山西中南部鐵路通道隧道內(nèi)無砟軌道鋪設(shè)方案研究

曹 祥

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

1 概 述

山西中南部鐵路通道西起瓦塘，東至日照，線路由西向東先后翻越呂梁山、太岳山、太行山及沂蒙山，正線全長1 270 km，橋隧比例49%，建設(shè)標準為雙線電氣化鐵路，旅客列車速度目標值120 km/h，湯陰以東限制坡度6‰，湯陰以西限制坡度為6/13‰，設(shè)計軸重30 t。

山西中南部鐵路通道是一條以煤運為主的大能力干線鐵路，其煤炭運量流向可分為本線消耗、利用既有線下線和直通港口下海，各部分運量及所占比例見表1。

表1 運量分類構(gòu)成表

山西中南部鐵路通道全線含隧道工程196座/377.8 km，隧道占比30%，其中長度大于6 km的隧道14座/164.1 km。

2 無砟軌道結(jié)構(gòu)選型及軌道高度變化情況

山西中南部鐵路通道施工圖設(shè)計階段，因尚無配套30 T軸重成熟無砟軌道產(chǎn)品，暫按300 mm厚度的軌道板確定軌道高度，軌道結(jié)構(gòu)高度為557 mm。后在多次現(xiàn)場調(diào)研、專題論證的基礎(chǔ)上，以課題研究為依托，最終確定了適應(yīng)30 t軸重的無砟軌道結(jié)構(gòu)高度，其中雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)高度為557 mm，彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)高度為647 mm。因彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)在減緩沖擊、可維修等方面具有一定的優(yōu)勢，故確定其為本項目無砟軌道采用的主型軌道結(jié)構(gòu)。

3 重載鐵路對隧道結(jié)構(gòu)及基底條件影響分析

3.1 計算分析

仰拱填充為素混凝土結(jié)構(gòu)，列車通過過程中，在左右線列車荷載作用下，左右線中間部分呈現(xiàn)局部受拉趨勢，該拉應(yīng)力自表面向填充底部迅速減小，容易導(dǎo)致仰拱填充表面開裂。采用MIDAS-GTS4.0有限元建立模型進行計算分析，普通列車條件下，有限元計算仰拱填充最大拉應(yīng)力達到0.411 MPa(設(shè)計值1.10 MPa的37.4%，折算安全系數(shù)2.7)；對于重載鐵路仰拱填充，按動力系數(shù)(μ=3)的等效靜載計算，其最大拉應(yīng)力達0.536 MPa(設(shè)計值1.10 MPa的49%，折算安全系數(shù)2.0)；在動荷載作用下最大拉應(yīng)力達0.74 MPa(設(shè)計值1.10 MPa的67.3%，折算安全系數(shù)1.5)；容易造成仰拱填充大范圍開裂，對于軌枕、軌道的位移及變形控制極為不利，且大范圍削弱了仰拱填充對列車荷載的緩沖作用。另按靜力荷載條件下計算分析，雙線同時過車工況下，計算結(jié)果顯示仰拱填充拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、基底承載力、結(jié)構(gòu)沉降等方面更為不利。

3.2 既有線路調(diào)研情況分析

根據(jù)對大秦線、大包線、朔黃線等既有鐵路的病害調(diào)研情況可知，隧道內(nèi)仰拱填充一旦裂穿，極易導(dǎo)致隧道底部出現(xiàn)鋪底開裂、破損、下陷，向兩側(cè)外擠，以及翻漿、冒泥現(xiàn)象；軸重增大、運量提高后，這種現(xiàn)象將更為明顯，嚴重影響隧道基底結(jié)構(gòu)安全，進而危及行車安全。

3.3 小結(jié)

對于有限元模擬計算，未考慮素混凝土開裂及裂縫發(fā)展特性，仰拱填充作為素混凝土結(jié)構(gòu)，其受力狀態(tài)及裂縫擴展形式具有較大的不確定性。運營期間，由于仰拱填充受力的不均勻性，易在某些局部區(qū)域(如填充與仰拱、水溝側(cè)壁等接觸面處)出現(xiàn)受拉開裂；仰拱填充一旦出現(xiàn)局部裂縫，在后續(xù)列車荷載作用下，其裂縫迅速擴展，仰拱填充的受拉區(qū)無限接近于表面，必然會產(chǎn)生穿透形裂縫。若仰拱填充為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，該裂縫僅出現(xiàn)在受拉區(qū)，不會產(chǎn)生穿透型裂縫。

