重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)選型設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)

李明領(lǐng)

(晉豫魯鐵路通道股份有限公司，山西太原 030045)

1 工程概況

新建山西中南部鐵路通道是國家一級重載鐵路，為目前國內(nèi)第一條設(shè)計軸重30 t的重載鐵路，設(shè)計為雙線，速度120 km/h。該線橫跨晉豫魯三省，全長1 267 km，其中隧道所占比重較大。目前我國既有鐵路隧道內(nèi)普遍采用整體道床，主要形式有彈性支承塊式、雙塊式、長枕埋入式三種，均是在重載鐵路隧道中首次應(yīng)用。由于該重載鐵路施工精度高，隧道內(nèi)作業(yè)空間小，工期緊，施工難度大，因此優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)形式和施工關(guān)鍵技術(shù)尤為重要。

山西中南部鐵路通道自山西省呂梁市興縣的瓦塘站引出，向南經(jīng)臨縣、柳林、蒲縣，折向東經(jīng)洪洞、長治，跨京廣線后引入湯陰東站，利用既有湯臺鐵路并增建第二線至臺前，再北跨京九線后向南跨越黃河，經(jīng)泰安、萊蕪、沂源、沂水至日照南站。全線共有201座隧道，總長度380 km。其中鋪設(shè)無砟軌道的隧道共83座，約280 km(雙線)，約占隧道總長度的73.7%。

2 無砟軌道結(jié)構(gòu)選型

2.1 無砟軌道結(jié)構(gòu)基本組成及技術(shù)特點

目前國內(nèi)尚無重載鐵路無砟軌道的工程實踐。我國前期客貨混運線路隧道內(nèi)采用的無砟軌道結(jié)構(gòu)主要有雙塊式、長枕埋入式和彈性支承塊式三種。

1)雙塊式無砟軌道

隧道內(nèi)雙塊式無砟軌道(圖1)主要由鋼軌、彈條扣件、雙塊式軌枕等組成。軌枕由工廠預(yù)制，施工時將軌枕組裝成軌排，以現(xiàn)場澆筑混凝土的方式將軌枕澆入鋼筋混凝土道床內(nèi)。

圖1 雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)

雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點為:結(jié)構(gòu)整體性較強、施工工藝簡單;預(yù)制軌枕生產(chǎn)工藝易于掌握，已有成套生產(chǎn)設(shè)備且運輸?shù)跹b方便;經(jīng)濟性較好。其主要不足為:道床板與軌枕新老混凝土結(jié)合面易產(chǎn)生裂紋，裂紋控制較困難;采用工具軌施工，施工質(zhì)量受工具軌、扣件等的影響;運營期間難以修復(fù)。

2)長枕埋入式無砟軌道

長枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu)(圖2)主要包括混凝土道床板、穿孔軌枕及配套扣件。長枕埋入式無砟軌道采用預(yù)應(yīng)力長軌枕，澆入鋼筋混凝土道床中，為了保證軌枕與道床的連接，在軌枕上設(shè)5個橫向預(yù)留孔，道床上層用縱向鋼筋穿過增強其整體性。

圖2 長枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu)

長枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點為:結(jié)構(gòu)形式簡單、整體性好、軌距保持能力強;經(jīng)濟性好;道床混凝土灌注成型，均為常規(guī)施工工藝，易于掌握;軌枕制造、運輸?shù)跹b方便。其主要不足為:新老混凝土結(jié)合面面積較大，裂紋控制較困難;預(yù)制軌枕的自重較大，與雙塊式無砟軌道相比，運輸、組裝鋪設(shè)難度較大。

3)彈性支承塊式無砟軌道

隧道內(nèi)彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)(圖3)組成主要包括混凝土道床板、彈性支承塊(混凝土支承塊、橡膠靴套、塊下膠墊)及配套扣件。

圖3 彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)

