高速鐵路到發(fā)線無砟軌道接軌技術(shù)應(yīng)用研究

酈 曄

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部， 南京 210000)

隨著我國(guó)高速鐵路、城際鐵路的大規(guī)模發(fā)展，為節(jié)省工程投資、提高既有線路利用率、實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)輸，新建高速、城際鐵路往往需要通過在已開通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路到發(fā)線接軌引入既有高速鐵路客運(yùn)站[1-2]。目前，我國(guó)運(yùn)營(yíng)的高速鐵路到發(fā)線大多鋪設(shè)無砟軌道，且由于無砟軌道結(jié)構(gòu)型式較多，在接軌時(shí)，通常采用到發(fā)線插入道岔的方式，而道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)寬度及高度等，與既有到發(fā)線無砟軌道存在較大差異，如何合理匹配兩種軌道結(jié)構(gòu)，同時(shí)快速恢復(fù)既有無砟軌道道床結(jié)構(gòu)、無縫線路工程，減小對(duì)既有線路的干擾，使既有高速鐵路滿足快速恢復(fù)運(yùn)營(yíng)的要求，需針對(duì)高速鐵路典型路基地段車站無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展系統(tǒng)、全面、深入的研究，確定合理的高速鐵路運(yùn)營(yíng)到發(fā)線無砟軌道接軌技術(shù)方案，及時(shí)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

道岔接軌時(shí)應(yīng)考慮既有道岔的受力問題，減小對(duì)既有線路的干擾。許實(shí)儒[3]利用三點(diǎn)力學(xué)模型和二次松弛法求解出固定轍叉類型的無縫道岔位移及各軌節(jié)的溫度力分布?；凇皟绍壪嗷プ饔迷怼保R耀榮[4]提出了考慮導(dǎo)軌與基本軌相互作用的無縫道岔縱向力計(jì)算方法。范俊杰[5]以非線性分析和力圖疊加原理為基礎(chǔ)，建立了當(dāng)量阻力系數(shù)法。蔡成標(biāo)[6]建立了無縫道岔鋼軌溫度力與變形分析的力學(xué)模型。耿建增[7]利用有限元法分析了軌枕、扣件和道床阻力對(duì)固定轍叉無縫道岔各個(gè)部分的受力和位移規(guī)律；在考慮各零部件阻力的非線性特征的條件下，王平[8]則建立了可用于計(jì)算可動(dòng)心軌式無縫道岔鋼軌附加溫度力及位移的模型。孫大新[9]和王樹國(guó)[10]等對(duì)橋上無縫道岔以及大號(hào)碼無縫道岔的受力及位移進(jìn)行了分析；晏資皇[11]等研究了位于橋上不同位置的無縫道岔各鋼軌受力與變形。陳秀方[12]在無縫道岔計(jì)算中首次引入廣義變分原理，用有限長(zhǎng)Winkler彈性地基梁代替岔枕，并考慮扣件阻力的非線性特性，提出了一種全新的方法。

即將投入運(yùn)營(yíng)的新建江蘇南沿江城際鐵路(以下簡(jiǎn)稱“南沿江鐵路”)需通過既有鐵路到發(fā)線引入寧杭高速鐵路江寧站，結(jié)合該工程項(xiàng)目，開展高速鐵路已開通運(yùn)營(yíng)的到發(fā)線無砟軌道接軌技術(shù)方案研究，為類似工程提供理論支撐和技術(shù)參考。

1 研究背景

南沿江鐵路布設(shè)于江寧站北側(cè)，江寧站規(guī)模為2臺(tái)4線，正線設(shè)計(jì)速度350 km/h。寧杭高速鐵路計(jì)劃通過新建兩條從既有車站兩股到發(fā)線引出的聯(lián)絡(luò)線(設(shè)計(jì)速度120 km/h)，將南沿江鐵路引入該車站，需實(shí)施到發(fā)線軌道斷道拆除及恢復(fù)配套工程，車站接軌各線關(guān)系示意如圖1所示。

