高速鐵路到發(fā)線無砟軌道接軌技術應用研究

酈 曄

(中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設指揮部， 南京 210000)

隨著我國高速鐵路、城際鐵路的大規(guī)模發(fā)展，為節(jié)省工程投資、提高既有線路利用率、實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運輸，新建高速、城際鐵路往往需要通過在已開通運營的高速鐵路到發(fā)線接軌引入既有高速鐵路客運站[1-2]。目前，我國運營的高速鐵路到發(fā)線大多鋪設無砟軌道，且由于無砟軌道結構型式較多，在接軌時，通常采用到發(fā)線插入道岔的方式，而道岔區(qū)軌道結構型式、結構寬度及高度等，與既有到發(fā)線無砟軌道存在較大差異，如何合理匹配兩種軌道結構，同時快速恢復既有無砟軌道道床結構、無縫線路工程，減小對既有線路的干擾，使既有高速鐵路滿足快速恢復運營的要求，需針對高速鐵路典型路基地段車站無砟軌道結構特點，開展系統(tǒng)、全面、深入的研究，確定合理的高速鐵路運營到發(fā)線無砟軌道接軌技術方案，及時指導工程設計。

道岔接軌時應考慮既有道岔的受力問題，減小對既有線路的干擾。許實儒[3]利用三點力學模型和二次松弛法求解出固定轍叉類型的無縫道岔位移及各軌節(jié)的溫度力分布?；凇皟绍壪嗷プ饔迷怼?，盧耀榮[4]提出了考慮導軌與基本軌相互作用的無縫道岔縱向力計算方法。范俊杰[5]以非線性分析和力圖疊加原理為基礎，建立了當量阻力系數(shù)法。蔡成標[6]建立了無縫道岔鋼軌溫度力與變形分析的力學模型。耿建增[7]利用有限元法分析了軌枕、扣件和道床阻力對固定轍叉無縫道岔各個部分的受力和位移規(guī)律；在考慮各零部件阻力的非線性特征的條件下，王平[8]則建立了可用于計算可動心軌式無縫道岔鋼軌附加溫度力及位移的模型。孫大新[9]和王樹國[10]等對橋上無縫道岔以及大號碼無縫道岔的受力及位移進行了分析；晏資皇[11]等研究了位于橋上不同位置的無縫道岔各鋼軌受力與變形。陳秀方[12]在無縫道岔計算中首次引入廣義變分原理，用有限長Winkler彈性地基梁代替岔枕，并考慮扣件阻力的非線性特性，提出了一種全新的方法。

即將投入運營的新建江蘇南沿江城際鐵路(以下簡稱“南沿江鐵路”)需通過既有鐵路到發(fā)線引入寧杭高速鐵路江寧站，結合該工程項目，開展高速鐵路已開通運營的到發(fā)線無砟軌道接軌技術方案研究，為類似工程提供理論支撐和技術參考。

1 研究背景

南沿江鐵路布設于江寧站北側，江寧站規(guī)模為2臺4線，正線設計速度350 km/h。寧杭高速鐵路計劃通過新建兩條從既有車站兩股到發(fā)線引出的聯(lián)絡線(設計速度120 km/h)，將南沿江鐵路引入該車站，需實施到發(fā)線軌道斷道拆除及恢復配套工程，車站接軌各線關系示意如圖1所示。

圖1 車站接軌各線關系示意圖

由圖1可知，該車站現(xiàn)有4條股道，其中含2條正線(Ⅰ)、(Ⅱ)道，2條到發(fā)線(3)、(4)道，其中2條到發(fā)線均為60 kg/m無縫線路。圖中方框所示為接軌區(qū)域。(Ⅰ)、(Ⅱ)道線間距5 m，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道；到發(fā)線與其相鄰正線線間距6.5 m，軌道結構形式為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

施工改造過程中，既有正線(Ⅰ)、(Ⅱ)道需限速運營至80 km/h，為了在不中斷正線列車通過的條件下進行改造施工，本文將針對既有線拆除范圍，分析鎖定軌溫差、扣件縱向阻力及既有運營線路的加固措施對既有道岔的影響，為降低施工對既有正線的運營影響而采取一定的措施。

