時(shí)速160 km以下雙層集裝箱運(yùn)輸鐵路有砟軌道隧道內(nèi)輪廓研究

韓現(xiàn)民，陳時(shí)玉，馬　濤

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊　050043；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

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時(shí)速160 km以下雙層集裝箱運(yùn)輸鐵路有砟軌道隧道內(nèi)輪廓研究

韓現(xiàn)民1，陳時(shí)玉1，馬濤2

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊050043；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

摘要：目前運(yùn)營時(shí)速160 km以下(雙箱運(yùn)輸)有砟軌道隧道內(nèi)輪廓難以滿足大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械(特別是大型清篩機(jī))作業(yè)空間需求，通過對新建時(shí)速160 km以下電氣化鐵路(雙箱運(yùn)輸)有砟軌道隧道的建筑限界、接觸網(wǎng)懸掛方式及布置、大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械空間需求、軌道結(jié)構(gòu)形式、側(cè)溝及電纜槽設(shè)置等內(nèi)輪廓影響因素進(jìn)行綜合分析，確定單雙線鐵路有砟軌道隧道內(nèi)輪廓控制性尺寸、擬定內(nèi)輪廓方案，通過對各型內(nèi)輪廓方案的結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性及施工便利性比較，給出推薦方案，為通用圖編制和納入規(guī)范奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：時(shí)速160 km以下鐵路；鐵路隧道；雙層集裝箱運(yùn)輸；大機(jī)養(yǎng)護(hù)；隧道內(nèi)輪廓

目前時(shí)速160 km以下鐵路隧道內(nèi)輪廓主要沿用20世紀(jì)70、80年代的研究成果。隨著電氣化鐵路普及和高效大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械應(yīng)用，原有隧道內(nèi)輪廓尺寸出現(xiàn)了一定的局限性，難以滿足新技術(shù)、新設(shè)備的需求。

原鐵道部于2012年7月30日下發(fā)的《鐵道部關(guān)于明確時(shí)速120 km及以下鐵路隧道設(shè)計(jì)要求的通知》(鐵建設(shè)[2012]159號)要求“新建時(shí)速120 km及以下鐵路采用有砟軌道時(shí)，隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)應(yīng)滿足大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)要求”。

關(guān)于鐵路隧道內(nèi)輪廓空間尺寸研究，散見于少量公開發(fā)表成果。《日本土木工程手冊·隧道》[1]對隧道斷面形狀制定作出了原則性規(guī)定：“為適應(yīng)隧道的用途，鐵路隧道要符合建筑限界并預(yù)留必要的限界以外的富余量”，“對鐵路隧道，在鐵路車輛限界之外還設(shè)有建筑限界，要求在建筑限界外再留10～15 cm的富余量，用來設(shè)計(jì)隧道的凈斷面”。周心培[2]在對雙線電氣化鐵路隧道內(nèi)輪廓優(yōu)化研究中指出，內(nèi)輪廓要滿足力學(xué)、整體性能之外，還應(yīng)利于提高施工效率；李煜川等[3]針對時(shí)速120 km及以下鐵路單線隧道，分析了大型清篩機(jī)作業(yè)空間要求，依據(jù)斷面大小、結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行了內(nèi)輪廓型式的比選；馬志富[4]針對隧道內(nèi)大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械從加寬隧道斷面道砟槽寬度、鋪設(shè)無砟軌道入手，提出了加大隧道斷面標(biāo)準(zhǔn)；趙勇，江勝林等[5，6]從結(jié)構(gòu)受力、溝槽布置等方面對客運(yùn)專線隧道內(nèi)輪廓尺寸進(jìn)行了優(yōu)化分析；劉超群[7]從結(jié)構(gòu)受力、空氣動力學(xué)等方面對磁懸浮鐵路隧道內(nèi)凈空進(jìn)行了優(yōu)化。

雙層集裝箱運(yùn)輸形式作為鐵路貨物運(yùn)輸?shù)闹饕l(fā)展方向，因其運(yùn)輸效率高、成本低而受到青睞[8，9]。隨著我國鐵路建設(shè)規(guī)模的發(fā)展，對時(shí)速160 km以下鐵路隧道開展全面深化研究就顯得日益重要且緊迫，而對于作為鐵路隧道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的隧道內(nèi)輪廓制定也就首當(dāng)其沖。