圖1 車站接軌各線關(guān)系示意圖

由圖1可知，該車站現(xiàn)有4條股道，其中含2條正線(Ⅰ)、(Ⅱ)道，2條到發(fā)線(3)、(4)道，其中2條到發(fā)線均為60 kg/m無縫線路。圖中方框所示為接軌區(qū)域。(Ⅰ)、(Ⅱ)道線間距5 m，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道；到發(fā)線與其相鄰正線線間距6.5 m，軌道結(jié)構(gòu)形式為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

施工改造過程中，既有正線(Ⅰ)、(Ⅱ)道需限速運(yùn)營(yíng)至80 km/h，為了在不中斷正線列車通過的條件下進(jìn)行改造施工，本文將針對(duì)既有線拆除范圍，分析鎖定軌溫差、扣件縱向阻力及既有運(yùn)營(yíng)線路的加固措施對(duì)既有道岔的影響，為降低施工對(duì)既有正線的運(yùn)營(yíng)影響而采取一定的措施。

2 接軌方案

接軌方案示意如圖2所示，分別在站內(nèi)3道、4道南端拆除無砟軌道261.86 m，插鋪2組18號(hào)道岔。

圖2 接軌方案示意圖

2.1 既有無砟軌道拆除范圍的確定

既有到發(fā)線與寧杭正線的線間距為6.5 m，插鋪道岔的岔心位置與既有2號(hào)道岔的位置關(guān)系為固定值，同時(shí)新建路基岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道的長(zhǎng)度為固定值，故江寧站插鋪18號(hào)單開道岔的拆除范圍的終點(diǎn)里程根據(jù)到發(fā)線與正線線間距確定。根據(jù)搜集的江寧站岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道和到發(fā)線雙塊式無砟軌道資料，到發(fā)線雙塊式無砟軌道(連續(xù)結(jié)構(gòu))的端梁設(shè)置在岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道的岔后側(cè)股位置，拆除到發(fā)線后到發(fā)線無砟軌道在杭州端與既有的連續(xù)結(jié)構(gòu)斷開，拆除后的到發(fā)線在南京端的岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道的岔后側(cè)股位置有1處端梁，經(jīng)過研究決定在到發(fā)線杭州端按照通用圖要求補(bǔ)設(shè)端梁。現(xiàn)有的端梁設(shè)計(jì)方案中端梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為31～35 m，考慮到臨近正線施工與軌枕布置，到發(fā)線雙塊式無砟軌道的拆除還建長(zhǎng)度為32.53 m。故江寧站插鋪18號(hào)單開道岔，每股到發(fā)線既有無砟軌道計(jì)劃拆除長(zhǎng)度為130.93 m，其中新建路基岔區(qū)軌枕埋入式軌道98.4 m，新建到發(fā)線CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道32.53 m。

2.2 既有線路加固措施

拆除無砟軌道后，軌道結(jié)構(gòu)自由端會(huì)發(fā)生伸縮位移，其原因是在雙塊式無砟軌道縱向連續(xù)道床板的建造施工過程中，無砟軌道中的混凝土及鋼筋產(chǎn)生脹縮變形，在基底和邊界的約束作用下，產(chǎn)生分布在鋼軌及軌下結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力。在拆除既有無砟軌道的過程中，結(jié)構(gòu)中縱向截面中的對(duì)稱約束被放開，內(nèi)部的溫度應(yīng)力被釋放，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)自由端發(fā)生縱向位移。因而采取鎖定拆除范圍兩側(cè)無縫線路200 m，植筋錨固道床板15 m的方式，保證兩側(cè)既有無砟軌道不發(fā)生縱向位移。

3 接軌方案理論仿真計(jì)算

本文以計(jì)劃接入的18號(hào)道岔為研究對(duì)象，建立有限元模型，研究無砟軌道鎖定軌溫差、扣件縱向阻力及植筋錨固措施對(duì)無縫道岔受力的影響。

