楊靖東

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

嚴寒地區(qū)高速鐵路路基地段無砟軌道設計

楊靖東

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

嚴寒地區(qū)鋪設無砟軌道面臨極端氣溫低、年溫差大、季節(jié)性凍害和雪害等不利條件。本文結合環(huán)境氣候特點和工程特征，通過軌道結構選型研究、無砟軌道試驗段鋪設試驗、軌道結構優(yōu)化設計，提出了適應嚴寒地區(qū)路基地段無砟軌道的結構形式、設計方案及關鍵材料的技術指標。

嚴寒地區(qū) 高速鐵路 無砟軌道 設計

1 工程概況

哈大客運專線沈陽至哈爾濱段為我國在嚴寒地區(qū)修建的首條高速鐵路，設計最高速度350 km/h。哈大客專正線一次鋪設跨區(qū)間無縫線路，正線鋪設無砟軌道長929.892 km，區(qū)間鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道，道岔區(qū)鋪設軌枕埋入式及雙塊式無砟軌道。

本地區(qū)冬季漫長，極端最低溫度為 －32.9℃ ～－39.9℃，最冷月平均氣溫為－15.1℃ ～－17.5℃，軌溫變化幅度90℃ ～100℃。季節(jié)最大凍土深度1.37～2.05 m，最大積雪厚度17～30 cm，屬于嚴寒地區(qū)。

2 嚴寒地區(qū)無砟軌道結構設計的難點

1)無砟軌道結構、關鍵材料和部件，如瀝青水泥砂漿調(diào)整層、軌道板、凸臺樹脂、嵌縫材料等，如何適應－40℃的低溫條件是無砟軌道設計的關鍵。

2)高速鐵路對基礎的沉降要求較高，無砟軌道地段路基工后沉降≤15 mm。嚴寒地區(qū)路基經(jīng)受周期性的凍融循環(huán)破壞，易引起路基凍漲、軌道變形的控制因素多，軌道結構應適應高鐵路基的防凍要求。

3)高速道岔結構復雜，部件較多，對基礎的變形和受力要求較高，國內(nèi)高鐵路基上道岔區(qū)無砟軌道通常采用整體性好的連續(xù)結構，但在嚴寒地區(qū)混凝土道床裂縫控制難度大。冬季道床積雪凍害嚴重，裂縫更容易產(chǎn)生和發(fā)展，裂縫滲水凍脹或鋼筋銹蝕后會加速裂縫的擴展，影響混凝土道床板的耐久性。

3 路基地段無砟軌道結構研究及設計

3.1 無砟軌道結構選擇

結合嚴寒地區(qū)環(huán)境氣候和工程特點，主要對雙塊式、Ⅰ型板式、Ⅱ型板式無砟軌道進行綜合比選。

1)可修復性

本地區(qū)冬季漫長，最大積雪厚度30 cm，季節(jié)性凍害和雪害嚴重，特殊氣象條件、線下工程變形超限等引起結構損壞時，無砟軌道應有較強的可修復性。

2)良好的彈性

無砟軌道的彈性主要靠扣件提供，只有相配套的扣件具備有良好的彈性，才能減少沖擊振動，減少輪軌磨耗，改善基礎的受力條件，確保線路的高平順性和剛度均勻性。Ⅰ型板式軌道采用低彈模的瀝青水泥砂漿，結構整體彈性較好。

3)合理的經(jīng)濟性

無砟軌道的經(jīng)濟性表現(xiàn)為初期投資和養(yǎng)護維修費用。據(jù)估算，雙塊式無砟軌道每公里初期投資約420萬元，Ⅰ型板式無砟軌道每公里初期投資約520萬元，Ⅱ型板式無砟軌道每公里初期投資約590萬元。Ⅰ型板式軌道初期投資適中，且便于維修，對運營影響小，綜合效益較好。

4)推薦意見

從環(huán)境氣候、基礎條件、施工、可修復性以及經(jīng)濟性等方面綜合分析，Ⅰ型板式軌道板為工廠預制的預應力結構，結構抗裂性好，耐久性高;現(xiàn)場為組裝式施工，受環(huán)境氣候影響小，施工質(zhì)量和過程容易控制，施工進度較快;基礎發(fā)生較大變形時，可通過板下瀝青砂漿層方便調(diào)整，軌道可修復性較強;軌道初期投資適中。經(jīng)綜合比較，Ⅰ型板式無砟軌道對寒冷氣候條件的適應性強。

