山西中南部鐵路30 t軸重重載技術(shù)方案設(shè)計(jì)研究

楊文東，韓　皓

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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山西中南部鐵路30 t軸重重載技術(shù)方案設(shè)計(jì)研究

楊文東，韓皓

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要：在介紹國內(nèi)外重載鐵路軸重現(xiàn)狀和發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，結(jié)合新建山西中南部鐵路通道建設(shè)，對30 t軸重重載鐵路線路、軌道、路基、橋梁及隧道工程技術(shù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的分析、總結(jié)，為開行30 t軸重重載列車提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；技術(shù)方案；軸重；設(shè)計(jì)

1概述

1.1山西中南部鐵路概述

山西中南部鐵路通道地處華北南部，西起山西呂梁，東至山東日照港，銜接南北向主要鐵路干線，形成一條新的“西煤東運(yùn)”的能源運(yùn)輸通道，也是我國東西向路網(wǎng)干線鐵路之一，對我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的能源安全保障作用。線路先后翻越呂梁山、太岳山、太行山及沂蒙山，途經(jīng)山西、河南、山東3省11市。正線全長1 260 km，配套建設(shè)與太焦、京廣、京九、京滬線的聯(lián)絡(luò)線。全線設(shè)27座車站。本線是我國第一條采用30 t軸重建設(shè)的重載鐵路。

1.2國內(nèi)外重載發(fā)展現(xiàn)狀

基于既有線的重載擴(kuò)能改造主要以壓縮行車時(shí)間和追蹤間隔、組織開行重載編組列車、加大牽引力、加固線橋設(shè)施、采用重型車輛等方面，而新建鐵路除上述措施外，重點(diǎn)在增加線橋等基礎(chǔ)設(shè)施荷載，即機(jī)車車輛軸重的增加，從而增加單位列車長度的載重量，降低每噸公里凈重單位消耗。

采用大軸重和大編組的重載單元列車，組織大宗貨物直達(dá)運(yùn)輸，具有非常好的經(jīng)濟(jì)性。增大軸重能夠顯著提高運(yùn)輸效率，從國際重載鐵路的發(fā)展趨勢看，重載鐵路定義的三大要素為列車牽引質(zhì)量、軸重和年運(yùn)量，而提高軸重是重載運(yùn)輸?shù)闹匾獦?biāo)志。

美國、加拿大、澳大利亞向35 t軸重及以上發(fā)展；巴西、澳大利亞普遍采用30 t軸重；南非、東澳大利亞窄軌鐵路已采用28 t(26 t)軸重，美國、澳大利亞進(jìn)行40 t軸重的運(yùn)行試驗(yàn)。詳見表1。

我國鐵路貨車技術(shù)經(jīng)過近60年的發(fā)展，軸重由11 t逐步提高到23 t(通用貨車)、25 t(專用貨車)，載重從30 t逐步提高到60、70 t以及80 t，并通過向澳大利亞、委內(nèi)瑞拉等國出口30、40 t軸重貨車，提高了我國重載貨車的設(shè)計(jì)、制造的技術(shù)水平。通過大秦線消化吸收與技術(shù)創(chuàng)新，解決了開行2萬t列車的制動(dòng)、通信、信號(hào)、電氣化、機(jī)車車輛檢查維修等相關(guān)技術(shù)難題。另有朔黃鐵路、包西鐵路包頭至神木段、張?zhí)畦F路等多條營運(yùn)或在建萬噸以上干線鐵路，軸重標(biāo)準(zhǔn)均為25 t及以下。

表1　國外重載鐵路主要技術(shù)指標(biāo)

1.3發(fā)展重載鐵路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢

軸重是鐵路車輛的一個(gè)標(biāo)志性指標(biāo)，隨著貨車軸重的增加，輪軌間的相互作用力不斷增強(qiáng)，車輛與軌道相互的破壞作用增強(qiáng)、軌道對軌道下部線路結(jié)構(gòu)的沖擊增大，從而導(dǎo)致列車和線路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及維修費(fèi)用增加。因此，合理的選取軸重，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營收入與車輛、線路維修費(fèi)用比值的最大化。

美國1980年～2000年發(fā)展重載運(yùn)輸20年間，雖然路網(wǎng)優(yōu)化后減少了40%，貨車數(shù)量減少了50%(淘汰舊車型)，運(yùn)行成本下降65%，運(yùn)價(jià)下降到2.5美分/噸英里，事故率降低，但市場份額卻增加了35%～41%。