3.1 無砟軌道鎖定軌溫差

拆軌段鎖定軌溫與既有鎖定軌溫相差0 ℃、5 ℃、10 ℃時(shí)，岔區(qū)鋼軌的受力情況如圖3所示。其中，無縫道岔直股前后連接鎖定軌溫發(fā)生變化的無砟軌道，側(cè)股連接既有軌道，根據(jù)研究道岔兩端分別為新建軌道和既有軌道且兩端存在鎖定軌溫差時(shí)對(duì)岔區(qū)鋼軌受力的影響，計(jì)算得到的鋼軌溫度力的絕對(duì)值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 岔區(qū)各軌溫度力圖

經(jīng)分析可知，隨著無縫道岔直股前后連接的軌道與側(cè)股連接的軌道間的鋼軌鎖定溫差的增加，曲基本軌、曲導(dǎo)軌、短心軌溫度力均增大，而直股鋼軌所受的溫度力則無明顯變化。無縫道岔直股前后軌道與側(cè)股軌道間的鋼軌鎖定溫差從0 ℃向10 ℃增長(zhǎng)時(shí)，曲基本軌和短心軌最大溫度力隨之增加。曲基本軌和短心軌的受力增幅顯著，其中前者最大溫度拉力從580.84 kN上升至695.48 kN，增加了114.64 kN，增幅達(dá)19.74%；后者最大溫度拉力從453.51 kN上升至558.34 kN，增加了104.83 kN，增幅達(dá)23.12%；兩者最大溫度力隨鎖定軌溫差的改變幾乎呈線性變化。

較大的鎖定軌溫差會(huì)對(duì)正線道岔部分鋼軌的溫度力及道岔的對(duì)稱性產(chǎn)生不利影響，困難條件下，無砟無縫道岔側(cè)股和直股軌道的鎖定軌溫差可放寬至10 ℃。

3.2 扣件縱向阻力

為清晰的描述道岔扣件縱向阻力對(duì)無縫道岔受力和變形的影響，選擇了以道岔彈條Ⅱ型扣件實(shí)際阻力值的0.5倍、0.75倍、1.0倍、1.25倍及1.5倍的數(shù)值分別進(jìn)行研究。取岔區(qū)軌溫變化幅度為50 ℃為例，計(jì)算得到扣件阻力變化下的岔區(qū)基本軌及導(dǎo)軌溫度力如圖4所示，不同扣件縱向阻力下道岔尖軌位移及心軌位移如表1所示。

圖4 基本軌及導(dǎo)軌溫度力圖

表1 不同扣件縱向阻力下道岔尖軌及心軌位移比較表

隨著扣件縱向阻力的增加，基本軌限位器子母塊由接觸狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴唤佑|狀態(tài)，因此扣件阻力增加對(duì)基本軌溫度力產(chǎn)生了有利影響，而導(dǎo)軌的溫度力則隨扣件縱向阻力的增加而增加。

表1反映了尖軌及心軌位移隨扣件縱向阻力的變化規(guī)律。隨著扣件縱向阻力的增加，直、曲尖軌尖端第一牽引點(diǎn)位移和跟端位移均減小，同時(shí)直、曲尖軌跟端位移差也減??；心軌尖端位移減小，直股、曲股翼軌在心軌第一牽引點(diǎn)處位移均減小，同時(shí)直股、曲股翼軌在心軌第一牽引點(diǎn)處位移差也顯著減小。因此扣件縱向阻力對(duì)道岔位移控制有重要意義。

扣件縱向阻力對(duì)控制基本軌溫度力和道岔位移有利，但對(duì)導(dǎo)軌溫度力產(chǎn)生不利影響；可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，通過增大扣件縱向阻力50%，即可控制既有正線道岔的位移，從而保證施工過程對(duì)既有正線運(yùn)營(yíng)不受影響，同時(shí)應(yīng)避免因過度增大扣件縱向阻力對(duì)導(dǎo)軌溫度力的不利影響。

