嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基地段無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)

楊靖東

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基地段無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)

楊靖東

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

嚴(yán)寒地區(qū)鋪設(shè)無(wú)砟軌道面臨極端氣溫低、年溫差大、季節(jié)性凍害和雪害等不利條件。本文結(jié)合環(huán)境氣候特點(diǎn)和工程特征，通過(guò)軌道結(jié)構(gòu)選型研究、無(wú)砟軌道試驗(yàn)段鋪設(shè)試驗(yàn)、軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)路基地段無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵材料的技術(shù)指標(biāo)。

嚴(yán)寒地區(qū) 高速鐵路 無(wú)砟軌道 設(shè)計(jì)

1 工程概況

哈大客運(yùn)專線沈陽(yáng)至哈爾濱段為我國(guó)在嚴(yán)寒地區(qū)修建的首條高速鐵路，設(shè)計(jì)最高速度350 km/h。哈大客專正線一次鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路，正線鋪設(shè)無(wú)砟軌道長(zhǎng)929.892 km，區(qū)間鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道，道岔區(qū)鋪設(shè)軌枕埋入式及雙塊式無(wú)砟軌道。

本地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，極端最低溫度為 －32.9℃ ～－39.9℃，最冷月平均氣溫為－15.1℃ ～－17.5℃，軌溫變化幅度90℃ ～100℃。季節(jié)最大凍土深度1.37～2.05 m，最大積雪厚度17～30 cm，屬于嚴(yán)寒地區(qū)。

2 嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

1)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵材料和部件，如瀝青水泥砂漿調(diào)整層、軌道板、凸臺(tái)樹(shù)脂、嵌縫材料等，如何適應(yīng)－40℃的低溫條件是無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2)高速鐵路對(duì)基礎(chǔ)的沉降要求較高，無(wú)砟軌道地段路基工后沉降≤15 mm。嚴(yán)寒地區(qū)路基經(jīng)受周期性的凍融循環(huán)破壞，易引起路基凍漲、軌道變形的控制因素多，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)高鐵路基的防凍要求。

3)高速道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件較多，對(duì)基礎(chǔ)的變形和受力要求較高，國(guó)內(nèi)高鐵路基上道岔區(qū)無(wú)砟軌道通常采用整體性好的連續(xù)結(jié)構(gòu)，但在嚴(yán)寒地區(qū)混凝土道床裂縫控制難度大。冬季道床積雪凍害嚴(yán)重，裂縫更容易產(chǎn)生和發(fā)展，裂縫滲水凍脹或鋼筋銹蝕后會(huì)加速裂縫的擴(kuò)展，影響混凝土道床板的耐久性。

3 路基地段無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)研究及設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選擇

結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)環(huán)境氣候和工程特點(diǎn)，主要對(duì)雙塊式、Ⅰ型板式、Ⅱ型板式無(wú)砟軌道進(jìn)行綜合比選。

1)可修復(fù)性

本地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，最大積雪厚度30 cm，季節(jié)性凍害和雪害嚴(yán)重，特殊氣象條件、線下工程變形超限等引起結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，無(wú)砟軌道應(yīng)有較強(qiáng)的可修復(fù)性。

2)良好的彈性

無(wú)砟軌道的彈性主要靠扣件提供，只有相配套的扣件具備有良好的彈性，才能減少?zèng)_擊振動(dòng)，減少輪軌磨耗，改善基礎(chǔ)的受力條件，確保線路的高平順性和剛度均勻性。Ⅰ型板式軌道采用低彈模的瀝青水泥砂漿，結(jié)構(gòu)整體彈性較好。

3)合理的經(jīng)濟(jì)性

無(wú)砟軌道的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)為初期投資和養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。據(jù)估算，雙塊式無(wú)砟軌道每公里初期投資約420萬(wàn)元，Ⅰ型板式無(wú)砟軌道每公里初期投資約520萬(wàn)元，Ⅱ型板式無(wú)砟軌道每公里初期投資約590萬(wàn)元。Ⅰ型板式軌道初期投資適中，且便于維修，對(duì)運(yùn)營(yíng)影響小，綜合效益較好。

4)推薦意見(jiàn)

從環(huán)境氣候、基礎(chǔ)條件、施工、可修復(fù)性以及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合分析，Ⅰ型板式軌道板為工廠預(yù)制的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)抗裂性好，耐久性高;現(xiàn)場(chǎng)為組裝式施工，受環(huán)境氣候影響小，施工質(zhì)量和過(guò)程容易控制，施工進(jìn)度較快;基礎(chǔ)發(fā)生較大變形時(shí)，可通過(guò)板下瀝青砂漿層方便調(diào)整，軌道可修復(fù)性較強(qiáng);軌道初期投資適中。經(jīng)綜合比較，Ⅰ型板式無(wú)砟軌道對(duì)寒冷氣候條件的適應(yīng)性強(qiáng)。

