重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選型分析

王繼軍，尤瑞林，杜香剛，范 佳，江 成

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

近年來(lái)，重載鐵路運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，在國(guó)際上被公認(rèn)為鐵路貨運(yùn)發(fā)展的方向。不僅在礦物和貨運(yùn)為主的國(guó)家(美國(guó)、加拿大、巴西、澳大利亞和南非等國(guó))大量開(kāi)行重載列車(chē)，而且在歐洲以客運(yùn)為主的客貨混運(yùn)干線(xiàn)上也開(kāi)始發(fā)展重載運(yùn)輸。

我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸近年來(lái)也有較大發(fā)展，除大秦線(xiàn)、朔黃線(xiàn)、神朔線(xiàn)等既有鐵路外，目前規(guī)劃建設(shè)的山西中南部鐵路通道及蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道將成為我國(guó)重要的重載運(yùn)輸鐵路。山西中南部鐵路通道自山西省呂梁市興縣的瓦塘開(kāi)始，跨京廣、京九線(xiàn)后終至山東日照南站，線(xiàn)路正線(xiàn)長(zhǎng)度1 268 km。蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道工程北起鄂爾多斯，途經(jīng)蒙西、陜西、山西等我國(guó)最重要的煤炭產(chǎn)區(qū)，終至江西吉安，是一條吸引蒙陜甘寧能源產(chǎn)地、覆蓋鄂湘贛等華中能源消費(fèi)地的便捷大能力煤運(yùn)通道，線(xiàn)路全長(zhǎng)1 816 km。

以上兩條線(xiàn)路均按大軸重煤運(yùn)通道進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，軌道按重型軌道設(shè)計(jì)，重車(chē)方向預(yù)留特重型軌道結(jié)構(gòu)條件。山西中南部通道共有隧道198座，總長(zhǎng)377.46 km。其中隧道長(zhǎng)度≥6 km的隧道14座，長(zhǎng)163.92 km。蒙華鐵路通道穿越呂梁山脈、中條山脈、東秦嶺山脈等山區(qū)，隧道總長(zhǎng)428.4 km，且長(zhǎng)大隧道較多，隧道長(zhǎng)度≥10 km的隧道10座，其中長(zhǎng)度≥15 km的隧道6座。

目前，國(guó)內(nèi)外重載鐵路大都采用有砟軌道結(jié)構(gòu)。一方面，重載有砟軌道隨著運(yùn)量逐年增大，鋼軌、焊接接頭及道岔傷損數(shù)量大幅上升，道床殘余變形增大，道床粉化板結(jié)，軌道剛度不斷增大，加劇了列車(chē)對(duì)軌下基礎(chǔ)的破壞及線(xiàn)路幾何狀態(tài)的惡化，形成了軌道狀態(tài)劣化的惡性循環(huán)。另一方面，隨著行車(chē)密度和載重量的提高，軌道的維修工作更趨頻繁，但繁忙的貨運(yùn)鐵路，天窗兌現(xiàn)率越來(lái)越低，可用于線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修的時(shí)間較短，難以對(duì)線(xiàn)路病害進(jìn)行及時(shí)維修。尤其在長(zhǎng)大隧道內(nèi)，有砟軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)修作業(yè)更加困難。

針對(duì)山西中南部及蒙華重載鐵路煤運(yùn)通道工程隧道數(shù)量多、里程長(zhǎng)，長(zhǎng)大隧道比例較大的工程特點(diǎn)，在長(zhǎng)大隧道內(nèi)采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，具有降低隧道凈空，結(jié)構(gòu)耐久性強(qiáng)，維修工作量少，維護(hù)費(fèi)用低，軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、連續(xù)性和平順性好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。因此，結(jié)合國(guó)內(nèi)重載煤運(yùn)通道建設(shè)的工程背景，開(kāi)展隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選型研究，對(duì)我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展以及重載鐵路軌道技術(shù)體系的完善具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外重載無(wú)砟軌道應(yīng)用概況

1.1 國(guó)外重載無(wú)砟軌道應(yīng)用及隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)概況