鑒于30 t軸重重載列車荷載作用下，仰拱填充受力安全余量較小、受力狀態(tài)的不可控性以及填充裂穿后帶來的嚴重影響，建議本工程仰拱填充進行表面配筋，以加強其抗裂性能；根據(jù)結(jié)構(gòu)-荷載模型檢算結(jié)果，建議仰拱填充表層敷設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片厚度不小于150 mm，表面配筋不小于φ22@200。

4 無砟軌道結(jié)構(gòu)高度適應(yīng)性分析

本項目采用的彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)高度為647 mm，比原設(shè)計高90 mm。根據(jù)隧道專題研究報告成果，在大軸重列車作用下，單洞雙線隧道仰拱表面會產(chǎn)生拉應(yīng)力，為避免出現(xiàn)裂紋，建議有條件時在填充層表層再鋪設(shè)一層150 mm厚度的C20鋼筋混凝土。對于單洞雙線隧道，在考慮仰拱回填層表面增設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的情況下，軌道結(jié)構(gòu)高度比原設(shè)計高240 mm。

5 處理措施研究

5.1 維持設(shè)計軌面高程不變方案處理措施研究

如設(shè)計軌道面高程維持不變，對于設(shè)仰拱結(jié)構(gòu)段落的單洞雙線隧道，在考慮于仰拱回填面增設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的情況下，需將仰拱回填層較原設(shè)計減薄240 mm，于仰拱回填層表面增設(shè)一層150 mm厚的鋼筋混凝土網(wǎng)片；在不考慮于仰拱回填面增設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的情況下，需將仰拱回填層較原設(shè)計減薄90 mm。

對于設(shè)仰拱結(jié)構(gòu)段落的雙洞單線隧道而言，需將仰拱回填層較原設(shè)計減薄90 mm。此外，由于仰拱回填層頂面下降，需于兩側(cè)軌道板端頭至電纜槽間采用C25混凝土回填，以保障隧道內(nèi)部分水順暢進入側(cè)溝。

對于不設(shè)仰拱結(jié)構(gòu)段落的隧道，需將底板結(jié)構(gòu)較原設(shè)計降低90 mm。此外，由于底板結(jié)構(gòu)頂面下降，需于兩側(cè)軌道板端頭至電纜槽間采用C25混凝土回填，以保障隧道內(nèi)積水順暢進入側(cè)溝。

5.2 調(diào)整設(shè)計軌面高程方案處理措施研究

(1)接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度與通行超限貨物列車間關(guān)系說明

電力牽引通行超級超限貨物列車時，機車車輛限界高度4 800 mm，裝載高度5 000～5 300 mm，接觸網(wǎng)導(dǎo)高5 700 mm；電力牽引通行二級超限貨物列車時，機車車輛限界高度4 800 mm，裝載高度4 950～5000 mm，接觸網(wǎng)導(dǎo)高5 370 mm；電力牽引通行一級超限貨物列車時，機車車輛限界高度4 800 mm，裝載高度 4 800 mm～4 950 mm，接觸網(wǎng)導(dǎo)高5 330 mm；電力牽引不通行超限貨物列車時，機車車輛限界高度4 800 mm，接觸網(wǎng)導(dǎo)高5 150 mm。

鑒于本線沿線分別與岢瓦線、南同蒲線、太焦線、京廣線、京九線、京滬線、兗日線等互聯(lián)互通，在路網(wǎng)中為起骨干作用的長大干線，應(yīng)按電力牽引通行超級超限貨物列車進行考慮，故接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度確定為5 700 mm。

(2)限界分析

單洞雙線隧道采用內(nèi)軌頂面上抬240 mm、雙洞單線隧道采用軌面上抬90 mm的方案，如果隧道結(jié)構(gòu)物不動，調(diào)整坡度后隧道內(nèi)輪廓將侵入隧道建筑限界，但仍滿足基本建筑限界要求。洞內(nèi)抬坡后隧道輪廓線與隧道建筑限界間關(guān)系詳見表2。

表2 洞內(nèi)抬坡對應(yīng)隧道建筑限界侵限一覽表

隧道建筑限界是一個和線路中心線垂直的極限橫斷面輪廓。在此輪廓內(nèi)，除機車車輛和與機車車輛有相互作用的設(shè)備(車輛減速器、路簽授受器、接觸電線及其他)，其他設(shè)備和建筑物均不得侵入。在基本建筑限界和隧道建筑限界之間可以裝設(shè)照明、通信、警告信號及色燈信號等設(shè)備。經(jīng)通信、信號、電力專業(yè)檢查確認，本線隧道建筑限界局部侵限后，照明、通信、警告信號及色燈信號等設(shè)備仍具備安裝條件。