2 接軌方案

接軌方案示意如圖2所示，分別在站內3道、4道南端拆除無砟軌道261.86 m，插鋪2組18號道岔。

圖2 接軌方案示意圖

2.1 既有無砟軌道拆除范圍的確定

既有到發(fā)線與寧杭正線的線間距為6.5 m，插鋪道岔的岔心位置與既有2號道岔的位置關系為固定值，同時新建路基岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道的長度為固定值，故江寧站插鋪18號單開道岔的拆除范圍的終點里程根據(jù)到發(fā)線與正線線間距確定。根據(jù)搜集的江寧站岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道和到發(fā)線雙塊式無砟軌道資料，到發(fā)線雙塊式無砟軌道(連續(xù)結構)的端梁設置在岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道的岔后側股位置，拆除到發(fā)線后到發(fā)線無砟軌道在杭州端與既有的連續(xù)結構斷開，拆除后的到發(fā)線在南京端的岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道的岔后側股位置有1處端梁，經(jīng)過研究決定在到發(fā)線杭州端按照通用圖要求補設端梁。現(xiàn)有的端梁設計方案中端梁結構長度為31～35 m，考慮到臨近正線施工與軌枕布置，到發(fā)線雙塊式無砟軌道的拆除還建長度為32.53 m。故江寧站插鋪18號單開道岔，每股到發(fā)線既有無砟軌道計劃拆除長度為130.93 m，其中新建路基岔區(qū)軌枕埋入式軌道98.4 m，新建到發(fā)線CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道32.53 m。

2.2 既有線路加固措施

拆除無砟軌道后，軌道結構自由端會發(fā)生伸縮位移，其原因是在雙塊式無砟軌道縱向連續(xù)道床板的建造施工過程中，無砟軌道中的混凝土及鋼筋產(chǎn)生脹縮變形，在基底和邊界的約束作用下，產(chǎn)生分布在鋼軌及軌下結構內部的溫度應力。在拆除既有無砟軌道的過程中，結構中縱向截面中的對稱約束被放開，內部的溫度應力被釋放，導致軌道結構自由端發(fā)生縱向位移。因而采取鎖定拆除范圍兩側無縫線路200 m，植筋錨固道床板15 m的方式，保證兩側既有無砟軌道不發(fā)生縱向位移。

3 接軌方案理論仿真計算

本文以計劃接入的18號道岔為研究對象，建立有限元模型，研究無砟軌道鎖定軌溫差、扣件縱向阻力及植筋錨固措施對無縫道岔受力的影響。

3.1 無砟軌道鎖定軌溫差

拆軌段鎖定軌溫與既有鎖定軌溫相差0 ℃、5 ℃、10 ℃時，岔區(qū)鋼軌的受力情況如圖3所示。其中，無縫道岔直股前后連接鎖定軌溫發(fā)生變化的無砟軌道，側股連接既有軌道，根據(jù)研究道岔兩端分別為新建軌道和既有軌道且兩端存在鎖定軌溫差時對岔區(qū)鋼軌受力的影響，計算得到的鋼軌溫度力的絕對值進行對比分析。

圖3 岔區(qū)各軌溫度力圖

經(jīng)分析可知，隨著無縫道岔直股前后連接的軌道與側股連接的軌道間的鋼軌鎖定溫差的增加，曲基本軌、曲導軌、短心軌溫度力均增大，而直股鋼軌所受的溫度力則無明顯變化。無縫道岔直股前后軌道與側股軌道間的鋼軌鎖定溫差從0 ℃向10 ℃增長時，曲基本軌和短心軌最大溫度力隨之增加。曲基本軌和短心軌的受力增幅顯著，其中前者最大溫度拉力從580.84 kN上升至695.48 kN，增加了114.64 kN，增幅達19.74%；后者最大溫度拉力從453.51 kN上升至558.34 kN，增加了104.83 kN，增幅達23.12%；兩者最大溫度力隨鎖定軌溫差的改變幾乎呈線性變化。