1.1.1 美國(guó)重載無(wú)砟軌道［3-4］

2000年，美國(guó)波特蘭水泥協(xié)會(huì)(PCA)開(kāi)展了一項(xiàng)“貨運(yùn)與高速客運(yùn)線(xiàn)路用無(wú)砟軌道研究與試驗(yàn)”的合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)先進(jìn)的無(wú)砟軌道技術(shù)。經(jīng)研究篩選，確定對(duì)直接式無(wú)砟軌道(DFST)和彈性支承塊式無(wú)砟軌道(IDBT)兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行試驗(yàn)研究，如圖1和圖2所示。

2003年7月—2006年7月由AAR下屬的TTCI在FAST重載線(xiàn)路上完成了無(wú)砟軌道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及驗(yàn)證工作。重載列車(chē)包括3～4個(gè)機(jī)車(chē)以及60～80輛貨車(chē)，牽引質(zhì)量為8 000～10 000 t，貨車(chē)軸重為35.4 t;機(jī)車(chē)軸重為29 t，列車(chē)一般運(yùn)行速度為64 km/h。從2003年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)至目前，累積通過(guò)總重4.5億t。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明兩種軌道結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)良好，能夠保證重載列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的少維修。

圖1 美國(guó)直接式無(wú)砟軌道

圖2 美國(guó)彈性支承塊式無(wú)砟軌道

1.1.2 加拿大重載無(wú)砟軌道［5］

加拿大CP公司重載線(xiàn)路于1988年在Macdonald隧道(如圖3所示)及Shaughnessy隧道內(nèi)分別鋪設(shè)了15.1 km和1.6 km的直接式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)(PACT)，主要考慮減少養(yǎng)護(hù)維修工作量［5］。

由于隧道內(nèi)排水不暢、洞口附近基礎(chǔ)不均勻沉降、道床板配筋及道床板與底座連接鋼筋設(shè)計(jì)不足等原因，導(dǎo)致道床板出現(xiàn)開(kāi)裂、掉塊等傷損?，F(xiàn)場(chǎng)主要采用改進(jìn)表面排水、注入環(huán)氧材料以及傷損道床板的移除和換鋪等措施進(jìn)行修復(fù);目前已對(duì)約115 m長(zhǎng)的地段進(jìn)行了換鋪維修。

圖3 加拿大隧道內(nèi)直接式無(wú)砟軌道(單位:mm)

1.1.3 南非重載無(wú)砟軌道［6］

南非目前有兩條典型的重載鐵路，里查茲灣(Richards Bay)運(yùn)煤專(zhuān)線(xiàn)和斯申—撒爾丹哈(Sishen-Saldanha)鐵礦石專(zhuān)運(yùn)線(xiàn)。

里查茲灣運(yùn)煤專(zhuān)線(xiàn)全長(zhǎng)588 km，線(xiàn)路的設(shè)計(jì)年運(yùn)量1 750萬(wàn)t/年，擴(kuò)能改造后為4 200萬(wàn)t/年。運(yùn)營(yíng)列車(chē)的機(jī)車(chē)軸重28 t(總重168 t)，車(chē)輛軸重26 t。全線(xiàn)共有隧道37座(共計(jì)44 km)，其中最長(zhǎng)隧道為3.9 km。隧道內(nèi)全部為直接式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。

斯申—撒爾丹哈鐵礦石專(zhuān)運(yùn)線(xiàn)全長(zhǎng)861 km，線(xiàn)路設(shè)計(jì)年運(yùn)量2 100萬(wàn)t，完成既有線(xiàn)擴(kuò)能改造后，目前實(shí)際年運(yùn)量達(dá)到6 300萬(wàn)t。運(yùn)營(yíng)列車(chē)的機(jī)車(chē)軸重28 t，車(chē)輛軸重30 t。該線(xiàn)只有一座隧道，長(zhǎng)787 m，隧道內(nèi)也是采用直接式無(wú)砟軌道(如圖4所示)。

圖4 南非隧道內(nèi)直接式無(wú)砟軌道

南非隧道內(nèi)無(wú)砟軌道總體使用情況較好。里查茲灣運(yùn)煤專(zhuān)線(xiàn)，在實(shí)際使用中無(wú)須任何養(yǎng)護(hù)作業(yè)，據(jù)介紹曾有一塊道床板在水壓作用下出現(xiàn)松動(dòng)，通過(guò)打入巖石錨桿進(jìn)行了修復(fù)。另外，里查茲灣運(yùn)煤專(zhuān)線(xiàn)一些隧道內(nèi)鋼軌扣件的扣壓效果不好，曾在個(gè)別隧道內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。