(3)壓縮接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度可行性分析

單洞雙線隧道接觸網(wǎng)在不改變懸掛方式的情況下，通過采用特殊定位支座的方案，可在拉出值保持±200 mm條件下滿足軌面抬升0～100 mm的要求；反定位拉出值壓縮至145 mm時可滿足軌面抬升150 mm的要求。

單洞雙線隧道接觸網(wǎng)在采用剛性懸掛的情況下，可在拉出值保持±200 mm條件下滿足軌面抬升0～630 mm的要求。

雙洞單線隧道接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)可在不改變懸掛方式的情況下，通過采用減小懸掛點跨距、壓縮最短吊弦長度的方案，可在拉出值保持±150 mm條件下滿足軌面抬升0～90 mm的要求。

(4)壓縮接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度解決方案

對于單洞雙線隧道，隧道軌面以上空間壓縮240 mm時，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛型式由簡單鏈型懸掛調(diào)整為剛性懸掛；隧道軌面以上空間壓縮150 mm時，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)可維持簡單鏈型懸掛型式不變，但需將反定位拉出值調(diào)為145 mm，也可采用調(diào)整為剛性懸掛的方式加以解決；隧道軌面以上空間壓縮90 mm時，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)維持簡單鏈型懸掛型式不變，但需將定位支座進行特殊設(shè)計(拉出值采用±200 mm)。

對于雙洞單線隧道，隧道結(jié)構(gòu)斷面不變，隧道軌面以上空間壓縮90 mm時，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)維持簡單鏈型懸掛型式不變，拉出值采用±150 mm。

(5)洞外受抬坡影響范圍工點解決方案

①橋梁工點

本線采用的簡支T梁設(shè)計道砟厚度為35 cm，軌底至梁頂?shù)脑O(shè)計計算高度為70 cm。如通過增加道砟厚度的方式滿足縱斷面抬坡帶來的影響，當縱斷面調(diào)整高度小于50 mm時可通過梁上增加道砟厚度的方式進行處理，當縱斷面上調(diào)超過50 mm時，經(jīng)對本線架設(shè)的2103梁圖進行檢算，鋼筋混凝土強度及抗裂性能難以滿足要求，建議通過加高墊石高度的方式加以解決。

②路基工點

對于沿線縱斷面調(diào)整坡度后影響的路基工點，路基地段可通過抬高路基面的形式加以解決，其中路堤地段考慮到路基兩側(cè)幫寬0.2 m施工質(zhì)量難以控制，同時縱斷面調(diào)整范圍大部分位于湯陰以西段落，對應(yīng)段落內(nèi)路堤外側(cè)均設(shè)置有坡度0.75～1.0的混凝土護肩，縱斷面調(diào)整地段建議加高混凝土路肩、同時將混凝土路肩外側(cè)坡度調(diào)整至0.69進行收坡；路塹地段類似路堤地段，考慮到縱斷面調(diào)整范圍大部分位于湯陰以西段落，對應(yīng)段落內(nèi)因電纜槽與路肩上貫通，路塹地段路肩寬度在規(guī)范要求的0.6 m基礎(chǔ)上另行加寬0.70 m，鑒于縱斷面調(diào)高0.240 m后道砟底部向兩側(cè)各拓展了0.43 m，路塹地段仍能夠滿足0.6 m的路基寬度，且路塹地段如采取抬升路基面高程的方式加以解決，一方面需加厚基床表層，另一方面需廢棄路塹平臺上的漿砌片石，故縱斷面調(diào)整地段建議路基面高程不做調(diào)整，通過補充道砟底砟的方式加以解決。

6 無砟軌道鋪設(shè)方案研究

本次鋪設(shè)方案研究按不同的軌道結(jié)構(gòu)型式，是否考慮超級超限，分別研究了抬高軌面高程和保持軌面不變的實施方案。也結(jié)合實施情況，研究了主要采用彈性支承塊，少量采用雙塊式的綜合方案。具體鋪設(shè)方案詳述如下：