較大的鎖定軌溫差會對正線道岔部分鋼軌的溫度力及道岔的對稱性產(chǎn)生不利影響，困難條件下，無砟無縫道岔側股和直股軌道的鎖定軌溫差可放寬至10 ℃。

3.2 扣件縱向阻力

為清晰的描述道岔扣件縱向阻力對無縫道岔受力和變形的影響，選擇了以道岔彈條Ⅱ型扣件實際阻力值的0.5倍、0.75倍、1.0倍、1.25倍及1.5倍的數(shù)值分別進行研究。取岔區(qū)軌溫變化幅度為50 ℃為例，計算得到扣件阻力變化下的岔區(qū)基本軌及導軌溫度力如圖4所示，不同扣件縱向阻力下道岔尖軌位移及心軌位移如表1所示。

圖4 基本軌及導軌溫度力圖

表1 不同扣件縱向阻力下道岔尖軌及心軌位移比較表

隨著扣件縱向阻力的增加，基本軌限位器子母塊由接觸狀態(tài)逐漸轉變?yōu)椴唤佑|狀態(tài)，因此扣件阻力增加對基本軌溫度力產(chǎn)生了有利影響，而導軌的溫度力則隨扣件縱向阻力的增加而增加。

表1反映了尖軌及心軌位移隨扣件縱向阻力的變化規(guī)律。隨著扣件縱向阻力的增加，直、曲尖軌尖端第一牽引點位移和跟端位移均減小，同時直、曲尖軌跟端位移差也減??；心軌尖端位移減小，直股、曲股翼軌在心軌第一牽引點處位移均減小，同時直股、曲股翼軌在心軌第一牽引點處位移差也顯著減小。因此扣件縱向阻力對道岔位移控制有重要意義。

扣件縱向阻力對控制基本軌溫度力和道岔位移有利，但對導軌溫度力產(chǎn)生不利影響；可結合現(xiàn)場實際條件，通過增大扣件縱向阻力50%，即可控制既有正線道岔的位移，從而保證施工過程對既有正線運營不受影響，同時應避免因過度增大扣件縱向阻力對導軌溫度力的不利影響。

3.3 植筋錨固措施

對既有正線無縫道岔側股末端15 m進行植筋錨固后，不同溫差幅度下道岔直向鋼軌溫度力如圖5所示。

圖5 道岔直向鋼軌溫度力圖

由圖5可知，拆除道岔側股并在剩余部分采取植筋錨固措施時，結合江寧站歷年的溫度變化情況，取所在地區(qū)最大溫差幅度為50 ℃，道岔直向鋼軌后端溫度力為 1 000 kN。可見通過采取植筋錨固的加固措施，可以抵抗道岔側股拆除后產(chǎn)生的剪切力對既有直股鋼軌溫度力的影響，故拆除道岔側股并不影響既有正線道岔直股鋼軌的受力及變形。

4 接軌方案鋪設施工

由上述理論分析可知，鎖定軌溫差的存在并不會影響正線運營，但會導致道岔的不對稱性；適當增大扣件阻力和采取植筋錨固措施可維持正線的正常運營。基于上述研究結果，可針對拆除部位進行植筋錨固與接軌道岔鋪設等施工。

4.1 植筋錨固

為保證既有到發(fā)線區(qū)段的無砟軌道拆除后，兩端的無砟軌道及無縫道岔直股不發(fā)生縱向位移，在需拆除區(qū)段向岔前15 m范圍內和既有道岔區(qū)15 m范圍內，對道床板與支承層植銷釘加固。每間隔兩根軌枕便設置1排錨固銷釘，每1排設置4根φ25 mm、長400 mm的HRB400螺紋鋼筋，均采用植筋膠錨固及封頂。植筋錨固的具體操作步驟簡述如下：

