浩吉鐵路無(wú)砟軌道軌排框架法的適用性研究

劉 巍

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 軌排框架法適用性研究的必要性

隨著新建中南通道、張?zhí)畦F路等重載鐵路等陸續(xù)開(kāi)通，我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸迎來(lái)了全新的發(fā)展時(shí)期。重載鐵路彈性支承塊式無(wú)砟軌道工程是鐵路工程的重要部分，我國(guó)重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)原則一般規(guī)定：重載鐵路全線超過(guò)1 km隧道均采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式，除隧道口采用長(zhǎng)枕埋入式軌枕及部分試驗(yàn)段采用雙塊式軌枕外，其余全部采用彈性支承塊式無(wú)砟軌道[1]。針對(duì)浩吉鐵路建設(shè)有必要開(kāi)展針對(duì)性的無(wú)砟軌道軌排框架法的適用性研究，從而提升無(wú)砟軌道軌排框架法機(jī)械化施工程度和施工效率。浩吉鐵路雙線隧道內(nèi)彈性支承塊式無(wú)砟道床斷面如圖1所示。

圖1 浩吉鐵路彈性支承塊式無(wú)砟道床斷面(單位：mm)

2 軌排框架斷面結(jié)構(gòu)研究

軌排框架的整體結(jié)構(gòu)是將應(yīng)鋪軌道構(gòu)件組合成為框架式，部件包括鋼軌、楔形夾板、連接托梁、調(diào)整裝置及縱向模板，用于懸掛彈性支承塊軌枕[2]。由于浩吉鐵路隧道內(nèi)道床邊緣距水溝墻單側(cè)距離僅為100 mm，且水溝電纜槽防護(hù)墻的最高點(diǎn)與軌頂標(biāo)高在同一水平線上，該無(wú)砟道床斷面工況同高速鐵路、中南通道、陽(yáng)大鐵路等工況均有很大差異，各線路道床斷面匯總?cè)绫?所示。

表1 各線路隧道內(nèi)無(wú)砟道床斷面工況 mm

由表1可知，無(wú)砟軌道道床寬度大多為2 800 mm，其中貴廣、衢寧鐵路道床邊緣距水溝墻距離為800 mm，其余均為100 mm或110 mm，軌道結(jié)構(gòu)高度均在515～650 mm之間。貴廣鐵路水溝墻高度遠(yuǎn)高于軌道結(jié)構(gòu)高度，有足夠的空間設(shè)置軌調(diào)；中南通道隧道內(nèi)道床邊緣距離水溝墻距離110 mm，但其水溝墻高度低于軌道結(jié)構(gòu)高度，同樣可以通過(guò)支撐在隧道側(cè)壁上實(shí)現(xiàn)軌向調(diào)節(jié)的目的(中南通道隧道內(nèi)軌排框架斷面如圖2所示)。

圖2 中南通道隧道內(nèi)軌排框架結(jié)構(gòu)斷面(單位：mm)

結(jié)合貴廣鐵路和中南通道的軌排斷面特點(diǎn)，浩吉鐵路隧道內(nèi)軌排框架斷面結(jié)構(gòu)采用在水溝側(cè)增加上翻螺柱支腿的方式，既避開(kāi)了水溝電纜槽側(cè)墻對(duì)螺柱支腿的影響，又為軌排框架的軌調(diào)預(yù)留足夠的支撐空間，同樣可以支撐在隧道側(cè)壁實(shí)現(xiàn)軌向調(diào)節(jié)[3]。浩吉鐵路隧道內(nèi)軌排框架斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 浩吉鐵路隧道內(nèi)軌排框架結(jié)構(gòu)斷面(單位：mm)

浩吉鐵路彈性支承塊式無(wú)砟軌道主要由鋼軌、扣件、混凝土支承塊及配套橡膠套靴、支承塊下彈性墊板和鋼筋混凝土道床板組成。隧道內(nèi)道床板為分塊結(jié)構(gòu)，道床板寬度為 2 800 mm，厚度為 393 mm，每塊道床板長(zhǎng)度一般為 6.58 m(0.29 m +0.6 m×10+0.29 m)，根據(jù)具體情況可適當(dāng)調(diào)整，長(zhǎng)度可為 5.0～7.5 m，兩塊道床板間設(shè)置伸縮縫，伸縮縫寬度為 20 mm，用聚乙烯泡沫板填充和采用聚氨酯密封。在隧道沉降縫處道床板對(duì)應(yīng)位置設(shè)置20 mm寬伸縮縫。

