隧道內(nèi)無砟軌道道床板更換為鋼支墩可行性研究

常逢文,楊榮山,陳 帥,張建清,胡 猛

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

自我國大力發(fā)展高速鐵路以來，無砟軌道在我國眾多高速鐵路上進(jìn)行大批量鋪設(shè)，面對復(fù)雜的自然環(huán)境，無砟軌道在服役過程中，出現(xiàn)了不同程度的傷損病害，對正常行車造成了一定影響。在隧道內(nèi)，由于基礎(chǔ)沉降變形、地下水和隧道圍巖壓力等多方面因素的共同作用，導(dǎo)致道床板出現(xiàn)上拱、軌道結(jié)構(gòu)層間離縫及混凝土掉塊等病害[1-2]。

當(dāng)軌道傷損較輕時，如出現(xiàn)輕微裂紋、掉塊、上拱等問題[3-5]，可采取一定措施解決。近年來，國內(nèi)鐵路專家等針對無砟軌道病害的具體整治開展研究。李超雄等[6]對無砟軌道相關(guān)病害維修進(jìn)行了描述；楊榮山等[7]針對無砟軌道傷損類型進(jìn)行系統(tǒng)分析，并總結(jié)國內(nèi)無砟軌道各類傷損的修復(fù)技術(shù)；國內(nèi)各大鐵路局對隧道內(nèi)無砟軌道的維修進(jìn)行了相關(guān)研究實踐，例如采用“泄水降壓、底部加固、水流歸槽”為原則的整治技術(shù)方案[8]，或采用特種灌漿料及其注漿工藝對該隧道整體道床病害進(jìn)行了治理[9]。若道床板裂紋、掉塊、上拱和基礎(chǔ)變形較為嚴(yán)重時，會導(dǎo)致軌道的幾何形位出現(xiàn)重大偏差，列車需限速運(yùn)行，因此需要對道床板進(jìn)行更換，目前國內(nèi)外對軌道結(jié)構(gòu)更換已有一定的基礎(chǔ)。Rheda 2000無砟軌道更換采用可靠的臨時支護(hù)方案，待需要更換部位達(dá)到強(qiáng)度時再將臨時支承取消而采用原有支承，此方案造價較高且隧道地段無法實現(xiàn)[10]。劉喆豐[11]等針對雙塊式無砟軌道提出用混凝土切割機(jī)切除道床板，用有砟軌道代替道床板。板式無砟軌道更換有鋸軌或抬軌(不鋸軌)兩種方案[12]。鋸軌方案是在更換軌道板時，需將待更換軌道板前后的鋼軌鋸斷，需大型機(jī)械輔助完成軌道板更換，受限于空間和天窗時間，不利于大規(guī)模更換軌道板。抬軌方案需將一定長度范圍的扣件松開，起道、頂升軌道板、側(cè)向抽拉出軌道板至線間平臺，再用大型機(jī)械將軌道板吊離，該方案可避免切斷鋼軌，但松扣件距離長時有脹軌風(fēng)險，抽拉板作業(yè)耗時較長，不利于在天窗時間內(nèi)完成。

針對隧道內(nèi)軌道上拱、開裂、道床隆起和基礎(chǔ)變形等無法滿足高速行車要求的問題，提出采用鋼支墩永久支護(hù)更換病害區(qū)軌道結(jié)構(gòu)的維修方案，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值計算，改進(jìn)優(yōu)化鋼支墩支護(hù)設(shè)計方案，在鋼支墩周圍混凝土應(yīng)力集中區(qū)域布置鋼筋籠，做好隧道軌道結(jié)構(gòu)的排水措施。此方案結(jié)構(gòu)較為簡單，施工更換方便，施工距離不受限制，能夠恢復(fù)正常軌面高程，長期保持軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 更換方案

對隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行病害統(tǒng)計分析，在地下水系較為發(fā)達(dá)的地質(zhì)環(huán)境中，水壓力作用導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)及下部基礎(chǔ)易產(chǎn)生上拱開裂等，若超過失穩(wěn)界限，需限制列車行車速度，嚴(yán)重影響列車的正常運(yùn)營。因此提出一種快速更換軌道結(jié)構(gòu)的方案，對軌道結(jié)構(gòu)及下部基礎(chǔ)傷損嚴(yán)重處結(jié)合仰拱施工縫進(jìn)行全幅跳槽拆換，并借鑒CRTS I型雙塊式無砟軌道的設(shè)計理念[13]，每條線路獨立采用一套鋼支墩體系進(jìn)行加固，扣件間距取600 mm，整體布置如圖1所示。

圖1 鋼支墩的線路布置(單位：mm)

更換設(shè)計方案不需要切斷鋼軌，只需采用混凝土切割機(jī)切除道床板和支承層，并將仰拱結(jié)構(gòu)加深1.5 m，仰拱清理干凈后，隧底設(shè)置Ⅰ18型鋼架作為初期支護(hù)，采用C30噴射混凝土，仰拱環(huán)向鋼筋采用φ18@200 mm雙層鋼筋，縱向鋼筋采用φ12@250 mm，并設(shè)置φ12 mm箍筋，鋼筋保護(hù)層厚度為55 mm，仰拱填充層及中心水溝采用C30混凝土非一次性澆筑成型，縱環(huán)向新舊混凝土接縫應(yīng)設(shè)置2道遇水膨脹橡膠止水條，以改善其防水性能。在隧道中線、邊墻腳縱向方向每隔4 m增設(shè)降壓泄水孔，并在隧道內(nèi)增設(shè)集水廊道和集水鉆孔，將地下水引入側(cè)溝排走，以釋放地下水壓力?？紤]到拆換工程需重新現(xiàn)澆仰拱填充層，應(yīng)確保鋼支墩不能低于隧道仰拱頂面，同時不能侵入高速鐵路建筑限界范圍。

經(jīng)力學(xué)和施工可行性分析，鋼支墩具體布置方式及尺寸如圖2所示，鋼支墩由A區(qū)和B區(qū)兩部分組成，采用4片[20a型鋼和3塊鋼板拼接而成。B區(qū)部分由分隔線下方的2塊[20a型鋼組成，將其埋入仰拱填充層以保證鋼支墩下部完全固定；A區(qū)部分由2塊[20a型鋼和2片鋼板組成，位于分割線的上方(即仰拱填充層的上方)，A區(qū)下部與B區(qū)間通過槽鋼連接鋼板用高強(qiáng)螺栓連接為一個整體，A區(qū)上部通過扣件將頂部支撐鋼軌鋼板與鋼軌連接，以確保整個鋼支墩系統(tǒng)在軌道系統(tǒng)中的穩(wěn)定。

圖2 鋼支墩結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

依據(jù)型鋼混凝土柱設(shè)計施工理念，鋼支墩周圍混凝土在長期荷載作用下會出現(xiàn)疲勞傷損，因此在此基礎(chǔ)上在鋼支墩周圍配置鋼筋籠，以約束鋼支墩附近應(yīng)力較大區(qū)域混凝土，保護(hù)該區(qū)域混凝土，保障鋼支墩的穩(wěn)定性。參考湯鵬[14]對型鋼混凝土柱腳埋深研究，同時為保證鋼支墩埋入仰拱填充層的穩(wěn)定性，取鋼支墩的埋深比(埋入深度/出露高度)為1.8，使用φ12 mm的HRB335鋼筋在B區(qū)鋼支墩的周圍空間配置鋼筋籠。該鋼筋籠在鋼支墩附近每隔200 mm布置垂向鋼筋，箍筋每隔100 mm布置一層，上層箍筋的保護(hù)層厚度取35 mm，兩個槽鋼的翼緣用鋼筋焊接在一起，以防止鋼筋籠在澆筑仰拱填充層時發(fā)生晃動。具體布置如圖3所示，以鋼支墩出露高度為0.3 m時的配筋為例。

