道床側面的問題，通過考察調研城煙隧道、肴山隧道及紅土嶺隧道等現場施工工況，提出的解決方案是對軌排框架的水溝側支腿靈活處理，加長支腿長度并在支腿上預裝兩個方形螺母，遇到水溝側墻侵線等極端情況、將高程螺柱支撐在水溝蓋板上，遇到常規斷面情況、高程螺柱正常支撐在道床邊緣距離水溝側墻之間的100 mm空間內，如圖10所示。通過現場施工反饋，采用加長支腿的解決方案很好的解決了部分隧道水溝側墻侵線的施工難題，加長支腿的螺柱支撐在水溝側壁既能夠實現軌排框架的調整精度，也避開了道床側壁與水溝側壁有限的空間限制。

圖10 隧道水溝側墻侵線解決方案

浩吉鐵路無砟軌道軌排現場施工遇到的另外一個問題是水溝側墻與道床邊緣100 mm距離使正常斷面高程螺柱的支撐位置與道床模板發生干涉，針對這種普遍性的問題，研究道床模板與軌排框架對應架設的解決方案：考慮一榀排架對應3處模板，在模板的固定位置開豁口，以避讓軌排框架側面的高程螺柱，從而解決二者發生干涉的問題。今后類似的重載鐵路隧道斷面均可采用模板開豁的方式實現道床的無砟軌道施工，從而有效發揮軌排框架施工技術及設備在重載鐵路施工中的作用。

6 結束語

通過對浩吉鐵路隧道內無砟軌道軌排框架施工技術與設備的研究，確定了適用于浩吉鐵路隧道內道床施工的軌排框架結構斷面及合理的軌排長度，并對其矩形鋼管結構的托梁體進行有限元分析。目前該套施工技術及設備已成功應用于浩吉鐵路多條隧道的無砟軌道施工，取得了很好的示范效果。