姚坤鋒

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600

智能建造是工程建造的發(fā)展方向，是新形勢(shì)下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)［1］。由于當(dāng)前雙塊式無(wú)砟軌道精調(diào)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，自動(dòng)化水平不高，且不同人員操作對(duì)精調(diào)數(shù)據(jù)影響較大，施工過(guò)程中質(zhì)量不可控。為實(shí)現(xiàn)雙塊式無(wú)砟軌道智能化精調(diào)，需將軌道排架軌向調(diào)整設(shè)置為單側(cè)調(diào)節(jié)，于是出現(xiàn)了嵌套式軌道排架。將軌道排架自動(dòng)精調(diào)機(jī)構(gòu)與嵌套式軌道排架的高程螺桿、軌向螺桿連接起來(lái)，能實(shí)現(xiàn)高程、軌向同時(shí)達(dá)到精調(diào)需求。本文對(duì)嵌套式軌道排架及其在鄭州—萬(wàn)州高速鐵路中的應(yīng)用進(jìn)行介紹和分析，為類似工程應(yīng)用提供參考。

1 嵌套式軌道排架

1.1 嵌套式軌道排架的組成

圖1 嵌套式軌道排架施工斷面

嵌套式軌道排架（圖1）由工具軌、托梁、高低螺桿、防護(hù)墻固定座、鎖定裝置等組成。托梁由內(nèi)外套組成，內(nèi)外套通過(guò)十字銷軸在豎向螺桿處連接，內(nèi)套可沿著外套滑動(dòng)而不影響高程［2］。嵌套式軌道排架通過(guò)軌向調(diào)節(jié)撐桿調(diào)整軌道排架中線，取消了線路中部的斜支撐，高程螺桿底部設(shè)有保護(hù)座。

1.2 嵌套式軌道排架的工作原理

嵌套式軌道排架通過(guò)托梁內(nèi)外套滑動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)軌向調(diào)整，將軌向與高程獨(dú)立調(diào)整。防護(hù)墻固定座與嵌套式托梁外套通過(guò)軌向撐拉桿牢固連接，每根工具軌與托梁內(nèi)套連接處設(shè)2個(gè)楔形夾板。楔形夾板處于軌道側(cè)面，保證軌距始終處于（1 435±0.5）mm范圍內(nèi)。施工過(guò)程中軌距若超過(guò)該范圍，可通過(guò)專用工具移動(dòng)楔形夾板，起到調(diào)整軌距的作用［3］。

采用嵌套式軌道排架施工時(shí)，通過(guò)工具軌模擬線路正線軌道的幾何形位進(jìn)行無(wú)砟道床澆筑，待混凝土達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度后，拆除軌道排架，最后統(tǒng)一鋪設(shè)正線軌道［4-5］。

1.3 嵌套式軌道排架施工流程

①在自動(dòng)分枕機(jī)上完成嵌套式軌道排架與軌枕的智能組裝，通過(guò)調(diào)節(jié)軌向調(diào)節(jié)螺桿使托梁內(nèi)外套完成對(duì)中，操作嵌套式軌道排架上的角度調(diào)節(jié)螺桿將豎向螺桿調(diào)至適當(dāng)位置。②由粗鋪機(jī)將組裝完成的嵌套式軌道排架運(yùn)送至預(yù)鋪位置，安裝防護(hù)墻固定座及配套撐拉桿。③軌排精調(diào)機(jī)上道并完成自校，全站儀自由設(shè)站后與軌排精調(diào)機(jī)進(jìn)行通訊鎖定，將軌排精調(diào)機(jī)的伺服調(diào)整器連接到嵌套式軌道排架的高低螺桿和軌向調(diào)節(jié)螺桿上，如圖2所示。④啟動(dòng)全站儀自動(dòng)測(cè)量模式和軌排精調(diào)機(jī)自動(dòng)精調(diào)模式開始測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理并傳回控制系統(tǒng)，軌排精調(diào)機(jī)控制伺服調(diào)整器精確轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿，實(shí)現(xiàn)嵌套式軌道排架的軌向和高程調(diào)整。