(1)方案Ⅰ考慮超級超限，全部采用彈性支承塊式無砟軌道的鋪設(shè)方案

①方案Ⅰ-1考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的維持軌面標高不變方案

南呂梁山、太行山2座雙洞單線隧道不需要設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片，考慮降低仰拱回填面標高90 mm后鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道；臨縣等11座單洞雙線隧道降低仰拱回填面標高240 mm后，設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片、鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道；為保障軌道板表面積水能夠順利排出，需于兩側(cè)軌道板端頭至電纜槽間采用C25混凝土進行回填。此方案較原設(shè)計方案增加工程投資65 891萬元。

②方案Ⅰ-2不考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的維持軌面標高不變方案

臨縣等13座隧道考慮降低仰拱回填面標高90 mm后鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道，為保障軌道板表面積水能夠順利排出，需于兩側(cè)軌道板端頭至電纜槽間采用C25混凝土進行回填。此方案較原設(shè)計方案增加工程投資45 676萬元。

③方案Ⅰ-3考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的抬坡方案

南呂梁山、太行山2座雙洞單線隧道不需要設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片，考慮抬高90 mm(3號點、4號點分別侵限2 cm)后鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道，接觸網(wǎng)特殊設(shè)計；臨縣、青龍、楊家溝、干陽溝、范家山、西鐵車2號等6座單洞雙線隧道利用回填層預(yù)留的150 mm鋪設(shè)鋼混網(wǎng)片，考慮抬高90 mm(4號點侵限6 cm)后鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道，接觸網(wǎng)特殊設(shè)計；石樓、隰縣、太岳山、發(fā)鳩山、鋪子山等5座隧道未預(yù)留回填層厚度的單洞雙線隧道，考慮抬高240 mm(3號點侵限6 cm，4號點侵限16 cm)后鋪設(shè)鋼混網(wǎng)片及彈性支承塊式無砟軌道，洞內(nèi)接觸網(wǎng)由簡單鏈型懸掛調(diào)整為剛性懸掛；為保障排水溝、電纜槽頂面與軌面持平，上調(diào)縱斷面的長隧道內(nèi)向上接建排水溝、電纜槽。此外調(diào)整坡度的長隧道兩端順接設(shè)計縱坡。此方案較原設(shè)計方案增加工程投資72 740萬元。

④方案Ⅰ-4不考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的抬坡方案

南呂梁山、太行山2座雙洞單線隧道不需要設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片，考慮抬高90 mm(3號點、4號點分別侵限2 cm)后鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道，接觸網(wǎng)特殊設(shè)計；臨縣、青龍、楊家溝、干陽溝、范家山、西鐵車2號等6座單洞雙線隧道利用回填層預(yù)留的90 mm，不調(diào)整，鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道；石樓、隰縣、太岳山、發(fā)鳩山、鋪子山等5座隧道未預(yù)留回填層厚度的單洞雙線隧道，考慮抬高90 mm(4號點侵限6 cm)后鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道，接觸網(wǎng)特殊設(shè)計；為保障排水溝、電纜槽頂面與軌面持平，上調(diào)縱斷面的長隧道內(nèi)向上接建排水溝、電纜槽。此外調(diào)整坡度的長隧道兩端順接設(shè)計縱坡。此方案較原設(shè)計方案增加工程投資32 200萬元。

(2)方案Ⅱ考慮超級超限，全部采用雙塊式無砟軌道的鋪設(shè)方案

①方案Ⅱ-1考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的維持軌面標高不變方案

南呂梁山、太行山2座雙洞單線隧道不需要設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片，不調(diào)整，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道；臨縣等11座單洞雙線隧道降低仰拱回填面標高150 mm后，設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片、鋪設(shè)雙塊式無砟軌道。此方案較原設(shè)計方案增加工程投資36 104萬元。

②方案Ⅱ-2考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的抬坡方案

南呂梁山、太行山2座雙洞單線隧道不需要設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片，不調(diào)整，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道；臨縣、青龍、楊家溝、干陽溝、范家山、西鐵車2號等6座單洞雙線隧道利用回填層預(yù)留的150 mm鋪設(shè)鋼混網(wǎng)片，坡度不調(diào)整，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道；石樓、隰縣、太岳山、發(fā)鳩山、鋪子山等5座未預(yù)留回填層厚度的單洞雙線隧道，考慮抬高150 mm(3號點侵限2 cm，4號點侵限10 cm)后增設(shè)鋼混網(wǎng)片，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道，接觸網(wǎng)特殊設(shè)計；為保障排水溝、電纜槽頂面與軌面持平，上調(diào)縱斷面的長隧道內(nèi)向上接建排水溝、電纜槽。此外調(diào)整坡度的長隧道兩端順接設(shè)計縱坡。此方案較原設(shè)計方案增加工程投資35 876萬元。