3.3 植筋錨固措施

對(duì)既有正線無縫道岔側(cè)股末端15 m進(jìn)行植筋錨固后，不同溫差幅度下道岔直向鋼軌溫度力如圖5所示。

圖5 道岔直向鋼軌溫度力圖

由圖5可知，拆除道岔側(cè)股并在剩余部分采取植筋錨固措施時(shí)，結(jié)合江寧站歷年的溫度變化情況，取所在地區(qū)最大溫差幅度為50 ℃，道岔直向鋼軌后端溫度力為 1 000 kN?？梢娡ㄟ^采取植筋錨固的加固措施，可以抵抗道岔側(cè)股拆除后產(chǎn)生的剪切力對(duì)既有直股鋼軌溫度力的影響，故拆除道岔側(cè)股并不影響既有正線道岔直股鋼軌的受力及變形。

4 接軌方案鋪設(shè)施工

由上述理論分析可知，鎖定軌溫差的存在并不會(huì)影響正線運(yùn)營(yíng)，但會(huì)導(dǎo)致道岔的不對(duì)稱性；適當(dāng)增大扣件阻力和采取植筋錨固措施可維持正線的正常運(yùn)營(yíng)。基于上述研究結(jié)果，可針對(duì)拆除部位進(jìn)行植筋錨固與接軌道岔鋪設(shè)等施工。

4.1 植筋錨固

為保證既有到發(fā)線區(qū)段的無砟軌道拆除后，兩端的無砟軌道及無縫道岔直股不發(fā)生縱向位移，在需拆除區(qū)段向岔前15 m范圍內(nèi)和既有道岔區(qū)15 m范圍內(nèi)，對(duì)道床板與支承層植銷釘加固。每間隔兩根軌枕便設(shè)置1排錨固銷釘，每1排設(shè)置4根φ25 mm、長(zhǎng)400 mm的HRB400螺紋鋼筋，均采用植筋膠錨固及封頂。植筋錨固的具體操作步驟簡(jiǎn)述如下：

(1)用油漆標(biāo)識(shí)植筋位置，探測(cè)道床板內(nèi)鋼筋，調(diào)整鉆孔位置。

(2)在標(biāo)識(shí)位置鉆孔，控制鉆孔深度，避免道床板內(nèi)鋼筋斷裂。

(3)清理鉆孔粉塵，注入粘合劑，植筋并封孔。

4.2 接軌道岔鋪設(shè)施工

接軌道岔的鋪設(shè)采用“工廠預(yù)組裝、散件段運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)組裝道岔、精調(diào)并灌注混凝土”的無砟道岔原位鋪設(shè)施工方法。

無砟道岔道床板支承結(jié)構(gòu)為底座板，底座直接澆筑在已填筑完畢的路基上，底座混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C30。首先應(yīng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣，緊接著綁扎道岔區(qū)底座的鋼筋并進(jìn)行模板安裝，再澆筑混凝土底座，并進(jìn)行拆模和養(yǎng)護(hù)；其次綁扎道床板底層鋼筋，對(duì)道岔進(jìn)行初步安裝和聯(lián)接；然后對(duì)道岔進(jìn)行第一次精調(diào)，后使用精調(diào)小車對(duì)道岔進(jìn)行檢測(cè)，不合格則需要繼續(xù)精調(diào)，直至檢測(cè)合格后才可以進(jìn)行下一步的鋪設(shè)。直至合格并進(jìn)行工電聯(lián)調(diào)后，開始道岔的第二次精調(diào)。合格后對(duì)道岔區(qū)道床板混凝土進(jìn)行施工并采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施；最后拆除支撐螺桿和模板，對(duì)道岔進(jìn)行焊接，完成18號(hào)道岔的鋪設(shè)。

