重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)選型及技術(shù)研究

羅章波 張曉東 趙 東

(1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600；2.石家莊鐵道大學(xué) 河北石家莊 050043；3.中國鐵路北京局北京高鐵工務(wù)段 北京 100071)

1 引言

我國的現(xiàn)有重載鐵路大多采用有砟軌道結(jié)構(gòu)。在實際運營過程中，隨著線路通過總重及運量的增加，有砟軌道變形快、軌道結(jié)構(gòu)病害發(fā)生和發(fā)展速度成倍加快。特別是在長大隧道內(nèi)，導(dǎo)致維修工作量急劇加大，嚴重影響運輸?shù)慕?jīng)濟效益。因此，在作業(yè)空間受限的隧道內(nèi)采用具有高平順性、高穩(wěn)定性和少維修等優(yōu)點的無砟軌道成為趨勢[1]。

因此，研究適合于重載鐵路運營特點和隧道內(nèi)鋪設(shè)基礎(chǔ)和環(huán)境條件的無砟軌道結(jié)構(gòu)型式，對提升重載鐵路隧道設(shè)計技術(shù)具有重要意義。

2 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道技術(shù)發(fā)展

中國鐵道科學(xué)研究院在充分調(diào)研國內(nèi)外重載無砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對隧道無砟軌道結(jié)構(gòu)型式進行了詳細的研究比選分析，提出了重載彈性支承塊式、雙塊式、長枕埋入式3種無砟軌道結(jié)構(gòu)型式和相關(guān)參數(shù)，完成了尺寸設(shè)計和配筋設(shè)計。

鐵五院的劉蘭利高工、郭亞娟高工，通過在鵝嶺隧道開展不同軸重條件下，雙塊式無砟軌道仿真分析和現(xiàn)場測試對比，提出不同圍巖條件下，基底結(jié)構(gòu)的荷載分布特征、受力特性和基底結(jié)構(gòu)改進建議[2－3]。

中南大學(xué)的曾志平教授，通過對重載列車荷載作用下尺寸改進型和傳統(tǒng)型彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)靜載、落軸沖擊、疲勞性能對比試驗，認為:改進型在軌道幾何形位保持能力、支承塊穩(wěn)定性方面優(yōu)于傳統(tǒng)型，能夠滿足30 t重載鐵路軌道幾何形位的相關(guān)要求。與傳統(tǒng)型相比，改進型在進行列車荷載分配時，輪下荷載分配比例更低，有利于降低支承塊、靴套、道床板、底座板應(yīng)力[4]。

3 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)型式選擇

3.1 選型原則

重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道選型主要考慮以下原則:(1)結(jié)構(gòu)安全可靠性；(2)耐久性好；(3)良好的力學(xué)性能；(4)良好的適應(yīng)性；(5)良好的施工性能；(6)較好的可修復(fù)性；(7)合理的經(jīng)濟性。

目前，適用于重載鐵路隧道內(nèi)的、有比選價值的軌道類型有:彈性支承塊式無砟軌道、彈性長枕式無砟軌道、長枕埋入式無砟軌道、雙塊式無砟軌道、板式無砟軌道等五種結(jié)構(gòu)型式。

3.2 結(jié)構(gòu)整體技術(shù)性能分析

(1)有枕與無枕對比分析

有枕式無砟軌道其靈活多樣的調(diào)整與固定方案，創(chuàng)造出多種無砟軌道結(jié)構(gòu)型式。預(yù)制與現(xiàn)澆結(jié)合的方式和“單枕”靈活的調(diào)整能力，保證了其對曲線、岔區(qū)等特殊地段的廣泛適用性。

無枕式無砟軌道消除了軌枕間的薄弱連接，加強了鋼軌支點間的整體性。其中的預(yù)制板式軌道滿足了快速、機械化和工業(yè)化需要，但板的適應(yīng)能力稍差，在曲線、道岔等特殊地段應(yīng)用比較困難。

(2)全現(xiàn)澆與部分現(xiàn)澆、拼裝式結(jié)構(gòu)的對比分析

全現(xiàn)澆無砟軌道消除或減少了新舊混凝土結(jié)合面，不需要專門的預(yù)制工廠進行預(yù)制件生產(chǎn)；但需一次成型，對施工要求高，施工技術(shù)難度大。

預(yù)制拼裝或部分預(yù)制式無砟軌道，依靠工廠化生產(chǎn)有效地保證了關(guān)鍵部件的質(zhì)量，有利于組織快速施工、保證精度和控制精度。

3.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

建立重載貨車與各種無砟軌道的動力相互作用模型，對比分析了30 t軸重貨車通過不同無砟軌道結(jié)構(gòu)時的動力響應(yīng)指標(biāo)，見圖1、圖2[5]。

