山西中南部铁路通道隧道内无砟轨道铺设方案研究

曹 祥

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概 述

山西中南部铁路通道西起瓦塘，东至日照，线路由西向东先后翻越吕梁山、太岳山、太行山及沂蒙山，正线全长1 270 km，桥隧比例49%，建设标准为双线电气化铁路，旅客列车速度目标值120 km/h，汤阴以东限制坡度6‰，汤阴以西限制坡度为6/13‰，设计轴重30 t。

山西中南部铁路通道是一条以煤运为主的大能力干线铁路，其煤炭运量流向可分为本线消耗、利用既有线下线和直通港口下海，各部分运量及所占比例见表1。

表1 运量分类构成表

山西中南部铁路通道全线含隧道工程196座/377.8 km，隧道占比30%，其中长度大于6 km的隧道14座/164.1 km。

2 无砟轨道结构选型及轨道高度变化情况

山西中南部铁路通道施工图设计阶段，因尚无配套30 T轴重成熟无砟轨道产品，暂按300 mm厚度的轨道板确定轨道高度，轨道结构高度为557 mm。后在多次现场调研、专题论证的基础上，以课题研究为依托，最终确定了适应30 t轴重的无砟轨道结构高度，其中双块式无砟轨道结构高度为557 mm，弹性支承块式无砟轨道结构高度为647 mm。因弹性支承块式无砟轨道结构在减缓冲击、可维修等方面具有一定的优势，故确定其为本项目无砟轨道采用的主型轨道结构。

3 重载铁路对隧道结构及基底条件影响分析

3.1 计算分析

仰拱填充为素混凝土结构，列车通过过程中，在左右线列车荷载作用下，左右线中间部分呈现局部受拉趋势，该拉应力自表面向填充底部迅速减小，容易导致仰拱填充表面开裂。采用MIDAS-GTS4.0有限元建立模型进行计算分析，普通列车条件下，有限元计算仰拱填充最大拉应力达到0.411 MPa(设计值1.10 MPa的37.4%，折算安全系数2.7)；对于重载铁路仰拱填充，按动力系数(μ=3)的等效静载计算，其最大拉应力达0.536 MPa(设计值1.10 MPa的49%，折算安全系数2.0)；在动荷载作用下最大拉应力达0.74 MPa(设计值1.10 MPa的67.3%，折算安全系数1.5)；容易造成仰拱填充大范围开裂，对于轨枕、轨道的位移及变形控制极为不利，且大范围削弱了仰拱填充对列车荷载的缓冲作用。另按静力荷载条件下计算分析，双线同时过车工况下，计算结果显示仰拱填充拉应力、压应力、基底承载力、结构沉降等方面更为不利。

3.2 既有线路调研情况分析

根据对大秦线、大包线、朔黄线等既有铁路的病害调研情况可知，隧道内仰拱填充一旦裂穿，极易导致隧道底部出现铺底开裂、破损、下陷，向两侧外挤，以及翻浆、冒泥现象；轴重增大、运量提高后，这种现象将更为明显，严重影响隧道基底结构安全，进而危及行车安全。

3.3 小结

对于有限元模拟计算，未考虑素混凝土开裂及裂缝发展特性，仰拱填充作为素混凝土结构，其受力状态及裂缝扩展形式具有较大的不确定性。运营期间，由于仰拱填充受力的不均匀性，易在某些局部区域(如填充与仰拱、水沟侧壁等接触面处)出现受拉开裂；仰拱填充一旦出现局部裂缝，在后续列车荷载作用下，其裂缝迅速扩展，仰拱填充的受拉区无限接近于表面，必然会产生穿透形裂缝。若仰拱填充为钢筋混凝土结构，该裂缝仅出现在受拉区，不会产生穿透型裂缝。

鉴于30 t轴重重载列车荷载作用下，仰拱填充受力安全余量较小、受力状态的不可控性以及填充裂穿后带来的严重影响，建议本工程仰拱填充进行表面配筋，以加强其抗裂性能；根据结构-荷载模型检算结果，建议仰拱填充表层敷设钢筋混凝土网片厚度不小于150 mm，表面配筋不小于φ22@200。

