重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)研究

趙 杰

(北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

1 概述

我國(guó)現(xiàn)有的重載鐵路線路均采用由木枕或混凝土枕和碎石道床組成的有砟軌道結(jié)構(gòu)。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，由于重載鐵路具有開行大軸重的重載單元列車、運(yùn)量大、效率高等特點(diǎn)，必然使得軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期承受較大的荷載。由此造成軌道結(jié)構(gòu)及其部件的損壞比普通線路更快，線路變形量較大，使得線路的維修和養(yǎng)護(hù)工作量、維修成本明顯增加[1-4]。在隧道內(nèi)對(duì)重載鐵路有砟軌道進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和維修的工作更加困難，而且長(zhǎng)大隧道內(nèi)這一問(wèn)題更加突出。

因此，在長(zhǎng)大隧道地段采用少維修的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)是重載鐵路的必然選擇[5]。但對(duì)于重載鐵路，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有鋪設(shè)無(wú)砟軌道的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，需要對(duì)軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配套的軌道部件進(jìn)行研究。

當(dāng)前隨著高速鐵路的發(fā)展，無(wú)砟軌道的采用被世界各國(guó)所公認(rèn)。因此，可以借鑒客運(yùn)專線，在重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。本文基于有限元方法建立重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)空間耦合靜力分析模型，對(duì)列車軸重、砂漿充填層剛度、軌道板剛度和軌道板厚度等設(shè)計(jì)因素的影響規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算與分析。

我國(guó)在隧道地段采用的CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖如圖1所示。

2 模型建立

重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)無(wú)砟軌道無(wú)縫線路主要由75 kg/m重型鋼軌、WJ-8A型扣件、軌道板、凸型擋臺(tái)、樹脂填充層、CA砂漿層和支承層等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。建立隧道內(nèi)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)以及隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的仿真模型，在列車荷載作用下進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，分析重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)受力及變形的變化趨勢(shì)。主要參數(shù)如下：

1)扣件間距為629 mm。

2)軌道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，寬度為2 400 mm，厚度為200 mm。

3)凸形擋臺(tái)采用C40級(jí)混凝土，半徑為260 mm，高度為260 mm，厚度為40 mm。

4)凸形擋臺(tái)周圍的樹脂填充層彈性系數(shù)是10 kN/mm±2 kN/mm，彈性模量取為25 MPa[6]。

5)軌道板下CA砂漿層厚度為50 mm，彈性模量取為300 MPa。

6)混凝土支承層采用C40級(jí)混凝土，寬度2 800 mm，厚度250 mm。

3 影響因素分析

3.1 列車軸重影響分析

隨著貨車軸重由25 t增加到30 t和35 t，軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的主要計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同軸重條件下軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性主要計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果分析得出，在列車荷載作用下，當(dāng)列車軸重由25 t增加到30 t和35 t時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)各項(xiàng)受力與變形均變大。其中，鋼軌最大垂向位移和鋼軌彎矩增大了約20%和40%，因此必須要采用重型鋼軌，提高鋼軌的材質(zhì)。另外，砂漿充填層應(yīng)力在容許范圍之內(nèi)，但在重載列車的長(zhǎng)期作用下，CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的砂漿充填層可能會(huì)出現(xiàn)壓碎等現(xiàn)象。

3.2 砂漿充填層彈性模量影響分析

為考慮不同砂漿充填層對(duì)重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的影響，本部分比較分析砂漿充填層彈性模量由100 MPa一直增大到30 000 MPa時(shí)軌道結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特性。不同的砂漿充填層彈性模量條件下的主要計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同砂漿充填層彈性模量條件下軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性主要計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果分析得出，隨著砂漿充填層彈性模量由100 MPa一直增大到30 000 MPa，鋼軌垂向位移、軌道板垂向位移和砂漿充填層最大垂向位移逐漸減??；在受力方面，軌道板和砂漿充填層最大應(yīng)力有所增大，凸臺(tái)最大應(yīng)力有所減小。由于砂漿充填層的主要作用是支撐軌道板和調(diào)整軌道板高低，其強(qiáng)度滿足要求。僅從重載鐵路的運(yùn)營(yíng)角度考慮，可以采用較大的彈性模量(如10 000 MPa)。

3.3 軌道板剛度折減影響分析

為考慮軌道板混凝土開裂對(duì)隧道內(nèi)無(wú)砟軌道的影響，本部分比較分析軌道板剛度分別為不折減、折減至50%和折減至20%時(shí)，在列車豎向荷載作用下，軌道板剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。不同的軌道板彈性模量條件下的主要計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同軌道板剛度折減條件下軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性主要計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果分析得出，隨著軌道板剛度由不折減、折減至50%～20%，在位移方面，鋼軌、軌道板和砂漿充填層最大垂向位移逐漸增大；在受力方面，軌道板和砂漿充填層最大應(yīng)力逐漸增大，樹脂填充層最大應(yīng)力緩慢增大。因此需要重點(diǎn)關(guān)注軌道板的狀態(tài)，防止軌道板發(fā)生斷裂。

3.4 軌道板厚度影響分析

為了適應(yīng)重載鐵路的大軸重，所以加厚軌道板厚度。本部分比較分析軌道板厚度分別為200 mm，300 mm和400 mm時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形。不同的軌道板厚度條件下的主要計(jì)算結(jié)果見表4。

由以上計(jì)算結(jié)果分析得出，隨著軌道板厚度由0.2 m到0.4 m逐漸增大，在位移方面，鋼軌、軌道板和砂漿充填層最大垂向位移逐漸減小；在受力方面，軌道板、砂漿充填層和樹脂填充層最大應(yīng)力逐漸減小。因此，在重載鐵路中采用CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)時(shí)，可通過(guò)采用增大軌道板厚度的方法來(lái)減小變形和應(yīng)力，保證軌道結(jié)構(gòu)的安全使用。

表4 不同軌道板厚度條件下軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性主要計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論及建議

1)列車軸重對(duì)隧道內(nèi)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的受力與變形影響較大。隨著軸重的增加，隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形都逐漸增大。另外，隨著軸重的增加，在重載列車的長(zhǎng)期作用下，CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的砂漿充填層可能會(huì)出現(xiàn)壓碎等現(xiàn)象。

2)隨著砂漿充填層彈性模量的增大，隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的變形減小，受力增大。由于砂漿充填層的主要作用是支撐軌道板和調(diào)整軌道板高低，其強(qiáng)度滿足要求。僅從重載鐵路的運(yùn)營(yíng)角度考慮，可以采用較大的彈性模量(如10 000 MPa)。

3)隨著軌道板剛度逐漸減小，隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形均有所增加。因此需要重點(diǎn)關(guān)注軌道板的狀態(tài)，防止軌道板發(fā)生斷裂。

4)隨著軌道板厚度逐漸增大，隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形均有所減小。因此，在重載鐵路中采用CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)時(shí)，可通過(guò)采用增大軌道板厚度的方法來(lái)減小變形和應(yīng)力，保證軌道結(jié)構(gòu)的安全使用。