重載鐵路隧道內(nèi)基床整修線路架空技術(shù)

宣言（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京　100081）

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重載鐵路隧道內(nèi)基床整修線路架空技術(shù)

宣言
（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081）

摘要對(duì)重載鐵路隧道內(nèi)基床病害整治時(shí)架空線路的方法進(jìn)行了分析，研制出一種可在重載鐵路隧道內(nèi)架空線路的專用便梁結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)試用結(jié)果表明，該便梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，整體性好，安裝快捷方便，提高了施工效率，縮短了施工周期。便梁結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)（包括安全性）滿足25 t軸重、2萬t重載列車以45 km/h速度通行的運(yùn)營(yíng)要求，顯著提高了基床病害整治天窗修期間重載列車通過速度。

關(guān)鍵詞重載鐵路；架空線路；施工整治；動(dòng)力性能

1　線路架空技術(shù)分析

近年來，大秦重載線路運(yùn)量急劇增加。部分隧道基底在動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生裂縫甚至破碎，加之有些排水系統(tǒng)經(jīng)長(zhǎng)期淤積失去作用，積水經(jīng)水溝縫隙侵入道床，使隧道鋪底、仰拱及整體道床發(fā)生下沉、上鼓等病害。目前的基床病害根治辦法主要是架空線路后進(jìn)行大修。

我國(guó)運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)線路架空基本結(jié)構(gòu)形式有縱扣軌、橫扣軌、吊軌及組合軌束梁?，F(xiàn)在軌束梁已大多用型鋼或D型便梁的橫梁代替。在隧道內(nèi)進(jìn)行大范圍的大修施工時(shí)，線路必須分段加固，逐次倒移，以采用橫扣軌結(jié)構(gòu)形式最為便捷，應(yīng)用最為廣泛。

上述各種形式均為松散個(gè)體的簡(jiǎn)單連接，穩(wěn)定性差。隧道內(nèi)基床病害整治架空線路時(shí)行車速度須在15～25 km/h。列車司機(jī)以不超過25 km/h的速度操控1萬t及2萬t組合列車非常困難，尤其是在坡道地段很容易造成停車，對(duì)運(yùn)輸組織非常不利，施工過程中需要的看護(hù)、檢查、補(bǔ)強(qiáng)的人工數(shù)量較大。施工整治時(shí)若使用路基施工便梁或軍用便梁，則結(jié)構(gòu)體積和質(zhì)量過大，不具備在隧道內(nèi)施工的可操作性。因此提高大秦重載線路隧道基床病害整治時(shí)的列車通過速度是目前急需解決的難題。為此，對(duì)既有的線路架空施工方法進(jìn)行了總結(jié)分析后，研發(fā)了一種整體性和穩(wěn)定性良好、便于隧道內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)施工的通用線路架空方案和相應(yīng)的便梁結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2. 1基本原則和流程

在保證線路架空后軌道幾何尺寸、線路剛度、穩(wěn)定性和重載貨物列車通過時(shí)安全的條件下，兼顧現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)空間狹窄，長(zhǎng)大物件搬運(yùn)困難的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)時(shí)須控制施工便梁?jiǎn)渭?gòu)件質(zhì)量和長(zhǎng)度。研發(fā)過程中，首先根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用靜力計(jì)算確定設(shè)計(jì)參數(shù)，選定設(shè)計(jì)方案。然后通過有限元仿真計(jì)算和動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)不斷加以改進(jìn)。

2. 2基本計(jì)算參數(shù)

1）列車豎向動(dòng)力系數(shù)

考慮到隧道內(nèi)作業(yè)場(chǎng)所、人工搬運(yùn)和拼裝、施工作業(yè)效率等因素，便梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)跨度暫定為6 m。沖擊系數(shù)取值采用《鐵路橋梁搶修（建）技術(shù)規(guī)程》（鐵計(jì)［2002］100號(hào)）第3. 3. 6條規(guī)定，即1 +μ= 1 + 28φ/ （40 + L），L為跨度，這里為支點(diǎn)間距，取5. 5 m。設(shè)計(jì)速度取60 km/h，則φ= 0. 75，1 +μ= 1. 462。

2）離心力

便梁結(jié)構(gòu)在曲線上時(shí)，列車離心力作用于軌頂以上2 m處。離心力的大小等于列車豎向靜活載乘以離心力率C，C = V2/（127R）= 0. 071。列車速度初步設(shè)計(jì)按60 km/h考慮，曲線半徑R按大秦線最小半徑400 m取值。

3）制動(dòng)力或牽引力

制動(dòng)力或牽引力對(duì)于直線段便梁結(jié)構(gòu)，按列車豎向靜活載的10％計(jì)算，但當(dāng)與離心力或列車豎向動(dòng)力作用同時(shí)計(jì)算時(shí)，制動(dòng)力或牽引力按列車豎向靜活載的7％計(jì)算。制動(dòng)力或牽引力作用在軌頂以上2 m處。

