山区隧道内双块式无砟轨道道床板分块长度研究

苏乾坤 江万红 巫 江 卢 野

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

随着我国不断推动《铁路“十三五”发展规划》和西部发展战略，到2020年，我国高速铁路运营里程达3×104km，西南主要城市间将实现高速铁路的互通互达，基本形成布局合理、覆盖广泛、层次分明、安全高效的铁路网络[1]。西南地区的高速铁路建设具有地质条件复杂、海拔高度相差较大、桥隧占比高、艰险山区多的特征，而高速铁路无砟轨道结构对平顺性、稳定性、耐久性有着更高的要求，因此在复杂山区铺设无砟轨道，受山区自然条件制约和铁路自身技术标准的限制，具有较高的技术挑战性。

无砟轨道作为列车荷载直接作用的下部结构基础，其结构功能性直接影响行车的舒适性和安全性。目前我国主要的无砟轨道型式有CRTSⅠ型双块式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式和CRTSⅢ型板式[2-4]。其中，CRTSⅠ型双块式无砟轨道是直接将双块式轨枕浇注在混凝土道床中，并适应ZPW-2000轨道电路的单元轨道板式无砟轨道结构型式，其路基地段道床下设置支承层，桥梁地段设置混凝土底座，在隧道地段道床则直接浇注在仰拱回填层上或在底板上构筑。CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构简单、对线路的适应性非常好、具有较好的平顺性，造价低于板式无砟轨道，且其施工工艺相对简单，采用预组装轨排定位，自上而下的施工可确保轨道最终的施工质量。从山区铁路的运输、施工便利性及工程投资等多方面综合考虑，西南山区高速铁路建设一般选用CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道。隧道内CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道断面如图1所示。

图1 CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道横断面图(单线有仰拱隧道直线地段)(mm)

为更好地适应复杂地质条件下的隧道变形，减少运营期的养护维修工作量，本文对艰险山区高速铁路隧道内的CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道分块长度展开研究，研究结果具有一定的工程设计指导意义。

1 理论分析

对于单元式轨道，列车荷载为主要荷载，荷载弯矩为设计的主要依据。而连续式轨道，温度影响与列车荷载同样重要，混凝土收缩与降温也是影响设计的重要因素[5-6]。通常隧道内所采用的道床板为连续浇筑，线下基础刚度较大，主要考虑列车荷载和温度荷载(含混凝土收缩等效降温量)，复杂地质条件(大变形高风险地段)下需考虑基础变形作用。

参考文献[7]，设计轮载取列车运行在线路上的最大可能轮载再加上一定的安全裕量，本次计算列车荷载取单轮300 kN。板底当量摩阻系数μ，隧道内道床板与支撑层间摩阻系数取1.5；无载时扣件极限阻力为24 kN/m/轨。轨道结构参数如表1所示。

表1 隧道内CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道基本参数

1.1 列车荷载影响分析

采用ANSYS有限元软件建立梁板有限元模型[8]，荷载加载在板中间位置(两组扣件的中间位置)，加载方式为单轴双轮，作用效果如图2所示。

图2 模型中荷载作用效果图

在轮载作用下，荷载作用影响明显的范围大约为左右各3.5组扣件间距离，即荷载作用的显著影响长度约为4.375 m。在此范围内，基础反力在荷载作用点位置处最大，沿两侧以近似二次抛物线的型式衰减。即在板长大于4.375 m时，车载对板长的影响较小。荷载弯矩作为设计的控制因素，对板的结构参数起着重要的控制作用，不同板长弯矩计算结果如表2所示。

表2 道床板不同分块长度下弯矩的计算结果

由表2可知，板长大于20 m时，在轮载作用下板的内力几乎不发生变化。最大单宽正弯矩约为13.6 kN·m，最大单宽负弯矩约为2.9 kN·m。最大正弯矩出现在荷载作用处，最大负弯矩出现在距荷载作用点大约3～4组扣件间距的位置。当板长大于4.375 m时，列车荷载对道床板分段长度影响不大。纵向弯矩分布如图3所示。

图3 20 m板长纵向弯矩分布图(N·m)

1.2 温度荷载影响分析

对于无限长板，在升降温作用下，当混凝土内部应力小于σt时，混凝土内部应力分布趋势如图4所示。

图4 无限长板温度应力示意图

板两端存在伸缩区lr，伸缩区温度应力随着板长增加而线性增加，线性增加斜率与板底摩阻力和板上扣件纵向阻力相关。板中为固定区lg，温度应力恒定。温度应力计算公式为：

σt1=EcαΔT

(1)

式中：σt1——温度应力；

Ec——混凝土弹性模量；

α——混凝土线膨胀系数；

ΔT——温度变化幅度。

道床板采用C40混凝土时，其设计抗拉强度为1.71 MPa，设计抗压强度为19.1 MPa，根据温度应力计算公式求得对应的降温幅度为5.26 ℃，升温幅度为58.77 ℃。