1.2 國(guó)內(nèi)客貨混運(yùn)鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道應(yīng)用概況

我國(guó)客貨混運(yùn)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展也有較長(zhǎng)歷史，早期曾試鋪過(guò)支承塊式、整體灌注式、短木枕式及無(wú)砟無(wú)枕式等無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式，主要應(yīng)用于隧道和橋梁等剛性基礎(chǔ)地段，1965年—1984年間，整體道床鋪設(shè)長(zhǎng)度達(dá)到300 km。在20世紀(jì)90年代，結(jié)合高速鐵路無(wú)砟軌道的前期研究，選定秦沈線(xiàn)沙河、狗河和雙何三座特大橋進(jìn)行長(zhǎng)枕埋入式和板式無(wú)砟軌道的試鋪，為完善兩種無(wú)砟軌道技術(shù)，在渝懷線(xiàn)魚(yú)嘴2號(hào)隧道、圓梁山隧道和贛龍線(xiàn)楓樹(shù)排隧道又分別進(jìn)行了長(zhǎng)枕埋入式和板式無(wú)砟軌道的鋪設(shè)。為形成區(qū)段鋪設(shè)無(wú)砟軌道成套技術(shù)，2004年在遂渝線(xiàn)建設(shè)了無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段，線(xiàn)下基礎(chǔ)涵蓋了路基、橋梁、隧道及過(guò)渡段，試驗(yàn)段范圍內(nèi)鋪設(shè)了板式、雙塊式和長(zhǎng)枕埋入式等多種形式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。此外，彈性支承塊式無(wú)砟軌道在西康線(xiàn)秦嶺、寧西線(xiàn)東秦嶺、蘭新線(xiàn)的烏鞘嶺隧道以及黔桂線(xiàn)、大麗線(xiàn)等干線(xiàn)鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)合30 t軸重重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道關(guān)鍵技術(shù)的研究，相關(guān)單位開(kāi)展了對(duì)我國(guó)客貨混運(yùn)鐵路無(wú)砟軌道應(yīng)用情況的調(diào)研工作，調(diào)研情況的總結(jié)分析表明:

1)國(guó)內(nèi)客貨混運(yùn)鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)及線(xiàn)路狀態(tài)總體情況良好。

秦嶺、白清、烏鞘嶺隧道內(nèi)彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)及線(xiàn)路狀態(tài)總體情況良好，相比有砟軌道，其維修工作量顯著減少。在渝懷線(xiàn)魚(yú)嘴2號(hào)隧道內(nèi)鋪設(shè)的長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)以及贛龍線(xiàn)楓樹(shù)排隧道板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，運(yùn)營(yíng)了貨物列車(chē)，軌道結(jié)構(gòu)及線(xiàn)路狀態(tài)總體情況也較好，達(dá)到了減少養(yǎng)護(hù)維修工作量的目的。

2)部分隧道內(nèi)隧底處理不當(dāng)以及防排水措施不完善是無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害的主要原因。

烏鞘嶺隧道內(nèi)由于隧道仰拱下未設(shè)排水設(shè)施、加之基底處理不當(dāng)?shù)仁┕ぴ驅(qū)е聫椥灾С袎K式無(wú)砟軌道出現(xiàn)兩處較大的道床下沉病害。黔桂線(xiàn)定水壩、銀洞坡隧道內(nèi)彈性支承塊式無(wú)砟軌道，由于前期施工質(zhì)量缺陷以及基底處理不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)道床板開(kāi)裂、支承塊傷損、套靴與支承塊間離縫，形成動(dòng)態(tài)空吊等病害，軌道結(jié)構(gòu)及線(xiàn)路狀況總體情況不良。

