山區(qū)隧道內(nèi)雙塊式無砟軌道道床板分塊長(zhǎng)度研究

蘇乾坤 江萬紅 巫 江 盧 野

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

隨著我國(guó)不斷推動(dòng)《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》和西部發(fā)展戰(zhàn)略，到2020年，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)3×104km，西南主要城市間將實(shí)現(xiàn)高速鐵路的互通互達(dá)，基本形成布局合理、覆蓋廣泛、層次分明、安全高效的鐵路網(wǎng)絡(luò)[1]。西南地區(qū)的高速鐵路建設(shè)具有地質(zhì)條件復(fù)雜、海拔高度相差較大、橋隧占比高、艱險(xiǎn)山區(qū)多的特征，而高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)對(duì)平順性、穩(wěn)定性、耐久性有著更高的要求，因此在復(fù)雜山區(qū)鋪設(shè)無砟軌道，受山區(qū)自然條件制約和鐵路自身技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的限制，具有較高的技術(shù)挑戰(zhàn)性。

無砟軌道作為列車荷載直接作用的下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)功能性直接影響行車的舒適性和安全性。目前我國(guó)主要的無砟軌道型式有CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式和CRTSⅢ型板式[2-4]。其中，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道是直接將雙塊式軌枕澆注在混凝土道床中，并適應(yīng)ZPW-2000軌道電路的單元軌道板式無砟軌道結(jié)構(gòu)型式，其路基地段道床下設(shè)置支承層，橋梁地段設(shè)置混凝土底座，在隧道地段道床則直接澆注在仰拱回填層上或在底板上構(gòu)筑。CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)線路的適應(yīng)性非常好、具有較好的平順性，造價(jià)低于板式無砟軌道，且其施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，采用預(yù)組裝軌排定位，自上而下的施工可確保軌道最終的施工質(zhì)量。從山區(qū)鐵路的運(yùn)輸、施工便利性及工程投資等多方面綜合考慮，西南山區(qū)高速鐵路建設(shè)一般選用CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道。隧道內(nèi)CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道斷面如圖1所示。

圖1 CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道橫斷面圖(單線有仰拱隧道直線地段)(mm)

為更好地適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道變形，減少運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)維修工作量，本文對(duì)艱險(xiǎn)山區(qū)高速鐵路隧道內(nèi)的CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道分塊長(zhǎng)度展開研究，研究結(jié)果具有一定的工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義。

1 理論分析

對(duì)于單元式軌道，列車荷載為主要荷載，荷載彎矩為設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。而連續(xù)式軌道，溫度影響與列車荷載同樣重要，混凝土收縮與降溫也是影響設(shè)計(jì)的重要因素[5-6]。通常隧道內(nèi)所采用的道床板為連續(xù)澆筑，線下基礎(chǔ)剛度較大，主要考慮列車荷載和溫度荷載(含混凝土收縮等效降溫量)，復(fù)雜地質(zhì)條件(大變形高風(fēng)險(xiǎn)地段)下需考慮基礎(chǔ)變形作用。

參考文獻(xiàn)[7]，設(shè)計(jì)輪載取列車運(yùn)行在線路上的最大可能輪載再加上一定的安全裕量，本次計(jì)算列車荷載取單輪300 kN。板底當(dāng)量摩阻系數(shù)μ，隧道內(nèi)道床板與支撐層間摩阻系數(shù)取1.5；無載時(shí)扣件極限阻力為24 kN/m/軌。軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道內(nèi)CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道基本參數(shù)

1.1 列車荷載影響分析

采用ANSYS有限元軟件建立梁板有限元模型[8]，荷載加載在板中間位置(兩組扣件的中間位置)，加載方式為單軸雙輪，作用效果如圖2所示。

圖2 模型中荷載作用效果圖

在輪載作用下，荷載作用影響明顯的范圍大約為左右各3.5組扣件間距離，即荷載作用的顯著影響長(zhǎng)度約為4.375 m。在此范圍內(nèi)，基礎(chǔ)反力在荷載作用點(diǎn)位置處最大，沿兩側(cè)以近似二次拋物線的型式衰減。即在板長(zhǎng)大于4.375 m時(shí)，車載對(duì)板長(zhǎng)的影響較小。荷載彎矩作為設(shè)計(jì)的控制因素，對(duì)板的結(jié)構(gòu)參數(shù)起著重要的控制作用，不同板長(zhǎng)彎矩計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 道床板不同分塊長(zhǎng)度下彎矩的計(jì)算結(jié)果

