李傳勇,譚社會(huì),林 超

(1.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司,上海 200071； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

高速鐵路鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路，鎖定軌溫是其關(guān)鍵參數(shù)，直接影響到無(wú)縫線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[1-3]。長(zhǎng)鋼軌相對(duì)基礎(chǔ)縱向位移(簡(jiǎn)稱“鋼軌位移”)表征了無(wú)縫線路鎖定軌溫的改變程度。一定長(zhǎng)度的鋼軌，其兩端位移之差越大則鎖定軌溫變化量也越大。根據(jù)《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》[4]，兩相鄰單元軌節(jié)鎖定軌溫差超過(guò)5℃時(shí)，就必須對(duì)無(wú)縫線路進(jìn)行應(yīng)力放散和重新鎖定。為掌握無(wú)縫線路鎖定軌溫的變化情況，需在線路兩側(cè)按一定間距設(shè)置位移觀測(cè)樁。TB 10015—2012《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]對(duì)鋼軌位移觀測(cè)樁的布置做了統(tǒng)一規(guī)定：跨區(qū)間無(wú)縫線路、區(qū)間無(wú)縫線路按單元軌節(jié)等距離設(shè)置位移觀測(cè)樁，且樁間距不宜大于500 m，長(zhǎng)大橋梁兩端、長(zhǎng)大隧道的洞口應(yīng)設(shè)置1組位移觀測(cè)樁。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用仍存在一定局限性。

國(guó)內(nèi)針對(duì)鋼軌位移理論分析[6-8]、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[9-12]及監(jiān)測(cè)方法[13-17]等進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于鋼軌位移觀測(cè)樁的設(shè)置系統(tǒng)研究相對(duì)不足?；诖?，從無(wú)縫線路設(shè)計(jì)理論出發(fā)，結(jié)合高速鐵路線路維修規(guī)則，重點(diǎn)對(duì)橋梁地段無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)鋼軌位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析鋼軌位移變化規(guī)律，提出鋼軌位移觀測(cè)樁設(shè)置優(yōu)化建議。研究成果可為我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)維修提供一定理論參考。

1 位移觀測(cè)樁服役現(xiàn)狀及優(yōu)化建議

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，既有觀測(cè)標(biāo)志隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延續(xù)，易出現(xiàn)脫離、丟失等問(wèn)題；在日常線路檢查維修作業(yè)中，數(shù)據(jù)量測(cè)的光照條件較差，位移值讀取的精度較低，觀測(cè)值存在一定偏差；此外，規(guī)范[4]要求一年需進(jìn)行4次位移數(shù)值量測(cè)，全路段鋼軌位移測(cè)量工作量較大，且缺乏針對(duì)性。

針對(duì)上述問(wèn)題，可考慮從材料、檢測(cè)周期、檢測(cè)方式等角度進(jìn)行優(yōu)化，提高位移觀測(cè)樁的服役性能和檢測(cè)效率。在材料優(yōu)化方面，可加固對(duì)位移觀測(cè)樁的設(shè)立方法，采用抗腐蝕和耐久性好的合金材料標(biāo)尺，利用高分子材料改進(jìn)標(biāo)尺粘貼方式，線路條件合適時(shí)，可考慮設(shè)置防爬觀測(cè)樁。在檢測(cè)周期優(yōu)化方面，可針對(duì)不同基礎(chǔ)條件，按照每年2次的量測(cè)周期進(jìn)行，對(duì)于位移變化異常地段加強(qiáng)觀測(cè)。在檢測(cè)方式優(yōu)化方面，可采用數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備解決目視直接讀數(shù)的弊端，重大控制性工程建議設(shè)置鋼軌位移長(zhǎng)期智慧化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 鋼軌位移理論分析

高速鐵路路基與隧道內(nèi)無(wú)縫線路設(shè)計(jì)理論基本一致，而橋上無(wú)縫線路鑒于梁軌縱向相互作用，需進(jìn)行梁軌縱向相互作用分析，并進(jìn)行無(wú)縫線路強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算[18-21]。