3)加強(qiáng)隧道內(nèi)無(wú)砟軌道施工質(zhì)量控制是保證運(yùn)營(yíng)階段少維修的一個(gè)前提條件。

客貨混運(yùn)條件下，雙塊式或長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道新老混凝土界面處為薄弱環(huán)節(jié)，施工處理不當(dāng)易產(chǎn)生開(kāi)裂、離縫、軌枕松動(dòng)等病害，因此應(yīng)加強(qiáng)施工控制，采取枕面粗糙處理、設(shè)置連接鋼筋等措施加強(qiáng)預(yù)制枕與現(xiàn)澆混凝土的粘結(jié)，道床板施工時(shí)加強(qiáng)枕底面混凝土的振搗密實(shí)。彈性支承塊式無(wú)砟軌道在軌排組裝階段則應(yīng)嚴(yán)格控制支承塊、橡膠套靴和枕下彈性墊板之間各界面的密貼，封閉支承塊和套靴之間的縫隙，控制現(xiàn)澆道床板的頂面標(biāo)高，避免出現(xiàn)支承塊空吊、離縫、軌距不良等運(yùn)營(yíng)病害。黔桂線(xiàn)定水壩、銀洞坡隧道內(nèi)彈性支承塊式無(wú)砟軌道以及遂渝線(xiàn)隧道內(nèi)雙塊式無(wú)砟軌道由于施工工藝和工程材料質(zhì)量方面的問(wèn)題出現(xiàn)過(guò)支承塊空吊、雙塊式軌枕松動(dòng)、道床板開(kāi)裂等病害。2011年7月遂渝線(xiàn)開(kāi)行貨車(chē)之后，上述病害現(xiàn)象的發(fā)生呈上升趨勢(shì)。

2 隧道內(nèi)重載鐵路無(wú)砟軌道選型原則

2.1 重載鐵路煤運(yùn)通道長(zhǎng)大隧道線(xiàn)路特點(diǎn)

結(jié)合我國(guó)山西中南部及蒙華鐵路煤運(yùn)通道工程概況，總結(jié)分析重載鐵路煤運(yùn)通道工程長(zhǎng)大隧道線(xiàn)路主要有以下特點(diǎn):

1)運(yùn)量高、軸重大

大秦和大包等重載鐵路的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，列車(chē)軸重的增加將帶來(lái)軌道部件傷損增多、軌道幾何狀態(tài)變化加快、軌道大中修周期縮短等不利影響。山西中南部及蒙華鐵路煤運(yùn)通道均按重載線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)劃，設(shè)計(jì)部分列車(chē)牽引質(zhì)量10 000 t，遠(yuǎn)期有可能開(kāi)行30 t軸重貨車(chē)，且年運(yùn)量也會(huì)非常大，高運(yùn)量、大軸重的運(yùn)營(yíng)條件，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的破壞作用可以預(yù)見(jiàn)。

2)橫向荷載大

目前山西中南部及蒙華重載鐵路煤運(yùn)通道隧道設(shè)計(jì)最小曲線(xiàn)半徑均為800 m，列車(chē)軸重的增加勢(shì)必造成橫向荷載的增大，不僅對(duì)扣件系統(tǒng)的軌距保持能力及抗傾覆性能提出更高要求，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性的要求也更為嚴(yán)格。

3)縱向荷載大

重載列車(chē)(特別是長(zhǎng)編組重載及組合列車(chē))對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的縱向荷載主要源于列車(chē)前后部制動(dòng)力差，其與列車(chē)軸重、車(chē)長(zhǎng)、編組方式、機(jī)車(chē)位置和配置、制動(dòng)系統(tǒng)的性能和參數(shù)、線(xiàn)路縱橫斷面參數(shù)等多種因素有關(guān)。山西中南部及蒙華重載鐵路煤運(yùn)通道隧道設(shè)計(jì)最大上坡6‰，最大下坡13‰，列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的縱向力要求扣件系統(tǒng)具有相適應(yīng)的縱向阻力，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)有較好縱向穩(wěn)定性。

4)污染嚴(yán)重

大秦鐵路運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明，煤粉對(duì)隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)污染嚴(yán)重，且清理難度較大，對(duì)軌道彈性產(chǎn)生不利影響。山西中南部及蒙華重載鐵路通道均為運(yùn)煤線(xiàn)路，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮煤粉對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響。