3 軌排框架長(zhǎng)度確定

鐵路的曲線半徑對(duì)于軌排框架的長(zhǎng)度影響較大，尤其是對(duì)于曲線半徑較小的線路，對(duì)軌排框架的長(zhǎng)度選擇有很大限制。根據(jù)重載鐵路最小曲線半徑情況及軌排框架本身的結(jié)構(gòu)限制，研究確定不同曲線半徑適用的最大軌排框架長(zhǎng)度[4]。由于隧道內(nèi)軌枕間距均為600 mm，為實(shí)現(xiàn)軌排順?shù)伿┕さ哪康?，需將軌排框架長(zhǎng)度限定為L(zhǎng)=(600×n)mm，n為軌排框架懸掛彈性支承塊個(gè)數(shù)。考慮曲線半徑與軌縫適應(yīng)性、軌排組裝效率、軌排成本及工裝運(yùn)輸?shù)纫蛩赜绊?，浩吉鐵路軌排框架長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6 600 mm，懸掛支承塊的軌排框架見(jiàn)圖4。

圖4 浩吉鐵路6600型軌排框架(單位：mm)

浩吉鐵路隧道口30 m范圍內(nèi)采用長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道，軌道結(jié)構(gòu)高度、道床斷面情況等均同彈性支承塊無(wú)砟軌道，需要指出的是長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道工況下軌枕間距為625 mm，施工中需考慮采用6 600型軌排框架滿足該工況下無(wú)砟軌道施工要求。綜合考慮現(xiàn)有工況的施工現(xiàn)狀，采用6 600型軌排+275型軌節(jié)組成6 875型軌排的方案，進(jìn)行長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道的連續(xù)順?shù)伿┕?。該方案借用正常施工? 600型軌排框架，輔以短軌節(jié)完成長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道的順利鋪設(shè)，施工單位無(wú)須再次采購(gòu)相對(duì)應(yīng)的6 875型軌排設(shè)備，為施工和業(yè)主單位節(jié)約了工程投入。

4 軌排框架有限元受力分析

浩吉鐵路隧道內(nèi)采用軌排框架法施工的原理是工具軌模擬線路正線軌道的幾何形位進(jìn)行無(wú)砟道床澆筑，待混凝土達(dá)到規(guī)定要求后，拆除軌排框架，最后統(tǒng)一鋪設(shè)正線軌道[5]。由于軌排框架是由矩形鋼管與鋼軌通過(guò)夾板及螺栓連接的組合式結(jié)構(gòu)，需驗(yàn)證浩吉鐵路軌排框架的托梁在施加橫向荷載、調(diào)整出滿足正線軌道幾何形位的情況下，滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求[6]。

軌排與彈性支承塊組裝完成后，澆筑混凝土前后的受力情況并不相同，澆筑之前軌排框架受自重和軌枕兩種荷載；澆筑之后，由于混凝土初凝前可視為液體，軌排框架還要受到通過(guò)彈性支承塊傳遞的液態(tài)浮力[7]，單個(gè)軌枕的液態(tài)浮力計(jì)算公式為：F=Vγc。式中：F為液態(tài)浮力(N)；V為軌枕侵入澆筑混凝土的體積(mm3)；γc為液態(tài)混凝土重度(N/mm3)。

組裝完成的軌排框架每處懸掛點(diǎn)按照四點(diǎn)接觸，結(jié)構(gòu)自重、軌枕自重、配件重量及液態(tài)浮力平均分配到每個(gè)集中點(diǎn)[8]。有限元計(jì)算模型中，鋼軌與矩形管通過(guò)楔形夾板緊密固結(jié)，二者共用節(jié)點(diǎn)，加載后的計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 浩吉鐵路軌排框架計(jì)算模型

邊界條件施加在高程螺柱底部，在軌排單側(cè)4個(gè)支撐點(diǎn)位置施加約束：Tx=Ty=Tz=0，Rx=Rz=0；在另一根主梁下(后端)，在軌排另一側(cè)4個(gè)支撐點(diǎn)位置施加約束：Tx=Tz=0，Rx=Rz=0。其有限元邊界條件添加如圖6所示。軌枕自重按照梁?jiǎn)卧木己奢d施加，考慮結(jié)構(gòu)自重、軌枕自重、配件重量在鋼軌上施加均布荷載5 N/mm，其有限元加載如圖7所示。