4）列車的橫向搖擺力

列車的橫向搖擺力取為100 kN，作為一個(gè)集中荷載，取最不利位置，以水平方向作用在鋼軌頂面。

5）外荷載組合及容許應(yīng)力提高系數(shù)（表1）

表1　外荷載組合及容許應(yīng)力提高系數(shù)

2. 3橫梁與主梁連接方式

橫梁與主梁連接按其豎向相對(duì)位置可分為上承式、下承式和中承式3種。根據(jù)主梁和橫梁豎向位置中承式也可分為高位和底位2種布置方式。橫梁與主梁連接方式對(duì)比見表2。綜合比選后采用高位中承式結(jié)構(gòu)，構(gòu)件布置見圖1。中承式結(jié)構(gòu)橫梁端部與主梁側(cè)面全斷面拼接。主梁與橫梁采用對(duì)接式拼接，以便于采用拼裝沖釘使橫梁與主梁對(duì)位。

表2　橫梁與主梁連接布置方式對(duì)比

圖1　高位中承式便梁構(gòu)件布置（單位：mm）

2. 4橫梁（鋼枕）與鋼軌連接方式

一般采用齒狀楔形扣板扣件連接鋼軌和D型便梁鋼枕。在侯月線上行寺西1#隧道進(jìn)行了23 t軸重貨物列車試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)扣件彈程不足。隨后設(shè)計(jì)了彈條扣件作為鋼軌與便梁的連接體，將焊有彈條扣件鐵座的鋼底板，通過M24摩擦型高強(qiáng)螺栓與橫梁上翼緣連接?？紤]到要在曲線上使用，鋼底板上設(shè)長(zhǎng)圓孔以靈活調(diào)整軌距，通過摩擦傳力。帶長(zhǎng)圓孔底座板扣件如圖2所示。

圖2　帶長(zhǎng)圓孔底座板扣件示意

2. 5主梁支承處構(gòu)造

便梁結(jié)構(gòu)共有4個(gè)支點(diǎn)位置，單個(gè)支點(diǎn)最大支反力為362. 5 kN。主梁下翼緣底面在支座處設(shè)置連接鋼板，每個(gè)支座處設(shè)置4個(gè)M16預(yù)埋化學(xué)錨栓，滿足100 kN橫向力作用時(shí)的強(qiáng)度要求，用以將主梁縱、橫向受力傳至基礎(chǔ)。支座豎向高度采用特制橡膠墊板調(diào)整。

3　仿真結(jié)果分析

建立三維有限元模型，主梁、橫梁及鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，便梁兩側(cè)各考慮6 m左右軌道結(jié)構(gòu)，不考慮道床的縱向和橫向阻力。便梁結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支約束。

1）主梁豎向靜撓度

HXD3 + C80作用下，主梁跨中豎向靜撓度為5. 83 mm，撓跨比為1 /926；中-活載特種活載作用下，跨中豎向靜撓度為6. 42 mm，撓跨比為1 /841，撓跨比均滿足＜1 /600的要求。

2）主梁、橫梁強(qiáng)度及穩(wěn)定性

HXD3 + C80活載各組合下以及中-活載特種活載各組合下，主梁、橫梁控制應(yīng)力小于材料容許應(yīng)力。主梁、橫梁腹板剪應(yīng)力最大為64. 5 MPa，小于基本容許剪應(yīng)力。主梁、橫梁強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性滿足要求，各板件寬厚比可保證局部穩(wěn)定性滿足使用要求。

3）結(jié)構(gòu)橫向自振頻率

不考慮鋼軌及相鄰軌排對(duì)結(jié)構(gòu)橫向自振頻率的貢獻(xiàn)，計(jì)算可得結(jié)構(gòu)橫向自振頻率為23 Hz，滿足f＞45 /L0. 5= 11. 7 Hz的橫向剛度要求。

4）動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用動(dòng)力學(xué)分析軟件NUCARS建立車輛-軌道-橋梁結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力學(xué)分析模型，車輛采用大秦線主型貨車C80，軸重25 t。輪軌接觸模型采用實(shí)時(shí)輪軌接觸模型。軌道不平順采用大秦線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮較不利工況，行車速度分別按25，45，60 km/h共3個(gè)級(jí)別計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，各動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)整體趨勢(shì)均隨速度增加而增加。安全性指標(biāo)中脫軌系數(shù)較小，不會(huì)影響行車安全；減載率變化幅度較大，60 km/h通過時(shí)最大為0. 55，滿足限值（0. 8）要求。

4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4. 1試驗(yàn)概況

為減少對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊?，選擇了運(yùn)量較小的聯(lián)絡(luò)線路基段進(jìn)行試驗(yàn)。該線每天通行4列25 t軸重、2萬t編組貨物列車?？紤]較不利運(yùn)用工況，選取曲線半徑600 m線路，超高設(shè)置為110 mm。試驗(yàn)前進(jìn)行了路基地質(zhì)勘測(cè)（砂黏土B級(jí)）和地基承載力測(cè)試。