4 无砟轨道结构高度适应性分析

本项目采用的弹性支承块式无砟轨道结构高度为647 mm，比原设计高90 mm。根据隧道专题研究报告成果，在大轴重列车作用下，单洞双线隧道仰拱表面会产生拉应力，为避免出现裂纹，建议有条件时在填充层表层再铺设一层150 mm厚度的C20钢筋混凝土。对于单洞双线隧道，在考虑仰拱回填层表面增设钢筋混凝土网片的情况下，轨道结构高度比原设计高240 mm。

5 处理措施研究

5.1 维持设计轨面高程不变方案处理措施研究

如设计轨道面高程维持不变，对于设仰拱结构段落的单洞双线隧道，在考虑于仰拱回填面增设钢筋混凝土网片的情况下，需将仰拱回填层较原设计减薄240 mm，于仰拱回填层表面增设一层150 mm厚的钢筋混凝土网片；在不考虑于仰拱回填面增设钢筋混凝土网片的情况下，需将仰拱回填层较原设计减薄90 mm。

对于设仰拱结构段落的双洞单线隧道而言，需将仰拱回填层较原设计减薄90 mm。此外，由于仰拱回填层顶面下降，需于两侧轨道板端头至电缆槽间采用C25混凝土回填，以保障隧道内部分水顺畅进入侧沟。

对于不设仰拱结构段落的隧道，需将底板结构较原设计降低90 mm。此外，由于底板结构顶面下降，需于两侧轨道板端头至电缆槽间采用C25混凝土回填，以保障隧道内积水顺畅进入侧沟。

5.2 调整设计轨面高程方案处理措施研究

(1)接触网导线高度与通行超限货物列车间关系说明

电力牵引通行超级超限货物列车时，机车车辆限界高度4 800 mm，装载高度5 000～5 300 mm，接触网导高5 700 mm；电力牵引通行二级超限货物列车时，机车车辆限界高度4 800 mm，装载高度4 950～5000 mm，接触网导高5 370 mm；电力牵引通行一级超限货物列车时，机车车辆限界高度4 800 mm，装载高度 4 800 mm～4 950 mm，接触网导高5 330 mm；电力牵引不通行超限货物列车时，机车车辆限界高度4 800 mm，接触网导高5 150 mm。

鉴于本线沿线分别与岢瓦线、南同蒲线、太焦线、京广线、京九线、京沪线、兖日线等互联互通，在路网中为起骨干作用的长大干线，应按电力牵引通行超级超限货物列车进行考虑，故接触网导线高度确定为5 700 mm。

(2)限界分析

单洞双线隧道采用内轨顶面上抬240 mm、双洞单线隧道采用轨面上抬90 mm的方案，如果隧道结构物不动，调整坡度后隧道内轮廓将侵入隧道建筑限界，但仍满足基本建筑限界要求。洞内抬坡后隧道轮廓线与隧道建筑限界间关系详见表2。

表2 洞内抬坡对应隧道建筑限界侵限一览表

隧道建筑限界是一个和线路中心线垂直的极限横断面轮廓。在此轮廓内，除机车车辆和与机车车辆有相互作用的设备(车辆减速器、路签授受器、接触电线及其他)，其他设备和建筑物均不得侵入。在基本建筑限界和隧道建筑限界之间可以装设照明、通信、警告信号及色灯信号等设备。经通信、信号、电力专业检查确认，本线隧道建筑限界局部侵限后，照明、通信、警告信号及色灯信号等设备仍具备安装条件。

(3)压缩接触网结构高度可行性分析

单洞双线隧道接触网在不改变悬挂方式的情况下，通过采用特殊定位支座的方案，可在拉出值保持±200 mm条件下满足轨面抬升0～100 mm的要求；反定位拉出值压缩至145 mm时可满足轨面抬升150 mm的要求。