3.2 CRTSⅠ型板式無砟軌道設計

哈大客運專線沈哈段為國內(nèi)外首次在嚴寒地區(qū)鋪設的CRTSⅠ型板式無砟軌道。通過軌道關鍵技術的試驗研究，對軌道結構進行了優(yōu)化設計。

3.2.1 軌道板

軌道板為軌道結構的主要受力部件，一般地區(qū)采用的軌道板為厚190 mm后張法預應力混凝土平板結構，預應力鋼筋斷裂及封錨砂漿脫落幾率高。本項目通過先張法及后張法2種預應力體系軌道板的試鋪試驗，確定了合理的軌道板類型及可靠的預應力體系，優(yōu)化了軌道板的結構尺寸及細部構造。改進后的軌道板厚200 mm，設置高2 cm承軌臺，提高了結構耐久性及防冰雪能力，便于軌道維修和鋼軌焊接，減小對軌道電路的影響;通過采用熱擠塑預應力鋼棒，優(yōu)化錨穴結構，改進封錨砂漿材料及施工工藝，提高了軌道板預應力體系的可靠性。

3.2.2 瀝青水泥砂漿調(diào)整層

瀝青水泥砂漿為板式軌道的關鍵部件，為軌道板與底座間的調(diào)整層，起支承、傳力及調(diào)整作用。瀝青水泥砂漿調(diào)整層主要由瀝青、砂漿干粉、外加劑及水組成，材料性能對氣候條件較為敏感，可移植性差。

本項目結合國內(nèi)的原材料標準，對瀝青水泥砂漿調(diào)整層進行了系統(tǒng)研究。通過在成高子無砟軌道試驗段對5種砂漿調(diào)整層進行的試鋪試驗研究，驗證了軌道關鍵材料對嚴寒氣候條件的適應性，提出了針對嚴寒地區(qū)的瀝青水泥砂漿的技術指標，主要包括低溫抗裂性、低溫折壓比、低溫彈性模量及抗疲勞性能指標，詳見表1。研制的耐寒型瀝青水泥砂漿適應－40℃的低溫條件，環(huán)境適應性強，耐久性高。

表1 嚴寒地區(qū)瀝青水泥砂漿技術指標

3.2.3 底座

一般地區(qū)CRTSⅠ型板式無砟軌道路基上底座長度約20 m，但嚴寒地區(qū)低溫條件下混凝土底座裂縫很難控制，容易引起凸臺樹脂與軌道板離縫。本項目提出路基上底座每隔10 m設置伸縮縫，在伸縮逢處設置傳力桿的措施，不僅減少了底座裂縫，保證了底座混凝土的穩(wěn)定性和耐久性，而且避免了底座伸縮縫開裂和凸臺樹脂與軌道板離縫。

3.2.4 軌道線間排水

一般地區(qū)路基上無砟軌道排水采用在線間設置集水井及路基本體埋設排水管的排水方式，不僅影響路基本體穩(wěn)定，且在嚴寒地區(qū)容易引起路基凍害。嚴寒地區(qū)采用混凝土底座預埋橫向排水管的排水方式，避免了路基凍脹的風險。

直線地段每隔30 m在兩線軌道底座各預埋一道排水鋼管(圖1)，將水引入路基兩側(cè)路基面;曲線地段每隔15 m在曲線內(nèi)側(cè)軌道底座預埋一道排水鋼管，將水引入曲線內(nèi)側(cè)路基面，排水管下游位置設置擋水墻。

圖1 CRTSⅠ型板式軌道排水設施

3.2.5 路基面封閉

由于本地區(qū)沿線冬季漫長、季節(jié)性凍害較為嚴重，地表水下滲對路基凍漲影響較大，故在軌道線間及兩側(cè)路基面采用C25纖維混凝土封閉。

但因路基面混凝土封閉層縱橫向伸縮縫、無砟軌道道床與底座接縫以及軌道與混凝土封閉層間接縫封閉不嚴，仍容易引起地表水下滲。加之路基面混凝土接縫通常采用的瀝青嵌縫材料冬縮夏軟，低溫季節(jié)容易與混凝土基面脫離并產(chǎn)生微小縫隙。

為了滿足寒冷地區(qū)路基面接縫嵌縫材料較高的防水封閉要求，適應極端最低氣溫低、溫差大的特殊條件，提出了針對嚴寒地區(qū)在－40℃低溫條件下拉伸黏結性、斷裂延伸率及彈性回復率技術指標;采用新型聚氨酯嵌縫材料不僅具備良好的耐候、耐久性，溫度穩(wěn)定性、位移能力及耐疲勞性能，而且具有較好的黏結性及延展性，對基層裂縫的變形適應性好，確保了接縫防水封閉效果較好。

