高速鐵路無砟軌道撥接技術(shù)研究*

潘自立，吳 軍，劉在慶，陳以庭，李糧余

(1.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610081)

0 引言

無砟軌道一般主要由鋼軌、彈性分開式扣件、鋼筋混凝土道床、混凝土底座組成。無砟軌道具有良好的結(jié)構(gòu)縱橫向穩(wěn)定性，軌道幾何形位持續(xù)得到保持；軌道剛度均勻，結(jié)構(gòu)連續(xù)性好；無砟軌道具有使用壽命長、線路狀況良好、減小軌道結(jié)構(gòu)高度，降低維修成本，減少維修工作量，適應(yīng)高速鐵路運輸?shù)奶攸c；基本無軌道失穩(wěn)可能；不存在風(fēng)沙污染道床和道砟飛濺問題。由于無砟軌道為整體剛性結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)變形適應(yīng)性差，對線下基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求較高；如果基礎(chǔ)變形超過無砟軌道適應(yīng)幅度，道床將出現(xiàn)破壞，不能保證列車高速安全運行，必須降低列車運行速度，嚴(yán)重影響旅客的旅行質(zhì)量。損壞后的無砟軌道快速恢復(fù)需專用材料和施工工藝。某客運專線車站范圍內(nèi)的無砟道岔和正線無砟軌道基礎(chǔ)出現(xiàn)嚴(yán)重病害，影響高速動車組行車安全。為徹底整治車站內(nèi)線下基礎(chǔ)病害，同時整治期間不中斷正線行車，保持全線運營能力不變，動車組需繞開站內(nèi)病害地段正線，通過便線撥接到站線運行。根據(jù)該便線平面線形，有70m正線無砟軌道與便線線位沖突，要實現(xiàn)撥接，需破除70m無砟軌道并修建有砟軌道便線，耗時最少需1個工天，不能滿足不中斷行車且需在天窗時間4.5h內(nèi)的要求，同時不能保證該段便線軌道質(zhì)量滿足動車組運行安全。只能考慮在正線無砟軌道上來實現(xiàn)與便線的撥接。在保持高速鐵路正常運營的前提下實現(xiàn)正線無砟軌道直接撥接，這在國內(nèi)乃至世界上都無先例。

1 軌道過渡撥接方案比選設(shè)計

新建便線由既有站線有砟軌道引出過渡到正線無砟軌道，采用60kg/m鋼軌，有縫線路。便線有砟軌道鋪設(shè)Ⅲa型軌枕，彈條Ⅱ型扣件，一級碎石道砟，道床寬3.4m，軌枕按1 680根/km鋪設(shè)[1]。

軌道過渡初步共研究了2類共6個撥接方案，第1類是需拆除線位沖突的正線無砟軌道，改鋪有砟軌道(見圖1a)，第2類無須拆除無砟軌道正線(見圖1b)。

圖1 2類方案平面示意

1.1 普通有砟軌道過渡撥接

拆除撥接過渡區(qū)段正線道床、支承層和底座→換鋪普通有砟軌道便線→整治工程完成后拆除有砟軌道→進(jìn)行正線無砟軌道重建和無縫線路恢復(fù)。

1.2 彈性軌枕有砟軌道過渡撥接

在撥接過渡區(qū)段道床外側(cè)鋪設(shè)混凝土墊層與支承層同高→拆除過渡區(qū)段正線道床→換鋪彈性軌枕有砟軌道(確保有砟軌道彈性)→整治工程完成后拆除有砟軌道→進(jìn)行正線無砟軌道重建和無縫線路恢復(fù)。

1.3 鋼墊梁形式過渡撥接

在撥接過渡區(qū)段道床外側(cè)鋪設(shè)混凝土墊層→拆除過渡區(qū)段正線道床→在支承層(底座)或外側(cè)混凝土墊層上固定并鋪設(shè)鋼墊梁→在鋼墊梁上鋪設(shè)鋼軌扣件→整治工程完成后拆除過渡區(qū)段鋼墊梁、鋼軌、扣件及道床外側(cè)混凝土墊層→進(jìn)行正線無砟軌道重建和無縫線路恢復(fù)。