1考慮大機(jī)養(yǎng)護(hù)下時(shí)速160 km以下鐵路隧道內(nèi)輪廓影響因素

影響雙箱運(yùn)輸、有砟軌道隧道內(nèi)輪廓尺寸和形狀的主要因素有隧道建筑限界、接觸網(wǎng)懸掛方式及布置、大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械作業(yè)空間要求、軌道結(jié)構(gòu)形式及布置、水溝電纜槽布置，并考慮結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性及施工便捷性等。

1.1雙箱運(yùn)輸條件下隧道建筑限界

時(shí)速160 km以下客貨共線鐵路雙層集裝箱隧道建筑限界(電力牽引段)參見《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》[10]，如圖1所示。其中接觸網(wǎng)彈性懸掛結(jié)構(gòu)高度y在時(shí)速160 km以下時(shí)取700 mm。

圖1　雙層集裝箱運(yùn)輸橋隧建筑限界(單位：mm)

1.2接觸網(wǎng)懸掛方式及布置

目前時(shí)速160 km以下電氣化鐵路采用全補(bǔ)償鏈型懸掛，單線隧道內(nèi)多采用弓形腕臂安裝方式，雙線隧道內(nèi)多采用三角腕臂安裝方式。開行雙層集裝箱列車的線路，接觸線距軌面的最低高度取6 330 mm。

1.3隧道大機(jī)養(yǎng)護(hù)空間要求

大型養(yǎng)路機(jī)械具有效率高，作業(yè)后線路質(zhì)量均衡、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。目前鐵路路基、橋梁地段廣泛采用大型養(yǎng)路機(jī)械對有砟軌道進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。但大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械中的清篩機(jī)受既有隧道內(nèi)輪廓制約而無法在隧道內(nèi)使用。

隧道常用450系列(中型)、650系列(大型)全斷面道砟清篩機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　QS-450型、QS-650型全斷面道砟清篩機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)相關(guān)要求及調(diào)研情況，大型清篩機(jī)在隧道內(nèi)的作業(yè)空間要求為：線路中線至隧道水溝側(cè)壁水平凈距不小于2 200 mm；軌枕底道砟厚度不宜小于350 mm。

1.4軌道結(jié)構(gòu)形式及布置

時(shí)速160 km以下客貨共線鐵路隧道內(nèi)有砟軌道鋼軌一般采用高為176 mm的60 kg/m無螺栓孔新鋼軌；軌枕一般采用2.6 m長Ⅲa型有擋肩混凝土軌枕，隧道線路中心線至水溝、電纜槽邊緣距離不小于150 cm；道床采用一級碎石道砟，隧道地段為單層道床，道床厚度為350 mm。

因此隧道內(nèi)有砟軌道的軌道結(jié)構(gòu)高度按766 mm控制，考慮大型清篩機(jī)作業(yè)空間要求，寬度按單線4 400 mm、雙線8 400 mm控制。

1.5側(cè)溝及電纜槽

側(cè)溝置于靠隧道中線側(cè)、電纜槽置于外側(cè)可減少仰拱深度及工程量，有利于墻腳結(jié)構(gòu)受力。電纜槽凈尺寸按20 cm(高)×24 cm(寬)設(shè)計(jì)，側(cè)溝凈尺寸按高56 cm(高)×30 cm(寬)設(shè)計(jì)，有砟軌道靠近線路中心線側(cè)溝壁加厚，設(shè)計(jì)為20 cm厚(單側(cè)構(gòu)造配筋)。

綜上，接觸線距軌面的最低高度取6 330 mm，有砟軌道內(nèi)軌頂面至道床底面高度按照766 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，單線有砟軌道兩側(cè)溝之間寬度按4 400 mm控制，雙線為8 400 mm。

2雙箱運(yùn)輸、有砟軌道隧道內(nèi)輪廓擬定

為尋找結(jié)構(gòu)受力合理、工程經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的隧道內(nèi)輪廓型式，對雙箱運(yùn)輸、有砟軌道的單雙線隧道各擬定了兩種內(nèi)輪廓斷面型式，通過對隧道結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性及施工便利性等進(jìn)行綜合比較，以獲取最優(yōu)的隧道內(nèi)輪廓型式。

