鐵路隧道用矮軌枕的設計與制造

黃偉標

(樂昌市安捷鐵路軌枕有限公司,廣東樂昌 512200)

我國研制混凝土軌枕已有近50年的歷史,隨著鐵路的重載提速,混凝土軌枕由69型、Ⅰ型軌枕發(fā)展到Ⅱ型、Ⅲ型軌枕。目前,Ⅲ型軌枕不但已經(jīng)大量使用在時速160 km、最大軸重230 kN的運營線路上,還應用于時速200 km、軸重250 kN的客貨共線的運營線路上[1-5]。但是,在廣州鐵路(集團)公司所屬既有線部分隧道內(nèi)由于受隧道凈空高度限制,一直使用軌枕板(寬枕)。軌枕板為密排鋪設,大型機械搗固設備無法進行道床搗固作業(yè),在作業(yè)環(huán)境惡劣的隧道內(nèi),人力搗固無論是施工質(zhì)量還是施工時間上都與大型機械作業(yè)有很大差距,軌道板無法滿足線路使用要求,成為線路提速的瓶頸之一。因此,開發(fā)既適合大型機械設備道床搗固作業(yè)且性能不低于III型枕的既有線隧道用預應力混凝土軌枕非常必要。

1 設計的主要難點[6]

(1)隧道內(nèi)更換寬枕時軌面高程不能改變,為保證道床最小厚度不少于250 mm要求,矮隧道軌枕承軌槽截面高度不宜超過180 mm。

(2)在截面高度降低的情況下,設計的矮隧道軌枕的靜載試驗強度、疲勞試驗強度與Ⅲ型預應力混凝土枕應相當。靜載抗裂強度試驗值滿足：軌下截面210 kN；枕中截面170 kN。疲勞強度試驗值滿足：軌下截面230～46 kN；枕中截面180～36 kN。

(3)軌枕截面不宜過寬,鋪設時滿足現(xiàn)有大型機械設備(08-32搗固車)搗固作業(yè)要求,具體要求如下。

①最小枕間隙S1

以Ⅲ型軌枕為例,當搗固設備的加寬塊處于工作狀態(tài)時,搗固設備的搗固外臂張開度最小狀態(tài)L=1 040 mm(沒有夾持狀態(tài))。如果枕間距很小,作業(yè)時會出現(xiàn)移枕或劈枕的現(xiàn)象。當搗固設備外鎬沿著被搗軌枕的臨近軌枕(第1、第4根軌枕)邊緣下插時,能夠確保不移枕,如圖1所示,這時需要的枕間隙是最小枕間距。

圖1 最小枕間距(單位：mm)

搗鎬的厚度B=80 mm,軌枕的寬度為A=300 mm,假設軌枕與軌枕之間的間隙為S1,由圖1可知,L+2B=3S1+2A,代人數(shù)值得出S1=200 mm。

②最大枕間隙S2

當搗固設備的加寬塊處于不工作狀態(tài),即把加寬塊抬起,搗固設備的外臂張開度處于最大狀態(tài)L=1 040 mm(沒有夾持狀態(tài))。即當搗固設備的外鎬沿著被搗軌枕的邊沿下插,為確保不移枕,必須預留好夾持距離C=50 mm,如圖2所示,如果沿著軌枕邊下插,一夾持就可能出現(xiàn)移枕現(xiàn)象。

圖2 最大枕間距(單位：mm)

由圖2可知,L=2C+2A+S2,代入數(shù)值得S2=500 mm。

為了保證線路搗固作業(yè)質(zhì)量,不出現(xiàn)移枕或劈枕現(xiàn)象,軌枕間隙必須滿足如下條件：200 mm≤S≤500 mm。

(4)在滿足設計承載能力的前提下,盡可能地減小混凝土預壓應力,混凝土最大預壓應力應滿足《預應力混凝土枕設計方法》中不大于12 MPa的要求。

2 適用條件

矮隧道軌枕與Ⅲ型軌枕等強設計,適用范圍與Ⅲ型軌枕相同。

60 kg/m鋼軌,標準軌距；

機車、車輛最大軸重250 kN；

年通過總重密度50～100 Mt·km/km;

旅客列車最高行車速度200 km/h；

軌枕配置根數(shù)1 667根/km；

碎石道床,道床厚度滿足規(guī)范要求；

線路最小曲線半徑350 mm；

配套扣件為彈條Ⅱ型扣件。

3 軌枕截面及強度設計[3-5][8-10]

矮隧道軌枕設計方案是在多種方案比選后確定的,進行了如下方案對比：軌下截面高度160 mm,枕中截面高度140 mm；軌下截面高度170 mm,枕中截面高度150 mm；軌下截面高度170 mm,枕中截面高度160 mm；軌下截面高度180 mm,枕中截面高度150 mm；軌下截面高度180 mm,枕中截面高度170 mm。以上多種方案或是由于達不到Ⅲ型軌枕的設計強度或是由于混凝土預壓應力值過高而無法實施。要達到Ⅲ型軌枕的設計強度,矮隧道軌枕截面高度降低后,只有采用增加預應力鋼筋同時提高預應力鋼筋合力的方法實現(xiàn)。降低截面高度并增加預應力鋼筋合力,會增大混凝土的預壓應力值,過多的降低軌枕高度,會使混凝土預壓應力無法滿足《預應力混凝土枕設計方法》中不大于12 MPa的要求。經(jīng)多方案比選確定的最優(yōu)方案為軌下截面高度180、枕中截面高度160 mm。