2.1 路基和隧道區(qū)段

對(duì)于路基和隧道區(qū)無(wú)縫線路鎖定后，呈現(xiàn)出兩端為伸縮區(qū)和中部大范圍為固定區(qū)的現(xiàn)象，如圖1所示。從圖1可以看出，固定區(qū)鋼軌位移與鋼軌溫度變化無(wú)關(guān)，鋼軌溫度變化主要影響鋼軌伸縮區(qū)長(zhǎng)度。鋼軌降溫10 ℃時(shí)伸縮區(qū)長(zhǎng)度約60 m，鋼軌降溫60 ℃時(shí)伸縮區(qū)長(zhǎng)度約100 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，路基及隧道地段固定區(qū)鋼軌-軌道板相對(duì)位移很小，按照規(guī)范[5]中既有位移觀測(cè)樁布置方式，即可滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維的實(shí)際需求。因隧道洞口存在軌溫過(guò)渡[22]，該區(qū)域鋼軌的伸縮變形較大，《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求在隧道洞口增設(shè)1組位移觀測(cè)樁。雖然可測(cè)得隧道洞口的鋼軌變形量，但因其與前后位移觀測(cè)樁的樁間距較大(一般在250 m)，無(wú)法確定鋼軌伸縮區(qū)長(zhǎng)度，不利于工務(wù)部門養(yǎng)護(hù)維修。因此，建議在隧道洞口及其前后100 m處各增設(shè)1組位移觀測(cè)樁，從而能直接獲取隧道洞口鋼軌伸縮變形范圍。

圖1 溫度荷載作用下路基段鋼軌伸縮位移曲線

2.2 橋梁區(qū)段

對(duì)于橋上無(wú)縫線路固定區(qū)，在不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的條件下，理論上鋼軌位移和梁軌縱向相互作用力不受軌溫影響，即鋼軌在鎖定軌溫、最高軌溫及最低軌溫下計(jì)算的鋼軌位移是相同的，僅鋼軌所受縱向力(含溫度力)不同。因此，橋上無(wú)縫線路鋼軌位移由梁體因溫差和列車荷載作用引起梁軌縱向相互作用產(chǎn)生。該鋼軌位移為彈性位移，在軌道結(jié)構(gòu)不變的情況下，梁軌縱向相互作用引起的鋼軌位移隨著梁體縱向位移減小而減小，直至恢復(fù)至零。

為揭示橋上無(wú)縫線路的梁軌相互作用關(guān)系，采用有限元分析方法，針對(duì)目前高速鐵路上常用的32 m跨度簡(jiǎn)支梁和(48+80+48) m連續(xù)梁，同時(shí)考慮扣件類型的影響，分析橋梁溫度變化30℃時(shí)的梁軌相對(duì)位移規(guī)律。模型中簡(jiǎn)支梁固定支座均位于左側(cè)，10跨32 m簡(jiǎn)支梁的梁軌相對(duì)位移變化曲線如圖2所示。

圖2 10跨32 m簡(jiǎn)支梁梁軌相對(duì)位移

從圖2可以看出，每跨簡(jiǎn)支梁的梁軌相對(duì)位移變化趨勢(shì)及量值均接近，因此，對(duì)于簡(jiǎn)支梁區(qū)段位移觀測(cè)樁的設(shè)置，可在樁間距不宜大于500 m的基礎(chǔ)上，考慮簡(jiǎn)支梁固定支座位置，樁間距取梁長(zhǎng)的整數(shù)倍，從而保證位移觀測(cè)樁設(shè)置在簡(jiǎn)支梁活動(dòng)支座梁端。

圖3為5×32 m簡(jiǎn)支梁+(48+80+48) m連續(xù)梁+5×32 m簡(jiǎn)支梁的梁軌相對(duì)位移曲線。

從圖3可以看出，梁軌相對(duì)位移的最大值出現(xiàn)在連續(xù)梁梁端，扣件阻力變化主要對(duì)連續(xù)梁上的鋼軌伸縮范圍產(chǎn)生影響。