单洞双线隧道接触网在采用刚性悬挂的情况下，可在拉出值保持±200 mm条件下满足轨面抬升0～630 mm的要求。

双洞单线隧道接触网结构可在不改变悬挂方式的情况下，通过采用减小悬挂点跨距、压缩最短吊弦长度的方案，可在拉出值保持±150 mm条件下满足轨面抬升0～90 mm的要求。

(4)压缩接触网结构高度解决方案

对于单洞双线隧道，隧道轨面以上空间压缩240 mm时，隧道内接触网悬挂型式由简单链型悬挂调整为刚性悬挂；隧道轨面以上空间压缩150 mm时，隧道内接触网可维持简单链型悬挂型式不变，但需将反定位拉出值调为145 mm，也可采用调整为刚性悬挂的方式加以解决；隧道轨面以上空间压缩90 mm时，隧道内接触网维持简单链型悬挂型式不变，但需将定位支座进行特殊设计(拉出值采用±200 mm)。

对于双洞单线隧道，隧道结构断面不变，隧道轨面以上空间压缩90 mm时，隧道内接触网维持简单链型悬挂型式不变，拉出值采用±150 mm。

(5)洞外受抬坡影响范围工点解决方案

①桥梁工点

本线采用的简支T梁设计道砟厚度为35 cm，轨底至梁顶的设计计算高度为70 cm。如通过增加道砟厚度的方式满足纵断面抬坡带来的影响，当纵断面调整高度小于50 mm时可通过梁上增加道砟厚度的方式进行处理，当纵断面上调超过50 mm时，经对本线架设的2103梁图进行检算，钢筋混凝土强度及抗裂性能难以满足要求，建议通过加高垫石高度的方式加以解决。

②路基工点

对于沿线纵断面调整坡度后影响的路基工点，路基地段可通过抬高路基面的形式加以解决，其中路堤地段考虑到路基两侧帮宽0.2 m施工质量难以控制，同时纵断面调整范围大部分位于汤阴以西段落，对应段落内路堤外侧均设置有坡度0.75～1.0的混凝土护肩，纵断面调整地段建议加高混凝土路肩、同时将混凝土路肩外侧坡度调整至0.69进行收坡；路堑地段类似路堤地段，考虑到纵断面调整范围大部分位于汤阴以西段落，对应段落内因电缆槽与路肩上贯通，路堑地段路肩宽度在规范要求的0.6 m基础上另行加宽0.70 m，鉴于纵断面调高0.240 m后道砟底部向两侧各拓展了0.43 m，路堑地段仍能够满足0.6 m的路基宽度，且路堑地段如采取抬升路基面高程的方式加以解决，一方面需加厚基床表层，另一方面需废弃路堑平台上的浆砌片石，故纵断面调整地段建议路基面高程不做调整，通过补充道砟底砟的方式加以解决。

6 无砟轨道铺设方案研究

本次铺设方案研究按不同的轨道结构型式，是否考虑超级超限，分别研究了抬高轨面高程和保持轨面不变的实施方案。也结合实施情况，研究了主要采用弹性支承块，少量采用双块式的综合方案。具体铺设方案详述如下：

(1)方案Ⅰ考虑超级超限，全部采用弹性支承块式无砟轨道的铺设方案

①方案Ⅰ-1考虑铺设钢筋混凝土网片的维持轨面标高不变方案

南吕梁山、太行山2座双洞单线隧道不需要设置150 mm厚度的钢混网片，考虑降低仰拱回填面标高90 mm后铺设弹性支承块式无砟轨道；临县等11座单洞双线隧道降低仰拱回填面标高240 mm后，设置150 mm厚度的钢混网片、铺设弹性支承块式无砟轨道；为保障轨道板表面积水能够顺利排出，需于两侧轨道板端头至电缆槽间采用C25混凝土进行回填。此方案较原设计方案增加工程投资65 891万元。

