西部鐵路特殊地段軌道結構適應性研究

向俊，彭子祥，楊海明，袁曉利，潘靖凱，梁潔林

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410083)

我國西部鐵路具有陡峻的高原地形、強烈的板塊活動、頻發(fā)的地質災害、脆弱的生態(tài)環(huán)境、惡劣的氣候條件等環(huán)境特征。目前，關于西部鐵路到底采用何種軌道結構類型，特別是在一些軌道基礎有可能發(fā)生大變形的特殊地段(如不均勻沉降地段、路基凍脹上拱地段、活動斷裂帶等)尚沒有定論，而西部鐵路建設正在如火如荼地進行，因此，亟需對西部鐵路特殊地段軌道結構的選型進行研究。

西部鐵路的軌道結構除了應滿足一般的設計原則與規(guī)范外，還需要重點注意在長期運營過程中的維修性，原因在于它將穿越活動斷裂帶及局部無人區(qū)，頻發(fā)的地質災害與季節(jié)性凍土將不可避免地引起軌道基礎的大變形，高原缺氧又加劇了養(yǎng)護維修作業(yè)環(huán)境的惡劣性，因此，西部鐵路的軌道結構應具備少維修、易調整、可快速維修的基本功能[1]。

一般地，軌道結構分為有砟及無砟軌道，劉杰[2]在對西部鐵路軌道選型與設計分析中，根據經驗，提出了一些建議性方案：對于西部鐵路一般地段，推薦采用雙塊式無砟軌道；對于活動斷裂帶等線下基礎變形難以控制的區(qū)域，建議采用便于調整的有砟軌道，但對于有砟道床，采取膠結、固化等措施，以降低運營期養(yǎng)護維修工作量。這種對有砟道床進行膠結、固化的軌道結構，就是最近10年來我國發(fā)展起來的聚氨酯固化道床軌道結構，其性能處于有砟與無砟軌道性能之間，具有足夠的強度和穩(wěn)定性，并兼有混凝土整體道床殘余累積變形緩慢和散粒體碎石道床彈性好、可維修性好的優(yōu)點，能顯著減少養(yǎng)護維修工作量，是一種極具發(fā)展前景的新型軌道結構形式，特別適合在線下基礎產生復雜變形的特定地段進行鋪設[3-5]。但針對劉杰[2]提出的建議性方案未見進一步研究成果，為此，本文結合西部鐵路一些特殊地段相關條件，對聚氨酯固化道床軌道靜力特性進行研究。鑒于軌道不平順直接影響到列車運行品質[6]，而軌道基礎的大變形將會映射到軌面，形成軌面不平順[7]，還會產生離縫現象[8]，大大影響了軌道結構的維修性，本文重點研究聚氨酯固化道床軌道在基礎大變形作用下的軌道結構變形、影響規(guī)律及其維修特性，同時，與雙塊式無砟軌道結構的計算結果進行對比分析，以便深入了解西部鐵路特殊地段軌道結構的適應性。

我國自2009年開始鋪設聚氨酯固化道床軌道試驗段以來，王紅等[4,9-11]通過室內外試驗及仿真計算，對聚氨酯固化道床累積變形力學行為及荷載傳遞規(guī)律等基本力學性能進行了研究；孔凡兵等[12-16]對聚氨酯固化道床軌道的動力特性進行了分析。但西部鐵路軌道基礎可能發(fā)生大變形的特殊地段，人們對聚氨酯固化道床軌道的力學特性分析較少。

雙塊式無砟軌道主要應用于我國，且跨越東西南北，各地工程地質及環(huán)境特征迥異，因此，有關此種軌道在一些特殊地段上的力學特性分析是目前的研究熱點之一。趙國堂[17]基于地基沉降變形機理及無砟軌道各結構層間關系的處理，研究了路基變形作用下高速鐵路無砟軌道-路基變形計算模型的合理性，并分析了路基變形對無砟軌道層間離縫及支承層產生的拉應力的影響規(guī)律。蔡小培等[18]基于有限元方法探討了地面不均勻沉降幅值、范圍及形式與雙塊式無砟軌道平順性間的關系；郭宇等[19]分別采用解析法與數值法分析了不均勻沉降與雙塊式無砟軌道軌面變形間的關系。張永斌[20]針對蘭新高速鐵路分析了路基凍脹對雙塊式無砟軌道靜動力特性的影響，并對路基凍脹變形管理限值進行了探討。