3.2 CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)

哈大客運(yùn)專線沈哈段為國(guó)內(nèi)外首次在嚴(yán)寒地區(qū)鋪設(shè)的CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道。通過(guò)軌道關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)研究，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2.1 軌道板

軌道板為軌道結(jié)構(gòu)的主要受力部件，一般地區(qū)采用的軌道板為厚190 mm后張法預(yù)應(yīng)力混凝土平板結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼筋斷裂及封錨砂漿脫落幾率高。本項(xiàng)目通過(guò)先張法及后張法2種預(yù)應(yīng)力體系軌道板的試鋪試驗(yàn)，確定了合理的軌道板類型及可靠的預(yù)應(yīng)力體系，優(yōu)化了軌道板的結(jié)構(gòu)尺寸及細(xì)部構(gòu)造。改進(jìn)后的軌道板厚200 mm，設(shè)置高2 cm承軌臺(tái)，提高了結(jié)構(gòu)耐久性及防冰雪能力，便于軌道維修和鋼軌焊接，減小對(duì)軌道電路的影響;通過(guò)采用熱擠塑預(yù)應(yīng)力鋼棒，優(yōu)化錨穴結(jié)構(gòu)，改進(jìn)封錨砂漿材料及施工工藝，提高了軌道板預(yù)應(yīng)力體系的可靠性。

3.2.2 瀝青水泥砂漿調(diào)整層

瀝青水泥砂漿為板式軌道的關(guān)鍵部件，為軌道板與底座間的調(diào)整層，起支承、傳力及調(diào)整作用。瀝青水泥砂漿調(diào)整層主要由瀝青、砂漿干粉、外加劑及水組成，材料性能對(duì)氣候條件較為敏感，可移植性差。

本項(xiàng)目結(jié)合國(guó)內(nèi)的原材料標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)瀝青水泥砂漿調(diào)整層進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過(guò)在成高子無(wú)砟軌道試驗(yàn)段對(duì)5種砂漿調(diào)整層進(jìn)行的試鋪試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了軌道關(guān)鍵材料對(duì)嚴(yán)寒氣候條件的適應(yīng)性，提出了針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的瀝青水泥砂漿的技術(shù)指標(biāo)，主要包括低溫抗裂性、低溫折壓比、低溫彈性模量及抗疲勞性能指標(biāo)，詳見(jiàn)表1。研制的耐寒型瀝青水泥砂漿適應(yīng)－40℃的低溫條件，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，耐久性高。

表1 嚴(yán)寒地區(qū)瀝青水泥砂漿技術(shù)指標(biāo)

3.2.3 底座

一般地區(qū)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道路基上底座長(zhǎng)度約20 m，但嚴(yán)寒地區(qū)低溫條件下混凝土底座裂縫很難控制，容易引起凸臺(tái)樹(shù)脂與軌道板離縫。本項(xiàng)目提出路基上底座每隔10 m設(shè)置伸縮縫，在伸縮逢處設(shè)置傳力桿的措施，不僅減少了底座裂縫，保證了底座混凝土的穩(wěn)定性和耐久性，而且避免了底座伸縮縫開(kāi)裂和凸臺(tái)樹(shù)脂與軌道板離縫。

3.2.4 軌道線間排水

一般地區(qū)路基上無(wú)砟軌道排水采用在線間設(shè)置集水井及路基本體埋設(shè)排水管的排水方式，不僅影響路基本體穩(wěn)定，且在嚴(yán)寒地區(qū)容易引起路基凍害。嚴(yán)寒地區(qū)采用混凝土底座預(yù)埋橫向排水管的排水方式，避免了路基凍脹的風(fēng)險(xiǎn)。

直線地段每隔30 m在兩線軌道底座各預(yù)埋一道排水鋼管(圖1)，將水引入路基兩側(cè)路基面;曲線地段每隔15 m在曲線內(nèi)側(cè)軌道底座預(yù)埋一道排水鋼管，將水引入曲線內(nèi)側(cè)路基面，排水管下游位置設(shè)置擋水墻。

圖1 CRTSⅠ型板式軌道排水設(shè)施

3.2.5 路基面封閉

由于本地區(qū)沿線冬季漫長(zhǎng)、季節(jié)性凍害較為嚴(yán)重，地表水下滲對(duì)路基凍漲影響較大，故在軌道線間及兩側(cè)路基面采用C25纖維混凝土封閉。

但因路基面混凝土封閉層縱橫向伸縮縫、無(wú)砟軌道道床與底座接縫以及軌道與混凝土封閉層間接縫封閉不嚴(yán)，仍容易引起地表水下滲。加之路基面混凝土接縫通常采用的瀝青嵌縫材料冬縮夏軟，低溫季節(jié)容易與混凝土基面脫離并產(chǎn)生微小縫隙。

