高速鐵路新型大調(diào)整量彈性長枕式無砟軌道結(jié)構(gòu)研究

李 瑩，楊榮山，鐘澤方，姚 力，龐 玲，江萬紅

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

截至2019年底，我國共建成高速鐵路隧道3 442座，運(yùn)營總長5 515 km[1]。無砟軌道因其整體性好、穩(wěn)定性高和維修量少等優(yōu)勢(shì)，已成為我國高速鐵路隧道內(nèi)的主要軌道形式[2]。根據(jù)運(yùn)營線路的現(xiàn)場調(diào)研，我國隧道內(nèi)無砟軌道的總體使用情況良好，但由于隧道工程水文地質(zhì)條件復(fù)雜，受施工質(zhì)量、下部基礎(chǔ)變形、隧道滲水等不利因素的影響[3-4]，在列車荷載和環(huán)境因素的長期作用下，容易產(chǎn)生道床不均勻沉降的病害。當(dāng)變形超過扣件調(diào)整范圍，將會(huì)影響線路的正常運(yùn)營。

目前，我國隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)類型主要有長枕埋入式、彈性支承塊式和雙塊式無砟軌道[5]。這幾種無砟軌道均采用現(xiàn)澆道床結(jié)構(gòu)，雖然滿足高速鐵路高平順性的要求，但受限于隧道凈空較小，導(dǎo)致操作難度大，施工效率低。針對(duì)隧道內(nèi)無砟軌道線路變形過大的問題，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，徐鵬[6]提出通過揭板調(diào)整CA砂漿厚度的方案，解決隧道內(nèi)I型板式無砟軌道起拱問題；李強(qiáng)[7]采取分段拆換仰拱、填充和支撐層，分段現(xiàn)澆道床板的方法，實(shí)現(xiàn)了隧底病害的徹底整治；歐陽旋宇[8]研究發(fā)現(xiàn)排水降壓和注漿加固的整治方案可有效整治軌道上拱病害；李鐵鐘[9]為解決隧道軌道上拱問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采用隧底抗拔錨桿注漿錨固+軌道板鉆孔植筋加固的綜合整治方案；趙彥旭[10]研究分析巖溶地區(qū)隧道內(nèi)無砟軌道上拱變形產(chǎn)生的原因，提出了打孔排水減壓、底板錨固和增設(shè)泄水洞的綜合治理方案。以上方法雖能較為有效解決隧道內(nèi)線下基礎(chǔ)變形病害，但普遍存在施工難度大、成本高、耗時(shí)長且須中斷線路運(yùn)營等缺點(diǎn)。

針對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)隧道內(nèi)無砟軌道調(diào)整量小、基礎(chǔ)變形病害整治難度大的問題，根據(jù)“多級(jí)可調(diào)，單元分層，層間加強(qiáng)”的設(shè)計(jì)理念，提出了一種豎向調(diào)高系統(tǒng)由“扣件+承軌臺(tái)+枕下墊板”結(jié)合的新型彈性長枕式無砟軌道，可實(shí)現(xiàn)較大范圍的豎向調(diào)高，以達(dá)到高效施工，快速修復(fù)的目的。為進(jìn)一步分析該新型軌道的適用性、合理性，通過有限元法進(jìn)行力學(xué)仿真計(jì)算，分析軌道結(jié)構(gòu)不同調(diào)高狀態(tài)下的受力與變形。

1 軌道結(jié)構(gòu)概況

新型彈性長枕式無砟軌道主要由與高承軌臺(tái)一體的彈性長枕、連接鋼管、枕下墊板、橡膠套靴、預(yù)制軌道板和普通混凝土墊層組成，如圖1所示。結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)及隧道容許寬度[11]，軌道設(shè)計(jì)寬度取3 100 mm。為提高施工效率，減小施工誤差，高承軌臺(tái)彈性長枕、枕下墊板和預(yù)制框架板均采用預(yù)制結(jié)構(gòu)。橡膠套靴包裹高承軌臺(tái)彈性長枕和枕下墊板嵌入軌道板中，以便于快速更換不同厚度的枕下墊板進(jìn)行調(diào)高。連接鋼管[12]將軌道板進(jìn)行橫向剛性連接，加強(qiáng)了軌道結(jié)構(gòu)的整體性。軌道板通過鋪板機(jī)鋪設(shè)，準(zhǔn)確定位，下部灌注流動(dòng)性相對(duì)較好的普通混凝土。

