重载铁路隧道内基床整修线路架空技术

宣言（中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京　100081）



重载铁路隧道内基床整修线路架空技术

宣言
（中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京100081）

摘要对重载铁路隧道内基床病害整治时架空线路的方法进行了分析，研制出一种可在重载铁路隧道内架空线路的专用便梁结构。现场试用结果表明，该便梁结构强度高，整体性好，安装快捷方便，提高了施工效率，缩短了施工周期。便梁结构的各项动力性能指标（包括安全性）满足25 t轴重、2万t重载列车以45 km/h速度通行的运营要求，显著提高了基床病害整治天窗修期间重载列车通过速度。

关键词重载铁路；架空线路；施工整治；动力性能

1　线路架空技术分析

近年来，大秦重载线路运量急剧增加。部分隧道基底在动荷载长期作用下产生裂缝甚至破碎，加之有些排水系统经长期淤积失去作用，积水经水沟缝隙侵入道床，使隧道铺底、仰拱及整体道床发生下沉、上鼓等病害。目前的基床病害根治办法主要是架空线路后进行大修。

我国运营隧道内线路架空基本结构形式有纵扣轨、横扣轨、吊轨及组合轨束梁。现在轨束梁已大多用型钢或D型便梁的横梁代替。在隧道内进行大范围的大修施工时，线路必须分段加固，逐次倒移，以采用横扣轨结构形式最为便捷，应用最为广泛。

上述各种形式均为松散个体的简单连接，稳定性差。隧道内基床病害整治架空线路时行车速度须在15～25 km/h。列车司机以不超过25 km/h的速度操控1万t及2万t组合列车非常困难，尤其是在坡道地段很容易造成停车，对运输组织非常不利，施工过程中需要的看护、检查、补强的人工数量较大。施工整治时若使用路基施工便梁或军用便梁，则结构体积和质量过大，不具备在隧道内施工的可操作性。因此提高大秦重载线路隧道基床病害整治时的列车通过速度是目前急需解决的难题。为此，对既有的线路架空施工方法进行了总结分析后，研发了一种整体性和稳定性良好、便于隧道内现场施工的通用线路架空方案和相应的便梁结构。

2　结构设计

2. 1基本原则和流程

在保证线路架空后轨道几何尺寸、线路刚度、稳定性和重载货物列车通过时安全的条件下，兼顾现场作业时空间狭窄，长大物件搬运困难的实际情况，设计时须控制施工便梁单件构件质量和长度。研发过程中，首先根据技术标准采用静力计算确定设计参数，选定设计方案。然后通过有限元仿真计算和动力学仿真计算验证设计方案的合理性。最后根据现场试验结果对结构不断加以改进。

2. 2基本计算参数

1）列车竖向动力系数

考虑到隧道内作业场所、人工搬运和拼装、施工作业效率等因素，便梁结构设计跨度暂定为6 m。冲击系数取值采用《铁路桥梁抢修（建）技术规程》（铁计［2002］100号）第3. 3. 6条规定，即1 +μ= 1 + 28φ/ （40 + L），L为跨度，这里为支点间距，取5. 5 m。设计速度取60 km/h，则φ= 0. 75，1 +μ= 1. 462。

2）离心力

便梁结构在曲线上时，列车离心力作用于轨顶以上2 m处。离心力的大小等于列车竖向静活载乘以离心力率C，C = V2/（127R）= 0. 071。列车速度初步设计按60 km/h考虑，曲线半径R按大秦线最小半径400 m取值。

3）制动力或牵引力

制动力或牵引力对于直线段便梁结构，按列车竖向静活载的10％计算，但当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时，制动力或牵引力按列车竖向静活载的7％计算。制动力或牵引力作用在轨顶以上2 m处。

4）列车的横向摇摆力

列车的横向摇摆力取为100 kN，作为一个集中荷载，取最不利位置，以水平方向作用在钢轨顶面。

5）外荷载组合及容许应力提高系数（表1）

表1　外荷载组合及容许应力提高系数

2. 3横梁与主梁连接方式

横梁与主梁连接按其竖向相对位置可分为上承式、下承式和中承式3种。根据主梁和横梁竖向位置中承式也可分为高位和底位2种布置方式。横梁与主梁连接方式对比见表2。综合比选后采用高位中承式结构，构件布置见图1。中承式结构横梁端部与主梁侧面全断面拼接。主梁与横梁采用对接式拼接，以便于采用拼装冲钉使横梁与主梁对位。

