張光明 馬驍 姚力 龐玲 蘇乾坤 楊榮山

（1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》提出建設(shè)以“八縱八橫”主通道為骨架，區(qū)域連接線連接、城際鐵路補(bǔ)充的高速鐵路網(wǎng)［1］。在新規(guī)劃中有大量穿越復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的鐵路，由于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，且受施工質(zhì)量、下部基礎(chǔ)變形和隧道滲水等不利因素的影響，隧道線下基礎(chǔ)變形病害較為嚴(yán)重［2］。云頂隧道、滬昆高速王家山隧道和滬昆線光照隧道等諸多山區(qū)隧道均出現(xiàn)了較大程度的上拱變形病害，嚴(yán)重影響行車的安全性和舒適性。

為解決隧道基礎(chǔ)上拱變形病害，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)［3-6］研究發(fā)現(xiàn)地下水是引起隧道仰拱上拱的主要因素；文獻(xiàn)［5］通過注漿加固及打設(shè)錨桿的控制措施抑制高水壓導(dǎo)致的仰拱隆起；文獻(xiàn)［7］通過增設(shè)排水管提高排水能力，進(jìn)而整治New Yungchuen 隧道仰拱隆起病害；文獻(xiàn)［8］通過對仰拱破挖返工，采用強(qiáng)度更高的鋼筋混凝土來整治仰拱隆起；文獻(xiàn)［9-10］通過仰拱換填和增設(shè)錨桿以整治仰拱變形病害；文獻(xiàn)［11］通過增大仰拱曲率來降低圍巖強(qiáng)度劣化引起的底部結(jié)構(gòu)隆起。總的來說，現(xiàn)有隧道基礎(chǔ)上拱變形病害整治主要有扣件調(diào)整、道床調(diào)整和仰拱調(diào)整三種方法，但其整治難度大、投入費(fèi)用高；同時(shí)現(xiàn)有整治方法主要是降低軌下基礎(chǔ)變形，是一種整治效率低的被動適應(yīng)方法，因此有必要研究出一種能主動適應(yīng)軌下基礎(chǔ)變形的高度可調(diào)無砟軌道。

針對復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)隧道線下基礎(chǔ)變形病害整治難度大，且現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)垂向調(diào)整量小的問題，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出垂向調(diào)高系統(tǒng)由調(diào)高扣件+高承軌臺結(jié)構(gòu)+板下CA 砂漿灌漿袋組成的高承軌臺框架板式無砟軌道，并對其進(jìn)行力學(xué)性能分析。

1 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的大調(diào)整量，方便施工及維修吊裝，且便于快速拆除與重建，該新型大調(diào)整量高承軌臺框架板式無砟軌道幾何尺寸如圖1所示。

圖1 高承軌臺框架板式無砟軌道幾何尺寸（單位：mm）

結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)：框架板長3200 mm，寬2500 mm，厚200 mm；板下調(diào)整層采用70 mm 厚的CA 砂漿灌漿袋；底座板寬3100 mm，厚200 mm。凸形擋臺長650 mm，寬400 mm，且比框架板低20 mm；凸形擋臺與框架板間設(shè)置50 mm 厚的環(huán)氧樹脂。相比于其他無砟軌道，該型無砟軌道的承軌臺比普通承軌臺高出50 mm。考慮打磨承軌臺是該型無砟軌道的主要調(diào)高手段之一，因此該型無砟軌道承軌臺打磨厚度內(nèi)不配筋，并保證打磨50 mm后的保護(hù)層厚度仍滿足要求。

當(dāng)線下基礎(chǔ)在地下水等因素影響下發(fā)生上拱變形時(shí)，首先使用扣件調(diào)整，當(dāng)扣件調(diào)高不足以抵消變形時(shí)，對高承軌臺上表面按技術(shù)要求進(jìn)行打磨，降低承軌臺高度；當(dāng)兩者調(diào)整量均不滿足時(shí)，對板下?lián)Q填更薄的CA 砂漿灌漿袋。通過扣件、承軌臺和CA 砂漿三者的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)垂向的高調(diào)整量。該型無砟軌道可適用于軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生極大上拱病害地段。

2 軌道結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

2.1 模型建立

利用有限元軟件建立高承軌臺框架板式無砟軌道靜力學(xué)計(jì)算模型，對軌道結(jié)構(gòu)各部件的力學(xué)性能進(jìn)行分析，如圖2所示。鋼軌采用梁單元模擬，扣件線性彈簧單元模擬，高承臺框架板、CA 砂漿灌漿袋、底座板和凸形擋臺采用實(shí)體單元模擬；同時(shí)由于板下所用CA 砂漿為袋裝結(jié)構(gòu)，故框架板與CA 砂漿灌漿袋、CA砂漿灌漿袋與底座板和CA 砂漿灌漿袋與環(huán)氧樹脂之間采用接觸單元模擬。為消除邊界效應(yīng)，模型選取三塊框架板進(jìn)行計(jì)算并以中間框架板作為研究對象，共計(jì)153790個(gè)單元。

