朱彬, 任西沖

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線(xiàn)路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院, 湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430063）

0 引言

市域鐵路是解決都市圈中心城市與衛(wèi)星城市間通勤需求的全新軌道交通模式, 是我國(guó)繼高速鐵路后又一重大國(guó)家戰(zhàn)略。我國(guó)市域鐵路建設(shè)起步較晚, 新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展對(duì)快速度、大運(yùn)量、公交化的市域鐵路提出了迫切需求[1-2］。

目前, 市域鐵路常采用的無(wú)砟軌道為現(xiàn)澆枕式軌道, 施工周期長(zhǎng), 且道床易出現(xiàn)裂紋等病害[1-2］。裝配板式軌道具有工廠(chǎng)預(yù)制質(zhì)量好、平順性?xún)?yōu)、養(yǎng)護(hù)維修工作量少等優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)還能助力推進(jìn)綠色低碳發(fā)展, 契合國(guó)家“雙碳”目標(biāo)要求, 推行裝配式軌道符合國(guó)家和行業(yè)政策要求。

目前已有學(xué)者對(duì)裝配式軌道進(jìn)行了相關(guān)研究。劉偉斌等[3］、王偉華等[4］、姜曉文等[5］研究了城市軌道交通板式無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)應(yīng)用情況；葉軍等[6］對(duì)地鐵裝配式軌道板的結(jié)構(gòu)動(dòng)力及減振特性進(jìn)行研究；楊秀仁等[7］在城市軌道交通智能裝配式減振軌道系統(tǒng)方面開(kāi)展了研究。

既有針對(duì)裝配式軌道的研究主要集中在城市軌道交通領(lǐng)域, 結(jié)合市域鐵路特點(diǎn)的裝配式軌道技術(shù)研究尚屬空白。為滿(mǎn)足市域鐵路大規(guī)模建設(shè)需求, 促進(jìn)市域鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新, 亟需研制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)、方便維修的預(yù)制裝配板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。

在借鑒高鐵及地鐵預(yù)制板式軌道應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 提出一種適用于市域鐵路的新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案, 同時(shí)建立新型裝配式無(wú)砟軌道的精細(xì)化靜力、動(dòng)力分析模型, 對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)研究。該研究成果可為市域鐵路裝配式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供參考, 為裝配式軌道的工程化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 市域鐵路新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 影響因素

與既有技術(shù)體系相比, 市域鐵路兼具運(yùn)行速度高（160 km/h, 為地鐵的1.6倍）、列車(chē)軸重相對(duì)于地鐵大（17 t, 約為地鐵的1.2倍）、曲線(xiàn)半徑?。ㄗ钚≈?50 m, 高速鐵路為2 800 m）、坡度大（最大值25‰, 高速鐵路為20‰）等困難線(xiàn)路條件, 以及靜態(tài)平順性要求高（參照《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8］, 時(shí)速160 km級(jí)鐵路高低、軌向等軌道靜態(tài)驗(yàn)收指標(biāo)與高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)相同）, 所經(jīng)區(qū)域居住密集區(qū)占比高（減振降噪需求大）、經(jīng)濟(jì)性要求高等特點(diǎn)。市域鐵路裝配式軌道在確保結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下, 還需考慮以下因素：

（1）小半徑曲線(xiàn)適應(yīng)性：市域鐵路受地形影響, 小半徑曲線(xiàn)線(xiàn)型較多, 設(shè)計(jì)時(shí)需匹配合理的軌道板長(zhǎng)度以適應(yīng)小半徑曲線(xiàn)地段。

（2）減振適應(yīng)性：市域鐵路穿行市區(qū), 需充分考慮線(xiàn)路減振要求, 盡量在保證結(jié)構(gòu)整體型式統(tǒng)一的前提下實(shí)現(xiàn)減振。

（3）經(jīng)濟(jì)性：應(yīng)盡量減小軌道結(jié)構(gòu)高度, 控制橋上二期恒載, 同時(shí)合理選用非預(yù)應(yīng)力板可進(jìn)一步減小裝配板制造費(fèi)用, 降低整體造價(jià), 提高經(jīng)濟(jì)性。

