曾華亮 李明領(lǐng)

(1．鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142; 2．晉豫魯鐵路通道股份有限公司，山西太原 030045)

山西中南部鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選型分析

曾華亮1李明領(lǐng)2

(1．鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142; 2．晉豫魯鐵路通道股份有限公司，山西太原 030045)

對(duì)山西中南部鐵路通道的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，分析了我國(guó)客貨混運(yùn)線路現(xiàn)有的幾種無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)組成，并進(jìn)行了性能對(duì)比，提出了適應(yīng)山西中南部鐵路通道長(zhǎng)大隧邊內(nèi)的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式。

鐵路通道，隧道，無(wú)砟軌道，結(jié)構(gòu)選型

1 概述

鐵路重載運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低、節(jié)能環(huán)保而受到世界各國(guó)鐵路的廣泛重視。特別是在一些幅員遼闊、資源豐富、煤炭和礦產(chǎn)等大宗貨物運(yùn)輸占有較大比重的國(guó)家，如美國(guó)、澳大利亞、南非、瑞典、加拿大等國(guó)家的重載技術(shù)發(fā)展尤為迅速，重載運(yùn)輸已成為世界鐵路大宗貨物運(yùn)輸發(fā)展的重要趨勢(shì)。

我國(guó)在建的山西中南部鐵路通道工程為以煤炭運(yùn)輸為主的貨運(yùn)線路，預(yù)留30 t軸重重載運(yùn)輸條件。目前我國(guó)現(xiàn)有鐵路隧道內(nèi)采用的多是有砟軌道結(jié)構(gòu)。由于重載鐵路具有軸重大、運(yùn)量大的特點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)中必然使軌道結(jié)構(gòu)承受較大的荷載。由此造成軌道結(jié)構(gòu)及其部件的損壞比普通線路加快，使線路養(yǎng)護(hù)維修工作量及維修成本急劇增加。此外，隧道內(nèi)無(wú)法進(jìn)行大機(jī)養(yǎng)護(hù)作業(yè)，特別是長(zhǎng)大隧道內(nèi)，作業(yè)環(huán)境惡劣，僅靠人工養(yǎng)護(hù)難以滿足基本養(yǎng)護(hù)需求，形成了軌道狀態(tài)的惡化與養(yǎng)護(hù)工作不到位的惡性循環(huán)，對(duì)正常運(yùn)輸組織造成不利影響?；谝陨弦蛩兀竟こ涕L(zhǎng)大隧道內(nèi)考慮鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。

2 工程概況

山西中南部鐵路通道自山西省呂梁市興縣的瓦塘站引出，向南經(jīng)臨縣、柳林、蒲縣，折向東經(jīng)洪洞、長(zhǎng)治，跨京廣線后引入湯陰東站，利用既有湯臺(tái)鐵路并增建第二線至臺(tái)前，再北跨京九線后向南跨越黃河，經(jīng)泰安、萊蕪、沂源、沂水、巨峰南至日照南站，線路全長(zhǎng)1 260 km(山西省、河南省、山東省境內(nèi)分別為579 km，255 km，426 km)，其中新建線路1 089 km，利用既有線增建第二線171 km。全線共有171座隧道，隧道總長(zhǎng)度358 km，其中擬鋪設(shè)無(wú)砟軌道的隧道共14座，計(jì)164．108雙線千米，占隧道總長(zhǎng)度的 45．8%。

3 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選型分析

1)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)基本組成及技術(shù)特點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)重載鐵路無(wú)砟軌道的工程實(shí)踐，我國(guó)前期客貨混運(yùn)線路隧道內(nèi)采用的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要有雙塊式、長(zhǎng)枕埋入式和彈性支承塊式。

a．雙塊式無(wú)砟軌道。隧道內(nèi)雙塊式無(wú)砟軌道主要由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕等部分組成，軌枕為工廠預(yù)制，施工時(shí)將軌枕組裝成軌排，以現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土方式將軌枕澆入鋼筋混凝土道床內(nèi)。結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖1。

雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單;預(yù)制軌枕生產(chǎn)工藝?yán)谡莆?，已具備成套生產(chǎn)設(shè)備且運(yùn)輸?shù)跹b方便;經(jīng)濟(jì)性較好。其主要存在不足為：道床板與軌枕新老混凝土結(jié)合面易產(chǎn)生裂紋，裂紋控制較困難;工具軌施工，施工質(zhì)量受工具軌、扣件等因素影響。