3.3 大號碼道岔區(qū)無砟軌道

大號碼高速道岔結構復雜，部件較多，構件長、質(zhì)量重，對基礎的變形和受力要求較高，國內(nèi)高鐵路基上道岔區(qū)無砟軌道通常采用整體性好的連續(xù)結構，但在嚴寒地區(qū)混凝土道床裂縫控制難度大。

長春西站鋪設的2組62號單渡線道岔，為國內(nèi)首次鋪設的最大號碼道岔，側(cè)向通過速度為230 km/h，單組道岔長201 m，單渡線道岔道床長約660 m，最大寬度為8.8 m。

針對嚴寒地區(qū)特大號碼道岔特點，路基上道岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道采用單元結構(圖2)，通過合理設置道床及底座單元、伸縮縫減少溫度應力，控制結構裂縫;通過在伸縮縫處設置傳力桿控制結構豎向位移、提高結構整體性，該結構較好地解決了嚴寒地區(qū)大號碼道岔區(qū)長大混凝土道床裂縫控制問題，保證了高速道岔運行平穩(wěn)舒適、安全可靠。道床單元劃分應根據(jù)當?shù)啬隃夭罴暗啦斫Y構組成確定，伸縮縫應避免在轍叉及尖軌轉(zhuǎn)轍機部位，一般地段單元長度≤12 m，轍叉及尖軌部分單元長度≤18 m。

圖2 道岔區(qū)單元結構伸縮縫(單位:mm)

4 結語

嚴寒地區(qū)路基地段無砟軌道設計應綜合考慮環(huán)境氣候特點及路基工程特征，無砟軌道結構、關鍵材料和部件不僅要適應環(huán)境氣候條件，同時應滿足高鐵路基變形要求。主要包括以下幾點:

1)瀝青水泥砂漿調(diào)整層、凸臺樹脂、嵌縫材料及混凝土是無砟軌道結構的關鍵材料和部件，其性能指標應適應嚴寒地區(qū)低溫環(huán)境。

2)嚴寒地區(qū)冬季漫長，極端氣溫低，年溫差大，混凝土結構裂縫控制難度較大。為了減少溫度應力，提高結構耐久性，無砟軌道宜采用單元結構，預制軌道板宜采用預應力結構，現(xiàn)澆混凝土道床及底座應合理劃分單元長度，設置伸縮縫。

3)嚴寒地區(qū)季節(jié)性凍害和雪害嚴重，受周期性的凍融循環(huán)影響，易引起路基凍漲，無砟軌道結構及防排水措施應滿足高鐵路基的防凍要求。

［1］何華武．無碴軌道技術［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［2］趙國堂．高速鐵路無碴軌道結構［M］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［3］楊洪生．高寒地區(qū)路基土凍脹影響因素研究［J］．黑龍江交通科技，2012(2):52-53．

［4］楊適綜．嚴寒地區(qū) CA砂漿的性能要求和防凍措施［J］．鐵道建筑，2010(6):178-180．

［5］劉振民，錢振地，張雷．雙塊式無砟軌道道床板混凝土裂縫的分析與防治［J］．鐵道建筑，2007(6):99-101．

［6］朱海城．嚴寒地區(qū)客運專線CRTSⅠ型軌道板預制質(zhì)量控制［J］．鐵道建筑，2012(5):153-157．

［7］蔣小萍，方良斌．聚氨酯砂漿在西營專用輸水渠伸縮縫中的應用［J］．甘肅水利水電技術，2012(9):51-52．

Design on ballastless track in subgrade section on high speed railway in frigid region

YANG Jingdong

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Laying ballastless track in frigid region often meets adverse conditions，such as extreme low temperature，huge annual temperature difference，seasonal frost and snow disaster．Combining with the environment and climate characteristics and engineering features，this paper presented the technical index for structure form，design scheme and key materials which adapt to the ballastless track in the subgrade section of frigid region through rail structure selection study，ballastless track laying test and track structure optimization design．

Frigid region;High speed railway;Ballastless track;Design

U213．2+44

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．24

1003-1995(2014)10-0096-03

2014-06-06;

2014-08-20

楊靖東(1973— )，男，甘肅靖遠人，高級工程師。

(責任審編 孟慶伶)