5)地質(zhì)條件復(fù)雜、部分地段地下水發(fā)育

山西中南部及蒙華重載鐵路煤運(yùn)通道隧道眾多，分布在我國(guó)各個(gè)不同省份，地質(zhì)條件復(fù)雜。長(zhǎng)大隧道內(nèi)的特點(diǎn)是溫度變化較小，且不受雨水侵蝕，可為無(wú)砟軌道鋪設(shè)提供良好的環(huán)境條件。但若隧道通過(guò)地段，地質(zhì)條件較差，隧道地下水發(fā)育，處理不當(dāng)將會(huì)對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)造成不利影響。

結(jié)合上述特點(diǎn)分析，我國(guó)重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的選擇必須與線(xiàn)路特點(diǎn)相適應(yīng)。

2.2 長(zhǎng)大隧道內(nèi)重載鐵路無(wú)砟軌道選型原則

為研究重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式，借鑒客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)無(wú)砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新研究成果，并結(jié)合線(xiàn)路特點(diǎn)，提出長(zhǎng)大隧道內(nèi)重載鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選型原則:

1)安全可靠性。在設(shè)計(jì)荷載作用下，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)具有足夠的承載強(qiáng)度儲(chǔ)備，線(xiàn)路應(yīng)保持安全、可靠的幾何狀態(tài)。

2)耐久性。結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)生命周期理念，設(shè)計(jì)中考慮長(zhǎng)期疲勞荷載，使無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足使用壽命要求。

3)良好的適應(yīng)性。軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)與隧道工程和軌道電路等站后工程有良好的適應(yīng)性，同時(shí)，應(yīng)與煤運(yùn)通道具體條件相結(jié)合。

4)良好的施工性能。針對(duì)隧道條件，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)便于組織和施工，制造和施工精度應(yīng)易于保證，同時(shí)應(yīng)能較易實(shí)現(xiàn)與有砟軌道的過(guò)渡。

5)較強(qiáng)的可修復(fù)性。在隧道工程變形超限、結(jié)構(gòu)部件損壞時(shí)，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的調(diào)整量和可修復(fù)性。

6)適宜的彈性。為減緩輪軌沖擊力對(duì)軌道和車(chē)輛的不利影響，一般要求無(wú)砟軌道要有與有砟軌道相近的軌道彈性。

7)合理的經(jīng)濟(jì)性。在滿(mǎn)足軌道結(jié)構(gòu)安全可靠性和耐久性等的前提下，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能降低建造成本，提高綜合效益。

3 重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道選型分析

通過(guò)國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用情況的調(diào)研可以看出，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)重載鐵路無(wú)砟軌道的應(yīng)用先例，世界范圍內(nèi)也僅有少數(shù)國(guó)家在重載線(xiàn)路上進(jìn)行了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的有益嘗試;總的來(lái)說(shuō)，重載鐵路無(wú)砟軌道領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)尚不豐富，技術(shù)尚待完善。因此，在進(jìn)行重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)選型時(shí)，有必要對(duì)國(guó)內(nèi)外重載和客貨共線(xiàn)鐵路典型的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)和分析。

3.1 單元板式無(wú)砟軌道

主要由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預(yù)制混凝土軌道板、砂漿充填層以及現(xiàn)澆鋼筋混凝土底座等部件構(gòu)成。

單元板式無(wú)砟軌道鋪設(shè)于客貨共線(xiàn)鐵路贛龍線(xiàn)楓樹(shù)排隧道和遂渝線(xiàn)無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段。目前，遂渝線(xiàn)開(kāi)行有25 t軸重貨運(yùn)列車(chē)。

結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有:結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，力學(xué)傳遞路徑明確;預(yù)制軌道板采用工廠(chǎng)化生產(chǎn)，可施加預(yù)應(yīng)力，質(zhì)量(混凝土裂紋控制、絕緣處理等)易于控制;現(xiàn)澆混凝土量少，預(yù)制件現(xiàn)場(chǎng)組裝，施工進(jìn)度快;外觀(guān)質(zhì)量整潔美觀(guān);結(jié)構(gòu)可修復(fù)性較好。

存在的不足有:鋪軌時(shí)，軌道狀態(tài)調(diào)整工作量略大;經(jīng)濟(jì)性一般;施工作業(yè)面相對(duì)較大，隧道內(nèi)施工存在一定困難;對(duì)小半徑曲線(xiàn)適應(yīng)性較差。