圖1 雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

b．長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道。長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)組成主要包括：混凝土道床板、穿孔軌枕及配套扣件。長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道采用預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)軌枕，澆入鋼筋混凝土道床中，為了保證軌枕與道床的連接，在軌枕上設(shè)5個(gè)橫向預(yù)留孔，使道床上層縱向鋼筋穿過(guò)，增強(qiáng)其整體性。橫斷面如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、整體性好、軌距保持能力強(qiáng);經(jīng)濟(jì)性好;道床混凝土灌注成型，均為常規(guī)施工工藝，利于掌握;軌枕制造、運(yùn)輸?shù)跹b方便。其主要存在的不足為：新老混凝土結(jié)合面積較大，裂紋控制較困難;預(yù)制軌枕的自重較大，相比雙塊式無(wú)砟軌道，運(yùn)輸、組裝鋪設(shè)難度較大。

c．彈性支承塊式無(wú)砟軌道。隧道內(nèi)彈性支承塊式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)組成主要包括：混凝土道床板、彈性支承塊(混凝土支承塊、橡膠靴套、塊下膠墊)及配套扣件。

彈性支承塊式無(wú)砟軌道是在雙塊式軌枕(或兩個(gè)獨(dú)立支承塊)的下部及周圍設(shè)橡膠或其他彈性復(fù)合材料套靴，軌枕塊底部與套靴間設(shè)橡膠彈性墊層，套靴周圍灌注混凝土而成型的一種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)圖3)。

圖3 彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)為：軌道結(jié)構(gòu)彈性好;施工工藝簡(jiǎn)單;結(jié)構(gòu)可修復(fù)性能較好;預(yù)制件吊裝方便。其主要存在的不足有：套靴防水、防塵性能差;結(jié)構(gòu)中彈性元件耐久性問(wèn)題;軌道幾何形位的保持能力相對(duì)較弱。

2)無(wú)砟軌道性能對(duì)比分析。

根據(jù)前述無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)特點(diǎn)的分析，結(jié)合本線的實(shí)際工程特點(diǎn)，對(duì)各種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合對(duì)比，如表1所示。

表1 重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道選型對(duì)比分析

通過(guò)綜合對(duì)比可以看出各種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)均具有良好的安全可靠性，通過(guò)完善和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均可適用于重載鐵路的運(yùn)營(yíng)條件。但針對(duì)本線運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道應(yīng)在安全可靠性滿足要求的前提下，側(cè)重于可修復(fù)性、低動(dòng)力特性以及良好的耐久性等進(jìn)行結(jié)構(gòu)的選型分析。

1)雙塊式和長(zhǎng)枕埋入式。

兩種軌道結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)澆枕式整體道床結(jié)構(gòu)，彈性主要由扣件系統(tǒng)提供?？紤]重載運(yùn)營(yíng)條件的扣件結(jié)構(gòu)保持軌距的安全性和彈性墊層的疲勞耐久性，扣件彈性墊層的剛度不可能太低，軌道整體剛度較大，列車沖擊荷載將會(huì)加劇，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)整體性和耐久性產(chǎn)生不利影響。此外，軌枕(長(zhǎng)枕)和道床板新老混凝土結(jié)合面易產(chǎn)生裂紋，其受力特性需要開(kāi)展進(jìn)一步的理論分析和試驗(yàn)對(duì)比研究。

目前我國(guó)客貨混運(yùn)線路中，雙塊式和長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道尚無(wú)大面積使用經(jīng)驗(yàn)，軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期適應(yīng)性尚缺乏運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。據(jù)相關(guān)資料顯示，遂渝線綜合試驗(yàn)段二巖隧道(987 m)和木魚山隧道(569 m)鋪設(shè)了雙塊式軌道，2011年7月才開(kāi)始通行貨車，軌道結(jié)構(gòu)不同程度出現(xiàn)軌枕松動(dòng)和道床板產(chǎn)生裂紋等病害;渝懷線魚嘴二號(hào)隧道(710 m)鋪設(shè)了長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道，2005年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，自2011年4月起出現(xiàn)了整體道床下沉、軌枕松動(dòng)冒漿嚴(yán)重、線路幾何尺寸變化大等病害。