②方案Ⅰ-2不考虑铺设钢筋混凝土网片的维持轨面标高不变方案

临县等13座隧道考虑降低仰拱回填面标高90 mm后铺设弹性支承块式无砟轨道，为保障轨道板表面积水能够顺利排出，需于两侧轨道板端头至电缆槽间采用C25混凝土进行回填。此方案较原设计方案增加工程投资45 676万元。

③方案Ⅰ-3考虑铺设钢筋混凝土网片的抬坡方案

南吕梁山、太行山2座双洞单线隧道不需要设置150 mm厚度的钢混网片，考虑抬高90 mm(3号点、4号点分别侵限2 cm)后铺设弹性支承块式无砟轨道，接触网特殊设计；临县、青龙、杨家沟、干阳沟、范家山、西铁车2号等6座单洞双线隧道利用回填层预留的150 mm铺设钢混网片，考虑抬高90 mm(4号点侵限6 cm)后铺设弹性支承块式无砟轨道，接触网特殊设计；石楼、隰县、太岳山、发鸠山、铺子山等5座隧道未预留回填层厚度的单洞双线隧道，考虑抬高240 mm(3号点侵限6 cm，4号点侵限16 cm)后铺设钢混网片及弹性支承块式无砟轨道，洞内接触网由简单链型悬挂调整为刚性悬挂；为保障排水沟、电缆槽顶面与轨面持平，上调纵断面的长隧道内向上接建排水沟、电缆槽。此外调整坡度的长隧道两端顺接设计纵坡。此方案较原设计方案增加工程投资72 740万元。

④方案Ⅰ-4不考虑铺设钢筋混凝土网片的抬坡方案

南吕梁山、太行山2座双洞单线隧道不需要设置150 mm厚度的钢混网片，考虑抬高90 mm(3号点、4号点分别侵限2 cm)后铺设弹性支承块式无砟轨道，接触网特殊设计；临县、青龙、杨家沟、干阳沟、范家山、西铁车2号等6座单洞双线隧道利用回填层预留的90 mm，不调整，铺设弹性支承块式无砟轨道；石楼、隰县、太岳山、发鸠山、铺子山等5座隧道未预留回填层厚度的单洞双线隧道，考虑抬高90 mm(4号点侵限6 cm)后铺设弹性支承块式无砟轨道，接触网特殊设计；为保障排水沟、电缆槽顶面与轨面持平，上调纵断面的长隧道内向上接建排水沟、电缆槽。此外调整坡度的长隧道两端顺接设计纵坡。此方案较原设计方案增加工程投资32 200万元。

(2)方案Ⅱ考虑超级超限，全部采用双块式无砟轨道的铺设方案

①方案Ⅱ-1考虑铺设钢筋混凝土网片的维持轨面标高不变方案

南吕梁山、太行山2座双洞单线隧道不需要设置150 mm厚度的钢混网片，不调整，铺设双块式无砟轨道；临县等11座单洞双线隧道降低仰拱回填面标高150 mm后，设置150 mm厚度的钢混网片、铺设双块式无砟轨道。此方案较原设计方案增加工程投资36 104万元。

②方案Ⅱ-2考虑铺设钢筋混凝土网片的抬坡方案

南吕梁山、太行山2座双洞单线隧道不需要设置150 mm厚度的钢混网片，不调整，铺设双块式无砟轨道；临县、青龙、杨家沟、干阳沟、范家山、西铁车2号等6座单洞双线隧道利用回填层预留的150 mm铺设钢混网片，坡度不调整，铺设双块式无砟轨道；石楼、隰县、太岳山、发鸠山、铺子山等5座未预留回填层厚度的单洞双线隧道，考虑抬高150 mm(3号点侵限2 cm，4号点侵限10 cm)后增设钢混网片，铺设双块式无砟轨道，接触网特殊设计；为保障排水沟、电缆槽顶面与轨面持平，上调纵断面的长隧道内向上接建排水沟、电缆槽。此外调整坡度的长隧道两端顺接设计纵坡。此方案较原设计方案增加工程投资35 876万元。