（4）施工便利性：優(yōu)化和減少軌道施工工序, 提高施工便利性和施工效率；優(yōu)化裝配板的結(jié)構(gòu)尺寸, 盡量減少異型板。

（5）運(yùn)維便利性：為降低對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響, 需在天窗期內(nèi)完成軌道維修, 實(shí)現(xiàn)線(xiàn)型快速恢復(fù)。

1.2 設(shè)計(jì)方案

綜合考慮以上因素, 在此分別對(duì)市域鐵路隧道、橋梁、路基地段的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述。

1.2.1 隧道地段

市域鐵路隧道地段新型裝配式無(wú)砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、隔離層/減振墊、自密實(shí)混凝土層等部分組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 隧道地段新型裝配式無(wú)砟軌道組成

（1）鋼軌及扣件。采用60 kg/m鋼軌, 扣件間距600 mm, 扣件系統(tǒng)垂向剛度30~40 kN/mm。

（2）軌道板。軌道板為工廠(chǎng)預(yù)制單元分塊式平板結(jié)構(gòu), 隧道地段可采用非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu), 混凝土等級(jí)C50。軌道板分P4700板和P3500板2種標(biāo)準(zhǔn)型式, 2種標(biāo)準(zhǔn)板寬2 400 mm、厚200 mm、板長(zhǎng)分別為4 700 mm和3 500 mm, 分別對(duì)應(yīng)8對(duì)承軌臺(tái)和6對(duì)承軌臺(tái)；當(dāng)線(xiàn)路曲線(xiàn)半徑不超過(guò)400 m時(shí), 用P3500板, 其余地段用P4700板。相鄰軌道板之間設(shè)100 mm板縫, 過(guò)軌管線(xiàn)及橫向排水可在板縫處實(shí)現(xiàn)。單塊標(biāo)準(zhǔn)軌道板設(shè)有2個(gè)限位孔, 孔縱向長(zhǎng)500 mm, 橫向?qū)?00 mm, 倒角半徑100 mm。限位孔與板下澆筑的自密實(shí)混凝土層形成限位凸臺(tái)耦合作用, 限制軌道板的縱橫向移動(dòng)。P4700軌道板平面示意見(jiàn)圖2。軌道板限位孔與自密實(shí)混凝土凸臺(tái)之間設(shè)置彈性緩沖墊層, 隨軌道板出廠(chǎng)時(shí)安裝到位。

圖2 P4700軌道板平面示意圖

（3）隔離層/減振墊。軌道板下粘貼4 mm厚土工布隔離層, 設(shè)置在軌道板與自密實(shí)混凝土層之間, 起緩沖隔離作用。當(dāng)線(xiàn)路有高等減振要求時(shí), 土工布可更換為30 mm厚橡膠減振墊, 實(shí)現(xiàn)高等減振功能。減振地段軌道板可適當(dāng)加厚, 以提高減振效果。

（4）自密實(shí)混凝土層。在軌道板與下部基礎(chǔ)之間灌注流動(dòng)性能好的自密實(shí)混凝土材料, 與下部基礎(chǔ)緊密結(jié)合, 彌補(bǔ)線(xiàn)下基礎(chǔ)施工誤差, 同時(shí)墊層內(nèi)配雙層鋼筋網(wǎng)片, 限位凸臺(tái)設(shè)鋼筋籠, 整體起到限位傳力、填充、調(diào)平、保證軌道精調(diào)到位后施工線(xiàn)型的作用。自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40, 與軌道板同寬同長(zhǎng), 墊層厚160~200 mm（見(jiàn)圖3）。墊層施工時(shí)軌道板其中一個(gè)限位孔作為灌注孔, 另一個(gè)限位孔作為觀察孔和出氣孔。隧道地段軌道結(jié)構(gòu)超高通過(guò)自密實(shí)混凝土層實(shí)現(xiàn)。

圖3 隧道地段軌道結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖

隧道地段仰拱回填層或底板設(shè)有門(mén)形筋或預(yù)埋鋼筋, 與上部自密實(shí)混凝土層形成可靠連接。軌道在兩側(cè)設(shè)有排水溝進(jìn)行縱向排水, 排水溝與軌道結(jié)構(gòu)接觸面涂抹防水密封材料。限位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用“矩形凸臺(tái)+圓形倒角”方案, 既具有圓形凸臺(tái)在溫度荷載作用下不易出現(xiàn)應(yīng)力集中的優(yōu)點(diǎn), 又融合了矩形凸臺(tái)在列車(chē)縱橫向荷載作用下受力均勻的優(yōu)點(diǎn)[9］。