1.4 木枕(合成樹脂枕)過渡撥接

在撥接過渡區(qū)段道床外側(cè)鋪設(shè)混凝土墊層→拆除過渡區(qū)段正線道床→在支承層(底座)或外側(cè)混凝土墊層上固定鋪設(shè)木枕或合成樹脂枕→采用K型分開式扣件將過渡鋼軌固定到枕木上→整治工程完成后拆除過渡區(qū)的鋼軌、扣件、枕木及道床外側(cè)混凝土墊層→進(jìn)行正線無砟軌道重建和無縫線路恢復(fù)。

1.5 框架式軌道結(jié)構(gòu)過渡撥接

在過渡區(qū)段道床外側(cè)鋪設(shè)承軌臺式無砟軌道→在過渡區(qū)段既有雙塊式軌枕間道床面鉆孔→在過渡區(qū)前后進(jìn)行調(diào)高順坡(采用特殊調(diào)整扣件調(diào)高30mm以上，保證過渡區(qū)段鋼軌軌底高于既有雙塊式軌枕擋肩)→利用鉆孔固定并鋪設(shè)承軌架→通過WJ-7型扣件將過渡鋼軌固定于承軌架上形成軌排框架→整治工程完成后拆除過渡區(qū)軌排框架及道床外側(cè)無砟軌道→進(jìn)行正線無縫線路恢復(fù)→修復(fù)道床板鉆孔。

1.6 特殊合成樹脂枕過渡撥接

特殊合成樹脂枕過渡撥接方式與框架式軌道結(jié)構(gòu)過渡撥接的軌道結(jié)構(gòu)相似，僅將承軌架替換為特殊合成樹脂枕。

1.7 撥接過渡方案比選

上述6個方案在運營經(jīng)驗、施工難度、工程投資、運輸組織影響等方面的對比分析結(jié)果如表1所示。

表1 便線撥接無砟正線過渡方案對比

針對上述各方案運營安全、工程實施難易程度、過渡段工程量、工程投資的對比分析，采用拆除正線無砟軌道鋪設(shè)普通的有砟軌道過渡(方案1)最優(yōu)。但本線是成渝地區(qū)唯一的高速鐵路，不能進(jìn)行斷道施工，過渡所有撥接工程(包括整治完成后，重新拔回正線)必須在1個天窗時間內(nèi)(4.5h)完成，不得影響第2天高速鐵路的安全正常運營。通過施工組織模擬分析，上述6個方案都不能在規(guī)定時間內(nèi)完成，不能保證第2天高速動車組安全運營。在施工組織模擬分析過程中，要實現(xiàn)天窗時間內(nèi)完成軌道撥接，正線向便線過渡撥接期間就不能拆除正線無砟道床；否則病害整治完后，便線向正線撥接時，無砟道床在天窗時間內(nèi)不能完成施工，道床混凝土強度第2天不能達(dá)到列車運營要求。

2 推薦撥接過渡方案設(shè)計

為減少撥接過渡對運營組織的影響，同時保障整治期間雙線運營，在框架式軌道結(jié)構(gòu)撥接過渡方案基礎(chǔ)上對承軌結(jié)構(gòu)、過渡區(qū)段及道床加寬、軌枕錨固等方面進(jìn)行優(yōu)化后形成鋼制承軌臺式無砟軌道與WJ-7型扣件組合撥接過渡方案[2]。該方案通過加寬無砟道床，在道床上鉆孔錨固使用特制雙層調(diào)高鋼墊板及雙層緩沖墊板相結(jié)合的拼裝式承軌臺，通過順坡抬高撥接段鋼軌標(biāo)高，使鋼軌底越過既有軌枕擋肩，在平面上實現(xiàn)自由銜接到便線，實現(xiàn)既有無砟軌道與新建便線有砟軌道撥接過渡[3]。