本文首先采用ABAQUS 有限元軟件，分別建立聚氨酯固化道床軌道與雙塊式無砟軌道的計算模型，并進行驗證；其次，對比探究這2種軌道結構在基礎不均勻沉降、上拱及斷層作用下的變形規(guī)律及其維修性；最后，基于變形規(guī)律及其維修性，對這2種軌道在西部鐵路特殊地段的適應性進行綜合分析，旨在為西部鐵路特殊地段軌道結構的選型提供參考。

1 模型的建立及其驗證

1.1 有限元模型的建立

據鐵路相關管理部門統計，迄今為止，我國高速鐵路鋪設的無砟軌道總里程中，雙塊式無砟軌道所占比例已超過50%，鑒于雙塊式無砟軌道結構較普及，這里對聚氨酯固化道床軌道結構進行研究。

聚氨酯固化道床軌道結構形式有枕下全斷面澆筑和軌下雙梯形澆筑斷面2 種[3-5]。我國主要采用軌下雙梯形斷面，具體由鋼軌、扣件、軌枕和聚氨酯固化道床等部件組成，其中，聚氨酯固化道床又包含道砟粘結區(qū)域及道砟未粘結區(qū)域，同時，軌枕與雙梯形斷面一并粘結在一起，如圖1所示，本文采用此結構進行建模計算。

圖1 聚氨酯固化道床軌道結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of polyurethane-cured track structure

ABAQUS 軟件在結構計算中具有強大功能，本文采用此軟件對聚氨酯固化道床軌道及雙塊式無砟軌道分別建模，如圖2所示。建模中的幾個主要環(huán)節(jié)如下：鋼軌均模擬為點支承的空間梁單元；扣件均采用連接器單元模擬；前者中的軌枕、聚氨酯固化道床及基礎以及后者中的雙塊式軌枕、道床板、支承層及基礎均采用實體單元模擬，聚氨酯固化道床不同區(qū)域考慮不同材料屬性。為模擬2種軌道結構在不同基礎變形作用下產生的離縫或脫空現象，在固化道床與基礎之間以及支承層與基礎之間均設置為摩擦接觸。為了消除邊界影響，同時考慮計算效率并結合文獻[14,21]中的計算方法，將模型縱向長度均取65 m。有關模型中的主要計算參數參見文獻[14,21]。

圖2 2種軌道有限元模型Fig.2 Finite element models of two tracks

1.2 模型的初步驗證

采用圖2(a)中的模型及文獻[14]中的參數與計算工況，計算聚氨酯固化道床軌道的豎向位移，并與文獻[14]中的計算結果進行比較，見表1。由表1 可知：鋼軌豎向位移計算結果的相對誤差為7.9%，道床豎向位移計算結果的相對誤差為5.0%，可見，相對誤差均很小。

表1 聚氨酯固化道床軌道豎向位移計算結果Table 1 Calculation results of vertical displacements of polyurethane-cured track mm

采用圖2(b)中的模型及文獻[21]中的參數與計算工況計算雙塊式無砟軌道的豎向位移，并與文獻[21]中的計算結果進行比較，見表2。由表2 可知：與文獻[21]中的結果相比，鋼軌豎向位移計算結果的相對誤差為5.9%，道床板豎向位移計算結果的相對誤差為9.1%，支承層豎向位移計算結果的相對誤差為12.5%。

表2 雙塊式無砟軌道豎向位移計算結果Table 2 Calculation results of vertical displacements of double-block ballastless trackmm

綜上所述，對于軌道豎向位移，本文計算結果與文獻[14,21]中的結果基本一致，初步驗證了本文計算模型是可靠的，可用于后續(xù)的軌道變形計算。

2 基礎變形作用下2 種軌道結構的位移與離縫比較

軌道基礎變形(如路基不均勻沉降、凍脹上拱、活性斷層等)將映射為軌面不平順，進而直接影響行車品質，還將產生軌道結構與基礎之間的離縫現象。軌道結構離縫的存在不但影響行車品質，而且將直接影響軌道結構的強度及耐久性，加速軌道結構的破壞，從而進一步影響軌道結構的維修。為此，本文選擇鋼軌位移及離縫這2 項指標，對聚氨酯固化道床軌道及雙塊式無砟軌道在基礎變形的特殊地段的適應性進行比較。