1.2.2 橋梁地段

橋梁地段軌道結(jié)構(gòu)組成與隧道地段相同。軌道板優(yōu)先采用雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu), 混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60。軌道其他尺寸與隧道地段相同。橋梁地段軌道結(jié)構(gòu)無(wú)底座板, 板下自密實(shí)混凝土層通過(guò)橋上預(yù)埋鋼筋直接與橋面相連。橋梁地段軌道結(jié)構(gòu)超高通過(guò)自密實(shí)混凝土層實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 路基地段

路基地段自密實(shí)混凝土層厚100 mm, 自密實(shí)混凝土層下設(shè)有底座板, 底座板具體設(shè)計(jì)可參考路基地段CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道。軌道其他組成部分與隧道地段相同, 軌道結(jié)構(gòu)超高通過(guò)底座板實(shí)現(xiàn)。

底座板與自密實(shí)混凝土層的傳力方式有2種：（1）底座板對(duì)應(yīng)每塊軌道板設(shè)置2個(gè)限位凹槽, 與現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土層底部形成的限位凸臺(tái)耦合限位, 限位凹槽周?chē)O(shè)彈性緩沖墊層, 凹槽底部及底座板上表面設(shè)有土工布隔離層, 整體形成“雙隔離層”結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行受力, 其橫斷面示意見(jiàn)圖4；（2）底座板上表面無(wú)需設(shè)置凹槽, 直接通過(guò)預(yù)埋鋼筋或門(mén)形筋與上部自密實(shí)混凝土層連接形成整體進(jìn)行受力。

圖4 路基地段軌道結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖

“雙隔離層”結(jié)構(gòu)體系在后期換板維修方面優(yōu)勢(shì)明顯。由于雙隔離層的存在, 揭板后可直接通過(guò)起重裝置吊走自密實(shí)混凝土層, 無(wú)需鑿除混凝土, 軌道線(xiàn)型調(diào)整完成后重新灌注自密實(shí)混凝土層即可；底座板表面設(shè)置預(yù)埋筋方案的結(jié)構(gòu)連接可靠, 薄弱環(huán)節(jié)相對(duì)較少, 但換板時(shí)需鑿除自密實(shí)混凝土層, 對(duì)底座板混凝土也會(huì)有一定程度影響。2種設(shè)置方式在設(shè)計(jì)時(shí)各有側(cè)重, 現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)線(xiàn)路實(shí)際情況合理選用。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）垂向分層設(shè)計(jì)：在結(jié)構(gòu)組成方面, 路基地段軌道結(jié)構(gòu)分3層, 即軌道板、自密實(shí)混凝土層和底座板；橋、隧地段軌道結(jié)構(gòu)分2層, 無(wú)底座板, 直接鋪設(shè)在下部基礎(chǔ)上。軌道板下設(shè)隔離層, 當(dāng)線(xiàn)路有高等減振需求時(shí)可適當(dāng)增加板厚, 同時(shí)將隔離層更換為減振墊, 可在軌道結(jié)構(gòu)型式統(tǒng)一的前提下實(shí)現(xiàn)高等減振功能。在材料屬性方面, 軌道各主要結(jié)構(gòu)層材料彈性模量從上向下總體逐級(jí)遞減。在施工工藝方面, 結(jié)構(gòu)采用分層施工完成。

（2）縱向單元設(shè)計(jì)：路橋隧地段相鄰軌道板之間設(shè)100 mm真縫, 路基地段底座單元之間設(shè)置20 mm伸縮縫。軌道整體采用單元分塊式結(jié)構(gòu)可以明顯減少裂紋及上拱病害的產(chǎn)生, 降低溫度荷載對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響。

（3）傳力特性：列車(chē)荷載通過(guò)鋼軌和扣件傳遞至軌道板, 軌道板通過(guò)限位孔位置現(xiàn)澆形成的限位凸臺(tái)將縱橫向荷載傳遞至自密實(shí)混凝土層；橋、隧地段, 自密實(shí)混凝土層通過(guò)預(yù)埋鋼筋將力傳遞至橋面或仰拱回填層/底板上；路基地段自密實(shí)混凝土層通過(guò)底座板傳遞至下部基礎(chǔ)。