彈性支承塊式無砟軌道是在雙塊式軌枕(或兩個獨立支承塊)的下部及周圍設(shè)橡膠或其它彈性復(fù)合材料套靴，軌枕塊底部與套靴間設(shè)橡膠彈性墊層，套靴周圍灌注混凝土而成形的一種無砟軌道結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點為:軌道結(jié)構(gòu)彈性好;施工工藝簡單;結(jié)構(gòu)可修復(fù)性能較好;預(yù)制件吊裝方便。其主要不足有:套靴防水、防塵性能差;結(jié)構(gòu)中彈性元件耐久性問題;軌道幾何形位的保持能力相對較弱。

2.2 無砟軌道性能對比分析

由前文分析可以看出，三種無砟軌道結(jié)構(gòu)均具有良好的安全可靠性，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計后均可適用于重載鐵路運營條件。但針對本線運營特點，從低動力特性、可修復(fù)性以及良好的耐久性等方面進行無砟軌道結(jié)構(gòu)的選型分析。

1)雙塊式和長枕埋入式

這兩種軌道結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)澆枕式整體道床結(jié)構(gòu)，軌道彈性主要由扣件系統(tǒng)提供。重載運輸條件下，扣件結(jié)構(gòu)若要起到保持軌距的作用并且彈性墊層具有良好的抗疲勞耐久性，則扣件彈性墊層的剛度不應(yīng)過低。這使得軌道整體剛度較大，列車沖擊荷載將會加劇，對軌道結(jié)構(gòu)整體性和耐久性產(chǎn)生不利影響。此外，軌枕和道床板新老混凝土結(jié)合面易產(chǎn)生裂紋，其受力特性尚需進一步的理論分析和試驗對比研究。

目前我國客貨混運線路中，雙塊式和長枕埋入式無砟軌道尚無大規(guī)模使用經(jīng)驗，軌道結(jié)構(gòu)長期適宜性尚缺乏運營實踐檢驗。據(jù)相關(guān)資料顯示，遂渝線幾座隧道鋪設(shè)了雙塊式無砟軌道，通行貨車幾年后2011年不同程度地出現(xiàn)了軌枕松動、道床板裂紋;渝懷線幾座隧道鋪設(shè)了長枕埋入式無砟軌道，2005年開通運營，自2011年4月起出現(xiàn)了整體道床下沉、軌枕松動、嚴重冒漿等病害，使得線路幾何尺寸變化大。此外，這兩種無砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生病害后維修困難。

2)彈性支承塊式

彈性支承塊式無砟軌道在混凝土支承塊下和軌下設(shè)置有彈性墊層，其軌道整體彈性較好，有利于降低重載運輸條件下的輪軌相互作用力，改善軌道結(jié)構(gòu)的受力環(huán)境。

彈性支承塊式無砟軌道已成功應(yīng)用于西康線秦嶺隧道和蘭武二線烏鞘嶺隧道等客貨混運線路，累計鋪設(shè)已超過300 km。秦嶺隧道和烏鞘嶺隧道已開通運營近10年，在隧道基底穩(wěn)固地段，彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)良好。此外，相比雙塊式而言，混凝土支承塊破損、隧道基底發(fā)生局部病害后，可修復(fù)性更好。

綜上所述，彈性支承塊式無砟軌道綜合性能良好，且在我國客貨混運線路隧道內(nèi)有一定規(guī)模的工程應(yīng)用，在施工和養(yǎng)護維修方面已積累了較多經(jīng)驗，是一種較為成熟的結(jié)構(gòu)形式。另外，相對剛性道床而言，混凝土支承塊破損、隧道發(fā)生局部病害后具有一定的可修復(fù)性。因此，山西中南部鐵路通道隧道內(nèi)選用彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

3 彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 結(jié)構(gòu)尺寸

1)彈性支承塊

彈性支承塊由混凝土支承塊、橡膠套靴和微孔橡膠墊板三個部件組成，各部件工廠化生產(chǎn)，具體尺寸見圖4。

圖4 彈性支承塊尺寸(單位:mm)

