重載鐵路軌道可快速更換結(jié)構(gòu)研究

袁憲利 張光田 白曉偉 胡志鵬 張生延

(1. 陜西紅檸鐵路有限責(zé)任公司,陜西榆林 719399; 2. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

我國是全球煤炭消費第一大國,煤炭在我國能源消費中的比重超過70%。 我國煤炭運輸主要依靠重載鐵路運煤專線,將北方煤炭源源不斷運輸?shù)綎|部港口和其他煤炭消費大省。 重載鐵路運煤專線以有砟軌道結(jié)構(gòu)為主,全線通過設(shè)置多處筒倉進(jìn)行煤炭集中裝載作業(yè),筒倉裝車時,由于抑塵液、防凍液噴灑或煤渣掉入,易導(dǎo)致筒倉下有砟軌道出現(xiàn)道床板結(jié)、彈性變差等病害。 既有軌道缺少排水措施,導(dǎo)致軌下道床長期浸水,扣件失效;同時路基長時間被水浸泡,存在翻漿冒泥及不均勻沉降現(xiàn)象,存在較大安全隱患。 已有學(xué)者開展相關(guān)研究,秦懷兵等通過研究朔黃鐵路道床臟污指數(shù)和道床臟污率的對應(yīng)關(guān)系,確定運煤專線道床臟污分級標(biāo)準(zhǔn)[1];朱德兵等認(rèn)為運煤專線道床臟污是由于細(xì)顆粒介質(zhì)日積月累漸次沉積造成的,提出一種基于車載探地雷達(dá)測量的沿線道床臟污水平評估方法[2];葉朝良等認(rèn)為,運煤線路基產(chǎn)生過大沉降的原因主要有線路運營量上升、填料不合格、施工質(zhì)量較差等[3];楊志浩等對大秦鐵路典型病害斷面進(jìn)行取樣調(diào)查并進(jìn)行物性試驗分析,并提出整治對策[4-5];張萬濤等研究重載鐵路路基下沉病害整治措施[6-7]。

筒倉下煤炭裝載作業(yè)繁忙,養(yǎng)護(hù)維修天窗時間短,線路難以得到及時有效的養(yǎng)護(hù)維修,為徹底解決筒倉下有砟軌道病害,有必要研究可快速更換的軌道結(jié)構(gòu)及地基處理方案,解決道床臟污、固結(jié)、基礎(chǔ)沉降等病害,實現(xiàn)軌道幾何狀態(tài)良好、基礎(chǔ)穩(wěn)固、軌道維修量少的目的,以期為后續(xù)大范圍整治筒倉軌道病害提供參考。

2 筒倉下快速更換的無砟軌道方案

2.1 基礎(chǔ)處理

既有重載鐵路運煤專線基礎(chǔ)多采用AB 組填料,經(jīng)多年運營,有砟道床下部常出現(xiàn)翻漿冒泥、基礎(chǔ)沉降等病害。 經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,有砟道床兩側(cè)排水不暢,抑塵液、防凍液、雨水及道床沖洗水滲入下部基礎(chǔ),冬季形成約1.5 m 厚凍土層。 凍融循環(huán)會導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降,軌道幾何狀態(tài)較差。 常用的打樁、注漿等地基處理方法并不能徹底解決凍土層凍脹問題。 因此,選用換填墊層法對軌道下部基礎(chǔ)進(jìn)行處理,換填料采用級配碎石摻水泥。 基礎(chǔ)換填開挖斷面見圖1。

圖1 有砟道床下部基礎(chǔ)換填斷面(單位:mm)

2.2 筒倉下可快速更換的無砟軌道

重載鐵路運煤專線養(yǎng)護(hù)維修天窗時間短是影響軌道結(jié)構(gòu)正常維修的主要因素之一,筒倉下有砟軌道病害較多,短時間內(nèi)無法實現(xiàn)軌道病害的徹底整治,需研究一種在運營期可快速更換的無砟軌道結(jié)構(gòu)。

運煤專線列車軸重大、運營速度低、裝載作業(yè)頻繁,現(xiàn)澆無砟軌道結(jié)構(gòu)施工工期受限;預(yù)制板式無砟軌道具有加工精度高[8]、實施速度快等特點,能實現(xiàn)無砟軌道的快速更換[9]。 因此,推薦筒倉下運煤專線采用預(yù)制板式無砟軌道結(jié)構(gòu)方案。