為進(jìn)一步量化鋪設(shè)小阻力扣件橋梁鋼軌位移觀測(cè)樁的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，選取目前高鐵溫度跨度在200 m 以下的3種常見橋梁跨度：(48+80+48) m連續(xù)梁、(60+100+60) m連續(xù)梁和(75+120+75) m連續(xù)梁，計(jì)算在鋪設(shè)小阻力扣件后的梁軌相對(duì)位移關(guān)系。圖4為不同溫度跨度條件下鋪設(shè)小阻力扣件的梁軌相對(duì)位移。

從圖4可以看出，隨著橋梁溫度跨度增加，梁軌相對(duì)位移變化趨勢(shì)基本一致。

因此，對(duì)于鋪設(shè)常阻力扣件的連續(xù)梁，可在連續(xù)梁兩側(cè)梁端各補(bǔ)充設(shè)置1對(duì)位移觀測(cè)樁；對(duì)于鋪設(shè)小阻力扣件的連續(xù)梁，為更好地把握橋上鋼軌位移變化規(guī)律，除在連續(xù)梁兩側(cè)梁端各補(bǔ)充設(shè)置1對(duì)位移觀測(cè)樁外，還可在連續(xù)梁活動(dòng)支座上方補(bǔ)充設(shè)置1對(duì)位移觀測(cè)樁。

3 橋上鋼軌-軌道板相對(duì)位移測(cè)試

為驗(yàn)證橋上梁軌相互作用關(guān)系，開展橋上鋼軌伸縮位移監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)梁軌相對(duì)位移測(cè)試，驗(yàn)證理論分析結(jié)果，同時(shí)，為位移觀測(cè)樁的設(shè)置提供試驗(yàn)支撐。

3.1 32 m簡(jiǎn)支梁鋼軌位移測(cè)試

選取某高鐵線路32 m簡(jiǎn)支梁地段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，橋上鋪設(shè)CRTS I型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，單元軌道板與底座板間的相對(duì)位移很小，因此，鋼軌-軌道板的相對(duì)位移可認(rèn)為是鋼軌-橋梁的相對(duì)位移。測(cè)點(diǎn)布置示意如圖5所示。圖5中測(cè)點(diǎn)4-13和4-27分別位于1號(hào)簡(jiǎn)支梁和3號(hào)簡(jiǎn)支梁活動(dòng)支座的梁端，測(cè)點(diǎn)4-26位于3號(hào)簡(jiǎn)支梁跨中。3個(gè)測(cè)點(diǎn)的初始位移均為0 mm。

圖5 鋼軌-軌道板縱向相對(duì)位移測(cè)點(diǎn)布置示意

圖6為2015～2018年3個(gè)測(cè)點(diǎn)的鋼軌-軌道板縱向位移隨時(shí)間變化曲線。從圖6可以看出，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)基本相同，兩個(gè)梁端測(cè)點(diǎn)位移變化量基本相同，每年的變化量大概在±2 mm。由此可知，簡(jiǎn)支梁地段位移觀測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算接近，位移觀測(cè)樁的設(shè)置可考慮簡(jiǎn)支梁固定支座位置，樁間距取梁長(zhǎng)的整數(shù)倍，從而保證位移觀測(cè)樁設(shè)置在簡(jiǎn)支梁活動(dòng)支座梁端。

圖6 鋼軌-軌道板相對(duì)位移變化曲線

3.2 鋪設(shè)常阻力扣件的連續(xù)梁橋鋼軌位移測(cè)試

高速鐵路采用的連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式較多，一般為三跨或四跨，主跨為48～192 m不等。本次監(jiān)測(cè)選取的測(cè)點(diǎn)位于某鋪設(shè)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道連續(xù)梁梁端，跨度為(70+125+70) m，線路線型為曲線，半徑4 500 m，超高175 mm，如圖7所示?？奂槌Ｗ枇奂壍腊迮c底座板之間采用凸臺(tái)限位，板間相對(duì)位移很小，鋼軌-軌道板的相對(duì)位移可認(rèn)為是鋼軌-橋梁相對(duì)位移。