圖2 高承軌臺框架板式無砟軌道靜力學(xué)計(jì)算模型

2.2 參數(shù)及荷載取值

扣件垂向剛度取50 kN/m［12］，縱向剛度取15 kN/mm，橫向剛度取40 kN/mm［13］；框架板采用C55 混凝土，底座板采用C40混凝土；CA 砂及環(huán)氧樹脂的彈性模量和泊松比參考文獻(xiàn)［14］；框架板與CA砂漿灌漿袋間的摩擦系數(shù)取0.55［15］；隧道內(nèi)地基系數(shù)取1200 MPa/m［16］。模型里所涉及的其余相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 高承軌臺框架板式無砟軌道計(jì)算參數(shù)

參照文獻(xiàn)［17］列車豎向荷載取為靜輪載（17 t 軸重）的2.5 倍，即雙輪載取455 kN；橫向力大小為靜輪載的80%，即136 kN；縱向力考慮制動力，取值為9.8 MPa，即75.901 kN［18］。文獻(xiàn)［19］表明CA 砂漿抗壓強(qiáng)度為1.8 MPa。

2.3 CA砂漿厚度的影響

為實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)垂向的大調(diào)整量，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生較大上拱變形時(shí)，通過高承軌臺和板下CA 砂漿灌漿袋進(jìn)行調(diào)整。承軌臺和CA 砂漿為主要的調(diào)高部件，其中CA 砂漿為袋裝獨(dú)立結(jié)構(gòu)，且其厚度變化較大，故首先分析CA砂漿厚度的影響。取板下調(diào)整量為-50 ～50 mm，即CA砂漿灌漿袋厚度為20 ～120 mm。

鋼軌位移、框架板橫梁處拉應(yīng)力、CA 砂漿壓應(yīng)力及底座板拉應(yīng)力見圖3。

圖3 高承軌臺框架板式無砟軌道鋼軌位移及軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由圖3 可知：鋼軌橫向、垂向位移與CA 砂漿厚度成正相關(guān)，當(dāng)CA 砂漿厚度為120 mm 時(shí)，橫向最大位移為2.413 mm，垂向最大位移為2.113 mm；框架板橫梁拉應(yīng)力和底座板拉應(yīng)力整體上呈現(xiàn)增長的趨勢，也出現(xiàn)了一定的波動，但整體上應(yīng)力變化在0.5 MPa 以內(nèi)，CA 砂漿壓應(yīng)力與調(diào)整層厚度成正相關(guān)，框架板橫梁最大拉應(yīng)力為3.240 MPa，底座板最大拉應(yīng)力為0.505 MPa，CA 砂漿最大壓應(yīng)力為0.032 MPa。根據(jù)不同部件的應(yīng)力對比可以看出框架板橫梁處是該型無砟軌道的薄弱處。

綜上，換填不同厚度的板下CA 砂漿灌漿袋對軌道結(jié)構(gòu)受力和鋼軌位移無較大影響，即說明該方案可實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)調(diào)整-50 ～50 mm的方案可行。

2.4 CA砂漿彈性模量的影響

文獻(xiàn)［20］中規(guī)定客運(yùn)專線所用CA 砂漿彈性模量需處于100 ～300 MPa，為確定板下調(diào)整層材料性能要求，取CA 砂漿彈性模量為100 ～300 MPa 進(jìn)行研究。前述研究表明，當(dāng)CA 砂漿厚度為120 mm 時(shí)，高承軌臺框架板式無砟軌道鋼軌位移和CA 砂漿壓應(yīng)力均達(dá)到最不利值；同時(shí)考慮到CA 砂漿厚度取最小時(shí)，即20 mm，此時(shí)厚度相對較薄，為保證結(jié)構(gòu)安全性，分析彈性模量的影響時(shí)分別考慮CA 砂漿厚度為20，120 mm，研究CA砂漿材料的性能要求。

不同CA 砂漿厚度時(shí)高承軌臺框架板式無砟軌道鋼軌位移、框架板橫梁處拉應(yīng)力、CA 砂漿壓應(yīng)力及底座板拉應(yīng)力見圖4和圖5。

圖4 不同CA砂漿厚度時(shí)鋼軌位移

圖5 不同CA砂漿厚度時(shí)軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由圖4和圖5可知：CA砂漿厚度為20，120 mm時(shí)，鋼軌位移、框架板橫梁拉應(yīng)力與CA 砂漿彈性模量成負(fù)相關(guān)，CA 砂漿壓應(yīng)力無較大變化。高速鐵路須保證列車的高速運(yùn)行，因此鋼軌位移須較小，結(jié)合不同CA 砂漿厚度隨調(diào)整層彈性模量變化時(shí)的鋼軌位移曲線，建議取CA砂漿彈性模量為200 ～300 MPa。