③方案Ⅱ-3不考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片的維持軌面標高不變方案

如前所述，當不考慮鋼筋混凝土網(wǎng)片時，因重載雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)高度與原設(shè)計的軌道結(jié)構(gòu)高度一致，臨縣等13座隧道不調(diào)整，直接改鋪設(shè)雙塊式無砟軌道310鋪軌公里，相應(yīng)導(dǎo)致工程投資較原設(shè)計方案增加14 883萬元。

(3)方案Ⅲ考慮超級超限，以鋪設(shè)重載彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)為主的綜合方案

①方案Ⅲ-1均考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片方案

南呂梁山、太行山2座雙洞單線隧道不需要設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片，不調(diào)整，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道；鋪子山隧道內(nèi)已實施的鋼筋混凝土板占隧道長度的43%，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道；其他隧道鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片及彈性支承塊式無砟軌道；此外為保障軌道板表面積水能夠順利排出，需于兩側(cè)軌道板端頭至電纜槽間采用C25混凝土進行回填。此方案較原設(shè)計方案增加工程投資47 531萬元。

②方案Ⅲ-2以隧道為單位，具備條件的隧道內(nèi)考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片方案

如前所述，南呂梁山、太行山2座雙洞單線隧道不需要設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片，不調(diào)整，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道；鋪子山隧道內(nèi)已實施的鋼筋混凝土板占隧道長度的43%，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道；臨縣、青龍、楊家溝、干陽溝、范家山、西鐵車2號等6座單洞雙線隧道利用回填層預(yù)留部分鋪設(shè)鋼混網(wǎng)片及彈性支承塊式無砟軌道；其他隧道鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道；此外為保障軌道板表面積水能夠順利排出，需于兩側(cè)軌道板端頭至電纜槽間采用C25混凝土進行回填。此方案較初步設(shè)計批復(fù)需增加工程投資36 097萬元。

③方案Ⅲ-3具備條件的地段考慮鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片方案

如前所述，南呂梁山、太行山2座雙洞單線隧道不需要設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片，不調(diào)整，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道；鋪子山隧道內(nèi)已實施的鋼筋混凝土板占隧道長度的43%，鋪設(shè)雙塊式無砟軌道；其他單洞雙線隧道，均鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道，其中預(yù)留回填層厚度滿足240 mm的地段鋪設(shè)鋼混網(wǎng)片，其他地段不再鋪設(shè)鋼筋混凝土網(wǎng)片；為保障軌道板表面積水能夠順利排出，需于兩側(cè)軌道板端頭至電纜槽間采用C25混凝土進行回填。此方案較原設(shè)計方案增加工程投資32 466萬元。

(4)方案Ⅳ不考慮超級超限的鋪設(shè)方案

本線不考慮超級超限貨物列車時，可以滿足抬高243 mm的要求，按此條件進行調(diào)整，較原設(shè)計方案增加工程投資55 116萬元。

7 結(jié) 論

(1)考慮到現(xiàn)有路網(wǎng)中各線均預(yù)留了通行超級超限貨物列車的條件，同時本線可通過無砟軌道鋪設(shè)方案的合理選用滿足通行超級超限貨物列車的條件，為保證特殊貨物運輸組織的靈活性，本線考慮通行超級超限貨物列車條件。

(2)考慮到現(xiàn)場已實施鋼筋混凝土底板地段的分散性，鋪設(shè)方案的選擇以同一座隧道內(nèi)采用相同的軌道結(jié)構(gòu)為原則。

(3)考慮到《30噸軸重重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道關(guān)鍵技術(shù)研究》階段性結(jié)論以及無砟軌道調(diào)研的實際情況，長大隧道內(nèi)以選擇彈性支承塊式無砟軌道為主，少量結(jié)合現(xiàn)場實施條件選取雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

(4)考慮現(xiàn)場已實施段落預(yù)留仰拱回填層厚度的差異性，為避免大范圍下切回填層素混凝土，有條件地段考慮設(shè)置150 mm厚度的鋼混網(wǎng)片。

綜上所述，推薦采用以鋪設(shè)重載彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)為主(具備條件的地段考慮鋼混網(wǎng)片)的綜合方案，該方案較原設(shè)計方案增加工程投資32 466萬元。