2.1 基礎不均勻沉降作用下的比較

根據規(guī)范[22]，本文考慮的軌道基礎不均勻沉降模型如圖3所示，并采用式(1)加以描述。

圖3 余弦型不均勻沉降曲線Fig.3 Cosine type curve of settlement

式中：y為沉降幅值；z-z0為任意沉降位置與沉降起點之間的距離；f0為沉降峰值；L為沉降波長。為了便于對計算結果進行觀察，縱坐標取向下為正。

參照文獻[17-19]，具有代表性的沉降波長L分別取5～40 m，級差為5 m；相應的沉降峰值f0分別取5～20 mm，級差為5 mm。計算時，將路基不均勻沉降峰值置于計算模型長度的中點，然后，基于前述所建立的2種軌道計算模型，分別計算在上述路基不均勻沉降作用下，這2種軌道結構中鋼軌豎向位移最大值隨波長及幅值的變化規(guī)律，如圖4所示，有關這2種軌道結構離縫最大值隨波長及幅值的變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 鋼軌豎向位移最大值隨沉降波長與幅值的變化規(guī)律Fig.4 Variation of the maximum vertical displacement of rail with wavelength and amplitude of settlement

圖5 離縫最大值隨沉降波長與幅值的變化規(guī)律Fig.5 Variation of the maximum seam value with wavelength and amplitude of settlement

從圖4(a)及圖5(a)可見：對于聚氨酯固化道床軌道，當沉降波長L＜15 m 時，鋼軌豎向位移最大值隨著L的增大迅速增大，離縫最大值則隨著L的減小而快速增大；當L≥15 m 時，鋼軌豎向位移最大值基本上達到了各自對應的沉降峰值，而離縫值則均趨近于零。

從圖4(b)及圖5(b)可見：對于雙塊式無砟軌道，當沉降波長L≤25 m 時，鋼軌豎向位移最大值隨著L的增大呈增大趨勢，離縫最大值則隨著L的減小而急劇增大；當L＞25 m 時，鋼軌豎向位移最大值基本上達到了各自對應的沉降峰值，而離縫值則均趨近于零。

上述現象表明：沉降波長越大，鋼軌豎向位移越大，而離縫值越??；沉降波長越小，鋼軌豎向位移越小，離縫值則越大。換言之，沉降波長越大，軌道結構與基礎之間的跟隨性越強，沉降波長越小，軌道結構越容易與基礎之間發(fā)生分離。

當15＜L＜25 m時，這2種軌道鋼軌豎向位移及離縫值差異較大。以L=20 m、f0=20 mm 為例，這2種軌道鋼軌豎向位移及離縫分布情況如圖6所示。從圖6可見：聚氨酯固化道床軌道隨基礎變形的跟隨性遠強于雙塊式無砟軌道隨基礎變形的跟隨性。

圖6 不均勻沉降作用下兩種軌道變形及離縫分布圖(L=20 m，f0=20 mm)Fig.6 Distribution diagram of deformation and seam of two tracks under the action of uneven settlement(L=20 m，f0=20 mm)

2.2 基礎凍脹引起的上拱作用下的軌道變形比較

根據文獻[20,23]，本文考慮的軌道基礎凍脹引起的上拱模型如圖7所示。為了便于對計算結果進行觀察，縱坐標取向上為正，其線形也可采用式(1)加以描述，但需注意縱坐標的正負號。

圖7 余弦型上拱曲線Fig.7 Cosine type curve of the frost heave

計算結果表明：上拱作用下的軌道豎向變形及其與基礎間的跟隨性完全不同于沉降作用下的結果。以L=20 m、f0=20 mm 的上拱工況為例，這2種軌道鋼軌豎向位移及離縫分布如圖8所示。

圖8 凍脹上拱作用下兩種軌道變形及離縫分布Fig.8 Distribution of deformation and seam of two tracks under the action of frost heave