由表2可知，板長(zhǎng)大于20 m時(shí)，在輪載作用下板的內(nèi)力幾乎不發(fā)生變化。最大單寬正彎矩約為13.6 kN·m，最大單寬負(fù)彎矩約為2.9 kN·m。最大正彎矩出現(xiàn)在荷載作用處，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在距荷載作用點(diǎn)大約3～4組扣件間距的位置。當(dāng)板長(zhǎng)大于4.375 m時(shí)，列車荷載對(duì)道床板分段長(zhǎng)度影響不大。縱向彎矩分布如圖3所示。

圖3 20 m板長(zhǎng)縱向彎矩分布圖(N·m)

1.2 溫度荷載影響分析

對(duì)于無限長(zhǎng)板，在升降溫作用下，當(dāng)混凝土內(nèi)部應(yīng)力小于σt時(shí)，混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 無限長(zhǎng)板溫度應(yīng)力示意圖

板兩端存在伸縮區(qū)lr，伸縮區(qū)溫度應(yīng)力隨著板長(zhǎng)增加而線性增加，線性增加斜率與板底摩阻力和板上扣件縱向阻力相關(guān)。板中為固定區(qū)lg，溫度應(yīng)力恒定。溫度應(yīng)力計(jì)算公式為：

σt1=EcαΔT

(1)

式中：σt1——溫度應(yīng)力；

Ec——混凝土彈性模量；

α——混凝土線膨脹系數(shù)；

ΔT——溫度變化幅度。

道床板采用C40混凝土?xí)r，其設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為1.71 MPa，設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為19.1 MPa，根據(jù)溫度應(yīng)力計(jì)算公式求得對(duì)應(yīng)的降溫幅度為5.26 ℃，升溫幅度為58.77 ℃。

當(dāng)溫度不斷降低(升高)，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)抗拉(壓)強(qiáng)度后，可能出現(xiàn)裂紋，無限長(zhǎng)板斷裂成2塊板，又各自形成1個(gè)伸縮板，繼續(xù)降(升)溫，循環(huán)斷裂，直至板長(zhǎng)減短至2lr，此時(shí)板長(zhǎng)正好能夠完全伸縮，應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 完全伸縮板

此處考慮無載時(shí)扣件極限阻力為24 kN/m/軌，板底摩阻系數(shù)μ=1.5。則有：

線路扣件阻力：r1=24×2=48 kN/m

板底摩阻力：r2=Aγμ=26.775 kN/m

恰好完全伸縮的板長(zhǎng)：

(2)

式中:γ——道床板容重，取25 000 N/m3；

A——道床板斷面面積，取0.714 m2；

ft——C40混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，取1.71 MPa。

在溫度荷載作用下，確定最優(yōu)板長(zhǎng)為32 m。當(dāng)長(zhǎng)度超過32 m時(shí)，溫度荷載作用下的道床板分段意義不明顯(與鋪設(shè)連續(xù)道床板性質(zhì)相似)，可能出現(xiàn)裂紋?？紤]到隧道內(nèi)滲水離縫和防止板的垂向“拍打”作用，在道床板與支撐層的層間鑿毛或植入預(yù)埋件，加強(qiáng)層間連接，相應(yīng)的板底當(dāng)量摩阻系數(shù)μ增加。為使板能夠滿足自由伸縮，板長(zhǎng)應(yīng)相應(yīng)減短。

1.3 基礎(chǔ)變形影響分析

針對(duì)艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路隧道穿越區(qū)域受地震、活動(dòng)斷裂、大變形、巖溶等不良地質(zhì)的影響，考慮基礎(chǔ)變形對(duì)無砟軌道的影響具有實(shí)際意義。線下基礎(chǔ)變形采用撓度隨動(dòng)法[9]，即認(rèn)為在基礎(chǔ)變形作用下，無砟軌道將發(fā)生與下部變形相同的變形，如圖6所示。

圖6 基礎(chǔ)變形計(jì)算示意圖

此時(shí)，無砟軌道在跟隨線下基礎(chǔ)變形作用下的彎矩為：

M=EI×K

(3)

