劉啟賓,魏周春,蔣函珂,王 杰,劉 杰

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038)

某高原鐵路為設計速度目標值200 km/h的客貨共線鐵路，沿線高原缺氧、超長隧道及超長大坡道占比高、構造運動強烈，且線外交通設施薄弱，工程與環(huán)境條件極為復雜，防災減災設計面臨巨大挑戰(zhàn)[1-4]。在雙線并行地段，為防止列車在地震等特殊情況下脫軌侵入臨線限界、引發(fā)二次嚴重傷害事故，提出了線間設置中隔墻、軌道設置單側護輪軌等多項技術措施。

高原鐵路養(yǎng)護維修條件極為惡劣，為降低運營期養(yǎng)護維修工作量，經(jīng)技術經(jīng)濟比選，正線以鋪設雙塊式無砟軌道為主[5-6]，雙塊式無砟軌道設置單側護輪軌暫無成熟、可靠的技術方案。

基于防災減災設計需求，結合本項目軌道結構選型原則，對雙塊式無砟軌道設置單側護輪軌的方案進行了研究，為高原鐵路工程防災減災設計提供技術支撐與思路。

1 可行方案及比選

根據(jù)對國內(nèi)外無砟軌道地段護輪軌設置方案的調(diào)研，無砟軌道安裝護輪軌已有應用的方案主要有現(xiàn)澆承軌臺式、混凝土長枕式、雙塊式軌枕衍生式和新型防脫護軌等4類，各方案的技術特點及其對本項目工程與環(huán)境條件的適應性分析如下。

1.1 現(xiàn)澆承軌臺式

該方案是在無砟軌道道床板澆筑成型后，在道床板上的相鄰軌枕間采用鑿毛、植筋、立?，F(xiàn)澆混凝土的方式澆筑承軌臺(或?qū)⒆o輪軌扣件預埋套管直接現(xiàn)澆于道床板混凝土中)，并安裝護輪軌，如圖1、圖2所示。

圖1 現(xiàn)澆承軌臺式方案橫斷面

圖2 現(xiàn)澆承軌臺式方案平面

現(xiàn)澆承軌臺式方案目前主要應用于有砟無砟過渡段無砟軌道一側輔助軌的安裝，如包西鐵路、拉日鐵路等項目。其主要優(yōu)點是護輪軌的設置對雙塊式無砟軌道結構設計影響較小，但存在現(xiàn)場植筋、鉆孔及澆筑護輪軌承軌臺混凝土工作量大且施工精度控制難度大等問題，通常僅適用于過渡段等小范圍采用，難以大范圍推廣應用。

1.2 混凝土長枕式

該方案是無砟軌道采用具備安裝護輪軌的長軌枕，典型的如過渡段專用枕(通線(2008)2201)、無砟軌道護輪軌地段用軌枕(研線1222)等，如圖3所示。

圖3 具備安裝護輪軌的長軌枕

過渡段專用枕(通線(2008)2201)目前普遍應用于有砟無砟過渡段，無砟軌道護輪軌地段用軌枕在蒙華、衢寧等項目上進行了應用，其主要優(yōu)點是護輪軌安裝方便，且對正線鋼軌打磨、扣件維護等作業(yè)無影響，但存在軌枕與現(xiàn)澆混凝土之間新舊混凝土結合面大，運營期容易出現(xiàn)離縫等病害[7-9]。

1.3 衍生式雙塊式軌枕

該方案是由德國弗萊德爾提供的雙塊式無砟軌道護輪軌設置方案，將軌枕塊踏步適當延長，并在踏步上預埋螺栓套筒，由螺栓固定支撐架，再將防脫護軌通過螺栓固定在支撐架上，如圖4所示。

圖4 衍生式雙塊式軌枕

衍生式雙塊式軌枕方案僅應用在柏林—漢諾威高速鐵路哈弗爾河橋、哈弗爾—海峽橋和萊比錫—埃爾福特高速鐵路上跨A9高速公路橋上，其主要優(yōu)點是軌枕仍為雙塊式結構，與現(xiàn)澆道床之間結合緊密、整體性好，但存在的主要問題是護輪軌與基本軌之間的凈距小，影響正線鋼軌打磨及扣件維護作業(yè)[10]。