表2　横梁与主梁连接布置方式对比

图1　高位中承式便梁构件布置（单位：mm）

2. 4横梁（钢枕）与钢轨连接方式

一般采用齿状楔形扣板扣件连接钢轨和D型便梁钢枕。在侯月线上行寺西1#隧道进行了23 t轴重货物列车试验，发现扣件弹程不足。随后设计了弹条扣件作为钢轨与便梁的连接体，将焊有弹条扣件铁座的钢底板，通过M24摩擦型高强螺栓与横梁上翼缘连接。考虑到要在曲线上使用，钢底板上设长圆孔以灵活调整轨距，通过摩擦传力。带长圆孔底座板扣件如图2所示。

图2　带长圆孔底座板扣件示意

2. 5主梁支承处构造

便梁结构共有4个支点位置，单个支点最大支反力为362. 5 kN。主梁下翼缘底面在支座处设置连接钢板，每个支座处设置4个M16预埋化学锚栓，满足100 kN横向力作用时的强度要求，用以将主梁纵、横向受力传至基础。支座竖向高度采用特制橡胶垫板调整。

3　仿真结果分析

建立三维有限元模型，主梁、横梁及钢轨采用梁单元模拟，便梁两侧各考虑6 m左右轨道结构，不考虑道床的纵向和横向阻力。便梁结构为简支约束。

1）主梁竖向静挠度

HXD3 + C80作用下，主梁跨中竖向静挠度为5. 83 mm，挠跨比为1 /926；中-活载特种活载作用下，跨中竖向静挠度为6. 42 mm，挠跨比为1 /841，挠跨比均满足＜1 /600的要求。

2）主梁、横梁强度及稳定性

HXD3 + C80活载各组合下以及中-活载特种活载各组合下，主梁、横梁控制应力小于材料容许应力。主梁、横梁腹板剪应力最大为64. 5 MPa，小于基本容许剪应力。主梁、横梁强度及整体稳定性满足要求，各板件宽厚比可保证局部稳定性满足使用要求。

3）结构横向自振频率

不考虑钢轨及相邻轨排对结构横向自振频率的贡献，计算可得结构横向自振频率为23 Hz，满足f＞45 /L0. 5= 11. 7 Hz的横向刚度要求。

4）动力学仿真分析

利用动力学分析软件NUCARS建立车辆-轨道-桥梁结构耦合动力学分析模型，车辆采用大秦线主型货车C80，轴重25 t。轮轨接触模型采用实时轮轨接触模型。轨道不平顺采用大秦线实测数据，考虑较不利工况，行车速度分别按25，45，60 km/h共3个级别计算。计算结果表明，各动力响应指标整体趋势均随速度增加而增加。安全性指标中脱轨系数较小，不会影响行车安全；减载率变化幅度较大，60 km/h通过时最大为0. 55，满足限值（0. 8）要求。

4　现场试验验证

4. 1试验概况

为减少对运输的影响，选择了运量较小的联络线路基段进行试验。该线每天通行4列25 t轴重、2万t编组货物列车。考虑较不利运用工况，选取曲线半径600 m线路，超高设置为110 mm。试验前进行了路基地质勘测（砂黏土B级）和地基承载力测试。

试验前对该线路区段进行了大机捣固作业。为对比验证试验前进行了正常线路测试，试验列车最高速度45. 8 km/h。之后进行了4 d施工便梁结构状态下的测试，试验列车最高速度48. 3 km/h。

4. 2正常线路测试结果

正常线路测试期间共采集到6组有效数据。列车通过正常线路时的安全性指标见表3，轮轨力见表4，轨道结构动态变形见表5。

表3　列车通过正常线路时的安全性指标

表4　列车通过正常线路时的轮轨力　kN

表5　列车通过正常线路时的轨道结构动态变形mm

4. 3施工便梁测试结果

便梁结构状态测试期间共采集到18组有效数据，其中25～30 km/h有3列，30～35 km/h有8列，35～40 km/h有3列，40～50 km/h有4列，最高速度达到48. 3 km/h。具体数据见表6—表10。