根據(jù)公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在大秦鐵路通過發(fā)展重載鐵路，在企業(yè)效益上，2007年與2003年相比，運(yùn)量增長了149.6%，主營業(yè)務(wù)收入增長了305.8%，運(yùn)輸成本增長了329.6%，利潤增長了284%，總稅收增長了241%；在社會(huì)效益上，每年增運(yùn)5 000萬t煤炭，相當(dāng)于增加1個(gè)華北電網(wǎng)，17個(gè)裝機(jī)容量百萬千瓦小時(shí)的中型發(fā)電廠1年的耗煤量，可為國家增加工業(yè)產(chǎn)值1 200億元；在技術(shù)水平上，顯著提升了我國重載鐵路運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)裝備水平，推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步，取得了一系列技術(shù)創(chuàng)新的重要成果。

230 t軸重重載技術(shù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)原鐵道部、山西省、河南省關(guān)于《山西中南部鐵路通道湯陰東至日照南段初步設(shè)計(jì)及瓦塘至湯陰東段橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整補(bǔ)充初步設(shè)計(jì)的批復(fù)》(鐵鑒函[2010]844號(hào))意見，明確本項(xiàng)目活載標(biāo)準(zhǔn)采用ZH重載鐵路活載，Z值取1.2，即30 t軸重荷載的重載鐵路。結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，重點(diǎn)對30 t軸重重載鐵路站前土建工程相關(guān)技術(shù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、總結(jié)。

2.1線路標(biāo)準(zhǔn)

改善線路的基本參數(shù)，特別是減緩線路的限制坡度、加大最小曲率半徑，是各國改造重載運(yùn)輸線路、適應(yīng)列車軸重提高的重要方面。從北美、澳大利亞、巴西、南非等國的重載鐵路來看，線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定都是為了滿足重載運(yùn)輸要求和利于重載運(yùn)輸。

山西中南部鐵路采用主要線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為雙線電氣化鐵路，線路限制坡度，結(jié)合地形條件和相鄰路網(wǎng)，限制坡度洪洞北—湯陰東段采用6/13‰，湯陰東—日照南段采用6‰；最小曲率半徑一般為1 200 m，困難800 m；車站到發(fā)線有效長1 700 m、部分1 050 m。與重載鐵路規(guī)范(報(bào)批稿)對比分析，線路有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)滿足重載鐵路的有關(guān)要求。

2.2站場標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合運(yùn)輸需求，車站分布應(yīng)結(jié)合裝卸車點(diǎn)、集疏運(yùn)線路及車站之間能力匹配等因素綜合考慮。列車牽引質(zhì)量較大，且客車對數(shù)少，區(qū)間越行的列車對數(shù)少，車站宜采用較大站間距離，減少車站數(shù)量，其余車站設(shè)計(jì)與普通鐵路大致相同。

山西中南部鐵路按30 t軸重進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，列車牽引質(zhì)量采用10 000 t/5 000 t，到發(fā)線有效長相應(yīng)采用1 700 m/1 050 m；萬噸列車停靠的中間站和越行站正線道岔采用適合重載的18號(hào)道岔，正線間渡線采用12號(hào)道岔；其他車站正線道岔采用適合重載的12號(hào)道岔；到發(fā)線鋼軌采用50 kg/m，軌枕采用新Ⅱ型混凝土軌枕，扣件采用彈條I型扣件。

2.3軌道工程

軌道結(jié)構(gòu)直接承載重載列車的荷載，重載軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)重視鋼軌及道岔的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重載混凝土軌枕應(yīng)提高縱橫向阻力，扣件設(shè)計(jì)應(yīng)重視扣件的動(dòng)力性能。

山西中南部鐵路按30 t軸重進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，鋼軌采用60 kg/m全新耐磨淬火鋼軌。道岔針對本線研制了適用30 t軸重的60 kg/m、18號(hào)重載道岔(專線4308)和60 kg/m、12號(hào)(專線4307)重載道岔，道岔材質(zhì)采用合金鋼，導(dǎo)曲線半徑較普通道岔相應(yīng)提高。

軌枕采用Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕，扣件采用Ⅲ型軌枕相應(yīng)的扣件系統(tǒng)。為提高軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在有砟軌道道床頂面設(shè)計(jì)寬度由3.5 m改為3.6 m；采用特級材質(zhì)級配(粒徑16～63 mm)道砟，厚度為單層0.35 m，雙層0.5 m；500 m以上的隧道內(nèi)采用重載彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，無砟軌道道床板寬2.8 m，彈性支承塊軌枕，軌枕間距采用600 mm，彈性支承塊采用C50級普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，承軌面設(shè)1∶40軌底坡，型式尺寸為長680 mm(底部)×寬290 mm(底部)×高230 mm(軌下)；塊下墊板采用微孔彈性材料，橡膠套靴采用內(nèi)側(cè)面開槽方式提供縱、橫向彈性?？奂捎脧棗lⅦ型扣件，為彈性不分開式扣件。軌枕內(nèi)埋設(shè)預(yù)埋鐵座，在預(yù)埋鐵座上安裝T形螺栓緊固彈條，軌下設(shè)置彈性墊層進(jìn)行鋼軌高低的調(diào)整。