圖6 軌排框架邊界條件

圖7 軌排框架加載情況

軌排結(jié)構(gòu)材料采用Q235A，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，鋼結(jié)構(gòu)按組合B進(jìn)行校核，其許用應(yīng)力[σ]=175 MPa，參考橋式起重機(jī)對(duì)剛度要求為fL≤L/400=3 000 mm/400=7.5 mm。通過(guò)有限元分析得出的托梁應(yīng)力云圖如圖8所示，可知矩形方管螺栓固定點(diǎn)處最大應(yīng)力為85.4 MPa<[σ]，此應(yīng)力是由于矩管與鋼軌連接處的應(yīng)力集中造成；托梁應(yīng)變?cè)茍D如圖9所示，托梁中部變形最大，其最大值為5.2 mm<7.5 mm。綜上可知，浩吉鐵路軌排框架滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

圖8 軌排框架托梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖9 軌排框架托梁剛度計(jì)算結(jié)果

5 軌排施工遇到的問(wèn)題及解決方案

隧道內(nèi)無(wú)砟道床施工達(dá)到預(yù)期的實(shí)踐效果不僅取決于性能可靠的施工設(shè)備，水溝側(cè)墻、仰拱填充等前期工程能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求也至關(guān)重要。浩吉鐵路部分隧道水溝側(cè)墻侵線、仰拱填充標(biāo)高誤差大等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。

針對(duì)隧道水溝側(cè)墻侵線導(dǎo)致軌排框架高程螺柱難以支撐在道床側(cè)面的問(wèn)題，通過(guò)考察調(diào)研城煙隧道、肴山隧道及紅土嶺隧道等現(xiàn)場(chǎng)施工工況，提出的解決方案是對(duì)軌排框架的水溝側(cè)支腿靈活處理，加長(zhǎng)支腿長(zhǎng)度并在支腿上預(yù)裝兩個(gè)方形螺母，遇到水溝側(cè)墻侵線等極端情況、將高程螺柱支撐在水溝蓋板上，遇到常規(guī)斷面情況、高程螺柱正常支撐在道床邊緣距離水溝側(cè)墻之間的100 mm空間內(nèi)，如圖10所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工反饋，采用加長(zhǎng)支腿的解決方案很好的解決了部分隧道水溝側(cè)墻侵線的施工難題，加長(zhǎng)支腿的螺柱支撐在水溝側(cè)壁既能夠?qū)崿F(xiàn)軌排框架的調(diào)整精度，也避開(kāi)了道床側(cè)壁與水溝側(cè)壁有限的空間限制。

圖10 隧道水溝側(cè)墻侵線解決方案

浩吉鐵路無(wú)砟軌道軌排現(xiàn)場(chǎng)施工遇到的另外一個(gè)問(wèn)題是水溝側(cè)墻與道床邊緣100 mm距離使正常斷面高程螺柱的支撐位置與道床模板發(fā)生干涉，針對(duì)這種普遍性的問(wèn)題，研究道床模板與軌排框架對(duì)應(yīng)架設(shè)的解決方案：考慮一榀排架對(duì)應(yīng)3處模板，在模板的固定位置開(kāi)豁口，以避讓軌排框架側(cè)面的高程螺柱，從而解決二者發(fā)生干涉的問(wèn)題。今后類似的重載鐵路隧道斷面均可采用模板開(kāi)豁的方式實(shí)現(xiàn)道床的無(wú)砟軌道施工，從而有效發(fā)揮軌排框架施工技術(shù)及設(shè)備在重載鐵路施工中的作用。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)浩吉鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道軌排框架施工技術(shù)與設(shè)備的研究，確定了適用于浩吉鐵路隧道內(nèi)道床施工的軌排框架結(jié)構(gòu)斷面及合理的軌排長(zhǎng)度，并對(duì)其矩形鋼管結(jié)構(gòu)的托梁體進(jìn)行有限元分析。目前該套施工技術(shù)及設(shè)備已成功應(yīng)用于浩吉鐵路多條隧道的無(wú)砟軌道施工，取得了很好的示范效果。