1.4 新型防脫護軌

該方案在無砟軌道鋪軌施工完成后采用特制支撐架將護軌安裝在基本軌上，如圖5所示。

圖5 新型防脫護軌

新型防脫護軌在我國城市軌道交通項目中的高架線上應用較為廣泛[11-13]，在遂渝線張家院子中橋、嘉陵江大橋等橋上也進行了應用，其主要優(yōu)點是安裝方便，且對無砟道床結構本體無影響，主要缺點與衍生式雙塊式軌枕方案一致。

綜合以上分析可知，上述4種方案由于其各自存在的問題，均未能在無砟軌道地段得到推廣應用。高原鐵路沿線工程環(huán)境復雜，如設置護輪軌，應滿足結構簡單、便于安裝且不影響運營維護的基本要求?；诖嗽瓌t，本文在SK-2型雙塊式軌枕的基礎上進行了安裝單側護輪軌方案研究。

2 基于雙塊式軌枕的單側護輪軌方案研究

單側設置護輪軌方案考慮在既有SK-2型雙塊式軌枕的基礎上，采用將一側雙塊式軌枕塊的內(nèi)側擋肩及踏步適當延長并優(yōu)化，以使其能夠滿足護輪軌的安裝需求。影響護輪軌安裝位置及雙塊式軌枕結構設計的主要因素如下。

2.1 接口關系

為降低軌枕改造對現(xiàn)有軌道部件及結構設計的影響，軌枕改造方案在接口方面應滿足WJ-8型扣件的安裝需求，即軌枕內(nèi)側擋肩及踏步的優(yōu)化設計，不能改變SK-2型軌枕內(nèi)側擋肩的線形與結構強度。同時，在護輪軌安裝位置，應預埋一對與扣板式扣件相匹配的套筒，以安裝護輪軌。

2.2 護輪軌安裝技術要求

規(guī)范中規(guī)定護輪軌頂面不應低于基本軌軌面25 mm且不得高于基本軌軌面5 mm[14-16]。為便于廢舊鋼軌的充分利用，節(jié)約資源，護輪軌應滿足廢舊60 kg/m鋼軌和50 kg/m鋼軌(以下分別簡稱“60軌”、“50軌”)的安裝需求。同時，由于高原地區(qū)鐵路網(wǎng)密度較小，僅青藏鐵路一條線路具備大規(guī)模更換鋼軌的情況，且考慮到高原鐵路特殊的地理位置與惡劣的工程環(huán)境條件，受廢舊軌運距、運輸方式、整修代價等因素的影響，個別區(qū)段護輪軌采用廢舊鋼軌的綜合代價會高于新軌。因此，護輪軌應兼顧新舊60軌和50軌的安裝需求。

結合既有項目鋪設護輪軌的工程經(jīng)驗，當護輪軌采用新60軌時，受鋼軌磨耗、高低不平順及裝配誤差等影響因素，護輪軌與基本軌的高程差會出現(xiàn)>5 mm限值標準的情況。因此，護輪軌安裝設計應考慮一定的冗余量，本次護輪軌安裝方案設計冗余量暫按5 mm考慮。

基于以上分析，在護輪軌安裝設計考慮5 mm冗余量的情況下，當護輪軌采用與基本軌一致的新60軌時，護輪軌頂面高程不得超過±0 mm(基本軌頂面高程為±0 mm)；當護輪軌采用廢舊50軌時，護輪軌頂面高程不得低于-20 mm。

60軌比50軌高24 mm，即當護輪軌采用新60軌軌面高程為±0 mm時，則匹配新50軌時的軌面高程為-24 mm(考慮5 mm的誤差限值，護輪軌墊板厚度需要根據(jù)實際情況增加0～4 mm)；如采用廢舊50軌，為滿足護輪軌頂面高程與基本軌頂面高程的限值要求，應根據(jù)實際情況增加軌下墊板厚度≮5～10 mm(一般地段護輪軌墊板厚3 mm[17]，50軌重傷標準為垂直磨耗9 mm[18])。