圖3 鋼筋籠布置(單位:mm)

2 施工準(zhǔn)備及流程

2.1 施工準(zhǔn)備

在施工前應(yīng)確立施工方案及細(xì)則，準(zhǔn)備施工材料及機(jī)械，確定人員配置，主要的施工材料及機(jī)械如表1所示。

表1 主要施工材料及機(jī)械

2.2 施工流程

采用鋼支墩更換隧道內(nèi)無砟軌道方案的施工相比常見的無砟軌道施工較為簡單，主要施工流程如下。

(1)分析軌道檢測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實地考察確定線路結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重地段。

(2)施工準(zhǔn)備：材料，機(jī)械，人員配備等。

(3)拆除扣件系統(tǒng)，采用混凝土切割機(jī)切除道床板和仰拱填充層，并清掃現(xiàn)場。

(4)綁扎鋼筋支好鋼筋籠，并將鋼筋籠與B區(qū)鋼支墩焊接在一起，固定B區(qū)鋼支墩。

(5)澆筑仰拱填充層并做好排水措施。

(6)對仰拱填充層進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待混凝土凝固后安裝A區(qū)鋼支墩。

(7)采用WJ-7扣件將鋼軌與鋼支墩連接起來，調(diào)整線路平順性。

在整個流程中最為關(guān)鍵的流程為步驟(3)、(4)和(5)。在步驟(3)切割道床板和仰拱填充層前，應(yīng)先拆除損壞軌道結(jié)構(gòu)附近的扣件系統(tǒng)，頂起附近一定長度范圍內(nèi)的鋼軌，用混凝土切割機(jī)每隔1～2塊軌枕距離切割道床板和仰拱填充層，再沿軌道縱向中心線將其切割成若干小塊，并清掃現(xiàn)場。隧道內(nèi)鋪設(shè)無砟軌道時，待澆筑仰拱填充層強(qiáng)度達(dá)到75%時再澆筑道床板[15]，而步驟(4)和步驟(5)中采用鋼支墩代替道床板，可省去重新澆筑道床板及其養(yǎng)護(hù)所用時間，為快速恢復(fù)既有線鐵路運(yùn)營提供了保障。

因此更換方案將鋼支墩直接埋入仰拱填充層內(nèi)，可節(jié)省大量施工時間，操作簡單，減小了施工難度，并提高了施工的可行性，為一個快速修復(fù)方案；同時在A區(qū)鋼支墩與B區(qū)鋼支墩間可嵌入橡膠墊板調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度和軌道高低。在施工完成后，若下部基礎(chǔ)沉降變形超過扣件系統(tǒng)調(diào)整量，可在“天窗”內(nèi)直接更換合適的A區(qū)鋼支墩，不影響列車正常運(yùn)營。

3 力學(xué)分析

鋼支墩與仰拱填充層在列車反復(fù)荷載作用下，鋼支墩是否會出現(xiàn)較大變形及周圍混凝土是否會發(fā)生破壞，需計算分析其結(jié)構(gòu)的受力特性及變形，確定更換方案是否滿足設(shè)計要求。

3.1 參數(shù)確定

利用連續(xù)彈性支承梁模型在理論分析時的便利性和彈性點支承梁模型在鋼軌支點力計算上的適應(yīng)性[16]，推導(dǎo)出鋼軌支點力分布解析式[17]。計算模型如圖4所示。

圖4 鋼軌支點力簡化計算模型

圖4中，Q為輪重；EI為鋼軌的抗彎剛度；k為鋼軌基礎(chǔ)等效彈性模量；kd為扣件剛度；a為扣件間距；p(z)為連續(xù)彈性基礎(chǔ)支承力；F(z)為所求的鋼軌垂向支點力。

經(jīng)推導(dǎo)得出多個輪載作用時所求的鋼軌支點力為

(1)