試驗(yàn)前對(duì)該線路區(qū)段進(jìn)行了大機(jī)搗固作業(yè)。為對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)前進(jìn)行了正常線路測(cè)試，試驗(yàn)列車最高速度45. 8 km/h。之后進(jìn)行了4 d施工便梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的測(cè)試，試驗(yàn)列車最高速度48. 3 km/h。

4. 2正常線路測(cè)試結(jié)果

正常線路測(cè)試期間共采集到6組有效數(shù)據(jù)。列車通過正常線路時(shí)的安全性指標(biāo)見表3，輪軌力見表4，軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形見表5。

表3　列車通過正常線路時(shí)的安全性指標(biāo)

表4　列車通過正常線路時(shí)的輪軌力　kN

表5　列車通過正常線路時(shí)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形mm

4. 3施工便梁測(cè)試結(jié)果

便梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)測(cè)試期間共采集到18組有效數(shù)據(jù)，其中25～30 km/h有3列，30～35 km/h有8列，35～40 km/h有3列，40～50 km/h有4列，最高速度達(dá)到48. 3 km/h。具體數(shù)據(jù)見表6—表10。

表6　列車通過施工便梁時(shí)的安全性指標(biāo)

表7　列車通過施工便梁時(shí)的輪軌力　kN

表8　列車通過施工便梁時(shí)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形mm

表9　列車通過施工便梁時(shí)梁體動(dòng)態(tài)變形　mm

表10　列車通過施工便梁時(shí)的應(yīng)力　MPa

4. 4測(cè)試結(jié)果分析

由表3—表10可知：

1）內(nèi)外軌脫軌系數(shù)均滿足規(guī)范中規(guī)定的第二限度（1. 0）。與列車通過正常線路時(shí)安全性指標(biāo)相比略有增大，但在安全限值以內(nèi)。表明該便梁結(jié)構(gòu)滿足25 t軸重、2萬t編組貨物列車安全運(yùn)營(yíng)要求。

2）列車通過施工便梁時(shí)，內(nèi)外軌水平力相差不大，且與列車通過正常線路時(shí)內(nèi)外軌水平力基本相當(dāng)；內(nèi)外軌垂直力均略小于列車通過正常線路時(shí)內(nèi)外軌垂直力。

3）列車通過施工便梁時(shí)，鋼軌橫移與列車通過正常線路時(shí)基本相當(dāng)，鋼軌垂移略大于列車通過正常線路時(shí)的，主要由便梁變形引起。

4）內(nèi)縱梁垂向位移大于外縱梁。

5）縱梁和橫梁上翼緣均承受壓應(yīng)力，下翼緣承受拉應(yīng)力。內(nèi)縱梁受力大于外縱梁，端橫梁受力大于中橫梁。

6）便梁的縱梁和橫梁上下翼緣應(yīng)力測(cè)試結(jié)果均小于Q345qD基本容許彎曲應(yīng)力240 MPa，滿足材料性能要求。

綜上所述，各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果表明施工便梁動(dòng)力性能能夠滿足25 t軸重、2萬t編組貨物列車以45 km/h通過的要求。

5　結(jié)論

1）研制的架空線路方案和便梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便易行，可快速拼裝。該結(jié)構(gòu)能保證線路架空時(shí)的軌道幾何尺寸、線路剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)空間狹窄、長(zhǎng)大物件搬運(yùn)困難的情況。

2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明列車通過時(shí)各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)滿足25 t軸重的2萬t列車以45 km/h速度通行的要求。

3）使用該便梁結(jié)構(gòu)，在3 h天窗內(nèi)能夠完成結(jié)構(gòu)整體移動(dòng)，減少了看護(hù)和檢查工作量，架空線路施工整治的單元施工周期由9～10 d縮短至6 d，施工效率提高了30％以上。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任審編李付軍）

Technology to form Track in Suspension State by Support During Bedding Maintenance of Heavy Haul Railway Tunnel

XUAN Yan
（Railway Science Technology Research and Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

AbstractT he overhead line method of heavy haul railway tunnel during the period of bedding diseases treatment was studied and a special beam structure for the overhead line in the heavy haul railway tunnel has been developed. T he field trial results showed that the beam structure has such characteristics as high strength，good integrity and convenient assembling，which could improve the construction efficiency and shorten the construction period. Each dynamic performance index of beam structure including the safety could meet the operational requirements when 20 000 t heavy haul train with the 25 t axle load is running at speed of 45 km /h and could greatly improve the heavy haul train passing speed during the skylight maintenance of the bedding diseases treatment.

Key wordsHeavy haul railway；Overhead lines；Construction regulation；Dynamic performance

中圖分類號(hào)U216. 6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 36

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0137-04

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-04-21

基金項(xiàng)目：鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃（2011G016-B）；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金（2011YJ66）

作者簡(jiǎn)介：宣言（1972—），男，副研究員，博士。