圖2 嵌套式軌道排架與軌排精調(diào)機(jī)待連接狀態(tài)

2 嵌套式軌道排架在鄭萬(wàn)高速鐵路無(wú)砟軌道施工中的應(yīng)用

2.1 工程概況

鄭萬(wàn)高速鐵路橋梁段無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的高度為715 mm，道床寬度為2 800 mm，道床板邊緣距防護(hù)墻距離為600 mm。無(wú)砟軌道的混凝土底座直接澆筑在橋面上，并采用預(yù)埋連接鋼筋與橋面連接?；炷恋鬃捎梅謮K式結(jié)構(gòu)，底座長(zhǎng)度與寬度跟道床板的長(zhǎng)度與寬度相同。每塊底座上設(shè)置2個(gè)抗剪凹槽。橋上曲線超高采用外軌抬高方式在混凝土底座上實(shí)現(xiàn)［6］。

鄭萬(wàn)高速鐵路隧道段無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的高度為515 mm，道床寬度為2 800 mm，道床板邊緣距水溝側(cè)墻距離為800 mm。除隧道洞口段200 m道床分塊設(shè)置外，其余地段道床板均采用連續(xù)澆筑，軌枕間距600～650 mm，一般取650 mm。

2.2 軌道排架長(zhǎng)度的確定

鐵路的曲線半徑對(duì)于軌道排架的長(zhǎng)度影響較大，曲線半徑較小時(shí)軌道排架的長(zhǎng)度受到很大限制。鄭萬(wàn)高速鐵路路基及隧道內(nèi)軌枕間距均為650 mm。為實(shí)現(xiàn)軌道排架順鋪，限定軌道排架長(zhǎng)度L=600nmm，n為軌道排架懸掛的雙塊式軌枕個(gè)數(shù)。綜合考慮曲線半徑、軌道排架組裝效率、軌道排架成本、工裝運(yùn)輸?shù)纫蛩?，n取11，L=650×11=7 150 mm。懸掛雙塊式軌枕的軌道排架如圖3所示。

鄭萬(wàn)高速鐵路橋上無(wú)砟軌道軌枕間距同路基和隧道內(nèi)略有不同。以橋梁中常見的32 m簡(jiǎn)支梁為例，兩端、中間的軌道板軌枕間距分別為624、633 mm。需根據(jù)橋梁段無(wú)砟軌道軌枕分布情況，對(duì)嵌套式軌道排架進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用（6.855+6.330+6.330+6.330+6.855）m軌道排架組合方式進(jìn)行32 m梁上無(wú)砟軌道施工，如圖4所示。

圖3 懸掛雙塊式軌枕的軌道排架（單位：mm）

圖4 32 m梁嵌套式軌道排架縱向分布（單位：m）

2.3 嵌套式軌道排架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的驗(yàn)算

嵌套式軌道排架托梁采用內(nèi)外套結(jié)構(gòu)，矩形管內(nèi)套與60 kg∕m鋼軌通過(guò)楔形夾板連接成一體，承受自重、鋼軌及軌枕的重量［7］。為了保證嵌套式軌道排架結(jié)構(gòu)的安全，需驗(yàn)算托梁在施加橫向荷載、調(diào)整出滿足正線軌道幾何形位的情況下，嵌套式軌道排架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)要求。

軌道排架與雙塊式軌枕組裝完成后，澆筑混凝土之前軌道排架承受自重和軌枕重量［8］。澆筑之后混凝土初凝前可視為液體，軌道排架還要承受雙塊式軌枕傳遞來(lái)的液體浮力。單個(gè)軌枕的液體浮力F的計(jì)算公式為

式中：V為軌枕浸入澆筑混凝土的體積，mm3；γc為液態(tài)混凝土重度，N∕mm3。

組裝完成的軌道排架每個(gè)懸掛點(diǎn)按照四點(diǎn)接觸，結(jié)構(gòu)自重、軌枕重量及液體浮力平均分配到每個(gè)懸掛點(diǎn)［9］。