2.4路基工程

2.4.1基床

基床表層(厚度0.6 m)填料由原來的A組填料改為級配碎石。壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行了《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(報(bào)批稿)，較《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)有所提高。采用級配碎石時(shí)，應(yīng)符合以下技術(shù)要求：與上部道床道砟及與下部填土之間的顆粒級配應(yīng)滿足D15<4d85的要求，不能滿足要求時(shí)，基床表層可采用顆粒級配不同的雙層結(jié)構(gòu)，或在基床底層表面鋪設(shè)土工合成材料。當(dāng)下部填料采取化學(xué)改良時(shí)，可不受限制； 壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)采用壓實(shí)系數(shù)、地基系數(shù)或動(dòng)態(tài)變形模量作為控制指標(biāo)，其要求應(yīng)符合表2要求。

表2　基床表層的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4.2路基本體

基床以下路堤填料主要采用沿線A、B、C組土填筑，并充分利用隧道棄渣。當(dāng)高路堤采用C組土作填料時(shí)，要求提高其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并在邊坡中采用土工格柵加筋處理。

基床以下路堤填料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行了《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(報(bào)批稿)，較《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)有所提高，其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3　基床以下路堤填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4.3過渡段

路橋、路涵、堤塹過渡段形式原來按國鐵I級執(zhí)行，填料采用A組填料，壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行基床底層標(biāo)準(zhǔn)。按重載設(shè)計(jì)后，過渡段填料采用級配碎石摻適量水泥。

2.4.4路肩、路堤式支擋結(jié)構(gòu)

為減小列車動(dòng)應(yīng)力對支擋結(jié)構(gòu)的影響，路肩式支擋結(jié)構(gòu)盡量改為路堤式支擋結(jié)構(gòu)，按30 t的換算土柱對支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力檢算，滿足30 t軸重的結(jié)構(gòu)要求。

2.5橋梁工程

在大軸重作用下橋梁需要強(qiáng)化，一是增加承載能力；二是改善橋梁疲勞性能；三是保持橋上軌道的良好狀態(tài)。30 t軸重荷載采用“中-活載”(2005)中貨運(yùn)專線ZH活載圖式，荷載系數(shù)Z=1.2，荷載圖式見圖1。

圖1　荷載圖示

2.5.1橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)離心力系數(shù)

離心力仍采用《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)中的4.3.6條計(jì)算。但離心力的作用位置取軌頂以上由2.0 m處調(diào)整為2.2 m。

(2)橫向搖擺力

中活載：我國現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定橫向搖擺力取100 kN，作為一個(gè)集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。多線橋梁只計(jì)算任一線上的橫向搖擺力。ZH(Z=1.2)活載：本次鐵路重載橫向搖擺力的計(jì)算原則仍然沿用我國規(guī)范，為偏于安全計(jì)，搖擺力暫取120 kN。

(3)脫軌荷載

本線鐵路重載關(guān)于列車脫軌荷載的計(jì)算，在現(xiàn)行規(guī)范基礎(chǔ)上提高一定的安全儲(chǔ)備。按現(xiàn)荷載圖式與中-活載圖式中均布荷載的比值進(jìn)行提高，即提高系數(shù)為1.2倍。

2.5.2橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁部需在通橋(2005)2101客貨共線鐵路簡支T梁的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行調(diào)整，使結(jié)構(gòu)安全性滿足貨運(yùn)專線活載的要求，32 m和24 m梁的梁高增高10 cm，混凝土增加5%左右，普通鋼筋增加10%左右，鋼絞線增加10%左右；30 t軸重荷載樁基礎(chǔ)圬工較“中-活載”需增加5%～20%；其他方面基本不需要調(diào)整。設(shè)計(jì)采用簡支結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)。簡支梁采用晉中南橋2103系列標(biāo)準(zhǔn)梁，按照30 t軸重設(shè)計(jì)。

單雙線橋墩的截面尺寸不變，通過調(diào)整鋼筋布置，在常規(guī)力作用下單雙線橋墩的設(shè)計(jì)指標(biāo)均可滿足設(shè)計(jì)要求，在地震力檢算時(shí)，個(gè)別橋墩在考慮鋼筋的作用時(shí)，可滿足設(shè)計(jì)要求；由此可見，30 t軸重設(shè)計(jì)荷載對橋墩的工程數(shù)量除鋼筋稍微增加外，其余的影響不是很大。

橋臺(tái)重新調(diào)整原空心T形橋臺(tái)的臺(tái)身結(jié)構(gòu)尺寸，使臺(tái)身及下部基礎(chǔ)受力更安全、合理，但基本變化不大。