2.1 無砟軌道鋼制承軌臺設(shè)計

無砟軌道鋼制承軌臺[4]采用的特制雙層調(diào)高鋼墊板及雙層緩沖墊板相結(jié)合的拼裝式設(shè)計如圖2所示。

圖2 鋼制承軌臺設(shè)計示意

本鋼制承軌臺設(shè)計方案采取30mm鋼調(diào)高墊板⑥、5mm緩沖墊板⑦和⑨、40mm鋼調(diào)高墊板⑧與WJ-7型扣件配合使用?？奂肕30螺栓(GB/T 5781—2016 8.8 級)和焊接在鋼調(diào)高墊板⑥的M30螺母(GB/T41—2016)配合連接，代替原有的錨固螺栓與預(yù)埋套管的配合方式。鋼制承軌臺通過4套M24化學(xué)錨栓組件⑤與無砟道床連接，每組扣件節(jié)點按順序依次安放5mm緩沖墊板⑨、40mm鋼調(diào)高墊板⑧、5mm緩沖墊板⑦、30mm鋼調(diào)高墊板⑥和WJ-7型扣件。如遇混凝土道床邊緣接縫處，采用加長型鋼調(diào)高墊板及緩沖墊板以跨越道床縫，使化學(xué)錨栓錨固在穩(wěn)定的道床上。

2.2 無砟軌道鋼制承軌臺仿真分析

無砟軌道鋼制承軌臺上扣件彈條直徑14mm，材料為60Si2MnA型彈簧鋼，螺栓預(yù)緊力25kN約束螺栓內(nèi)表面的縱、橫向自由度。無砟軌道鋼制承軌臺各部分間的相互作用選用surface to surface接觸分析，各接觸間采用罰函數(shù)模擬，計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

由圖4可知，預(yù)緊狀態(tài)下軌下墊板最大應(yīng)力達(dá)到0.645MPa，最大位移為0.36mm。

圖4 鋼制承軌臺預(yù)緊狀態(tài)下彈條及鋼墊板應(yīng)力云圖

軌底、軌腰、軌頭位移曲線類似，前段呈拋物線，后段呈直線，扣件橫向阻力極值為35.47kN(見圖5)。在鋼軌縱向一端加力，在另一端拾取斷面縱向位移，得到縱向阻力與位移關(guān)系曲線(見圖6)。承軌臺上扣件縱向阻力達(dá)到14.6kN。經(jīng)仿真分析，無砟軌道鋼制承軌臺及其配套扣件力學(xué)性能滿足高速鐵路相關(guān)技術(shù)要求。

圖5 承軌臺上扣件橫向阻力-位移關(guān)系曲線

圖6 承軌臺上扣件縱向阻力-位移關(guān)系曲線

2.3 鋼制承軌臺錨固試驗

為了驗證化學(xué)錨栓的抗拔能力，正式施工前，實驗室人員在無砟道床等強度C40混凝土結(jié)構(gòu)上對φ24化學(xué)錨栓做了抗拔試驗[5]，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 化學(xué)錨栓抗拔力

現(xiàn)場試驗表明，一端2根化學(xué)錨栓的抗拔力遠(yuǎn)大于WJ-7型扣件抗拔力100kN。

3 正線無砟道床加寬施工

正線鋼軌通過平面曲線與新建便線連接，鋼軌延伸偏離正線的大里程端加寬無砟道床，利用撥接前天窗時間對既有無砟軌道外側(cè)路肩封閉層進(jìn)行表面銑刨處理，在基床表層鉆孔植入錨固銷釘，并在既有軌道結(jié)構(gòu)側(cè)面鉆孔植入鋼筋加強連接，置安鋼筋籠，在既有道床側(cè)面鋪設(shè)土工布隔離層，根據(jù)便線線位在既有道床外側(cè)澆筑C40鋼筋混凝土加寬道床，設(shè)置便線過渡段無砟道床。根據(jù)便線線性過渡區(qū)道床加寬段長度約55.9m，其中24.5m加寬1m，其余31.4m范圍內(nèi)加寬1～3.09m，如圖7所示。