由圖8可見：相對于雙塊式無砟軌道，聚氨酯固化道床軌道與基礎間的跟隨性更加明顯；離縫最大值不再位于上拱峰值處，整個離縫區(qū)域位于上拱峰值的兩側，且存在一定距離，這樣，導致2種軌道最大豎向位移幾乎相當。

參照文獻[20,23]，具有代表性的上拱波長L取5～40 m，級差為5 m；相應的上拱峰值f0取5～20 mm，級差為5 mm。計算時，將上拱峰值置于計算模型長度的中點處，然后，基于1.1節(jié)所建立的2種軌道計算模型，分別計算上拱作用下2種軌道結構中鋼軌豎向位移最大值隨波長及幅值的變化規(guī)律，如圖9所示；2 種軌道結構離縫最大值隨波長及幅值的變化規(guī)律如圖10所示。

圖9 鋼軌豎向位移最大值隨上拱波長與幅值的變化規(guī)律Fig.9 Variation law of the maximum vertical displacement of rail with wavelength and amplitude of upper arch

圖10 離縫最大值隨上拱波長與幅值的變化規(guī)律Fig.10 Variation law of the maximum seam value with wavelength and amplitude of the upper arch

從圖9和圖10可見：

1)這2種軌道豎向位移最大值均接近于各自對應的上拱峰值，表示在上拱峰值處，這2種軌道隨基礎上拱的跟隨性均很強，從而出現了與峰值相當的鋼軌豎向位移最大值。

2)對于聚氨酯固化道床軌道，當上拱波長L＜20 m 時，離縫最大值則隨著L減小而呈緩慢增大趨勢，且離縫最大值很小；當L≥20 m 時，離縫值則趨近于零。

3)對于雙塊式無砟軌道，當上拱波長L＜35 m時，離縫最大值隨著L的減小呈增大趨勢，上拱波長越小，離縫最大值增大越急?。划擫≥35 m時，離縫值則趨近于0。

4)在基礎上拱作用下，2種軌道的鋼軌豎向位移均出現了與上拱峰值接近的最大值，說明這2種軌道均會出現接近上拱峰值的最大軌道不平順值；相對于雙塊式無砟軌道，在上拱作用下，聚氨酯固化道床軌道隨上拱變形的跟隨性很強，即使在波長不大的上拱作用下出現了離縫現象，其量值也很小。

2.3 活性斷層作用下的軌道變形比較

西部地區(qū)具有顯著的地形地貌差異，在高原與盆地過渡地帶形成若干活躍斷裂帶，控制著西部鐵路沿線地形地貌，這對西部鐵路的跨越產生直接影響[24]。斷層是巖層或巖體沿破裂面發(fā)生明顯位移的構造形式，發(fā)生斷層的地方會在斷層面兩側形成2個巖塊。斷層分正斷層及逆斷層，對于正斷層，位于斷層面以上的巖塊叫上盤，位于下部的叫下盤，根據文獻[12]，本文考慮的正斷層計算模型如圖11所示。圖11中，O1為從沒有發(fā)生斷層的O處沿斷層面移位而來。以O為坐標原點，建立坐標系。θ表示斷層傾角，v表示豎向位移(即豎向錯動量)，u表示縱向位移?？梢姡粢阎獀與θ，則可求得u，根據文獻[25]，本文θ取45°。為了便于對計算結果進行觀察，縱坐標取向上為正。

圖11 正斷層計算模型Fig.11 Calculation model of normal faultage

為了從宏觀上把握斷層作用下的軌道變形及離縫的分布情況，以v=20 mm、θ=45°為例，計算在正斷層作用下聚氨酯固化道床軌道及雙塊式無砟軌道的變形及離縫分布，如圖12所示。由圖12可見：這2種軌道結構均出現了離縫現象，且離縫形狀類似于正斷層的線形，相對聚氨酯固化道床軌道而言，雙塊式無砟軌道所產生的離縫幅值及范圍均要大；在正斷層附近，上盤上的軌面比下盤上的軌面低，從而軌面呈坡面形狀。

圖12 正斷層作用下兩種軌道變形及離縫分布圖(θ=45°，v=20 mm)Fig.12 Distribution diagram of deformation and seam of two tracks under the action of normal faultage(θ=45°,v=20 mm)