2)道床板

道床板寬2 800 mm，一般厚度為390 mm(可根據(jù)隧底標(biāo)高適當(dāng)調(diào)整)，頂面設(shè)1.0%的人字形排水坡;曲線地段根據(jù)實設(shè)超高確定，頂面排水坡不小于1.0%。

3.2 配筋

道床板直接澆筑于隧道仰拱上，采用雙層配筋，鋼筋采用φ20和φ16，縱向鋼筋末端采用彎鉤錨固在橫向鋼筋上，彎鉤直線段長度不應(yīng)小于100 mm?；炷猎O(shè)計強度等級為C40，道床板范圍的隧道底板或仰拱回填層需進行拉毛或鑿毛處理。

3.3 縱向連接形式及伸縮縫設(shè)置

距隧道洞口200 m范圍內(nèi)道床板采用6 580 mm和12 000 mm兩種長度分塊澆筑，在距隧道洞口200 m范圍以外洞內(nèi)，采用連續(xù)澆筑和6 580 mm分塊澆筑兩種形式。在隧道沉降縫處縱向鋼筋斷開，并設(shè)置伸縮縫。相鄰兩塊道床板間設(shè)置寬20 mm的伸縮縫，采用聚乙烯泡沫型板材或泡沫橡膠板填縫，在表面30～40 mm深度范圍內(nèi)采用聚氨酯或瀝青密封。

3.4 無砟軌道過渡段

過渡段設(shè)置在隧道內(nèi)，其中有砟軌道長度30 m;自過渡段無砟軌道和有砟軌道分界處，向有砟軌道方向30 m范圍內(nèi)用聚氨酯道砟膠對道砟分別進行全部或部分粘結(jié)，具體粘結(jié)方案為:①與無砟軌道相接的有砟軌道10 m范圍內(nèi)全斷面粘結(jié);②與無砟軌道相接的有砟軌道10～20 m范圍內(nèi)砟肩及軌枕底面10 cm以下部分斷面粘結(jié);③洞口10 m有砟軌道范圍內(nèi)軌枕底面10 cm以下部分斷面粘結(jié)。

4 無砟軌道結(jié)構(gòu)與隧底銜接設(shè)計

通過對既有線隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)破壞原因的分析，并結(jié)合多次專家會商意見發(fā)現(xiàn)，隧底的可靠度是軌道結(jié)構(gòu)完好性的關(guān)鍵。因此，設(shè)計時結(jié)合地下水、工程地質(zhì)條件對隧道基底進行加強是必要的。

4.1 隧底加固設(shè)計

根據(jù)對大秦線、朔黃線等既有重載鐵路隧道的調(diào)查，在列車荷載、地下水作用下，以及受當(dāng)時施工工藝、施工質(zhì)量等的影響，部分隧道出現(xiàn)了鋪底開裂、損壞、翻漿冒泥等現(xiàn)象。當(dāng)鐵路列車軸重增加、運量提高以后，基底結(jié)構(gòu)與基巖之間更易產(chǎn)生空洞。尤其是對于含水的軟弱圍巖和土質(zhì)地層，在列車荷載的作用下，其物理性能指標(biāo)和承載力將明顯降低，加劇了隧底結(jié)構(gòu)開裂、下沉以及翻漿冒泥等病害的發(fā)生。因此，山西中南部鐵路通道列車軸重提高后，須對含水的軟弱圍巖及土質(zhì)隧道底部進行地基加固以減少病害，確保無砟軌道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性及行車安全。隧底加固原則為:①基底加固處理段落應(yīng)主要根據(jù)隧底圍巖特征及地下水賦存狀態(tài)，并考慮隧道支護形式等綜合確定。②對含水的土質(zhì)基底、土石界面的隧道仰拱下基底采用鋼管樁、注漿加固處理。③對于富水軟巖、軟弱不均地段的隧道仰拱下部可采用注漿處理。④現(xiàn)場注漿施工工藝是決定隧底加固處理成敗的關(guān)鍵，應(yīng)對已開展的基底加固工藝性試驗進行充分的分析總結(jié)，以完善實施方案及指導(dǎo)大面積施工。