圖7 無砟道床加寬示意

4 鋼制承軌臺錨固施工

根據(jù)便線線形施工好撥接處幫寬的無砟道床后，在正線軌道撥移施工前，預(yù)先在無砟軌道道床上安裝調(diào)高墊板錨固系統(tǒng)。安裝就位施工質(zhì)量特別是施工精度是線路撥移就位精度的關(guān)鍵，質(zhì)量控制要點是鋼制承軌臺錨固螺栓孔的鉆孔精度。采用水磨鉆對準(zhǔn)定位工裝樣孔施鉆，鉆進(jìn)過程中隨時檢查工裝基準(zhǔn)線與鉆孔定位軸線對準(zhǔn)偏差，超限時及時調(diào)整，以保證水磨鉆鉆孔精度[6]。鉆孔后再次采用定位工裝復(fù)核孔位，復(fù)核無誤后清理孔內(nèi)雜物，用植筋膠錨固M24螺栓，錨固過程中，采取措施保證錨栓的垂直度和精度[7]。確保其滿足鋼制承軌臺的安裝要求。

5 過渡區(qū)前后調(diào)高順坡

在既有左線的過渡區(qū)前后采用特殊調(diào)整扣件調(diào)高順坡，順坡后過渡區(qū)段鋼軌軌底應(yīng)高于既有雙塊式軌枕擋肩5mm以上，使鋼軌在平面上能自由調(diào)整。

6 軌道撥接施工

通過高強度化學(xué)錨栓將鋼制承軌臺固定于道床表面鉆孔位置，在承軌臺上方鋪設(shè)WJ-7型扣件，通過WJ-7型扣件鎖定鋼軌，根據(jù)線路長度配置好帶孔新軌和接頭等扣配件；并對軌面進(jìn)行幾何形位打磨整理，完成軌道撥接。撥接完成后對軌道狀態(tài)進(jìn)行檢測，滿足行車條件后方可行車。

7 回?fù)茕撥壷琳€

車站路基上拱病害整治的主體工程完成后，將鋼軌回?fù)苤琳€，對軌面狀態(tài)進(jìn)行定期整理，根據(jù)軌道幾何狀態(tài)調(diào)整動車組運行速度。

8 拆除運營便線

拆除過渡區(qū)的便線鋼軌、扣件、承軌臺及外側(cè)加寬道床，拆除過程中注意對既有道床的保護(hù)。

9 結(jié)語

在軌道撥接前利用天窗時間精心測量和計算出各扣件幾何空間數(shù)據(jù)，施工幫寬無砟道床和鋼制承軌臺，在撥接天窗4.5h內(nèi)完成扣件安裝、鋼軌撥接和軌道精調(diào)，滿足高速動車組開行條件，滿足整治車站基礎(chǔ)工程而不中斷行車要求。在車站內(nèi)基礎(chǔ)整治3個多月的時間內(nèi)，每天從撥接便線安全通過70多對高速列車。車站內(nèi)基礎(chǔ)整治結(jié)束后在1個天窗時間內(nèi)完成了正線軌道的撥接，撥接復(fù)位的正線軌道滿足高速鐵路動靜態(tài)要求，穩(wěn)固的道床和高標(biāo)準(zhǔn)的軌道幾何狀態(tài)使高速動車組在正線復(fù)位72h內(nèi)實現(xiàn)300km/h達(dá)速運行。該設(shè)計取得以下研究成果。

1)大大縮短高速鐵路無砟軌道撥接時間，同時保證了施工質(zhì)量，使無砟軌道撥接能在短短4.5h內(nèi)高質(zhì)量、安全完成。

2)確保高速動車組行車安全，無砟軌道撥接克服了有砟軌道初期穩(wěn)定性差、軌道幾何狀態(tài)不能保持的缺點，有效保證了高速動車組行車所要求的軌道穩(wěn)定狀態(tài)和高精度的幾何形位。

3)保證高速干線鐵路的運輸能力，撥接后可立刻實現(xiàn)高速列車通過對數(shù)與撥接前相同，確保國家干線鐵路通暢，有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，據(jù)測算，如果按有砟軌道撥接需斷道2d，停運高速列車除了巨大的社會影響外，直接經(jīng)濟(jì)損失>4 000萬元。

4)為整治后的正線無砟軌道快速回?fù)軇?chuàng)造了條件，無砟軌道撥接未使無砟道床產(chǎn)生破壞，減少了重復(fù)工程，降低了工程投資，為整治完成后撥接回正線贏得了時間，同時保證了無砟軌道道床質(zhì)量。