為了進一步了解這2種軌道變形及離縫隨正斷層的變化規(guī)律，計算時，取θ=45°，根據文獻[12,25]，豎向錯動量v取5～20 mm，級差為5 mm，分別計算聚氨酯固化道床軌道及雙塊式無砟軌道中鋼軌豎向位移隨錯動量的變化規(guī)律，如圖13所示。這2種軌道結構離縫最大值和離縫隨錯動量的變化規(guī)律如圖14所示。

圖13 2種軌道鋼軌豎向位移隨正斷層的變化規(guī)律Fig.13 Variation law of vertical displacement of rails of two tracks with normal faults

圖14 2種軌道離縫最大值及范圍隨正斷層的變化規(guī)律Fig.14 Variation law of the maximum and range of two tracks seam value with normal faults

從圖13 可見：這2 種軌道中鋼軌豎向位移幅值及其變形范圍均隨斷層錯動量的增大而增大；所造成的鋼軌前后高低幅值基本上與錯動量的幅值接近；相對于雙塊式無砟軌道，聚氨酯固化道床軌道中的鋼軌豎向位移更大，而變形范圍更小，說明聚氨酯固化道床軌道隨斷層的跟隨性更強。

從圖14 可見：這2 種軌道離縫最大值及離縫范圍均隨錯動量的增大而增大；相對于聚氨酯固化道床軌道，雙塊式無砟軌道所產生的離縫幅值及范圍均較大；當錯動量v=20 mm 時，離縫值出現了急劇變化，此時，雙塊式無砟軌道出現的最大離縫值為4.94 mm，離縫長度為20.80 m，而聚氨酯固化道床軌道出現的最大離縫值僅為1.28 mm，離縫長度為12.40 m。

上述現象表明，在正斷層作用下，一方面，氨酯固化道床軌道會產生更大的鋼軌豎向位移，但離縫最大值及其范圍更小；另一方面，雙塊式無砟軌道中的鋼軌豎向位移較小，但離縫最大值及其范圍更大。

3 軌道基礎變形地段2 種軌道結構的維修性比較

本文主要針對西部鐵路不均勻沉降、上拱、斷層等引起軌道基礎大變形的特殊地段，探討聚氨酯固化道床軌道及雙塊式無砟軌道面臨的問題及其維修方法，通過比較分析，對2種軌道的適應性加以分析，以便為西部鐵路特殊地段軌道選型提供參考。

本文考慮的路基不均勻沉降、上拱及斷層等西部鐵路特殊地段引起的軌道基礎變形幅值及范圍一般都較大，將會引起較大幅值及范圍的鋼軌豎向位移與離縫。一方面，較大幅值的鋼軌豎向位移將直接作用于輪軌界面，加劇車-軌振動響應，從而影響列車運行舒適性，甚至威脅行車安全[6-7,19]；另一方面，較大幅值的離縫除了影響列車運行品質外，在過往運營列車反復作用下，離縫上下層之間將產生“拍打”效應，加劇軌道結構本身破壞，屬于軌道典型病害之一[26]。由此可見，一旦出現路基不均勻沉降、上拱及斷層等引起的軌道變形及離縫現象，必須加以維修，恢復線路正常狀態(tài)，確保列車正常運行。

當軌道不平順幅值不大時，聚氨酯固化道床軌道及雙塊式無砟軌道維修方法一般采用扣件調整量來恢復軌面的平順性。最大調整量主要取決于扣件的調整量，如在高速鐵路無砟軌道扣件中[27]，WJ-7型、WJ-8型、W300-1這3種扣件的最大調整量均為-4～+26 mm，其中負號表示調低量，正號表示調高量，SFC 型扣件的最大調高量為+30 mm，而聚氨酯固化道床軌道匹配的彈條V 型扣件的最大調高量則達50 mm[28]。可見，這2種軌道的扣件肯有一定的調整能力，相對而言，聚氨酯固化道床軌道的扣件調整能力更強。