3.1 軌下截面主要參數(shù)

截面底寬(按照Ⅲ型軌枕標準) 320 mm

截面高 180 mm

混凝土強度等級 C60

施加預應力時混凝土立方體強度 ≮45 MPa

預應力鋼筋強度標準值 1 670 MPa

3.2 枕中截面主要參數(shù)

截面底寬(按照Ⅲ型軌枕標準) 320 mm

截面高 160 mm

混凝土強度等級 C60

施加預應力時混凝土立方體強度 ≮45 MPa

預應力鋼筋強度標準值 1 670 MPa

4 設計荷載彎矩驗算[1，7]

矮隧道軌枕的設計荷載與Ⅲ型軌枕相當。

依據(jù)《預應力混凝土枕設計方法》,枕上壓力R計算如下

R=γ·P0(1+α)

式中γ——輪重縱向分配系數(shù),取0.48；

α——綜合動載系數(shù),重型軌道取1.5；

P0——輪重,取250/2=125 kN。

由此得出枕上壓力R=150 kN。

荷載彎矩計算圖示如圖3、圖4所示。

圖3 軌下截面荷載彎矩計算圖示(單位：cm)

圖4 枕中截面荷載彎矩計算圖示(單位：cm)

依據(jù)荷載彎矩計算圖3、圖4,得出正負彎矩設計值為：軌下M=17.3 kN·m；枕中M=15.0 kN·m。

5 本軌枕與其他軌枕主要技術參數(shù)的對比

目前線路上大量使用的軌枕類型有寬枕、Ⅱ型軌枕、Ⅲ型軌枕。本軌枕及寬枕、Ⅱ型軌枕、Ⅲ型軌枕的主要設計參數(shù)對比如表1所示。

表1 4種軌枕參數(shù)比較

6 矮隧道軌枕的制造和驗收要求[2]

生產(chǎn)矮隧道軌枕的原材料和工藝設備與Ⅲ型混凝土軌枕基本相同,因此,可按照有擋肩Ⅲ型軌枕技術條件進行矮隧道軌枕的制造和驗收。執(zhí)行標準如下:《預應力混凝土枕Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型》(TB/T2190—2002)；《預應力混凝土枕疲勞試驗方法》(TB/T1878—2002)；《預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法》(TB/T1879—2002)。

以上3項標準是矮隧道軌枕制造驗收的基礎,但由于矮隧道軌枕混凝土預壓應力較大,為確保矮隧道軌枕的制造質(zhì)量,制造中還應嚴格遵守如下要求。

(1)預應力鋼絲的總張拉力應符合設計圖的規(guī)定,施加的總張拉力偏差應不超過設計值的±5%,其張拉程序為0→σk持荷1 min→補拉至σk后擰緊螺母,應采用自動張拉設備。

(2)預應力鋼絲受力應均勻。同組鋼絲內(nèi)鋼絲長度最大值與最小值之差應不超過2 mm。

(3)采用蒸汽養(yǎng)生時,在溫度不大于30 ℃的環(huán)境中靜停時間應不少于3 h；混凝土升溫速度及降溫速度應不大于15 ℃/h,最高養(yǎng)生溫度應不大于55 ℃,最高養(yǎng)生溫度持續(xù)時間應不超過8 h；養(yǎng)生結(jié)束時軌枕表面與坑外環(huán)境溫差不大于15 ℃。

(4)軌枕脫模后,應灑水養(yǎng)生3 d以上。

(5)應采取措施緩慢釋放應力。當采用張拉設備放松緊固螺母時,張拉力應不超過σk值的90%。

7 結(jié)論

按照上述標準設計制造的矮隧道軌枕,既能夠提高道床的承載能力,又方便線路的維護保養(yǎng),在改善軌道受力狀態(tài)等方面有較大的經(jīng)濟和社會效益。我公司試制產(chǎn)品在京廣線大瑤山隧道使用2年多來,驗證達到了設計目的,使用效果非常明顯。

[1] 白玲.汪加蔚,等.預應力混凝土軌枕的設計計算[J].混凝土與水泥制品,2009(1)：27-30.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2190—2002 預應力混凝土枕 Ⅰ型Ⅱ型及Ⅲ型[S].北京：中國鐵道出版社,2002．

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB1879—2002 預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法[S].北京：中國鐵道出版社,2002.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB/T1878—2002 預應力混凝土枕疲勞試驗方法[S].北京：中國鐵道出版社,2002．

[5] 中華人民共和國建設部.GB50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002．

[6] 中華人民共和國鐵道部. 鐵運[2006]146號 鐵路線路修理規(guī)則[S].北京：中國鐵道出版社,2006．

[7] 澳大利亞鐵路基礎材料編委會.AS1085.14—2003 預應力混凝土枕[S].澳大利亞：澳大利亞標準委員會,2003.

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB10210—2001 鐵路混凝土與砌體工程施工規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2001.

[9] 中華人民共和國建設部.GB50204—2002 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[10] 中華人民共和國建設部.JGJ55—2000 普通混凝土配合比設計規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001.