3.2 長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道

主要由混凝土道床板、整體式軌枕及配套扣件等部件構(gòu)成。長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)以現(xiàn)澆混凝土的方式將整體預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕埋入道床板中，使之成為整體，為保證軌枕與現(xiàn)澆道床的牢固連接，在軌枕上設(shè)橫向預(yù)留孔，使道床上層縱向鋼筋穿過(guò)，以增強(qiáng)其整體性。

長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道鋪設(shè)于客貨共線(xiàn)鐵路渝懷線(xiàn)魚(yú)嘴2號(hào)隧道、圓梁山隧道和遂渝線(xiàn)無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段道岔區(qū)，遂渝線(xiàn)開(kāi)行有25 t軸重貨運(yùn)列車(chē)。

結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有:結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，整體性好，軌距保持能力強(qiáng);經(jīng)濟(jì)性較好;道床混凝土灌注成型，均為常規(guī)施工工藝，利于掌握，軌枕單根設(shè)置，曲線(xiàn)適應(yīng)能力強(qiáng);可利用現(xiàn)有軌枕工廠(chǎng)，制造方便;軌枕的運(yùn)輸?shù)跹b方便。

存在的不足有:新老混凝土結(jié)合面較大;軌道結(jié)構(gòu)高度相對(duì)較大;施工質(zhì)量易受工具軌、扣件等因素影響;可修復(fù)性一般。

3.3 雙塊式無(wú)砟軌道

主要由混凝土道床板、雙塊式軌枕及配套扣件等部件構(gòu)成。工廠(chǎng)內(nèi)預(yù)制通過(guò)桁架鋼筋相連的雙塊式軌枕，施工時(shí)將雙塊式軌枕組裝成軌排，與現(xiàn)澆混凝土形成整體結(jié)構(gòu)。

雙塊式無(wú)砟軌道鋪設(shè)于襄渝線(xiàn)、遂渝線(xiàn)無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段等客貨混運(yùn)線(xiàn)路。目前，遂渝線(xiàn)開(kāi)行有25 t軸重貨運(yùn)列車(chē)。

結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)有:結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng);道床混凝土灌注成型，為常規(guī)施工工藝，便于施工;預(yù)制軌枕生產(chǎn)工藝?yán)谡莆?，具備成套生產(chǎn)設(shè)備;預(yù)制件較小，運(yùn)輸?shù)跹b方便;經(jīng)濟(jì)性較好。

存在不足有:新老混凝土結(jié)合面易產(chǎn)生裂紋，控制較困難;工具軌施工，施工質(zhì)量受工具軌、扣件等因素影響;可維護(hù)性一般。

3.4 直接式無(wú)砟軌道

直接式無(wú)砟軌道是現(xiàn)場(chǎng)灌注的鋼筋混凝土整體道床結(jié)構(gòu)，鋼軌直接通過(guò)扣件系統(tǒng)與道床連接。西班牙、南非、加拿大和荷蘭等國(guó)重載和高速線(xiàn)的橋隧結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的PACT無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式，以及美國(guó)HTL大軸重環(huán)線(xiàn)上鋪設(shè)DFST軌道都屬于直接式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)有:由于道床板全部為現(xiàn)澆混凝土，軌道結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng);道床結(jié)構(gòu)中無(wú)預(yù)制結(jié)構(gòu)，不存在新老混凝土結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度問(wèn)題。

存在不足有:現(xiàn)澆混凝土量大，施工速度相對(duì)較慢;對(duì)于軌距、高低、軌底坡等軌道幾何尺寸在施工時(shí)較難控制，尤其對(duì)于設(shè)置曲線(xiàn)超高或順坡等特殊區(qū)段;施工中對(duì)扣件連接件固定的精度要求高，施工出現(xiàn)的誤差只能通過(guò)扣件自身調(diào)整。

3.5 彈性支承塊式無(wú)砟軌道

彈性支承塊式無(wú)砟軌道是在兩個(gè)獨(dú)立(或有連接)混凝土支承塊的下部及四周設(shè)橡膠套靴，支承塊底部與套靴間設(shè)橡膠彈性墊層，套靴周?chē)嘧⒒炷炼尚偷囊环N無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式。