當雙塊式無砟軌道出現的離縫不大時，可采用填充樹脂材料，或者采用注漿方式來消除離縫。當雙塊式無砟軌道出現的離縫較大時，僅僅靠填充材料或注漿不能完全解決問題，此時，需要采用鋸板斷道，進行重新施工，重新調整軌道幾何形位，以滿足無砟軌道平順性之要求[29]。當雙塊式無砟軌道不平順或離縫幅值過大、采用常規(guī)方法仍不能滿足要求時，則需要對軌道基礎進行重新調整，最終滿足平順性要求。但需注意的是，這種對雙塊式無砟軌道基礎進行重新調整的維修方法實施起來相當困難。為此，陳秀方等[30]認為，無砟軌道結構形式應視工程環(huán)境條件及線下工程類型等因素綜合權衡確定，在活動斷裂帶、地面嚴重沉降區(qū)、凍結深度較大且地下水位較高的季節(jié)凍土區(qū)以及深厚軟土等區(qū)域變形不易控制的特殊地質條件地段，不宜采用無砟軌道。雙塊式無砟軌道對于西部鐵路特殊地段適應性很差。

當聚氨酯固化道床軌道出現大幅值的軌道不平順或離縫時，即使超出了扣件調整能力，也仍然具有靈活便利的維修方法[28]，表現在：1)采用小型門吊將沉降范圍內的聚氨酯固化軌枕塊整體吊出，更換為更大固化道砟厚度的聚氨酯軌枕塊；2)采用小型門吊將沉降范圍內的聚氨酯軌枕塊吊起，在塊下填充速凝混凝土或樹脂材料進行調整修復。實際上，聚氨酯固化道床軌道兼具了有砟軌道便于調整和無砟軌道少維護且穩(wěn)定性好的優(yōu)點，已證明可以有效解決有砟-無砟軌道過渡段病害較嚴重的問題[31]，成為繼有砟軌道和無砟軌道之后的第三種軌道結構形式。目前，此種軌道已實現預制裝配化[32-33]，它不僅具有道床結構少維護、運營期不用進行道床搗固及清篩等大機作業(yè)等優(yōu)勢，而且可以實現基礎沉降后的單元化維修。

綜上所述，相對于雙塊式無砟軌道，聚氨酯固化道床軌道對工程及環(huán)境條件惡劣的西部鐵路維修作業(yè)更具有適應性。

4 結論

1)基于ABAQUS 軟件，分別建立了聚氨酯固化道床軌道與雙塊式無砟軌道計算模型，并進行了驗證，結果表明，所建立的計算模型正確、可靠，可以進一步用于軌道基礎大變形作用下2種軌道的靜力分析。

2)在路基不均勻沉降作用下，2種軌道結構都出現了幅值較大的鋼軌豎向位移或離縫，且最大幅值均出現在沉降峰值位置。當沉降波長較小時，離縫峰值變大，并趨于沉降峰值，而鋼軌豎向最大位移變小，并趨于零；當沉降波長較大時，離縫峰值變小，并趨于零，而鋼軌豎向最大位移變大，并趨于沉降峰值?？梢?，沉降波長越小，2種軌道與路基不均勻沉降的跟隨性越差；沉降波長越大，2種軌道與路基不均勻沉降的跟隨性越好。

3)在路基上拱作用下，2種軌道結構都出現了最大值接近上拱峰值的鋼軌豎向位移，且均出現在上拱峰值位置；而離縫現象則均出現在上拱波長兩端附近。當上拱波長較大時，離縫峰值變小，并趨于零；當上拱波長較小時，離縫峰值均變大，但聚氨酯固化道床軌道的離縫值要遠小于雙塊式無砟軌道的離縫值，說明聚氨酯固化道床軌道與路基上拱變形的跟隨性更強。

4)在斷層作用下，2種軌道結構均會產生鋼軌豎向位移及離縫現象。雙塊式無砟軌道的鋼軌豎向位移小于聚氨酯固化道床軌道的鋼軌豎向位移，而雙塊式無砟軌道的離縫值及其范圍遠大于聚氨酯固化道床軌道的離縫值及其范圍，這也說明聚氨酯固化道床軌道隨斷層的跟隨性更強。

5)聚氨酯固化道床軌道對工程及環(huán)境條件惡劣的西部鐵路的維修作業(yè)具有更好的適應性。