高速铁路新型大调整量弹性长枕式无砟轨道结构研究

2021-12-15杨荣山钟泽方江万红

铁道标准设计 2021年12期

李莹，杨荣山，钟泽方，姚力，庞玲，江万红

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031； 2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

截至2019年底，我国共建成高速铁路隧道3 442座，运营总长5 515 km[1]。无砟轨道因其整体性好、稳定性高和维修量少等优势，已成为我国高速铁路隧道内的主要轨道形式[2]。根据运营线路的现场调研，我国隧道内无砟轨道的总体使用情况良好，但由于隧道工程水文地质条件复杂，受施工质量、下部基础变形、隧道渗水等不利因素的影响[3-4]，在列车荷载和环境因素的长期作用下，容易产生道床不均匀沉降的病害。当变形超过扣件调整范围，将会影响线路的正常运营。

目前，我国隧道内无砟轨道结构类型主要有长枕埋入式、弹性支承块式和双块式无砟轨道[5]。这几种无砟轨道均采用现浇道床结构，虽然满足高速铁路高平顺性的要求，但受限于隧道净空较小，导致操作难度大，施工效率低。针对隧道内无砟轨道线路变形过大的问题，有关学者进行了大量研究，徐鹏[6]提出通过揭板调整CA砂浆厚度的方案，解决隧道内I型板式无砟轨道起拱问题；李强[7]采取分段拆换仰拱、填充和支撑层，分段现浇道床板的方法，实现了隧底病害的彻底整治；欧阳旋宇[8]研究发现排水降压和注浆加固的整治方案可有效整治轨道上拱病害；李铁钟[9]为解决隧道轨道上拱问题，结合现场实际情况，采用隧底抗拔锚杆注浆锚固+轨道板钻孔植筋加固的综合整治方案；赵彦旭[10]研究分析岩溶地区隧道内无砟轨道上拱变形产生的原因，提出了打孔排水减压、底板锚固和增设泄水洞的综合治理方案。以上方法虽能较为有效解决隧道内线下基础变形病害，但普遍存在施工难度大、成本高、耗时长且须中断线路运营等缺点。

针对复杂艰险山区隧道内无砟轨道调整量小、基础变形病害整治难度大的问题，根据“多级可调，单元分层，层间加强”的设计理念，提出了一种竖向调高系统由“扣件+承轨台+枕下垫板”结合的新型弹性长枕式无砟轨道，可实现较大范围的竖向调高，以达到高效施工，快速修复的目的。为进一步分析该新型轨道的适用性、合理性，通过有限元法进行力学仿真计算，分析轨道结构不同调高状态下的受力与变形。

1 轨道结构概况

新型弹性长枕式无砟轨道主要由与高承轨台一体的弹性长枕、连接钢管、枕下垫板、橡胶套靴、预制轨道板和普通混凝土垫层组成，如图1所示。结合现有设计及隧道容许宽度[11]，轨道设计宽度取3 100 mm。为提高施工效率，减小施工误差，高承轨台弹性长枕、枕下垫板和预制框架板均采用预制结构。橡胶套靴包裹高承轨台弹性长枕和枕下垫板嵌入轨道板中，以便于快速更换不同厚度的枕下垫板进行调高。连接钢管[12]将轨道板进行横向刚性连接，加强了轨道结构的整体性。轨道板通过铺板机铺设，准确定位，下部灌注流动性相对较好的普通混凝土。

图1 新型弹性长枕式无砟轨道结构(单位：mm)

新型弹性长枕式无砟轨道结构具有施工效率高、施工难度低、整体性好、具有一定减振性能等优点。由于各部件独立性较强，易于拆卸，可快速维修、调整高度，实现轨道结构对基础变形的适应。

无砟轨道及过渡段采用的弹性扣件高程调整范围为-4～+26 mm[13]。当无砟轨道结构发生上拱变形时，首先进行扣件调整；若扣件调高不足抵消变形，可通过起道的方式顶起钢轨、撤出轨枕，同时更换或去除枕下垫板，以实现轨道结构-50～+20 mm的调整量；若变形过大时，亦可对承轨台的上表面进行机械打磨或更换为普通承轨台，以降低承轨台的高度，实现轨道结构-50～0 mm的调整。通过扣件、更换枕下垫板与打磨承轨台三级调整后，该新型弹性长枕式无砟轨道最大可实现-104～+46 mm的垂向调整量，能够有效调整竖向变形，操作方便快捷，施工效率高。