高速列車軸重取170 kN，豎向輪載取靜輪載的1.5倍，即取127.5 kN，橫向輪載取為靜輪載的0.4倍，即34.000 kN[18]。鋼支墩作為剛性體結(jié)構(gòu)，其剛度遠(yuǎn)大于扣件剛度，將其與扣件考慮為等效串聯(lián)彈簧時，只需考慮扣件剛度對鋼軌支點力的影響，運(yùn)用上式計算得到鋼軌垂向支點力為43.051 kN。同樣建立軌道橫向連續(xù)彈性支承梁模型，得到鋼軌橫向支點力為12.224 kN。

軌道更換結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表2所示[19]。

表2 材料參數(shù)

3.2 靜力分析

基于有限元計算理論,建立了更換結(jié)構(gòu)的局部計算模型，更換結(jié)構(gòu)主要由鋼支墩、仰拱填充層和鋼筋籠組成，鋼支墩及其周圍混凝土層間作為更換結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為了研究其受力特性，鋼支墩和仰拱填充層按實體單元進(jìn)行模擬，并將兩者進(jìn)行粘接，內(nèi)部的鋼筋籠采用桿單元進(jìn)行模擬，不考慮鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移，將鋼筋從實體中切分得到分離式模型，以確保計算結(jié)果精確[20]。

將上述鋼軌垂向和橫向支點力換算為均布力施加在如圖5所示的局部模型中，對鋼支墩及周圍混凝土進(jìn)行力學(xué)性能分析。

圖5 局部模型

為了適應(yīng)隧道內(nèi)不同地段軌道產(chǎn)生的不平順及不同軌底凈高的要求，對鋼支墩不同出露高度的變形和應(yīng)力進(jìn)行研究，以出露高度為0.04 m作為初始值，如圖6所示。

圖6 更換結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力隨鋼支墩出露高度變化趨勢

由圖6(a)可知，更換結(jié)構(gòu)的豎向及橫向變形均滿足軌道平順性的要求，其中鋼支墩的豎向位移略大于橫向位移，隨著出露高度的增加，其橫向和豎向位移逐漸增大，且二者間的差值逐漸減??；鋼支墩周圍仰拱的豎向和橫向位移略微增加，基本保持不變。由圖6(b)可知，鋼支墩周圍混凝土的應(yīng)力隨著鋼支墩出露高度的增加而增大，當(dāng)出露高度達(dá)到0.35 m時第一主應(yīng)力超限，混凝土在列車荷載作用下可能出現(xiàn)裂紋，應(yīng)力超限范圍如圖7紅色區(qū)域所示，主要位于槽鋼的翼緣附近。

圖7 鋼支墩周圍混凝土應(yīng)力云圖(單位:Pa)

經(jīng)靜力分析計算，建議鋼支墩埋深比(埋入深度/出露高度)取1.8，其出露高度應(yīng)取0.04～0.34 m。

4 結(jié)論

針對隧道內(nèi)地下水壓力對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的病害，經(jīng)施工可行性分析,提出采用鋼支墩更換軌道結(jié)構(gòu)的整治方案，基于有限元計算得到以下結(jié)論。

(1)更換方案可借鑒CRTS-I型雙塊式無砟軌道的經(jīng)驗，每條線路獨立采用一套鋼支墩體系加固，并運(yùn)用鋼筋籠對鋼支墩進(jìn)行加固，經(jīng)檢算此方案具有一定的可行性，施工作業(yè)過程簡單，節(jié)省維修時間，為快速恢復(fù)既有線鐵路運(yùn)營提供了保障。

(2)該方案在A區(qū)鋼支墩與B區(qū)鋼支墩間可嵌入橡膠墊板調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度和軌道高低。在施工完成后，若下部基礎(chǔ)沉降變形超過扣件系統(tǒng)調(diào)整量，可在“天窗”內(nèi)直接更換合適的A區(qū)鋼支墩，不影響列車正常運(yùn)營。

(3)經(jīng)對鋼支墩靜力分析發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力位移滿足要求的基礎(chǔ)上，鋼支墩的埋深比應(yīng)取為1.8，出露高度可取為0.04～0.34 m。