当温度不断降低(升高)，混凝土达到设计抗拉(压)强度后，可能出现裂纹，无限长板断裂成2块板，又各自形成1个伸缩板，继续降(升)温，循环断裂，直至板长减短至2lr，此时板长正好能够完全伸缩，应力分布如图5所示。

图5 完全伸缩板

此处考虑无载时扣件极限阻力为24 kN/m/轨，板底摩阻系数μ=1.5。则有：

线路扣件阻力：r1=24×2=48 kN/m

板底摩阻力：r2=Aγμ=26.775 kN/m

恰好完全伸缩的板长：

(2)

式中:γ——道床板容重，取25 000 N/m3；

A——道床板断面面积，取0.714 m2；

ft——C40混凝土设计抗拉强度，取1.71 MPa。

在温度荷载作用下，确定最优板长为32 m。当长度超过32 m时，温度荷载作用下的道床板分段意义不明显(与铺设连续道床板性质相似)，可能出现裂纹。考虑到隧道内渗水离缝和防止板的垂向“拍打”作用，在道床板与支撑层的层间凿毛或植入预埋件，加强层间连接，相应的板底当量摩阻系数μ增加。为使板能够满足自由伸缩，板长应相应减短。

1.3 基础变形影响分析

针对艰险山区铁路隧道穿越区域受地震、活动断裂、大变形、岩溶等不良地质的影响，考虑基础变形对无砟轨道的影响具有实际意义。线下基础变形采用挠度随动法[9]，即认为在基础变形作用下，无砟轨道将发生与下部变形相同的变形，如图6所示。

图6 基础变形计算示意图

此时，无砟轨道在跟随线下基础变形作用下的弯矩为：

M=EI×K

(3)

式中：EI——无砟轨道结构层的抗弯刚度；

K——变形曲率。

由式(3)分析可知，在一定的线下基础变形情况下，道床板弯矩值受下部基础变形曲率大小控制，道床板将在变形曲率最大处率先出现裂纹，若此处设置有道床伸缩缝，则基础变形引起的道床板变形将在道床伸缩缝处发生转角释放，从而避免道床混凝土出现裂纹。故从基础变形角度考虑，为尽量避免基础变形对道床板造成影响，道床板分块长度宜较短。

此外，影响隧道内道床板结构出现裂纹等病害的其它因素还有混凝土配合比、浇筑和养护等，但这些影响因素与道床板分段长度关系不大。

2 工程实践经验

依据铁路工程建设CRTSⅠ型双块式无砟轨道通用参考图，隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道采用连续道床板方案为主，在仰拱沉降缝处对应设置道床伸缩缝，如厦深铁路、湘桂铁路、沪昆铁路、云桂铁路等均采用了此种轨道结构方案，投入运营后，轨道服役性能总体良好。但受道床混凝土浇筑、隧道变形等因素影响，道床板局部地段存在开裂现象，在个别隧道变形严重地段，引起无砟轨道上拱，形成限速点[10-11]。

同时，也有部分铁路隧道双块式无砟轨道采用了分块式设计，如六沾铁路(12.5 m分块)、广昆铁路(12.5 m分块)、襄渝铁路(15 m分块)。双块式无砟轨道分块式设计运行情况总体良好，道床裂纹较少，但局部地段由于地下水丰富，隧道渗漏水进入道床板与仰拱回填结合面，出现道床板拍打、翻浆冒泥等病害。

据调研，达成铁路云顶隧道、广昆铁路秀宁隧道、沪昆客运专线光照隧道及王家山隧道现场反馈的情况，复杂地质条件引起的隧道变形范围为25～40 m，从后期维护角度考虑，道床板分块长度应小于此范围。

3 结论及建议

本文针对西南艰险山区高速铁路隧道内所采用的CRTSⅠ型双块式无砟轨道，从列车荷载、温度荷载及基础变形条件下分析了双块式无砟轨道的受力情况，并结合工程实践经验，对不良地质条件下的隧道内双块式无砟轨道分块长度展开研究，主要结论及建议如下：

(1)当道床板长大于4.375 m时，列车荷载对道床板不同分块长度的意义不明显，但对裂纹的扩展有较大影响；在温度荷载作用下，确定最优板长为32 m，当长度超过32 m时，温度荷载下的道床板分段意义不明显(与铺设连续道床板性质相似)，可能出现裂纹。因此，为了尽量避免基础变形对道床板造成影响，道床板分块长度宜较短。

(2)结合既有工程实践经验，复杂地质条件引起的隧道变形范围为25～40 m，从后期维护角度考虑，道床板分块长度应小于此范围。

考虑到道床伸缩缝应处于轨枕间距正中，道床分块长度应为轨枕间距整数倍，本文建议复杂地质条件下的隧道洞口200 m范围内道床板分块长度6.25 m；距隧道洞口200 m往内，道床板按40个轨枕间距进行分块设计，即分块长度为25 m，同时应加强道床板与仰拱回填层之间的连接。