2 轨道结构力学分析

2.1 计算模型与荷载取值

根据新型弹性长枕式无砟轨道的结构特点和受力特征，建立新型弹性长枕式无砟轨道静力学计算模型，如图2所示。其中，钢轨用Euler梁单元模拟；扣件系统用线性弹簧单元模拟，与钢轨及弹性长枕相连；轨道板、弹性长枕、普通混凝土垫层、仰拱、板下垫板、橡胶套靴和凸形挡台均采用实体单元模拟。

图2 新型弹性长枕式无砟轨道静力学计算模型

模型主要计算参数如表1所示。

表1 新型弹性长枕式无砟轨道计算参数

计算时列车荷载以单轴双轮形式加载，列车竖向荷载取为静轮载(17 t轴重)的1.5倍，即双轮载取255 kN；横向力大小为静轮载的0.4倍[18]，即68 kN；纵向力考虑制动力，取值为75.901 kN[19]。

2.2 橡胶套靴弹性的影响

新型弹性长枕式无砟轨道中长枕两端由厚度为7 mm的橡胶套靴包裹，为长枕提供周向支撑刚度。长枕底部另有厚度为50 mm的枕下垫板(主要用于调高)为长枕提供竖向支撑刚度，使新型弹性长枕式无砟轨道具有良好的减振降噪功能。在弹性长枕式无砟轨道中，套靴采用橡胶材料，弹性模量可调整范围较大，而现有橡胶套靴弹性模量一般为3 MPa左右[20]，为分析橡胶套靴对轨道结构受力的影响，取橡胶套靴弹性模量为3～15 MPa。

钢轨横垂向位移、轨道板拉应力、混凝土浇筑压应力、凸形挡台拉应力和枕下垫板压应力随橡胶套靴弹性模量的变化规律如图3、图4所示。

图3 不同橡胶套靴弹性模量下的钢轨位移

图4 不同橡胶套靴弹性模量下的应力分布

由图3、图4可知，钢轨垂向位移和横向位移随着橡胶套靴的弹性模量增大而减小，枕下垫板压应力也与橡胶套靴的弹性模量呈负相关。而轨道板拉应力、混凝土浇筑层压应力和凸形挡台拉应力随橡胶套靴弹性模量增大而增大，呈正相关。当橡胶套靴弹性模量为9 MPa时，钢轨垂向位移为1.48 mm，接近基准值1.5 mm[21]，横向位移为1.16 mm。轨道拉应力为0.133 MPa，混凝土浇筑层压应力为0.046 MPa，凸形挡台拉应力为0.025 MPa，远小于结构的强度限值。

因此，考虑到列车高速行车和减振降噪的要求，同时结合钢轨位移限值，橡胶套靴的弹性模量宜取9 MPa。

2.3 枕下垫板厚度的影响

枕下垫板作为轨道结构主要的调高部件，厚度变化较大。为分析枕下垫板厚度变化对轨道结构受力影响，取枕下垫板厚度为0～100 mm，橡胶套靴弹性模量取9 MPa。钢轨横垂向位移、轨道板拉应力、混凝土浇筑层压应力及凸形挡台拉应力随枕下垫板厚度变化关系如图5、图 6所示。

图5 不同枕下垫板厚度下的钢轨位移

图6 不同枕下垫板厚度下的应力分布

由图5、图6可得，钢轨垂、横向位移与枕下垫板厚度呈正增长关系。当枕下垫板厚度为70 mm时，钢轨垂向位移为1.495 mm，横向位移为1.162 mm，接近其位移限值；轨道板拉应力、混凝土浇筑压应力和凸形挡台拉应力与垫板厚度均与枕下垫板厚度呈现正相关，但均远小于对应结构的强度限值。

因此，当通过更换枕下垫板能够实现轨道结构-50～+20 mm的调整时，该新型无砟轨道结构能保证列车高速行车的要求。

2.4 承轨台高度的影响

新型弹性长枕式无砟轨道采用高承轨台弹性长枕，高承轨台较普通承轨台高出50 mm。为分析承轨台高度的影响，取承轨台块高度为0～50 mm进行讨论(本文承轨台高度为相比普通承轨台的高度值)。前述研究表明枕下垫板厚度越大，钢轨垂横向位移越大，故考虑最不利情况，研究时取枕下垫板厚度为70 mm，橡胶套靴弹性模量取9 MPa。

钢轨横垂向位移、轨道板拉应力、混凝土浇筑层压应力及凸形挡台拉应力、枕下垫板压应力随承轨台块高度的变化如图7、图8所示。