重载铁路长大隧道内板式无砟轨道结构研究

赵 杰

(北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068)

1 概述

我国现有的重载铁路线路均采用由木枕或混凝土枕和碎石道床组成的有砟轨道结构。在实际运营中，由于重载铁路具有开行大轴重的重载单元列车、运量大、效率高等特点，必然使得轨道结构长期承受较大的荷载。由此造成轨道结构及其部件的损坏比普通线路更快，线路变形量较大，使得线路的维修和养护工作量、维修成本明显增加[1-4]。在隧道内对重载铁路有砟轨道进行养护和维修的工作更加困难，而且长大隧道内这一问题更加突出。

因此，在长大隧道地段采用少维修的无砟轨道结构是重载铁路的必然选择[5]。但对于重载铁路，目前国内还没有铺设无砟轨道的实践经验，需要对轨道结构设计及配套的轨道部件进行研究。

当前随着高速铁路的发展，无砟轨道的采用被世界各国所公认。因此，可以借鉴客运专线，在重载铁路长大隧道内铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道结构。本文基于有限元方法建立重载铁路长大隧道内CRTSⅠ型板式无砟轨道结构空间耦合静力分析模型，对列车轴重、砂浆充填层刚度、轨道板刚度和轨道板厚度等设计因素的影响规律进行了计算与分析。

我国在隧道地段采用的CRTSⅠ型板式无砟轨道标准断面示意图如图1所示。

2 模型建立

重载铁路长大隧道内无砟轨道无缝线路主要由75 kg/m重型钢轨、WJ-8A型扣件、轨道板、凸型挡台、树脂填充层、CA砂浆层和支承层等结构构成。建立隧道内CRTSⅠ型板式无砟轨道结构以及隧道围岩及衬砌结构的仿真模型，在列车荷载作用下进行静力学计算，分析重载铁路轨道结构受力及变形的变化趋势。主要参数如下：

1)扣件间距为629 mm。

2)轨道板混凝土强度等级C60，宽度为2 400 mm，厚度为200 mm。

3)凸形挡台采用C40级混凝土，半径为260 mm，高度为260 mm，厚度为40 mm。

4)凸形挡台周围的树脂填充层弹性系数是10 kN/mm±2 kN/mm，弹性模量取为25 MPa[6]。

5)轨道板下CA砂浆层厚度为50 mm，弹性模量取为300 MPa。

6)混凝土支承层采用C40级混凝土，宽度2 800 mm，厚度250 mm。

3 影响因素分析

3.1 列车轴重影响分析

随着货车轴重由25 t增加到30 t和35 t，轨道结构力学特性的主要计算结果见表1。

表1 不同轴重条件下轨道结构力学特性主要计算结果

由以上计算结果分析得出，在列车荷载作用下，当列车轴重由25 t增加到30 t和35 t时，轨道结构各项受力与变形均变大。其中，钢轨最大垂向位移和钢轨弯矩增大了约20%和40%，因此必须要采用重型钢轨，提高钢轨的材质。另外，砂浆充填层应力在容许范围之内，但在重载列车的长期作用下，CRTSⅠ型板式无砟轨道的砂浆充填层可能会出现压碎等现象。

3.2 砂浆充填层弹性模量影响分析

为考虑不同砂浆充填层对重载铁路长大隧道内无砟轨道结构的影响，本部分比较分析砂浆充填层弹性模量由100 MPa一直增大到30 000 MPa时轨道结构的主要力学特性。不同的砂浆充填层弹性模量条件下的主要计算结果见表2。

表2 不同砂浆充填层弹性模量条件下轨道结构力学特性主要计算结果

由以上计算结果分析得出，随着砂浆充填层弹性模量由100 MPa一直增大到30 000 MPa，钢轨垂向位移、轨道板垂向位移和砂浆充填层最大垂向位移逐渐减小；在受力方面，轨道板和砂浆充填层最大应力有所增大，凸台最大应力有所减小。由于砂浆充填层的主要作用是支撑轨道板和调整轨道板高低，其强度满足要求。仅从重载铁路的运营角度考虑，可以采用较大的弹性模量(如10 000 MPa)。

3.3 轨道板刚度折减影响分析

为考虑轨道板混凝土开裂对隧道内无砟轨道的影响，本部分比较分析轨道板刚度分别为不折减、折减至50%和折减至20%时，在列车竖向荷载作用下，轨道板刚度对结构的影响。不同的轨道板弹性模量条件下的主要计算结果见表3。

表3 不同轨道板刚度折减条件下轨道结构力学特性主要计算结果

由以上计算结果分析得出，随着轨道板刚度由不折减、折减至50%～20%，在位移方面，钢轨、轨道板和砂浆充填层最大垂向位移逐渐增大；在受力方面，轨道板和砂浆充填层最大应力逐渐增大，树脂填充层最大应力缓慢增大。因此需要重点关注轨道板的状态，防止轨道板发生断裂。

3.4 轨道板厚度影响分析

为了适应重载铁路的大轴重，所以加厚轨道板厚度。本部分比较分析轨道板厚度分别为200 mm，300 mm和400 mm时，轨道结构的受力与变形。不同的轨道板厚度条件下的主要计算结果见表4。

由以上计算结果分析得出，随着轨道板厚度由0.2 m到0.4 m逐渐增大，在位移方面，钢轨、轨道板和砂浆充填层最大垂向位移逐渐减小；在受力方面，轨道板、砂浆充填层和树脂填充层最大应力逐渐减小。因此，在重载铁路中采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构时，可通过采用增大轨道板厚度的方法来减小变形和应力，保证轨道结构的安全使用。

表4 不同轨道板厚度条件下轨道结构力学特性主要计算结果

4 结论及建议

1)列车轴重对隧道内CRTSⅠ型板式无砟轨道的受力与变形影响较大。随着轴重的增加，隧道内无砟轨道结构的受力与变形都逐渐增大。另外，随着轴重的增加，在重载列车的长期作用下，CRTSⅠ型板式无砟轨道的砂浆充填层可能会出现压碎等现象。

2)随着砂浆充填层弹性模量的增大，隧道内无砟轨道结构的变形减小，受力增大。由于砂浆充填层的主要作用是支撑轨道板和调整轨道板高低，其强度满足要求。仅从重载铁路的运营角度考虑，可以采用较大的弹性模量(如10 000 MPa)。

3)随着轨道板刚度逐渐减小，隧道内无砟轨道结构的受力与变形均有所增加。因此需要重点关注轨道板的状态，防止轨道板发生断裂。

4)随着轨道板厚度逐渐增大，隧道内无砟轨道结构的受力与变形均有所减小。因此，在重载铁路中采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构时，可通过采用增大轨道板厚度的方法来减小变形和应力，保证轨道结构的安全使用。