③方案Ⅱ-3不考虑铺设钢筋混凝土网片的维持轨面标高不变方案

如前所述，当不考虑钢筋混凝土网片时，因重载双块式无砟轨道结构高度与原设计的轨道结构高度一致，临县等13座隧道不调整，直接改铺设双块式无砟轨道310铺轨公里，相应导致工程投资较原设计方案增加14 883万元。

(3)方案Ⅲ考虑超级超限，以铺设重载弹性支承块式无砟轨道结构为主的综合方案

①方案Ⅲ-1均考虑铺设钢筋混凝土网片方案

南吕梁山、太行山2座双洞单线隧道不需要设置150 mm厚度的钢混网片，不调整，铺设双块式无砟轨道；铺子山隧道内已实施的钢筋混凝土板占隧道长度的43%，铺设双块式无砟轨道；其他隧道铺设钢筋混凝土网片及弹性支承块式无砟轨道；此外为保障轨道板表面积水能够顺利排出，需于两侧轨道板端头至电缆槽间采用C25混凝土进行回填。此方案较原设计方案增加工程投资47 531万元。

②方案Ⅲ-2以隧道为单位，具备条件的隧道内考虑铺设钢筋混凝土网片方案

如前所述，南吕梁山、太行山2座双洞单线隧道不需要设置150 mm厚度的钢混网片，不调整，铺设双块式无砟轨道；铺子山隧道内已实施的钢筋混凝土板占隧道长度的43%，铺设双块式无砟轨道；临县、青龙、杨家沟、干阳沟、范家山、西铁车2号等6座单洞双线隧道利用回填层预留部分铺设钢混网片及弹性支承块式无砟轨道；其他隧道铺设弹性支承块式无砟轨道；此外为保障轨道板表面积水能够顺利排出，需于两侧轨道板端头至电缆槽间采用C25混凝土进行回填。此方案较初步设计批复需增加工程投资36 097万元。

③方案Ⅲ-3具备条件的地段考虑铺设钢筋混凝土网片方案

如前所述，南吕梁山、太行山2座双洞单线隧道不需要设置150 mm厚度的钢混网片，不调整，铺设双块式无砟轨道；铺子山隧道内已实施的钢筋混凝土板占隧道长度的43%，铺设双块式无砟轨道；其他单洞双线隧道，均铺设弹性支承块式无砟轨道，其中预留回填层厚度满足240 mm的地段铺设钢混网片，其他地段不再铺设钢筋混凝土网片；为保障轨道板表面积水能够顺利排出，需于两侧轨道板端头至电缆槽间采用C25混凝土进行回填。此方案较原设计方案增加工程投资32 466万元。

(4)方案Ⅳ不考虑超级超限的铺设方案

本线不考虑超级超限货物列车时，可以满足抬高243 mm的要求，按此条件进行调整，较原设计方案增加工程投资55 116万元。

7 结 论

(1)考虑到现有路网中各线均预留了通行超级超限货物列车的条件，同时本线可通过无砟轨道铺设方案的合理选用满足通行超级超限货物列车的条件，为保证特殊货物运输组织的灵活性，本线考虑通行超级超限货物列车条件。

(2)考虑到现场已实施钢筋混凝土底板地段的分散性，铺设方案的选择以同一座隧道内采用相同的轨道结构为原则。

(3)考虑到《30吨轴重重载铁路隧道内无砟轨道关键技术研究》阶段性结论以及无砟轨道调研的实际情况，长大隧道内以选择弹性支承块式无砟轨道为主，少量结合现场实施条件选取双块式无砟轨道结构。

(4)考虑现场已实施段落预留仰拱回填层厚度的差异性，为避免大范围下切回填层素混凝土，有条件地段考虑设置150 mm厚度的钢混网片。

综上所述，推荐采用以铺设重载弹性支承块式无砟轨道结构为主(具备条件的地段考虑钢混网片)的综合方案，该方案较原设计方案增加工程投资32 466万元。