式中：EI——無砟軌道結(jié)構(gòu)層的抗彎剛度；

K——變形曲率。

由式(3)分析可知，在一定的線下基礎(chǔ)變形情況下，道床板彎矩值受下部基礎(chǔ)變形曲率大小控制，道床板將在變形曲率最大處率先出現(xiàn)裂紋，若此處設(shè)置有道床伸縮縫，則基礎(chǔ)變形引起的道床板變形將在道床伸縮縫處發(fā)生轉(zhuǎn)角釋放，從而避免道床混凝土出現(xiàn)裂紋。故從基礎(chǔ)變形角度考慮，為盡量避免基礎(chǔ)變形對(duì)道床板造成影響，道床板分塊長(zhǎng)度宜較短。

此外，影響隧道內(nèi)道床板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋等病害的其它因素還有混凝土配合比、澆筑和養(yǎng)護(hù)等，但這些影響因素與道床板分段長(zhǎng)度關(guān)系不大。

2 工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

依據(jù)鐵路工程建設(shè)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道通用參考圖，隧道內(nèi)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道采用連續(xù)道床板方案為主，在仰拱沉降縫處對(duì)應(yīng)設(shè)置道床伸縮縫，如廈深鐵路、湘桂鐵路、滬昆鐵路、云桂鐵路等均采用了此種軌道結(jié)構(gòu)方案，投入運(yùn)營(yíng)后，軌道服役性能總體良好。但受道床混凝土澆筑、隧道變形等因素影響，道床板局部地段存在開裂現(xiàn)象，在個(gè)別隧道變形嚴(yán)重地段，引起無砟軌道上拱，形成限速點(diǎn)[10-11]。

同時(shí)，也有部分鐵路隧道雙塊式無砟軌道采用了分塊式設(shè)計(jì)，如六沾鐵路(12.5 m分塊)、廣昆鐵路(12.5 m分塊)、襄渝鐵路(15 m分塊)。雙塊式無砟軌道分塊式設(shè)計(jì)運(yùn)行情況總體良好，道床裂紋較少，但局部地段由于地下水豐富，隧道滲漏水進(jìn)入道床板與仰拱回填結(jié)合面，出現(xiàn)道床板拍打、翻漿冒泥等病害。

據(jù)調(diào)研，達(dá)成鐵路云頂隧道、廣昆鐵路秀寧隧道、滬昆客運(yùn)專線光照隧道及王家山隧道現(xiàn)場(chǎng)反饋的情況，復(fù)雜地質(zhì)條件引起的隧道變形范圍為25～40 m，從后期維護(hù)角度考慮，道床板分塊長(zhǎng)度應(yīng)小于此范圍。

3 結(jié)論及建議

本文針對(duì)西南艱險(xiǎn)山區(qū)高速鐵路隧道內(nèi)所采用的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，從列車荷載、溫度荷載及基礎(chǔ)變形條件下分析了雙塊式無砟軌道的受力情況，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不良地質(zhì)條件下的隧道內(nèi)雙塊式無砟軌道分塊長(zhǎng)度展開研究，主要結(jié)論及建議如下：

(1)當(dāng)?shù)来舶彘L(zhǎng)大于4.375 m時(shí)，列車荷載對(duì)道床板不同分塊長(zhǎng)度的意義不明顯，但對(duì)裂紋的擴(kuò)展有較大影響；在溫度荷載作用下，確定最優(yōu)板長(zhǎng)為32 m，當(dāng)長(zhǎng)度超過32 m時(shí)，溫度荷載下的道床板分段意義不明顯(與鋪設(shè)連續(xù)道床板性質(zhì)相似)，可能出現(xiàn)裂紋。因此，為了盡量避免基礎(chǔ)變形對(duì)道床板造成影響，道床板分塊長(zhǎng)度宜較短。

(2)結(jié)合既有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，復(fù)雜地質(zhì)條件引起的隧道變形范圍為25～40 m，從后期維護(hù)角度考慮，道床板分塊長(zhǎng)度應(yīng)小于此范圍。

考慮到道床伸縮縫應(yīng)處于軌枕間距正中，道床分塊長(zhǎng)度應(yīng)為軌枕間距整數(shù)倍，本文建議復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道洞口200 m范圍內(nèi)道床板分塊長(zhǎng)度6.25 m；距隧道洞口200 m往內(nèi)，道床板按40個(gè)軌枕間距進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，即分塊長(zhǎng)度為25 m，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)道床板與仰拱回填層之間的連接。