綜合以上分析，為滿足護輪軌安裝要求，以護輪軌采用新60軌為基礎，護輪軌頂面高程應為±0 mm，此種情況下，如護輪軌采用廢舊50軌，應根據(jù)實際情況增加軌下墊板厚度≮5～10 mm。

2.3 運維需求

在滿足扣件安裝和列車正常運行的基礎上，護輪軌與基本軌之間的凈距越小，其防脫效果越好，但護輪軌的安裝會影響軌道結構的日常維護。如Ⅲ型混凝土橋枕基本軌與護輪軌凈距為220 mm，運維中道床搗固、鋼軌打磨等大機作業(yè)需要拆除護輪軌后方可實施，工程量巨大，新Ⅲ型混凝土橋枕設計時，為避免對大機作業(yè)的影響，將基本軌與護輪軌凈距調(diào)整為500 mm[19]。

對于無砟軌道，大機作業(yè)主要有鋼軌打磨及探傷，探傷車要求的基本軌與護輪軌之間凈距不得小于80 mm；按照規(guī)范要求，鋼軌打磨作業(yè)角度為-10°～+60°[20]，當鋼軌打磨角度為60°時，打磨車搖架距離護輪軌最近為280 mm。因此，鋼軌打磨是控制基本軌與護輪軌間凈距的關鍵因素，再考慮50 mm安全余量的條件下，滿足大機打磨作業(yè)要求的護輪軌與基本軌間的凈距不得小于330 mm。

綜合分析，得出基于雙塊式軌枕的單側護輪軌設置方案及無砟軌道平面布置如圖6～圖8所示。

圖6 單側護輪軌設置方案(新60軌)(單位：mm)

圖7 單側護輪軌設置方案(新50軌)(單位：mm)

圖8 單側設置護輪軌道床平面布置

2.4 經(jīng)濟性分析

相比于SK-2型軌枕，單側設置護輪軌軌枕每根需要增加的材料用量如表1所示。

表1 單側設置護輪軌軌枕材料增加用量

經(jīng)測算，相比于SK-2型軌枕，單側設置護輪軌軌枕每根造價增加32.93元，即本方案每正線公里需增加投資10.54萬元(僅軌枕費用，不含護輪軌的材料費及安裝費)，相對無砟道床的投資較低，經(jīng)濟性較為合理。

3 結語

某高原鐵路沿線工程與環(huán)境條件極為惡劣，線外交通基礎設施薄弱，運營期防災減災面臨巨大挑戰(zhàn)，如何防止列車在地震等特殊條件下脫軌后侵入臨線限界、引發(fā)二次嚴重傷害事故，成為工程設計中面臨的關鍵技術難題。針對此問題，基于現(xiàn)有工程應用經(jīng)驗，對雙塊式無砟軌道單側設置護輪軌的方案進行了研究分析，在不改變軌道結構與線下基礎之間、軌道部件之間接口關系的基礎上，提出了合理的護輪軌設置方案，為高原鐵路防災減災設計提供了技術支撐與思路。得出的主要結論如下。

(1)現(xiàn)有無砟軌道護輪軌應用案例在道床結構整體性、施工及運維便捷性等方面存在問題，不適用在高原鐵路大規(guī)模的推廣應用。

(2)基于接口關系、護輪軌安裝技術要求及運維需求的研究分析，護輪軌與基本軌凈距不應小于330 mm，為滿足護輪軌兼容新舊60軌和50軌的安裝需求，當護輪軌采用新60軌時，護輪軌頂面高程宜為±0 mm。

(3)采用將SK-2型雙塊式軌枕一側軌枕塊的內(nèi)側擋肩及踏步延長并適當優(yōu)化的方式安裝護輪軌，經(jīng)濟上合理、技術上可行。