圖1 不同軌道結(jié)構(gòu)鋼軌支點壓力及回填層動應(yīng)力比較

圖2 不同軌道結(jié)構(gòu)動力指標(biāo)比較

從以上分析可以看出:

(1)五種軌道結(jié)構(gòu)的車輛響應(yīng)指標(biāo)相差不大，滿足行車安全性和平穩(wěn)性要求。

(2)彈性支承塊式無砟軌道動態(tài)軌距變化最大，但在規(guī)范限制內(nèi)。

(3)長枕埋入式無砟軌道、單元板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道的道床板加速度較大，彈性長枕式無砟軌道和彈性支承塊式無砟軌道的道床板振動加速度較小。

(4)彈性長枕式無砟軌道和彈性支承塊式無砟軌道，可同時兼顧較好地降低道床板振動和隧道回填混凝土動應(yīng)力。

以上研究，與鐵三院在山西中南部通道隧道內(nèi)無砟軌道選型研究(輪軌動力響應(yīng)研究)和鐵五院在鵝嶺隧道關(guān)于重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道靜力、動力特性的研究成果較為吻合。

3.4 適應(yīng)性分析

整體式結(jié)構(gòu)(整體道床、軌枕埋入式、雙塊式等)整體性強、縱向連續(xù)性好，局部的損毀往往需要在相當(dāng)長的范圍內(nèi)對軌道結(jié)構(gòu)進行修復(fù)，不利于快速修復(fù)。單元式軌道結(jié)構(gòu)以一定的長度為軌道單元，單元間相互影響有限，是能滿足上述條件的最佳選擇。

3.5 施工性對比分析

雙塊式軌道軌枕制造工藝較簡單，雙塊式道床板現(xiàn)場澆筑，施工質(zhì)量受氣候條件影響大，混凝土圬工量大，施工進度相對較慢。單元板式軌道板在工廠預(yù)制，現(xiàn)場為組裝式施工，施工質(zhì)量和過程容易控制，但板式軌道板生產(chǎn)、制造、運輸及安裝，砂漿灌注需要專業(yè)設(shè)備，工序相對復(fù)雜[6]。

縱連板式軌道施工特點基本與單元板式軌道相同，但軌道板承軌臺采用數(shù)控機床進行精密打磨，機械設(shè)備昂貴，且制造工效低、施工較復(fù)雜。

3.6 可維護性分析

雙塊式無砟軌道連續(xù)道床板現(xiàn)場澆筑，結(jié)構(gòu)一旦損壞，很難修復(fù)；雙塊式單元道床板結(jié)構(gòu)，相對連續(xù)道床板結(jié)構(gòu)，可修復(fù)性略好。縱連板式軌道板縱向連接，結(jié)構(gòu)連續(xù)，可修復(fù)性不強；單元板式軌道分塊鋪設(shè)，組裝式施工，基礎(chǔ)發(fā)生較大變形時，可通過板下瀝青砂漿層方便調(diào)整，單元板式無砟軌道可修復(fù)性較強[7]。

3.7 經(jīng)濟性對比分析

一般線路雙塊式無砟軌道每公里初期投資約367萬元，縱連板式無砟軌道每公里初期投資在540萬元以上，單元板式無砟軌道每公里初期投資約495萬元。

雙塊式軌道初期投資較低，結(jié)構(gòu)損壞后維修難度大、維修費用較高，對運營干擾大；單元板式軌道初期投資適中，但方便維修，對運營影響較小，綜合效益較好；縱連板式初期投資高，一旦損壞，維修較困難。

3.8 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道方案綜合對比分析

無砟軌道方案綜合對比見表1。

表1 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道方案綜合對比分析

3.9 推薦意見

隧道內(nèi)無砟軌道在安全可靠性滿足要求的前提下，推薦采用可修復(fù)性、低動力性的彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

4 彈性支承塊幾何尺寸及埋深研究

通過建立彈性支承塊式無砟軌道靜力分析的參數(shù)化有限元模型(見圖3)，分析隧道內(nèi)30 t軸重運營條件下彈性支承塊式無砟軌道支承塊幾何尺寸及埋深對軌道橫向穩(wěn)定性的影響。

圖3 實體有限元計算模型

4.1 彈性支承塊短側(cè)面坡度研究

傳統(tǒng)支承塊的長、短側(cè)面均接近垂直，僅考慮施工和維修方便設(shè)置了約1∶20的坡度。這種設(shè)計構(gòu)造簡單、受力明確，但在列車橫向水平力作用下，橡膠套靴的外短側(cè)面上部承受的支承塊擠壓力較大，易出現(xiàn)疲勞損傷，影響套靴使用壽命。采用靜力分析方法，研究支承塊短側(cè)面坡度與鋼軌和支承塊的變形量的關(guān)系，確定合理的支承塊短側(cè)面坡度，見圖4[8]。