圖7 CRTSIII板式無(wú)砟軌道連續(xù)梁梁端傳感器安裝

圖8為2016年6月1日～10月31日梁端鋼軌-軌道板相對(duì)位移變化曲線。從圖8可以看出，梁端曲線外側(cè)的鋼軌-軌道板相對(duì)位移變化量大于曲線內(nèi)側(cè)，曲線外側(cè)的鋼軌-軌道板相對(duì)位移最大值為18.88 mm，曲線內(nèi)側(cè)的鋼軌-軌道板相對(duì)位移最大值為13.80 mm。梁端位移計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果量級(jí)接近。推薦在鋪設(shè)常阻力扣件連續(xù)梁梁端各增設(shè)1組位移觀測(cè)樁。

圖8 連續(xù)梁梁端鋼軌-軌道板相對(duì)位移變化曲線

3.3 鋪設(shè)小阻力扣件的連續(xù)梁橋鋼軌位移測(cè)試

以某高速鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道連續(xù)梁橋(104+168+168+112) m為研究對(duì)象，線型為圓曲線，半徑7 000 m，超高175 mm，采用小阻力扣件。測(cè)點(diǎn)設(shè)置在大跨度連續(xù)梁上，7號(hào)墩為固定支座，具體布置位置如圖9所示。

圖9 CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道橋上鋼軌位移測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

圖10為連續(xù)梁鋼軌-軌道板相對(duì)位移隨時(shí)間變化曲線。從圖10可以看出，連續(xù)梁支座附近鋼軌軌道板相對(duì)位移變化的較為平緩，梁端鋼軌-軌道板相對(duì)位移變化最為劇烈，3個(gè)測(cè)點(diǎn)全年變化量分別為1.8，13，32 mm。對(duì)于鋪設(shè)小阻力扣件連續(xù)梁橋，除在梁端設(shè)置1組位移觀測(cè)樁外，還可在連續(xù)梁活動(dòng)支座處補(bǔ)充設(shè)置1組位移觀測(cè)樁，作為梁軌相對(duì)位移伸縮范圍的分界點(diǎn)，便于指導(dǎo)后期養(yǎng)護(hù)維修。

圖10 連續(xù)梁鋼軌-軌道板相對(duì)位移變化曲線

4 結(jié)論

基于無(wú)縫線路養(yǎng)護(hù)維修的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，采用理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，研究了高速鐵路無(wú)砟軌道變形規(guī)律，提出了位移觀測(cè)樁的優(yōu)化布置方案，主要結(jié)論如下。

(1)建議從材料、檢測(cè)周期、檢測(cè)方式等方面提高位移觀測(cè)樁的服役性能和檢測(cè)效率。

(2)為獲取隧道洞口鋼軌伸縮變形范圍，方便工務(wù)部門日常養(yǎng)護(hù)，建議在隧道洞口及其前后100 m處各增設(shè)1組位移觀測(cè)樁。

(3)為保證位移觀測(cè)樁設(shè)置在簡(jiǎn)支梁活動(dòng)支座梁端，建議簡(jiǎn)支梁地段位移觀測(cè)樁的設(shè)置考慮固定支座位置、梁長(zhǎng)等因素。

(4)對(duì)于鋪設(shè)常阻力扣件的連續(xù)梁橋，可在兩側(cè)梁端各增設(shè)1組位移觀測(cè)樁；針對(duì)鋪設(shè)小阻力扣件的連續(xù)梁橋，除梁端增設(shè)位移觀測(cè)樁外，還可在連續(xù)梁活動(dòng)支座處增設(shè)1組位移觀測(cè)樁。