2.2.1 軌道板

國鐵軌道板長度一般為3~6 m,寬度為2.1~2.5 m[10],考慮到筒倉下施工空間和設(shè)備吊裝能力有限,結(jié)合筒倉寬度、板端軌枕外懸出長度、軌道板組合調(diào)整能力及水溝安裝空間[11],推薦筒倉下軌道板長度為2.98 m、寬度為2.5 m、厚度為0.27 m。

軌道板兩端中部設(shè)置1 個灌注孔,頂面?180 mm,底面?170 mm。 在軌道板兩端分別設(shè)置1 對起吊套管,用于軌道板的吊裝,軌道板結(jié)構(gòu)平面見圖2。

圖2 軌道板結(jié)構(gòu)平面(單位:mm)

2.2.2 底座

結(jié)合軌道板的設(shè)計,底座上部設(shè)置500 mm×800 mm 限位凹槽,縱橫向約束軌道板,長度與軌道板保持一致,寬度較軌道板寬200 mm,厚度為200 mm。軌道板底座結(jié)構(gòu)平面見圖3。

圖3 軌道板底座結(jié)構(gòu)平面(單位:mm)

2.2.3 調(diào)平層

為實現(xiàn)無砟軌道快速更換、高精度鋪設(shè)的要求,在軌道板與底座間設(shè)置調(diào)平層,采用快硬早強(qiáng)自密實混凝土,強(qiáng)度等級為C40,厚度為100 mm。 為保證在天窗點快速更換無砟軌道,并保證有足夠的支撐強(qiáng)度,需在軌道板與底座間設(shè)置一定數(shù)量的混凝土支墩。

2.2.4 支墩

運煤專線天窗維護(hù)時間一般為2~4 h,短時間內(nèi)不僅要實現(xiàn)快速更換無砟軌道,且要保證軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足正常通車運營的剛度要求。 結(jié)合列車軸重及軌道板、底座結(jié)構(gòu),通過建立有限元模型,具體研究確定支墩的設(shè)計及布置方案。

(1)支墩尺寸及布置方案

支墩的不同尺寸及布置方案見圖4,分別對不同方案進(jìn)行分析研究。

圖4 道床板下不同支墩布置方案(單位:mm)

(2)主要參數(shù)及有限元模型

筒倉下無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、支墩和底座等組成。 鋼軌以實體單元進(jìn)行模擬,鋼軌和軌道板間采用連接器單元模擬扣件的支承和約束作用。軌道板和底座均按實際尺寸建模,采用實體單元模擬。有限元模型見圖5,各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 無砟軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 無砟軌道有限元模型

(3)計算結(jié)果

針對軌道板下部設(shè)置不同數(shù)量支墩方案,分別計算豎向荷載作用于板中和板端時的鋼軌、軌道板豎向位移和應(yīng)力。 荷載作用于板中時(工況一),鋼軌豎向最大位移為3.21 mm,軌道板豎向最大位移為0.04 mm,見圖6。 通過對不同支墩方案進(jìn)行計算分析,計算結(jié)果見表2。

表2 不同支墩布置方案計算結(jié)果MPa

圖6 荷載作用于板中時鋼軌、軌道板豎向位移

列車豎向荷載作用下,鋼軌、軌道板和支承塊各向應(yīng)力均未超過材料抗拉和抗壓強(qiáng)度要求。 工況三較工況一和工況二可減少支墩333 對和666 對,較方案四尺寸減少,可節(jié)約制造成本;同時支承塊越多,精調(diào)難度大,對于軌道板的平順性不易保證。 因此,從經(jīng)濟(jì)性及施工便利性考慮,建議支座布置形式采用工況三(即布置3 對支墩,支墩尺寸為0.5 m×0.5 m×0.1 m)。

2.2.5 無砟軌道結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述軌道板、底座及支墩設(shè)計,筒倉下可快速更換的無砟軌道結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 可快速更換的無砟軌道橫斷面(單位:mm)

3 軌道板及底座配筋設(shè)計研究

3.1 計算模型及參數(shù)

(1)計算模型

根據(jù)筒倉下無砟軌道結(jié)構(gòu)的特點,建立“梁-板-板”有限元模型見圖8。

圖8 無砟軌道有限元分析模型示意

(2)計算參數(shù)