此外，兩種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生病害后維修困難。

2)彈性支承塊式。

彈性支承塊式無(wú)砟軌道通過(guò)在混凝土支承塊下和軌下橡膠墊板設(shè)置彈性墊層，其軌道整體彈性較好，有利于降低重載運(yùn)輸條件下的輪軌相互作用力，改善軌道結(jié)構(gòu)的受力環(huán)境。

根據(jù)相關(guān)資料顯示，彈性支承塊已成功應(yīng)用于西康線秦嶺隧道和蘭武二線烏鞘嶺隧道等客貨混運(yùn)線路，累計(jì)已鋪設(shè)300余鋪軌公里，其中秦嶺隧道和烏鞘嶺隧道已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)近10年，在隧道基底穩(wěn)固地段，彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)整體良好。

此外，相比雙塊式而言，混凝土支承塊破損、隧道發(fā)生局部病害后，可修復(fù)性更好。

4 初步結(jié)論

彈性支承塊式無(wú)砟軌道綜合性能良好，且在我國(guó)客貨混運(yùn)線路隧道內(nèi)有一定規(guī)模的工程應(yīng)用，在施工和養(yǎng)護(hù)維修方面已積累了較多經(jīng)驗(yàn)，是一種較為成熟的結(jié)構(gòu)形式。此外相對(duì)剛性道床而言，混凝土支承塊破損、隧道發(fā)生局部病害后具有一定的可維修性。

雙塊式無(wú)砟軌道僅靠扣件提供彈性，軌道整體剛度相對(duì)較大，導(dǎo)致重載列車沖擊荷載加劇，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)整體性和耐久性產(chǎn)生不利影響，軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期適應(yīng)性尚缺乏運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。另外雙塊式軌枕和現(xiàn)澆混凝土結(jié)合面是雙塊式無(wú)砟軌道薄弱環(huán)節(jié)，軌枕和道床板新老混凝土結(jié)合面的受力特性需要進(jìn)一步理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

綜合以上分析，本線長(zhǎng)大隧道內(nèi)宜鋪設(shè)彈性支承塊式無(wú)砟軌道，同時(shí)考慮重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)科研研究，個(gè)別地段可鋪設(shè)雙塊式無(wú)砟軌道作為試驗(yàn)工點(diǎn)。

5 需深入研究的問(wèn)題

1)本線預(yù)留30 t軸重重載運(yùn)輸條件，無(wú)論采用哪種軌道結(jié)構(gòu)形式，均需要重新開(kāi)發(fā)配套的扣件系統(tǒng)。

2)我國(guó)目前尚無(wú)重載鐵路無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)和工程經(jīng)驗(yàn)，本線無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)需要進(jìn)一步研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

［1］李 宏．國(guó)外重載鐵路綜述［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2000(4)：32-34．

［2］楊德修．重載鐵路運(yùn)輸軌道結(jié)構(gòu)面臨的主要問(wèn)題及強(qiáng)化措施［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(12)：10-12．

［3］鄧彥成．鐵路隧道常見(jiàn)病害原因及防治［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(29)：61．

［4］張大偉．大秦線重點(diǎn)病害調(diào)查情況及建議［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2002(4)：32-34．

［5］常衛(wèi)華．重載鐵路力學(xué)特性與選型設(shè)計(jì)研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2009．

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［7］成紹路．淺談鐵路CRTSⅠ雙塊式無(wú)砟軌道軌枕預(yù)制［J］．企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2009(11)：62-63．

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［9］王建華．鐵路隧道彈性支承塊式整體道床施工技術(shù)［J］．建筑，2007(10)：10-12．

Analysis on ballastless track structure lectotype of central south railway in Shanxi province

ZENG Hua-liang1LI Ming-ling2

(1．Railway 3rd Survey and Design Institute Group Co．，Ltd，Tianjin 300142，China; 2．Jin-Yu-Lu Railway Channel Co．，Ltd，Taiyuan 030045，China)

The paper describes the features of central south railway channel in Shanxi province，analyzes several ballastless track structure composition of domestic passenger-goods transportation railway line，carries out performance comparison，and finally points out ballastless track structure in the tunnel which is fitting for central south railway channel．

railway channel，tunnel，ballasstless track，structural lectotype

U459．1

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.032

1009-6825(2013)10-0122-02

2013-01-14

曾華亮(1980-)，男，工程師; 李明領(lǐng)(1968-)，男，高級(jí)工程師