工藝性試驗經(jīng)驗表明:注漿漿液擴散至隧底縫隙，充填圍巖裂隙，起到加固圍巖的作用，對施工造成的隧底虛渣也可有效包裹，注漿后仰拱與圍巖可以緊密接觸，提高基底強度;注漿還可以有效阻止地下水對隧底圍巖顆粒的沖刷，避免形成隧底空洞。

4.2 完善排水系統(tǒng)

鋪設(shè)無砟軌道的隧道設(shè)置完善的隧底排水系統(tǒng)非常重要。無砟軌道排水設(shè)計應(yīng)結(jié)合隧道排水系統(tǒng)綜合考慮。隧底排水設(shè)計應(yīng)結(jié)合地下水情況，并考慮施工難以避免的一些影響因素，要形成完善的排水系統(tǒng)。對有水隧道隧底預(yù)設(shè)置中心水溝，要采用深排水溝且盡量靠無砟軌道側(cè)設(shè)置，以利于無砟軌道底水的釋放。隧道排水系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 無砟軌道隧道排水系統(tǒng)示意(單位:cm)

5 無砟軌道施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 彈性支承塊預(yù)制質(zhì)量控制

1)預(yù)制鋼模。鋼模的剛度、尺寸、平整性及預(yù)埋件固定系統(tǒng)是保證支承塊各部分形狀、尺寸、平整性和預(yù)埋件準確性的關(guān)鍵。鋼模的制造極限偏差應(yīng)為支承塊成品極限偏差的1/2，應(yīng)嚴格驗收進場。

2)預(yù)埋鐵座及安裝。預(yù)埋鐵座表面應(yīng)潔凈平整，修邊整齊，不應(yīng)出現(xiàn)任何分裂、剝落或者剝離現(xiàn)象，顏色應(yīng)均勻。預(yù)埋鐵座應(yīng)有生產(chǎn)廠家出廠合格證明書，并應(yīng)符合設(shè)計要求和相關(guān)技術(shù)條件規(guī)定。預(yù)埋鐵座安裝后下列參數(shù)必須滿足設(shè)計要求:①兩軌底外側(cè)預(yù)埋鐵座間的距離;②同一軌底內(nèi)外側(cè)預(yù)埋鐵座距離;③預(yù)埋鐵座支承面至軌面高度;④預(yù)埋鐵座與承軌面的垂直度;⑤預(yù)埋鐵座內(nèi)側(cè)面與承軌面縱向中心線的垂直度等。

3)橡膠套靴及微孔橡膠墊板。橡膠套靴及微孔橡膠墊板生產(chǎn)質(zhì)量極為重要，必須保證其耐磨耗、耐老化、抗疲勞性能，同時要保持墊板變形和靜剛度的穩(wěn)定性。橡膠套靴原材料為三元乙丙或氯丁膠，微孔橡膠墊板原材料為三元乙丙膠，嚴禁摻加再生膠;橡膠套靴表面應(yīng)潔凈平整，修邊整齊，不應(yīng)出現(xiàn)任何分裂、剝落或者剝離現(xiàn)象，顏色應(yīng)均勻，各項指標(biāo)應(yīng)符合技術(shù)條件要求。進行駐廠監(jiān)造，嚴格出廠和進場檢驗。

4)底面平整度。成型后的支承塊(圖6)底面平整度要求在±1 mm內(nèi)。通過試制表明，在生產(chǎn)節(jié)奏不快時，可通過人工抹面保證。但事實表明，受工作面的限制，這一方法卻不適用于批量生產(chǎn)，所以底面平整度這一指標(biāo)須通過機械打磨實現(xiàn)。