總體來(lái)說(shuō), 新型裝配式無(wú)砟軌道單塊軌道板沿線(xiàn)路縱向長(zhǎng)度較短, 質(zhì)量較輕, 施工運(yùn)輸方便, 對(duì)小半徑曲線(xiàn)適應(yīng)性較強(qiáng)；限位結(jié)構(gòu)與板下調(diào)整層一體化澆筑, 施工方便、穩(wěn)定性好、傳力清晰；橋梁地段取消底座板, 控制橋上二期恒載；隧道地段直接鋪設(shè)在仰拱回填層或底板上, 盡可能減小軌道結(jié)構(gòu)高度, 同時(shí)在隧道地段可考慮采用非預(yù)應(yīng)力板, 降低整體造價(jià), 提高經(jīng)濟(jì)性；板下設(shè)置隔離層或減振墊層, 一般與高等減振地段軌道結(jié)構(gòu)型式統(tǒng)一, 且后期養(yǎng)護(hù)維修時(shí)換板方便, 可維修性較強(qiáng)。

2 市域鐵路新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)靜力特性

考慮市域鐵路路基地段較少, 隧道地段軌道結(jié)構(gòu)受溫度荷載影響較小, 在此以橋梁地段為例, 結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立有限元分析模型, 研究軌道結(jié)構(gòu)在溫度、列車(chē)荷載作用下的靜力特性。

2.1 靜力特性分析模型

2.1.1 計(jì)算參數(shù)

軌道結(jié)構(gòu)主要組成部件均按設(shè)計(jì)尺寸考慮, 以P4700板為例, 扣件垂向、橫向剛度分別取30 kN/mm、50 kN/mm, 扣件縱向阻力按9 kN/組考慮。軌道結(jié)構(gòu)主要組成部件計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

參考《市域（郊）鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[10］, 列車(chē)軸重取17 t, 動(dòng)載系數(shù)取2.0, 車(chē)輪垂向荷載為170 kN；橫向力為靜輪載的0.8倍, 即68 kN；縱向荷載考慮最不利條件, 按每個(gè)扣件節(jié)點(diǎn)最大縱向阻力取值, 即每塊軌道板所受最大縱向力為144 kN。溫度荷載考慮整體升溫45℃、整體降溫40℃、正溫度梯度90℃/m以及負(fù)溫度梯度45℃/m作用。

2.1.2 計(jì)算模型

鋼軌、軌道板、自密實(shí)混凝土層和限位凸臺(tái)采用實(shí)體單元模擬, 扣件采用非線(xiàn)性彈簧單元模擬, 軌道板與自密實(shí)混凝土層界面以及限位凸臺(tái)與軌道板限位孔界面法向采用硬接觸模擬, 切向摩擦系數(shù)取0.35, 自密實(shí)混凝土層與橋面采用綁定連接, 鋼軌兩端采用對(duì)稱(chēng)約束[11-12］。有限元靜力分析模型見(jiàn)圖5。

圖5 軌道結(jié)構(gòu)有限元靜力分析模型

2.2 軌道結(jié)構(gòu)靜力特性

2.2.1 列車(chē)荷載作用

裝配式無(wú)砟軌道在列車(chē)荷載作用下的部分典型受力變形指標(biāo)云圖見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 列車(chē)垂向荷載云圖

圖7 自密實(shí)混凝土受力云圖

軌道板在列車(chē)垂、橫、縱3個(gè)方向荷載作用下所受應(yīng)力水平均較小, 最大主拉應(yīng)力分別為0.357、0.633、0.228 MPa, 均遠(yuǎn)小于C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。在變形方面, 軌道板最大垂、橫、縱向位移分別為0.012 3、0.903 0、0.679 0 mm。

軌道結(jié)構(gòu)在列車(chē)縱橫向荷載作用下, 限位凸臺(tái)與自密實(shí)混凝土相連位置存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象, 但整體受力水平較小, 最大值為0.246 MPa, 遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2.2.2 溫度荷載作用

軌道結(jié)構(gòu)在不同溫度荷載作用下的部分典型受力變形指標(biāo)云圖見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 整體升溫荷載云圖