依據(jù)雙層集裝箱隧道建筑限界(電力牽引段)、接觸網(wǎng)高度、大型清篩機(jī)作業(yè)空間需求及軌道布設(shè)情況，單線有砟軌道(雙箱)隧道內(nèi)輪廓擬定了兩種型式，如圖2、圖3所示。其中A型內(nèi)輪廓為五心圓，軌面以上面積40.83 m2、總面積50.30 m2；B型內(nèi)輪廓為七心圓，軌面以上面積43.33 m2、總面積52.97 m2。

圖2　單線有砟隧道A型內(nèi)輪廓(單位：cm)

圖3　單線有砟軌道隧道B型內(nèi)輪廓(單位：cm)

雙線有砟軌道(雙箱)隧道內(nèi)輪廓擬定了兩種型式，如圖4、圖5所示。其中A型內(nèi)輪廓為三心圓，軌面以上面積76.76 m2、總面積94.09 m2；B型內(nèi)輪廓為五心圓，軌面以上面積78.60 m2、總面積96.84 m2。

圖4　雙線有砟軌道隧道A型內(nèi)輪廓(單位：cm)

圖5　雙線有砟軌道隧道B型內(nèi)輪廓(單位：cm)

3雙箱運(yùn)輸、有砟軌道隧道內(nèi)輪廓比選

3.1各型內(nèi)輪廓型式結(jié)構(gòu)安全性比較

各型內(nèi)輪廓型式隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性依照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)[10]的破損階段法進(jìn)行檢算，力學(xué)模型為二維“荷載-結(jié)構(gòu)”模型，檢算所采用的圍巖荷載為松散壓力，荷載選取主要依據(jù)規(guī)范中4.3.1條，圍巖力學(xué)參數(shù)參考規(guī)范中3.2.8條選取。支護(hù)參數(shù)參照原鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院2008年發(fā)布的設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h隧道襯砌類型選取，并據(jù)此計(jì)算松散荷載。

單雙線有砟軌道隧道各型內(nèi)輪廓型式下襯砌結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算結(jié)果見表2。對于單雙線有砟軌道隧道，綜合考慮各種襯砌類型，各型內(nèi)輪廓型式下隧道二襯結(jié)構(gòu)安全性皆滿足規(guī)范要求，安全性排序皆為B>A，但差別不大。

3.2各型內(nèi)輪廓型式經(jīng)濟(jì)性比較

內(nèi)輪廓型式的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，可選取內(nèi)輪廓斷面面積、內(nèi)輪廓周長等主要指標(biāo)以及內(nèi)輪廓高度、寬度等輔助指標(biāo)來進(jìn)行比較。內(nèi)輪廓斷面面積可用來核算隧道每延米內(nèi)輪廓內(nèi)部土石方量；內(nèi)輪廓周長可用于評價(jià)同等襯砌厚度條件下二襯混凝土用量大小。

從表3可知，對于單雙線有砟軌道(雙箱)隧道，A型內(nèi)輪廓型式與B型內(nèi)輪廓型式在經(jīng)濟(jì)性方面差別較大，B種內(nèi)輪廓型式經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于A種內(nèi)輪廓型式。

表2　單雙線有砟軌道(雙箱)隧道各型內(nèi)輪廓型式下二襯結(jié)構(gòu)安全性比較

注：1.單線Ⅱa、Ⅲa、Ⅳa、Ⅳb及雙線Ⅱa、Ⅲa下的“a/b”，a為混凝土最小抗壓安全系數(shù)，b為混凝土最小抗裂安全系數(shù)，“—”表示不需檢算；

2.單線Ⅴa、Ⅴb及雙線Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa、Ⅴb下的“a/b”，a為鋼筋混凝土最小安全系數(shù)，b為混凝土最大裂縫寬度，mm，“—”表示不需檢算。

表3　單雙線有砟軌道(雙箱)隧道各型內(nèi)輪廓型式經(jīng)濟(jì)性比較

3.3施工便利性的定性比較

支護(hù)結(jié)構(gòu)施工便利性可根據(jù)內(nèi)輪廓型式的不同從施工放樣、鋼筋及鋼架制安方面進(jìn)行分析。施工放樣方面主要比對內(nèi)輪廓拱墻圓曲線段數(shù)及連接型式；襯砌鋼筋及拱架制作安裝方面主要根據(jù)內(nèi)輪廓圓弧段數(shù)評價(jià)鋼筋及拱架制作和安裝復(fù)雜程度。