圖6 成型后彈性支承塊

5.2 整體道床施工必備條件

無砟軌道施工前6項必備條件:①隧道基底加固處理、第三方檢測質(zhì)量缺陷及缺陷整治。檢測部件包括隧道內(nèi)預(yù)埋件、過軌管線等;②隧道滲漏水檢查，包括隧道排水系統(tǒng)溝槽與預(yù)留泄水孔;③隧道沉降變形觀測;④精測網(wǎng)的建立與評估;⑤無砟軌道施工組織設(shè)計及作業(yè)指導(dǎo)書;⑥無砟軌道設(shè)計圖紙、技術(shù)交底。

5.3 軌道施工關(guān)鍵工序及控制要點

5.3.1 工裝設(shè)備配置及檢查

合理配置工裝設(shè)備是保證無砟軌道施工進度和精度的關(guān)鍵。結(jié)合本線隧道實際情況，主要采用軌排框架工裝，具體工裝設(shè)備配置如表1。

5.3.2 施工工藝流程(圖7)

5.3.3 軌排精調(diào)

軌排精調(diào)是關(guān)鍵工序，對軌道的幾何尺寸、最終位置能否達到設(shè)計及驗收標(biāo)準的要求起著決定性的作用。精調(diào)方法:①使用專用調(diào)整扳手配合精調(diào)小車測量系統(tǒng)進行軌道精確調(diào)整。根據(jù)測量小車電腦顯示數(shù)據(jù)(可顯示到0.1 mm)，調(diào)整豎向支撐螺桿，通過轉(zhuǎn)動豎向螺桿，垂直調(diào)整軌道高程，通過調(diào)整軌排兩側(cè)撐桿，實現(xiàn)水平調(diào)整。在曲線地段，調(diào)整時可能產(chǎn)生水平位置和高度的沖突，因此必須在垂直及水平兩方向同時進行調(diào)整，最終保證各項軌道高低及中線參數(shù)的偏差值不超過0.5 mm，并且越小越好。②使用接頭夾板將軌道排架連接起來，保證接頭的平順性。③軌排精調(diào)測量測點應(yīng)設(shè)在軌排支撐位置，保證鋼軌及其接頭的平順。

表1 主要工裝設(shè)備(一套)

圖7 隧道內(nèi)彈性支承塊式無砟軌道施工流程

精調(diào)檢查:利用CPⅢ點，使用軌檢小車和全站儀逐一檢測每根軌枕處的軌面高程、軌道中線位置、軌道平順度等幾何狀態(tài)，全站儀測角標(biāo)稱精度不應(yīng)大于1″，測距標(biāo)稱精度不應(yīng)大于 2 mm+2D×10－6，D為距離，km。精調(diào)后軌排允許偏差應(yīng)符合下列規(guī)定:軌面高程(以一股鋼軌為準)與設(shè)計高程允許偏差±2 mm;軌道中線(以一股鋼軌為準)與設(shè)計中線允許偏差為2 mm;線間距允許偏差為0～+5 mm;軌距偏差為±1 mm;高低、水平、軌向偏差均按±1 mm控制。

5.3.4 施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)

彈性支承塊式整體無砟道床采用軌排框架法施工，施工精度要求高，軌排鋪設(shè)跨度大，工序多且干擾大，其中軌排驗收、鋼筋布置、軌排架設(shè)及混凝土澆筑是關(guān)鍵。

1)軌排(含工具軌)驗收。軌排進場后對其工具軌、軌距、軌底坡等進行檢查驗收。工具軌端部平整度≤0.3 mm/1 m;鋼軌中部平整度≤0.4 mm/1 m;工具軌高度≤－2 mm;軌面寬度≤－2 mm且表面無裂紋、損傷等;軌距偏差≤±1 mm，軌距變化率不得大于1‰;軌底坡按1/38～1/40控制。