圖9 負(fù)溫度梯度荷載云圖

軌道板在不同溫度荷載作用下所受應(yīng)力水平較小, 最大拉應(yīng)力為正溫度梯度荷載作用下的2.105 MPa, 未超過(guò)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。在變形方面, 軌道板最大垂向位移為正溫度梯度荷載作用下的1.039 mm, 最大縱向位移為整體升溫荷載作用下的1.060 mm。在正負(fù)溫度梯度荷載作用下的限位凸臺(tái)倒角位置, 會(huì)出現(xiàn)一定程度應(yīng)力集中現(xiàn)象, 但整體受力水平較少, 均未超過(guò)混凝土抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

綜上可知, 新型裝配式無(wú)砟軌道在列車(chē)、溫度荷載作用下受力變形水平均較小, 結(jié)構(gòu)受力性能和穩(wěn)定性能良好, 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 市域鐵路新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

同樣以橋梁地段為例, 建立車(chē)-軌-橋空間耦合動(dòng)力分析模型, 研究系統(tǒng)在列車(chē)動(dòng)載作用下的動(dòng)力特性。

3.1 動(dòng)力特性分析模型

建模時(shí)車(chē)體、轉(zhuǎn)向架以及輪對(duì)考慮沉浮、橫擺等共31個(gè)自由度, 軌道模型可參考靜力分析模型, 輪軌接觸采用Hertz非線(xiàn)性接觸模擬, 鋼軌施加美國(guó)六級(jí)不平順譜[13-14］, 動(dòng)力分析模型見(jiàn)圖10。

圖10 車(chē)輛-軌道-下部基礎(chǔ)耦合動(dòng)力分析模型

3.2 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

在行車(chē)速度160 km/h條件下, 車(chē)輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)見(jiàn)表2、表3。

由表2可知, 輪軌橫向力和垂向力峰值分別為7.473 kN和85.049 kN, 脫軌系數(shù)和輪重減載率最大分別為0.129和0.157, 結(jié)果均未超限, 滿(mǎn)足行車(chē)安全要求。車(chē)體垂、橫向加速度分別為0.601 m/s2和0.324 m/s2, 滿(mǎn)足行車(chē)舒適性要求。由表3可知, 鋼軌、軌道板和自密實(shí)混凝土層垂向位移分別為1.973、0.933、0.201 mm；鋼軌、軌道板、自密實(shí)混凝土層的振動(dòng)加速度從上往下逐漸衰減, 垂向加度峰值分別為297.025、52.140、18.420 m/s2。

表2 系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)

表3 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)

綜上可知, 新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在行車(chē)速度160 km/h條件下, 整體動(dòng)力性能良好, 行車(chē)安全性和舒適性滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論

在充分吸收高鐵及地鐵無(wú)砟軌道建設(shè)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 提出一種適用于市域鐵路的新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案, 以橋梁地段為例, 建立橋上軌道結(jié)構(gòu)三維精細(xì)化靜力、動(dòng)力分析模型, 研究了橋上新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：

（1）橋上軌道結(jié)構(gòu)在列車(chē)荷載作用下, 最大拉應(yīng)力為0.633 MPa, 最大位移為0.903 mm, 整體受力變形水平較低。

（2）軌道結(jié)構(gòu)在列車(chē)縱橫向荷載作用下, 限位凸臺(tái)與自密實(shí)混凝土相連位置應(yīng)力相對(duì)較大, 但滿(mǎn)足混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（3）軌道結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下, 最大拉應(yīng)力為2.105 MPa, 最大垂向位移為1.039 mm, 最大縱向位移為1.06 mm。

（4）軌道結(jié)構(gòu)在正負(fù)溫度梯度荷載下, 限位凸臺(tái)倒角位置會(huì)出現(xiàn)一定程度應(yīng)力集中現(xiàn)象, 但整體受力水平較少, 均未超過(guò)混凝土抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

（5）車(chē)輛-軌道系統(tǒng)在160 km/h的行車(chē)速度下, 各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)均在限值范圍內(nèi), 行車(chē)安全性和舒適性滿(mǎn)足要求。

（6）新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、傳力清晰、可維修性強(qiáng), 可為市域鐵路的裝配式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供參考。