彈性支承塊式無(wú)砟軌道作為一種低振動(dòng)軌道結(jié)構(gòu)，在國(guó)外高速鐵路、客貨共線(xiàn)鐵路和城市軌道交通領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在我國(guó)干線(xiàn)鐵路隧道內(nèi)(如秦嶺、烏鞘嶺隧道等)累計(jì)鋪設(shè)300 km，開(kāi)行有最大軸重25 t貨運(yùn)列車(chē)。美國(guó)TTCI試驗(yàn)段開(kāi)行有軸重35.4 t重載列車(chē)。

結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)有:扣件和枕下墊板共同提供彈性，軌道結(jié)構(gòu)彈性好;支承塊之間相互獨(dú)立，曲線(xiàn)適應(yīng)性好;采用“自上而下”施工，工藝簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)有前期施工及使用經(jīng)驗(yàn);軌道結(jié)構(gòu)可修復(fù)性較好。

存在的不足有:橡膠套靴防水、防塵性能需進(jìn)一步研究;結(jié)構(gòu)中彈性元件耐久性問(wèn)題;軌道幾何形位的保持能力減弱。

4 結(jié)論

針對(duì)我國(guó)重載鐵路隧道特點(diǎn)，以上幾種典型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)性能綜合對(duì)比如表1所示。

表1 隧道內(nèi)重載無(wú)砟軌道方案比選

由以上各種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析及表1對(duì)比可以看出:

1)各種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)均具有較好的耐久性，并能實(shí)現(xiàn)少維修。

2)對(duì)于單元板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，軌道板下水泥乳化瀝青砂漿承受重載運(yùn)營(yíng)條件的適應(yīng)性仍有待研究;并且軌道結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性相對(duì)現(xiàn)澆道床結(jié)構(gòu)不具優(yōu)勢(shì)。

3)雙塊式、長(zhǎng)枕埋入式以及直接式無(wú)砟軌道均為現(xiàn)澆整體道床結(jié)構(gòu)，綜合性能較好。這3種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力體系基本相同，直接式無(wú)砟軌道施工性相對(duì)較差，并且對(duì)配套扣件系統(tǒng)要求較高，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。雙塊式與長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在我國(guó)客貨混運(yùn)的線(xiàn)路上有一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但這兩種軌道結(jié)構(gòu)彈性完全由扣件系統(tǒng)提供，針對(duì)重載運(yùn)營(yíng)條件，扣件的設(shè)計(jì)難度加大，且軌道結(jié)構(gòu)可維修性能一般。

4)彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)綜合性能良好，在我國(guó)客貨混運(yùn)線(xiàn)路隧道內(nèi)有一定規(guī)模的工程應(yīng)用，在施工和養(yǎng)護(hù)維修方面已積累了較多經(jīng)驗(yàn)。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和美國(guó)試驗(yàn)情況來(lái)看，總體狀態(tài)較好，是一種較為成熟的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式。彈性支承塊式無(wú)砟軌道通過(guò)在支承塊下和軌下設(shè)置雙層彈性墊層，使得軌道結(jié)構(gòu)整體彈性較好，有利于降低重載運(yùn)輸條件下的輪軌相互作用力并衰減對(duì)隧道基底的振動(dòng)沖擊，且相對(duì)剛性道床而言，混凝土支承塊破損、隧道發(fā)生局部病害后具有一定的可維修性。

綜合以上分析，根據(jù)我國(guó)新建重載鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，隧道內(nèi)無(wú)砟軌道在安全可靠性滿(mǎn)足要求的前提下，側(cè)重于可修復(fù)性、低動(dòng)力特性，以及從前期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的角度考慮，隧道內(nèi)彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為推薦方案;雙塊式和長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)可作為對(duì)比方案進(jìn)行研究。

對(duì)于彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)用于重載鐵路需重點(diǎn)研究解決軌道結(jié)構(gòu)剛度的合理匹配，彈性材料的耐久性以及重載運(yùn)營(yíng)條件下的軌距保持能力;雙塊式和長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)需開(kāi)展針對(duì)重載運(yùn)營(yíng)條件的研究設(shè)計(jì)和優(yōu)化，研究分析合理的剛度取值，設(shè)計(jì)配套扣件系統(tǒng)，并針對(duì)兩者新老混凝土結(jié)合面的粘結(jié)性能開(kāi)展理論分析和相關(guān)試驗(yàn)對(duì)比研究。

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