2)鋼筋安裝。按照設(shè)計圖紙設(shè)置道床板鋼筋網(wǎng)，特別是支承塊周圍箍筋安裝高度與支承塊間距應(yīng)符合設(shè)計要求;鋼筋交叉及搭接處設(shè)置小型絕緣卡，道床板鋼筋架設(shè)完畢后，應(yīng)進行絕緣性能測試，符合要求后方可進行下一步施工。

3)軌排架設(shè)及粗調(diào)。龍門吊從組裝平臺上吊起軌排緩慢平穩(wěn)地運至施工地點，按中線和高程進行粗略定位，誤差控制在高程－10～0 mm，中線±10 mm。相鄰軌排用夾板聯(lián)接，每接頭4套螺栓，初步擰緊，軌縫控制在6～10 mm。初步就位后用軌向鎖定器鎖定軌排水平方向后開始進行軌排粗調(diào)。調(diào)整原則:先中線后高程。調(diào)整方法:左右調(diào)節(jié)軌向鎖定器中線對中，旋動豎向支撐螺桿調(diào)整高程。粗調(diào)完成后軌面高低允許偏差為0～－5 mm，軌道中線允許偏差為±5 mm。粗調(diào)完成后相鄰兩排架間按1-3-4-2順序擰緊接頭螺栓。

4)混凝土澆筑?；炷翝仓耙扇∮行Т胧┓乐够炷翆奂④壵?、鋼軌污染，以保證軌道精調(diào)精度。應(yīng)嚴格控制道床板混凝土的塌落度，一般在140～160 mm，灌注時沿線路縱向由支承塊一側(cè)邊澆筑邊振搗，直至混凝土從彈性支承塊底部流出。對彈性支承塊下及四周應(yīng)加強振搗，確保無氣泡、空洞，同時避免搗固棒接觸橡膠套靴和軌排。加強軌排桁架底部的收光抹面措施，保證道床板的平整度要求，高程允許誤差3 mm。道床板混凝土表面不得高于橡膠套靴帽檐的下邊緣，嚴禁混凝土掩埋橡膠套靴?；炷翝仓戤叄鶕?jù)初凝時間，及時解除扣件約束，防止混凝土收縮開裂。

6 結(jié)論及建議

本文以山西中南部鐵路通道重載鐵路隧道工程為依托，通過對我國客貨混運線路無砟軌道結(jié)構(gòu)形式的比選及對無砟軌道整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)的分析，得出如下結(jié)論:

1)彈性支承塊式無砟軌道綜合性能良好，滿足重載鐵路對無砟軌道彈性和可修復(fù)性的要求，可作為中南部重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道首選結(jié)構(gòu)形式。

2)無砟軌道結(jié)構(gòu)只有建立在隧道基底穩(wěn)定基礎(chǔ)上才能保證其長期穩(wěn)定性。

3)精密控制網(wǎng)是保證無砟軌道結(jié)構(gòu)施工精度和質(zhì)量的關(guān)鍵。

4)彈性支承塊套靴和彈性墊板材質(zhì)及安裝質(zhì)量是無砟軌道抗列車沖擊和抗疲勞能力、使用壽命、維修量及列車運行平穩(wěn)性的關(guān)鍵。

建議:

1)針對鋪設(shè)無砟軌道的隧道地質(zhì)和結(jié)構(gòu)狀況，完善隧道排水系統(tǒng)設(shè)計。一是對于雙線隧道應(yīng)設(shè)中心水溝;二是優(yōu)化側(cè)溝溝底標(biāo)高及位置，以確保無砟整體道床底部水順暢排泄到側(cè)溝。

2)我國目前尚無重載鐵路無砟軌道的設(shè)計與施工經(jīng)驗。山西中南部通道無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工參數(shù)尚需進一步研究和試驗驗證。

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