山西中南部鐵路通道在初步設(shè)計(jì)中采用ZH活載對樁基礎(chǔ)、擴(kuò)大基礎(chǔ)重新檢算，基礎(chǔ)類型選取了直曲線和不同震區(qū)進(jìn)行檢算，檢算結(jié)果為樁基圬工增加的幅度在5%～18%，樁基最小配筋面積基本保持不變，隨著樁基礎(chǔ)的圬工量的增加，樁基根數(shù)也發(fā)生變化，承臺(tái)的圬工數(shù)量也隨之增加。

2.6隧道工程

采用30 t軸重重載鐵路后，在隧道軌下斷面尺寸不變的情況下，隧道基底(包括仰拱及其填充層)承載力需進(jìn)一步加強(qiáng)，基底承載力要達(dá)到250 kPa以上。

根據(jù)本線地質(zhì)情況，對黃土及強(qiáng)風(fēng)化軟弱圍巖及含水率較高的粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂及膨脹土(巖)等隧道基底進(jìn)行處理。

對于土質(zhì)地層，采用劈裂注漿的機(jī)理，對仰拱下方一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，注漿孔按梅花形布置，注漿孔與仰拱面垂直，環(huán)、縱向間距150 cm×150 cm。注漿孔采用風(fēng)鉆開孔，孔徑50 mm。注漿管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的焊管，鋼管長5 m，注漿管采用鋼花管，注漿管應(yīng)埋設(shè)牢固，并有良好的止?jié){措施。注漿完畢后，用干稠水泥漿將注漿孔填滿搗實(shí)。注漿漿液材料采用(0.6～0.8)：1水泥漿液。注漿壓力按0.5～1.0 MPa。注漿布置如圖2所示。

圖2　雙線隧道土質(zhì)地層注漿布置(單位：cm)

對于富水軟弱不均、遇水變軟的石質(zhì)地層，采用滲透充填注漿的機(jī)理，對仰拱下方一定范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行加固，封堵水流通路。注漿孔按梅花形布置，注漿孔與仰拱面垂直，環(huán)、縱向間距200 cm×200 cm。注漿孔采用風(fēng)鉆開孔，孔徑50 mm。注漿管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的鋼花管，鋼管長3.5 m。注漿完畢后，用干稠水泥漿將注漿孔填滿搗實(shí)。注漿采用(0.6～0.8)：1水泥漿液。注漿壓力按0.5～1.0 MPa。注漿布置如圖3所示。

圖3　雙線隧道石質(zhì)地層注漿布置(單位：cm)

橋隧相連地段，考慮列車動(dòng)載作用，橋梁與隧道做成分離式結(jié)構(gòu)，避免靜、動(dòng)載受力模式不同，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

3結(jié)論

重載鐵路到目前還沒有頒布的規(guī)范可循，通過山西中南部鐵路的建設(shè)，對30t軸重重載鐵路站前土建工程相關(guān)技術(shù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、總結(jié)，包括線路、站場平面、縱斷面設(shè)計(jì)，重載鐵路無砟軌道、鋼軌、道岔及扣件，重載鐵路路基基床、過渡段及支擋結(jié)構(gòu)，重載鐵路橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重載鐵路隧道基底處理、支護(hù)措施等。

我國鐵路主要干線逐步實(shí)施客、貨分流，發(fā)展以大軸重為主要方向的鐵路重載運(yùn)輸，對加速貨運(yùn)能力提升，適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展有重要意義。山西中南部鐵路30 t軸重重載鐵路土建工程技術(shù)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為開行30 t大軸重重載列車提供技術(shù)保障，對我國重載鐵路的設(shè)計(jì)及建設(shè)管理有一定的借鑒意義。

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Approach to Technical Design of 30 t Axle Load Heavy Haul Railway in South Central Shanxi

YANG Wen-dong， HAN Hao

(China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：With reference to the current situations and development of heavy haul railway axle load at home and abroad and in accordance with the newly-built South Central Railway of Shanxi(SCRS)， this paper analyzes the engineering technical schemes in terms of alignment， track， roadbed， bridges and tunnels for 30 t axle load lines， providing technical support to the operation of 30 t axle load heavy haul trains.

Key words：Heavy haul railway; Technical scheme; Axle load; Design

中圖分類號(hào)：U212.33+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.001

文章編號(hào)：1004-2954(2015)04-0001-04

作者簡介：楊文東(1972—)，男，高級工程師，1996年畢業(yè)于上海鐵道大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：806734511@qq.com。

基金項(xiàng)目：鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃(2011G028-A，2012G002-1)

收稿日期：2014-08-06； 修回日期：2014-09-10