2.5 承軌臺高度的影響

前述研究表明彈性模量越低，鋼軌位移越大；同時(shí)CA 砂漿壓應(yīng)力隨著其彈性模量的增加無較大變化，故為考慮最不利情況，本節(jié)研究時(shí)取CA 砂漿彈性模量為200 MPa。相較于一般的無砟軌道，為實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的大調(diào)整量，高承軌臺框架板式無砟軌道承軌臺比普通承軌臺高50 mm。取高承軌臺超高為0 ～50 mm。

不同承軌臺高度時(shí)鋼軌位移、框架板橫梁處拉應(yīng)力、CA砂漿壓應(yīng)力及底座板拉應(yīng)力見圖6。

由圖6 可知：鋼軌位移、框架板橫梁處拉應(yīng)力、CA砂漿壓應(yīng)力及底座板拉應(yīng)力均無較大變化，其中鋼軌橫向、垂向位移分別在2.43，2.12 mm 附近波動；底座板拉應(yīng)力處于0.5 MPa附近。說明承軌臺高度對軌道結(jié)構(gòu)受力和鋼軌位移影響較小，僅需在設(shè)計(jì)時(shí)保證承軌臺打磨至最低面后仍有足夠的保護(hù)層厚度。

圖6 不同高承軌臺超高時(shí)鋼軌位移及軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

2.6 框架板中部空洞尺寸的影響

前文研究表明板下CA 砂漿越厚，鋼軌位移越大；同時(shí)CA 砂漿層壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［19］中的抗壓強(qiáng)度1.8 MPa，說明鋼軌位移受調(diào)整層厚度的影響較大，而CA 砂漿壓應(yīng)力受其影響較小。同時(shí)，CA 砂漿彈性模量越小，鋼軌位移越大。故本節(jié)取CA 砂漿彈性模量為200 MPa，CA 砂漿厚度為120 mm 進(jìn)行分析。且前述計(jì)算表明框架板式無砟軌道中的框架板橫梁處為其薄弱環(huán)節(jié)，若框架板橫梁寬度過小，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性被破壞，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為確定合適的橫梁寬度，取不同的框架板中部空洞尺寸，分析框架板中部空洞尺寸對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響。

取框架板中部空洞長為1000 ～2200 mm，高承軌臺框架板式無砟軌道鋼軌垂橫向位移、框架板橫梁處拉應(yīng)力、CA砂漿壓應(yīng)力及底座板拉應(yīng)力見圖7。

圖7 不同空洞長度時(shí)鋼軌位移及軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由圖7 可知：鋼軌垂向位移、CA 砂漿壓應(yīng)力和底座板拉應(yīng)力無較大變化；隨著空洞長度的增加，鋼軌橫向位移和框架板橫梁拉應(yīng)力均不斷增加，分析原因?yàn)殡S著空洞長度的增加，框架板重量減小，且與CA 砂漿的接觸面積減小，導(dǎo)致框架板橫向穩(wěn)定性減弱；同時(shí)可以看出當(dāng)空洞長度從2000 mm 增加到2200 mm時(shí)，框架板拉應(yīng)力出現(xiàn)了較大幅度的增加。因此從經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)整體性考慮，建議取空洞長度2000 mm。

3 軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析

前述從靜力學(xué)角度明確了軌道結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)取值，本節(jié)建立了車輛-高承軌臺框架板式無砟軌道耦合動力學(xué)模型驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的動力學(xué)指標(biāo)，見圖8。軌道高低不平順采用德國低干擾不平順譜。

圖8 車輛-高承軌臺框架板式無砟軌道耦合動力學(xué)模型

根據(jù)文獻(xiàn)［20］采用脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、車體振動加速度和Sperling 舒適度來評價(jià)車輛-高承軌臺框架板式無砟軌道的動力學(xué)性能。列車以時(shí)速300，350 km 在高承軌臺框架板式無砟軌道上運(yùn)行時(shí)的安全性和平順性指標(biāo)峰值見表2。

表2 高承軌臺板式無砟軌道安全平順性指標(biāo)峰值

由表2可知：隨著列車時(shí)速的增加，車體振動加速度、輪軌橫向力、輪重減載率和脫軌系數(shù)峰值不斷增加，但均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，且其Sperling 舒適度均屬于優(yōu)秀。說明當(dāng)列車以時(shí)速350 km 運(yùn)行在高承軌臺框架板式無砟軌道上時(shí)其安全性和平順性均能滿足。

4 結(jié)論

1）板下CA 砂漿灌漿袋作為高承軌臺框架板式無砟軌道的主要調(diào)高部件，為保證其較高調(diào)整量下軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，建議CA 砂漿彈性模量取200 ～300 MPa。

2）該型無砟軌道的框架板橫梁處為其薄弱環(huán)節(jié)，若框架板橫梁寬度過小，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性被破壞，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此從經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)整體性方面考慮取空洞長度2000 mm。

3）通過車輛-高承軌臺框架板式無砟軌道耦合動力學(xué)模型驗(yàn)證了列車在該型軌道上的運(yùn)行性能，結(jié)果表明，當(dāng)列車高速運(yùn)行在高承軌臺框架板式無砟軌道上時(shí)其安全性和平順性均能滿足。