圖1 新型彈性長枕式無砟軌道結(jié)構(gòu)(單位：mm)

新型彈性長枕式無砟軌道結(jié)構(gòu)具有施工效率高、施工難度低、整體性好、具有一定減振性能等優(yōu)點(diǎn)。由于各部件獨(dú)立性較強(qiáng)，易于拆卸，可快速維修、調(diào)整高度，實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)變形的適應(yīng)。

無砟軌道及過渡段采用的彈性扣件高程調(diào)整范圍為-4～+26 mm[13]。當(dāng)無砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生上拱變形時(shí)，首先進(jìn)行扣件調(diào)整；若扣件調(diào)高不足抵消變形，可通過起道的方式頂起鋼軌、撤出軌枕，同時(shí)更換或去除枕下墊板，以實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)-50～+20 mm的調(diào)整量；若變形過大時(shí)，亦可對(duì)承軌臺(tái)的上表面進(jìn)行機(jī)械打磨或更換為普通承軌臺(tái)，以降低承軌臺(tái)的高度，實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)-50～0 mm的調(diào)整。通過扣件、更換枕下墊板與打磨承軌臺(tái)三級(jí)調(diào)整后，該新型彈性長枕式無砟軌道最大可實(shí)現(xiàn)-104～+46 mm的垂向調(diào)整量，能夠有效調(diào)整豎向變形，操作方便快捷，施工效率高。

2 軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

2.1 計(jì)算模型與荷載取值

根據(jù)新型彈性長枕式無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特征，建立新型彈性長枕式無砟軌道靜力學(xué)計(jì)算模型，如圖2所示。其中，鋼軌用Euler梁單元模擬；扣件系統(tǒng)用線性彈簧單元模擬，與鋼軌及彈性長枕相連；軌道板、彈性長枕、普通混凝土墊層、仰拱、板下墊板、橡膠套靴和凸形擋臺(tái)均采用實(shí)體單元模擬。

圖2 新型彈性長枕式無砟軌道靜力學(xué)計(jì)算模型

模型主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 新型彈性長枕式無砟軌道計(jì)算參數(shù)

計(jì)算時(shí)列車荷載以單軸雙輪形式加載，列車豎向荷載取為靜輪載(17 t軸重)的1.5倍，即雙輪載取255 kN；橫向力大小為靜輪載的0.4倍[18]，即68 kN；縱向力考慮制動(dòng)力，取值為75.901 kN[19]。

2.2 橡膠套靴彈性的影響

新型彈性長枕式無砟軌道中長枕兩端由厚度為7 mm的橡膠套靴包裹，為長枕提供周向支撐剛度。長枕底部另有厚度為50 mm的枕下墊板(主要用于調(diào)高)為長枕提供豎向支撐剛度，使新型彈性長枕式無砟軌道具有良好的減振降噪功能。在彈性長枕式無砟軌道中，套靴采用橡膠材料，彈性模量可調(diào)整范圍較大，而現(xiàn)有橡膠套靴彈性模量一般為3 MPa左右[20]，為分析橡膠套靴對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，取橡膠套靴彈性模量為3～15 MPa。

鋼軌橫垂向位移、軌道板拉應(yīng)力、混凝土澆筑壓應(yīng)力、凸形擋臺(tái)拉應(yīng)力和枕下墊板壓應(yīng)力隨橡膠套靴彈性模量的變化規(guī)律如圖3、圖4所示。

圖3 不同橡膠套靴彈性模量下的鋼軌位移

圖4 不同橡膠套靴彈性模量下的應(yīng)力分布

由圖3、圖4可知，鋼軌垂向位移和橫向位移隨著橡膠套靴的彈性模量增大而減小，枕下墊板壓應(yīng)力也與橡膠套靴的彈性模量呈負(fù)相關(guān)。而軌道板拉應(yīng)力、混凝土澆筑層壓應(yīng)力和凸形擋臺(tái)拉應(yīng)力隨橡膠套靴彈性模量增大而增大，呈正相關(guān)。當(dāng)橡膠套靴彈性模量為9 MPa時(shí)，鋼軌垂向位移為1.48 mm，接近基準(zhǔn)值1.5 mm[21]，橫向位移為1.16 mm。軌道拉應(yīng)力為0.133 MPa，混凝土澆筑層壓應(yīng)力為0.046 MPa，凸形擋臺(tái)拉應(yīng)力為0.025 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度限值。