鋼軌焊接采用鋁熱焊焊接。岔區(qū)內(nèi)部鋼軌接頭與前后無縫線路的焊接宜控制在各自相應(yīng)的設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍內(nèi)進(jìn)行。進(jìn)行焊接時(shí)應(yīng)注意控制18號(hào)道岔與相鄰的單元軌節(jié)間的鎖定軌溫的差值不應(yīng)大于5 ℃。為保證道岔直向有較高的平順性并避免鋼軌在焊接時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)力對(duì)道岔受力變形的不利影響，結(jié)合無縫道岔受理及變形分布規(guī)律分析，道岔區(qū)鋼軌的焊接順序如圖6所示，即按1～8的順序進(jìn)行。主要焊接順序如下：

圖6 道岔焊接順序示意圖

(1)轍叉軌排與導(dǎo)軌連接部，先直股，后曲股。

(2)導(dǎo)軌與導(dǎo)軌之間，先直股，后曲股。

(3)導(dǎo)軌與尖軌跟部，先直尖軌，后曲尖軌。

(4)基本軌焊接，先直股，后曲股。

(5)道岔前后鋼軌焊接順序?yàn)橄炔砬?，再岔后?/p>

先直股，再曲股。

5 結(jié)論

南沿江鐵路引入既有車站，在接軌時(shí)需拆除部分既有無砟軌道并鋪設(shè)2組18號(hào)道岔，為合理匹配道岔軌道與既有到發(fā)線軌道結(jié)構(gòu)，減小接軌施工對(duì)既有線路的影響，本文確定了接軌方案實(shí)施范圍，研究了無砟軌道鎖定軌溫差、扣件縱向阻力及植筋錨固措施對(duì)無縫道岔受力的影響，最后針對(duì)性地提出了具體施工方案，主要結(jié)論如下：

(1)結(jié)合實(shí)際需求，需新建路基岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道98.4 m，新建到發(fā)線CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道32.53 m，故每股到發(fā)線既有無砟軌道計(jì)劃拆除長(zhǎng)度為130.93 m。

(2)隨著道岔直股與側(cè)股軌道鎖定軌溫差的增加，直股鋼軌受力無明顯變化，側(cè)股鋼軌受力隨之增大，道岔受力的不對(duì)稱性愈發(fā)顯著；道岔兩端軌道鎖定軌溫差的存在并不會(huì)影響道岔直股的受力情況，但較大的鎖定軌溫差對(duì)岔區(qū)部分鋼軌溫度力及道岔的對(duì)稱性產(chǎn)生不利影響。困難條件下，無砟無縫道岔側(cè)股和直股軌道的鎖定軌溫差可放寬至10 ℃。

(3)隨著扣件縱向阻力的增加，基本軌限位器子母塊由接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)為不接觸狀態(tài)，導(dǎo)軌溫度力增大，道岔位移減小；扣件縱向阻力的增加對(duì)控制基本軌溫度力及道岔位移有重要意義，但對(duì)導(dǎo)軌溫度力產(chǎn)生不利影響?？刹捎眠m當(dāng)增大縱向阻力的方法控制既有正線的道岔位移及直導(dǎo)軌溫度力。

(4)采取植筋錨固時(shí)，拆除道岔側(cè)股并不會(huì)影響道岔直股的受力；接軌方案施工時(shí)可采取對(duì)拆除范圍附近既有軌道的植筋錨固等加固措施，控制無砟軌道拆除對(duì)既有線路及道岔的影響。接軌道岔鋪設(shè)時(shí)采用原位鋪設(shè)施工方法；岔區(qū)及其前后鋼軌使用鋁熱焊焊接，焊接時(shí)應(yīng)注意控制18號(hào)道岔與相鄰的單元軌節(jié)間的鎖定軌溫的差值不應(yīng)大于5 ℃。