(1)用油漆標識植筋位置，探測道床板內鋼筋，調整鉆孔位置。

(2)在標識位置鉆孔，控制鉆孔深度，避免道床板內鋼筋斷裂。

(3)清理鉆孔粉塵，注入粘合劑，植筋并封孔。

4.2 接軌道岔鋪設施工

接軌道岔的鋪設采用“工廠預組裝、散件段運輸、現(xiàn)場組裝道岔、精調并灌注混凝土”的無砟道岔原位鋪設施工方法。

無砟道岔道床板支承結構為底座板，底座直接澆筑在已填筑完畢的路基上，底座混凝土強度等級設計為C30。首先應對施工現(xiàn)場測量放樣，緊接著綁扎道岔區(qū)底座的鋼筋并進行模板安裝，再澆筑混凝土底座，并進行拆模和養(yǎng)護；其次綁扎道床板底層鋼筋，對道岔進行初步安裝和聯(lián)接；然后對道岔進行第一次精調，后使用精調小車對道岔進行檢測，不合格則需要繼續(xù)精調，直至檢測合格后才可以進行下一步的鋪設。直至合格并進行工電聯(lián)調后，開始道岔的第二次精調。合格后對道岔區(qū)道床板混凝土進行施工并采取相應的養(yǎng)護措施；最后拆除支撐螺桿和模板，對道岔進行焊接，完成18號道岔的鋪設。

鋼軌焊接采用鋁熱焊焊接。岔區(qū)內部鋼軌接頭與前后無縫線路的焊接宜控制在各自相應的設計鎖定軌溫范圍內進行。進行焊接時應注意控制18號道岔與相鄰的單元軌節(jié)間的鎖定軌溫的差值不應大于5 ℃。為保證道岔直向有較高的平順性并避免鋼軌在焊接時產(chǎn)生的內力對道岔受力變形的不利影響，結合無縫道岔受理及變形分布規(guī)律分析，道岔區(qū)鋼軌的焊接順序如圖6所示，即按1～8的順序進行。主要焊接順序如下：

圖6 道岔焊接順序示意圖

(1)轍叉軌排與導軌連接部，先直股，后曲股。

(2)導軌與導軌之間，先直股，后曲股。

(3)導軌與尖軌跟部，先直尖軌，后曲尖軌。

(4)基本軌焊接，先直股，后曲股。

(5)道岔前后鋼軌焊接順序為先岔前，再岔后。

先直股，再曲股。

5 結論

南沿江鐵路引入既有車站，在接軌時需拆除部分既有無砟軌道并鋪設2組18號道岔，為合理匹配道岔軌道與既有到發(fā)線軌道結構，減小接軌施工對既有線路的影響，本文確定了接軌方案實施范圍，研究了無砟軌道鎖定軌溫差、扣件縱向阻力及植筋錨固措施對無縫道岔受力的影響，最后針對性地提出了具體施工方案，主要結論如下：

(1)結合實際需求，需新建路基岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道98.4 m，新建到發(fā)線CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道32.53 m，故每股到發(fā)線既有無砟軌道計劃拆除長度為130.93 m。

(2)隨著道岔直股與側股軌道鎖定軌溫差的增加，直股鋼軌受力無明顯變化，側股鋼軌受力隨之增大，道岔受力的不對稱性愈發(fā)顯著；道岔兩端軌道鎖定軌溫差的存在并不會影響道岔直股的受力情況，但較大的鎖定軌溫差對岔區(qū)部分鋼軌溫度力及道岔的對稱性產(chǎn)生不利影響。困難條件下，無砟無縫道岔側股和直股軌道的鎖定軌溫差可放寬至10 ℃。

(3)隨著扣件縱向阻力的增加，基本軌限位器子母塊由接觸狀態(tài)轉為不接觸狀態(tài)，導軌溫度力增大，道岔位移減??；扣件縱向阻力的增加對控制基本軌溫度力及道岔位移有重要意義，但對導軌溫度力產(chǎn)生不利影響?？刹捎眠m當增大縱向阻力的方法控制既有正線的道岔位移及直導軌溫度力。

(4)采取植筋錨固時，拆除道岔側股并不會影響道岔直股的受力；接軌方案施工時可采取對拆除范圍附近既有軌道的植筋錨固等加固措施，控制無砟軌道拆除對既有線路及道岔的影響。接軌道岔鋪設時采用原位鋪設施工方法；岔區(qū)及其前后鋼軌使用鋁熱焊焊接，焊接時應注意控制18號道岔與相鄰的單元軌節(jié)間的鎖定軌溫的差值不應大于5 ℃。