為了滿足寒冷地區(qū)路基面接縫嵌縫材料較高的防水封閉要求，適應(yīng)極端最低氣溫低、溫差大的特殊條件，提出了針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)在－40℃低溫條件下拉伸黏結(jié)性、斷裂延伸率及彈性回復(fù)率技術(shù)指標(biāo);采用新型聚氨酯嵌縫材料不僅具備良好的耐候、耐久性，溫度穩(wěn)定性、位移能力及耐疲勞性能，而且具有較好的黏結(jié)性及延展性，對(duì)基層裂縫的變形適應(yīng)性好，確保了接縫防水封閉效果較好。

3.3 大號(hào)碼道岔區(qū)無(wú)砟軌道

大號(hào)碼高速道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件較多，構(gòu)件長(zhǎng)、質(zhì)量重，對(duì)基礎(chǔ)的變形和受力要求較高，國(guó)內(nèi)高鐵路基上道岔區(qū)無(wú)砟軌道通常采用整體性好的連續(xù)結(jié)構(gòu)，但在嚴(yán)寒地區(qū)混凝土道床裂縫控制難度大。

長(zhǎng)春西站鋪設(shè)的2組62號(hào)單渡線道岔，為國(guó)內(nèi)首次鋪設(shè)的最大號(hào)碼道岔，側(cè)向通過(guò)速度為230 km/h，單組道岔長(zhǎng)201 m，單渡線道岔道床長(zhǎng)約660 m，最大寬度為8.8 m。

針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)特大號(hào)碼道岔特點(diǎn)，路基上道岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟軌道采用單元結(jié)構(gòu)(圖2)，通過(guò)合理設(shè)置道床及底座單元、伸縮縫減少溫度應(yīng)力，控制結(jié)構(gòu)裂縫;通過(guò)在伸縮縫處設(shè)置傳力桿控制結(jié)構(gòu)豎向位移、提高結(jié)構(gòu)整體性，該結(jié)構(gòu)較好地解決了嚴(yán)寒地區(qū)大號(hào)碼道岔區(qū)長(zhǎng)大混凝土道床裂縫控制問(wèn)題，保證了高速道岔運(yùn)行平穩(wěn)舒適、安全可靠。道床單元?jiǎng)澐謶?yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)啬隃夭罴暗啦斫Y(jié)構(gòu)組成確定，伸縮縫應(yīng)避免在轍叉及尖軌轉(zhuǎn)轍機(jī)部位，一般地段單元長(zhǎng)度≤12 m，轍叉及尖軌部分單元長(zhǎng)度≤18 m。

圖2 道岔區(qū)單元結(jié)構(gòu)伸縮縫(單位:mm)

4 結(jié)語(yǔ)

嚴(yán)寒地區(qū)路基地段無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮環(huán)境氣候特點(diǎn)及路基工程特征，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵材料和部件不僅要適應(yīng)環(huán)境氣候條件，同時(shí)應(yīng)滿足高鐵路基變形要求。主要包括以下幾點(diǎn):

1)瀝青水泥砂漿調(diào)整層、凸臺(tái)樹(shù)脂、嵌縫材料及混凝土是無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料和部件，其性能指標(biāo)應(yīng)適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)低溫環(huán)境。

2)嚴(yán)寒地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，極端氣溫低，年溫差大，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制難度較大。為了減少溫度應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)耐久性，無(wú)砟軌道宜采用單元結(jié)構(gòu)，預(yù)制軌道板宜采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆混凝土道床及底座應(yīng)合理劃分單元長(zhǎng)度，設(shè)置伸縮縫。

3)嚴(yán)寒地區(qū)季節(jié)性凍害和雪害嚴(yán)重，受周期性的凍融循環(huán)影響，易引起路基凍漲，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)及防排水措施應(yīng)滿足高鐵路基的防凍要求。

［1］何華武．無(wú)碴軌道技術(shù)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［2］趙國(guó)堂．高速鐵路無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2006．

［3］楊洪生．高寒地區(qū)路基土凍脹影響因素研究［J］．黑龍江交通科技，2012(2):52-53．

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［7］蔣小萍，方良斌．聚氨酯砂漿在西營(yíng)專用輸水渠伸縮縫中的應(yīng)用［J］．甘肅水利水電技術(shù)，2012(9):51-52．

Design on ballastless track in subgrade section on high speed railway in frigid region

YANG Jingdong

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Laying ballastless track in frigid region often meets adverse conditions，such as extreme low temperature，huge annual temperature difference，seasonal frost and snow disaster．Combining with the environment and climate characteristics and engineering features，this paper presented the technical index for structure form，design scheme and key materials which adapt to the ballastless track in the subgrade section of frigid region through rail structure selection study，ballastless track laying test and track structure optimization design．

Frigid region;High speed railway;Ballastless track;Design

U213．2+44

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．24

1003-1995(2014)10-0096-03

2014-06-06;

2014-08-20

楊靖東(1973— )，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)