采用7150型嵌套式軌道排架進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。矩形鋼管結(jié)構(gòu)采用板單元，鋼軌采用三維實(shí)體單元，單元形狀盡量接近正方形或正方體［10］。軌道排架中鋼軌長(zhǎng)度為7.142 m，4根托梁間距均取1.950 m。每榀嵌套式軌道排架通過(guò)8根高程螺桿與地面剛性連接，高程螺桿與托梁內(nèi)套剛性連接。托梁一端x，y，z三個(gè)方向均固定，另一端通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿施加橫向調(diào)整力，即沿y向施加荷載10 kN，每榀嵌套式軌道排架上均勻分布11塊軌枕，單塊軌枕質(zhì)量為250 kg。嵌套式軌道排架計(jì)算模型見圖5。

圖5 嵌套式軌道排架計(jì)算模型

嵌套式軌道排架材料采用Q345鋼，其楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7.85 kg∕m3；結(jié)構(gòu)自重（包含鋼軌及托梁）20.3 kN，每根托梁橫向調(diào)整力10 kN。每塊軌枕重量2.5 kN，安全系數(shù)取1.3，則11塊軌枕總重量F=2.5×11×1.3=35.75 kN。均布荷載q=F∕（nL）=35.75∕（2×7150）=2.5 N∕mm。

嵌套式軌道排架應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果見圖6。可知，嵌套式軌道排架托梁內(nèi)套最大應(yīng)力為49.4 MPa＜應(yīng)力容許值［σ］=230 MPa，可見嵌套式軌道排架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。托梁內(nèi)套矩形鋼管最大位移為1.134mm＜撓度容許值［f］=l∕800=3000∕800=3.75mm，l為托梁長(zhǎng)度?？梢娗短资杰壍琅偶艿膭偠葷M足設(shè)計(jì)要求。

圖6 嵌套式軌道排架應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

2.4 嵌套式軌道排架現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

對(duì)采用雙塊式無(wú)砟軌道嵌套式軌道排架施工的鄭萬(wàn)高速鐵路郝家灣特大橋一跨32 m梁的軌道幾何形位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。軌檢小車在每個(gè)軌道排架托梁處所測(cè)的軌向及軌距偏差見圖7。其中：1?6.8?01為32 m梁中第1榀長(zhǎng)6.855 m軌排的第1根托梁，每榀軌排均設(shè)有4根托梁，其余以此類推。

圖7 32 m梁嵌套式軌道排架托梁處軌向和軌距偏差

由圖7可知：32 m梁嵌套式軌道排架托梁處軌向的平均偏差僅為0.33 mm，最大偏差為1.50 mm，嵌套式軌道排架托梁處軌距的平均偏差僅為0.08 mm，最大偏差為0.30 mm，其整體偏差均滿足TB 10754—2018《高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的軌向允許偏差±2mm、軌距允許偏差±1mm的要求。

3 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)軌道排架相比，嵌套式軌道排架通過(guò)設(shè)置托梁內(nèi)外套將軌向與高程獨(dú)立調(diào)整，通過(guò)軌向調(diào)節(jié)螺桿實(shí)現(xiàn)軌道排架托梁內(nèi)外套的相對(duì)滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軌向的調(diào)整及鎖定功能。嵌套式軌道排架配合智能化軌道排架精調(diào)機(jī)施工，還可大大縮短道床精調(diào)時(shí)間，提高施工效率。

2）隧道與路基采用統(tǒng)一型號(hào)的7150型嵌套式軌道排架，橋梁采用6855型、6330型嵌套式軌道排架施作無(wú)砟軌道，滿足了隧路橋三種工況下的無(wú)砟軌道施工。

3）對(duì)嵌套式軌道排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，其強(qiáng)度和剛度均滿足結(jié)構(gòu)使用要求。

目前雙塊式無(wú)砟軌道嵌套式軌道排架正在鄭萬(wàn)高速鐵路各站前無(wú)砟軌道標(biāo)段按計(jì)劃施工，嵌套式軌道排架完全滿足CRTS雙塊式無(wú)砟軌道智能化施工的要求，值得推廣應(yīng)用。