因此，考慮到列車高速行車和減振降噪的要求，同時(shí)結(jié)合鋼軌位移限值，橡膠套靴的彈性模量宜取9 MPa。

2.3 枕下墊板厚度的影響

枕下墊板作為軌道結(jié)構(gòu)主要的調(diào)高部件，厚度變化較大。為分析枕下墊板厚度變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力影響，取枕下墊板厚度為0～100 mm，橡膠套靴彈性模量取9 MPa。鋼軌橫垂向位移、軌道板拉應(yīng)力、混凝土澆筑層壓應(yīng)力及凸形擋臺(tái)拉應(yīng)力隨枕下墊板厚度變化關(guān)系如圖5、圖 6所示。

圖5 不同枕下墊板厚度下的鋼軌位移

圖6 不同枕下墊板厚度下的應(yīng)力分布

由圖5、圖6可得，鋼軌垂、橫向位移與枕下墊板厚度呈正增長關(guān)系。當(dāng)枕下墊板厚度為70 mm時(shí)，鋼軌垂向位移為1.495 mm，橫向位移為1.162 mm，接近其位移限值；軌道板拉應(yīng)力、混凝土澆筑壓應(yīng)力和凸形擋臺(tái)拉應(yīng)力與墊板厚度均與枕下墊板厚度呈現(xiàn)正相關(guān)，但均遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度限值。

因此，當(dāng)通過更換枕下墊板能夠?qū)崿F(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)-50～+20 mm的調(diào)整時(shí)，該新型無砟軌道結(jié)構(gòu)能保證列車高速行車的要求。

2.4 承軌臺(tái)高度的影響

新型彈性長枕式無砟軌道采用高承軌臺(tái)彈性長枕，高承軌臺(tái)較普通承軌臺(tái)高出50 mm。為分析承軌臺(tái)高度的影響，取承軌臺(tái)塊高度為0～50 mm進(jìn)行討論(本文承軌臺(tái)高度為相比普通承軌臺(tái)的高度值)。前述研究表明枕下墊板厚度越大，鋼軌垂橫向位移越大，故考慮最不利情況，研究時(shí)取枕下墊板厚度為70 mm，橡膠套靴彈性模量取9 MPa。

鋼軌橫垂向位移、軌道板拉應(yīng)力、混凝土澆筑層壓應(yīng)力及凸形擋臺(tái)拉應(yīng)力、枕下墊板壓應(yīng)力隨承軌臺(tái)塊高度的變化如圖7、圖8所示。

圖7 不同承軌臺(tái)高度下的鋼軌位移

圖8 不同承軌臺(tái)高度下的應(yīng)力分布

由圖7、圖8可得，鋼軌垂橫向位移受承軌臺(tái)高度變化的影響較?。换炷翂簯?yīng)力、凸形擋臺(tái)拉應(yīng)力和枕下墊板壓應(yīng)力隨承軌臺(tái)高度增加而小幅度增大；軌道板拉應(yīng)力隨承軌臺(tái)高度增加而小幅度減小，同時(shí)均小于結(jié)構(gòu)應(yīng)力允許限值。

因此，當(dāng)通過打磨承軌臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)-50～0 mm的調(diào)整時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)變化較小，且均滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

針對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)隧道內(nèi)無砟軌道調(diào)整量小、基礎(chǔ)變形病害整治難度大的問題，經(jīng)研究分析，主要結(jié)論如下。

(1) 提出一種高度可調(diào)、能夠主動(dòng)適應(yīng)基礎(chǔ)變形的新型彈性長枕式無砟軌道，其豎向調(diào)高系統(tǒng)由“扣件+承軌臺(tái)+枕下墊板”組成，具有高效施工，快速修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。

(2)為滿足軌道結(jié)構(gòu)調(diào)高要求，并兼具減振降噪，新型彈性長枕式無砟軌道的橡膠套靴彈性模量建議取9 MPa。

(3)靜力學(xué)計(jì)算表明，通過更換枕下墊板和打磨承軌臺(tái)可實(shí)現(xiàn)新型彈性長枕式無砟軌道結(jié)構(gòu)垂向-106～+46 mm的調(diào)整量。