軌道板、底座及支墩參數(shù)同第二節(jié),扣件節(jié)點垂向靜剛度為70±1 kN/mm。

3.2 設(shè)計荷載

筒倉下無砟軌道軌道板及底座承受的主要荷載有列車荷載、不均勻沉降荷載,以及溫度梯度荷載[12]。

(1)列車荷載作用

列車設(shè)計軸重為23 t,采用單軸雙輪加載方式[13],列車作用下軌道板的彎矩結(jié)果見表3。

表3 列車荷載作用下軌道板及底座彎矩計算結(jié)果kN·m/m

(2)溫度梯度荷載

筒倉結(jié)構(gòu)鋪設(shè)于路基基礎(chǔ)上,道床板和底座采用單元結(jié)構(gòu),由于底座鋪設(shè)于道床板之下,不受溫度梯度作用,僅軌道板受正、負(fù)溫度梯度作用[14]。 最大正溫度梯度取90 ℃/m;最大負(fù)溫度梯度取-45 ℃/m[15],溫度梯度作用下軌道板彎矩計算結(jié)果見表4。

表4 溫度梯度作用下軌道板彎矩計算結(jié)果kN·m/m

式中,M為軌道板溫度梯度作用彎矩;Δt為上下表面溫差;W為彎曲截面參數(shù)。

(3)路基不均勻沉降作用

筒倉下無砟軌道的不均勻沉降變形可假設(shè)為余弦曲線[16],路基不均勻沉降變形計算圖示見圖9。

圖9 路基不均勻沉降變形計算圖示

式中,к為下部基礎(chǔ)變形曲線的曲率;EI為無抗彎剛度。

路基不均勻沉降取15 mm/20m 時,僅產(chǎn)生縱向正彎矩[17],不產(chǎn)生其他方向的彎矩,計算結(jié)果見表5。

表5 路基不均勻作用下軌道板、底座彎矩計算結(jié)果kN·m/m

3.3 極限狀態(tài)法計算

3.3.1 荷載組合

筒倉下無砟軌道同時受列車荷載、基礎(chǔ)不均勻沉降及溫度梯度荷載,在不同荷載組合時,溫度梯度取常用溫度梯度[18],荷載組合見表6。

表6 極限狀態(tài)法不同荷載組合

3.3.2 極限狀態(tài)法

(1)承載能力極限狀態(tài)

筒倉下無砟軌道為單元結(jié)構(gòu),對單元結(jié)構(gòu)而言,主要采用基本組合和偶然組合[19],在承載能力極限狀態(tài)法分析中計算兩種組合中的最大值[20]。

①基本組合

式中,分項系數(shù)γd=1.5;組合系數(shù)ψtd=0.5;分項系數(shù)γtd=1.0。

②偶然組合

單元結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)偶然組合如下

式中,分項系數(shù)γd=1.0;ψtd=0.5;γcj=1.0。

(2)正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)主要考慮列車荷載、溫度梯度荷載及不均勻沉降,其標(biāo)準(zhǔn)組合如下

式中,組合系數(shù)φd=0.75;φtd=0.5。

3.3.3 荷載組合作用效應(yīng)

不同極限狀態(tài)下、不同荷載組合下的軌道板和底座彎矩結(jié)果見表7。

表7 荷載組合作用下軌道板及底座彎矩計算結(jié)果kN·m/m

3.4 軌道板及底座配筋

承載力極限狀態(tài)配筋設(shè)計時其基本組合起控制作用,根據(jù)混凝土橫截面抗彎承載力計算軌道板及底座配筋,有

式中,正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)裂縫寬度檢算需滿足w

軌道板及底座的配筋設(shè)計取承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限兩者中的較大者,并遵循上下兩層對稱布筋原則,同時滿足最小配筋率的要求,軌道板及底座配筋見表8。

表8 軌道板及底座配筋計算結(jié)果 mm

4 結(jié)論

針對重載鐵路運煤專線筒倉下有砟軌道道床臟污、板結(jié)、彈性差等病害,結(jié)合運煤線作業(yè)繁重、天窗時間短等特點,為了徹底解決有砟軌道病害,研究一種可快速修復(fù)的軌道結(jié)構(gòu),得出以下結(jié)論。

(1)采用換填墊層法對軌道下部基礎(chǔ)進(jìn)行處理,換填料采用級配碎石摻水泥。

(2)運煤專線筒倉下采用預(yù)制板式無砟軌道結(jié)構(gòu)方案,可實現(xiàn)短天窗內(nèi)整治軌道病害。

(3)從經(jīng)濟(jì)性及施工便利性考慮,軌道板下建議布置3 對支墩,支墩尺寸為0.5 m×0.5 m×0.1 m。

(4)根據(jù)極限狀態(tài)法計算,軌道板縱橫向分別配置20 根?14 mm 鋼筋,底座縱橫向分別配置14 根?12 mm 鋼筋和16 根?12 mm 鋼筋,即可滿足結(jié)構(gòu)受力要求。