單線有砟軌道隧道：①從施工放樣方面來看，A型內(nèi)輪廓型式拱墻為五心圓形式，施工放樣較簡單；B型內(nèi)輪廓型式拱墻為七心圓形式，圓弧段數(shù)多，施工放樣較復(fù)雜；②從襯砌鋼筋及拱架制作安裝方面來看，五心圓形式的A型內(nèi)輪廓下鋼筋及拱架制作和安裝較簡單；B型內(nèi)輪廓采用七心圓型式，圓弧段數(shù)且曲率變化多，鋼筋及拱架制作和安裝復(fù)雜。

雙線有砟軌道隧道：①從施工放樣方面來看，A型內(nèi)輪廓型式拱墻為五心圓形式，施工放樣較簡單；B型內(nèi)輪廓型式拱墻為七心圓形式，圓弧段數(shù)多，施工放樣較復(fù)雜；②從襯砌鋼筋及拱架制作安裝方面來看，五心圓形式的A型內(nèi)輪廓下鋼筋及拱架制作和安裝較簡單；B型內(nèi)輪廓采用七心圓型式，圓弧段數(shù)且曲率變化多，鋼筋及拱架制作和安裝相對復(fù)雜。

3.4內(nèi)輪廓型式綜合評定

綜上，雙箱運(yùn)輸條件下，單、雙線有砟軌道隧道各型內(nèi)輪廓型式的襯砌結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性及施工便利性綜合比較見表4。本著“安全第一、經(jīng)濟(jì)優(yōu)先、兼顧施工效率”的原則，在滿足結(jié)構(gòu)安全性前提下，皆推薦使用A內(nèi)輪廓方案。

表4　單雙線有砟軌道(雙箱)隧道內(nèi)輪廓綜合評價(jià)

4結(jié)論

(1)根據(jù)雙層集裝箱運(yùn)輸隧道建筑限界、受電弓包絡(luò)線高度要求、大型養(yǎng)護(hù)設(shè)備(清篩機(jī))作業(yè)空間需求及軌道布置形式，擬定了滿足于大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械作業(yè)要求的電氣化鐵路單雙線有砟軌道(雙箱運(yùn)輸)隧道內(nèi)輪廓控制性尺寸：接觸線距軌面的最低高度取6 330 mm，軌道結(jié)構(gòu)高度按766 mm控制；左右兩側(cè)溝之間間距單線隧道按4 400 mm控制、雙線按8 400 mm控制。

(2)通過對擬定單雙線有砟軌道(雙箱)隧道內(nèi)輪廓型式進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性及施工便利性綜合比較，確定了適用于大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械作業(yè)的電氣化鐵路單雙線有砟(雙箱)隧道內(nèi)輪廓型式。

(3)文中得到的內(nèi)輪廓型式適用于新建時(shí)速160 km以下單雙線鐵路有砟軌道隧道直線段，對其在曲線段適用性需根據(jù)不同行車速度和曲線半徑下外軌超高值和線路偏移值進(jìn)行校核。

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收稿日期：2015-11-03； 修回日期：2015-11-12

基金項(xiàng)目：中國鐵路總公司科技研發(fā)計(jì)劃(J2014C007)；河北省自然科學(xué)基金 (E2013210119)

作者簡介：韓現(xiàn)民(1970—)，男，副教授，博士，主要從事隧道工程方面研究，E-mail:hanxianmin22@163.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0071-04

中圖分類號：U452.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.015

Research on Inner Contour of Ballast Track Railway Tunnel for Double-deck Container Transport at Speed below 160km/h

HAN Xian-min1，CHEN Shi-yu1，MA Tao2

(1.Shijiazhuang Tiedao University，Civil Engineering College，Shijiazhuang 050043，China; 2.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

Abstract：At present，the inner contour of ballasted track (double-deck container transport) railway tunnel with speed below 160km/h could hardly meet the requirements for maintenance by heavy machinery (especially large railway ballast cleaning machine). In this paper，the main factors that influence inner contour of railway tunnel，such as building limit，overhead catenary system and layout，space requirement for heavy machinery，track structure，arrangement of ditch and cable trench are comprehensively analyzed to determine the controlling dimensions of single and double track railway tunnel and some alternative schemes are proposed. By comparison of structure safety，economical efficiency and construction feasibilities related to each type of the inner contour schemes，reasonable schemes are recommended，which may pay the way for general drawings and specifications．

Key words：Railway of 160 km/h and bellow; Railway tunnel; Double-deck container transport; Heavy maintenance machinery; Inner contour of tunnel