圖4 支承塊橫移與支承塊短側(cè)面坡度的關(guān)系

由計算結(jié)果可見，彈性支承塊短側(cè)面坡度從1∶20到1∶3逐漸變大過程中，鋼軌和支承塊的橫向位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而減小的趨勢逐漸變緩。可見，在一定范圍內(nèi)，為支承塊設(shè)置較大的短側(cè)面坡度可起到有效控制鋼軌軌距擴大和支承塊的橫向變形，提高軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。因此，建議在30 t軸重條件下，彈性支承塊短側(cè)面設(shè)置1∶5 ～1∶6的斜坡。

4.2 彈性支承塊長度研究

分析列車荷載作用下鋼軌與彈性支承塊隨長度變化的最大橫向位移，見圖5。

圖5 支承塊橫移與彈性支承塊長度的關(guān)系

結(jié)果表明，彈性支承塊長度增加，對于減小彈性支承塊的翻轉(zhuǎn)角、減小鋼軌的側(cè)轉(zhuǎn)和橫向位移效果明顯。所以，增加彈性支承塊長度是提高彈性支承塊式無砟軌道的穩(wěn)定性、控制軌距擴大的一種有效途徑。從軌道橫向位移限值、軌道剛度、經(jīng)濟性等因素考慮，建議彈性支承塊長度取值范圍為600～700 mm。

4.3 彈性支承塊寬度研究

由圖6可知，支承塊寬度從230 mm增加到330 mm，彈性支承塊橫向最大位移、鋼軌翻轉(zhuǎn)角和彈性支承塊翻轉(zhuǎn)角等均有所降低，但變化趨勢不明顯。建議彈性支承塊寬度取值范圍為250～310 mm。

圖6 支承塊橫移與支承塊寬度的關(guān)系

4.4 彈性支承塊埋深研究

由圖7可知，彈性支承塊埋深由130 mm增加到230 mm，鋼軌最大橫向位移變化呈現(xiàn)先減小后增大又減小的趨勢，但是變化量很小。翻轉(zhuǎn)角隨埋深增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；彈性支承塊最大橫向位移先減小后增大，在埋深大于170 mm后最大橫向位移有增長的趨勢，彈性支承塊翻轉(zhuǎn)角先增大后減小，在埋深大于210 mm之后，翻轉(zhuǎn)角有減小的趨勢。綜合考慮短枕埋深對扭轉(zhuǎn)能力及軌道建筑高度的影響，彈性支承塊埋深取值范圍為150～210 mm[9]。

圖7 支承塊橫移與支承塊埋深關(guān)系

5 重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)動力性能評價

通過模擬落軸試驗和車輛－軌道耦合動力分析，對優(yōu)化設(shè)計后的改進型彈性支承塊式無砟軌道系統(tǒng)的動力性能進行評價。分析表明:優(yōu)化設(shè)計后的改進型彈性支承塊式無砟軌道系統(tǒng)各項參數(shù)匹配較合理，滿足貨車運行相關(guān)規(guī)范要求，軌道結(jié)構(gòu)動力性能良好，見表2～表4[10－12]。

表2 軌道動態(tài)軌距擴大結(jié)果

表3 軌道結(jié)構(gòu)位移響應(yīng) mm

表4 軌道結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng) m/s2

動態(tài)軌距擴大最大值為2.286 mm，小于國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值。

可以看出，該彈性支承塊無砟軌道系統(tǒng)的車輛響應(yīng)均在規(guī)范規(guī)定的安全限值內(nèi)。軌道板位移響應(yīng)受速度影響較小，軸重增加，結(jié)構(gòu)的位移、加速度響應(yīng)呈增大趨勢，但整體變化不大。

從動力特性計算結(jié)果可以看出，新型隧道內(nèi)無砟軌道系統(tǒng)力學(xué)性能滿足貨車運行相關(guān)規(guī)范要求，軌道結(jié)構(gòu)動力性能良好。

6 結(jié)論

(1)隧道內(nèi)無砟軌道推薦采用可修復(fù)性好、低動力性的彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

(2)彈性支承塊短側(cè)面設(shè)置坡度可減小列車荷載作用下鋼軌的橫向位移量和翻轉(zhuǎn)角，有利于動態(tài)軌距擴大量，增強軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。建議30 t軸重條件下支承塊短側(cè)面坡度宜設(shè)為1∶5～1∶6。

(3)30 t軸重條件下，建議彈性支承塊長度取650 mm，寬度取280 mm，埋深取170 mm。