表6　列车通过施工便梁时的安全性指标

表7　列车通过施工便梁时的轮轨力　kN

表8　列车通过施工便梁时的轨道结构动态变形mm

表9　列车通过施工便梁时梁体动态变形　mm

表10　列车通过施工便梁时的应力　MPa

4. 4测试结果分析

由表3—表10可知：

1）内外轨脱轨系数均满足规范中规定的第二限度（1. 0）。与列车通过正常线路时安全性指标相比略有增大，但在安全限值以内。表明该便梁结构满足25 t轴重、2万t编组货物列车安全运营要求。

2）列车通过施工便梁时，内外轨水平力相差不大，且与列车通过正常线路时内外轨水平力基本相当；内外轨垂直力均略小于列车通过正常线路时内外轨垂直力。

3）列车通过施工便梁时，钢轨横移与列车通过正常线路时基本相当，钢轨垂移略大于列车通过正常线路时的，主要由便梁变形引起。

4）内纵梁垂向位移大于外纵梁。

5）纵梁和横梁上翼缘均承受压应力，下翼缘承受拉应力。内纵梁受力大于外纵梁，端横梁受力大于中横梁。

6）便梁的纵梁和横梁上下翼缘应力测试结果均小于Q345qD基本容许弯曲应力240 MPa，满足材料性能要求。

综上所述，各项指标测试结果表明施工便梁动力性能能够满足25 t轴重、2万t编组货物列车以45 km/h通过的要求。

5　结论

1）研制的架空线路方案和便梁结构简便易行，可快速拼装。该结构能保证线路架空时的轨道几何尺寸、线路刚度和稳定性，同时适应现场空间狭窄、长大物件搬运困难的情况。

2）现场测试结果表明列车通过时各项动力性能指标满足25 t轴重的2万t列车以45 km/h速度通行的要求。

3）使用该便梁结构，在3 h天窗内能够完成结构整体移动，减少了看护和检查工作量，架空线路施工整治的单元施工周期由9～10 d缩短至6 d，施工效率提高了30％以上。

参考文献

［1］宣言，方兴，孙加林，等.重载铁路技术之一——重载铁路隧道基床病害整治线路架空技术应用研究［R］.北京：中国铁道科学研究院，2012.

［2］中华人民共和国铁道部. TB 10002. 1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［3］中华人民共和国铁道部. TB 10002. 2—2005铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［4］中华人民共和国铁道部.铁计［2002］100号铁路桥梁抢修（建）技术规程［S］.北京：铁道部运输局，2002.

［5］中华人民共和国铁道部. TB/T 2820. 1—1997铁路桥隧建筑物劣化评定标准——钢梁［S］.北京：中国铁道出版社，1997.

［6］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号铁路桥梁检定规范［S］.北京：中国铁道出版社，2004.

［7］中华人民共和国铁道部.铁运［1999］146号铁路桥隧建筑物大修维修规则［S］.北京：中国铁道出版社，2000.

［8］国家标准局. GB 5599—85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］.北京：中国铁道出版社，1985.

（责任审编李付军）

Technology to form Track in Suspension State by Support During Bedding Maintenance of Heavy Haul Railway Tunnel

XUAN Yan
（Railway Science Technology Research and Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

AbstractT he overhead line method of heavy haul railway tunnel during the period of bedding diseases treatment was studied and a special beam structure for the overhead line in the heavy haul railway tunnel has been developed. T he field trial results showed that the beam structure has such characteristics as high strength，good integrity and convenient assembling，which could improve the construction efficiency and shorten the construction period. Each dynamic performance index of beam structure including the safety could meet the operational requirements when 20 000 t heavy haul train with the 25 t axle load is running at speed of 45 km /h and could greatly improve the heavy haul train passing speed during the skylight maintenance of the bedding diseases treatment.

Key wordsHeavy haul railway；Overhead lines；Construction regulation；Dynamic performance

中图分类号U216. 6

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 36

文章编号：1003-1995（2016）06-0137-04

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-04-21

基金项目：铁道部科技研究开发计划（2011G016-B）；中国铁道科学研究院基金（2011YJ66）

作者简介：宣言（1972—），男，副研究员，博士。