浩吉铁路无砟轨道轨排框架法的适用性研究

刘 巍

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 轨排框架法适用性研究的必要性

随着新建中南通道、张唐铁路等重载铁路等陆续开通，我国重载铁路运输迎来了全新的发展时期。重载铁路弹性支承块式无砟轨道工程是铁路工程的重要部分，我国重载铁路隧道内无砟轨道设计原则一般规定：重载铁路全线超过1 km隧道均采用无砟轨道结构型式，除隧道口采用长枕埋入式轨枕及部分试验段采用双块式轨枕外，其余全部采用弹性支承块式无砟轨道[1]。针对浩吉铁路建设有必要开展针对性的无砟轨道轨排框架法的适用性研究，从而提升无砟轨道轨排框架法机械化施工程度和施工效率。浩吉铁路双线隧道内弹性支承块式无砟道床断面如图1所示。

图1 浩吉铁路弹性支承块式无砟道床断面(单位：mm)

2 轨排框架断面结构研究

轨排框架的整体结构是将应铺轨道构件组合成为框架式，部件包括钢轨、楔形夹板、连接托梁、调整装置及纵向模板，用于悬挂弹性支承块轨枕[2]。由于浩吉铁路隧道内道床边缘距水沟墙单侧距离仅为100 mm，且水沟电缆槽防护墙的最高点与轨顶标高在同一水平线上，该无砟道床断面工况同高速铁路、中南通道、阳大铁路等工况均有很大差异，各线路道床断面汇总如表1所示。

表1 各线路隧道内无砟道床断面工况 mm

由表1可知，无砟轨道道床宽度大多为2 800 mm，其中贵广、衢宁铁路道床边缘距水沟墙距离为800 mm，其余均为100 mm或110 mm，轨道结构高度均在515～650 mm之间。贵广铁路水沟墙高度远高于轨道结构高度，有足够的空间设置轨调；中南通道隧道内道床边缘距离水沟墙距离110 mm，但其水沟墙高度低于轨道结构高度，同样可以通过支撑在隧道侧壁上实现轨向调节的目的(中南通道隧道内轨排框架断面如图2所示)。

图2 中南通道隧道内轨排框架结构断面(单位：mm)

结合贵广铁路和中南通道的轨排断面特点，浩吉铁路隧道内轨排框架断面结构采用在水沟侧增加上翻螺柱支腿的方式，既避开了水沟电缆槽侧墙对螺柱支腿的影响，又为轨排框架的轨调预留足够的支撑空间，同样可以支撑在隧道侧壁实现轨向调节[3]。浩吉铁路隧道内轨排框架断面结构设计如图3所示。

图3 浩吉铁路隧道内轨排框架结构断面(单位：mm)

浩吉铁路弹性支承块式无砟轨道主要由钢轨、扣件、混凝土支承块及配套橡胶套靴、支承块下弹性垫板和钢筋混凝土道床板组成。隧道内道床板为分块结构，道床板宽度为 2 800 mm，厚度为 393 mm，每块道床板长度一般为 6.58 m(0.29 m +0.6 m×10+0.29 m)，根据具体情况可适当调整，长度可为 5.0～7.5 m，两块道床板间设置伸缩缝，伸缩缝宽度为 20 mm，用聚乙烯泡沫板填充和采用聚氨酯密封。在隧道沉降缝处道床板对应位置设置20 mm宽伸缩缝。

3 轨排框架长度确定

铁路的曲线半径对于轨排框架的长度影响较大，尤其是对于曲线半径较小的线路，对轨排框架的长度选择有很大限制。根据重载铁路最小曲线半径情况及轨排框架本身的结构限制，研究确定不同曲线半径适用的最大轨排框架长度[4]。由于隧道内轨枕间距均为600 mm，为实现轨排顺铺施工的目的，需将轨排框架长度限定为L=(600×n)mm，n为轨排框架悬挂弹性支承块个数。考虑曲线半径与轨缝适应性、轨排组装效率、轨排成本及工装运输等因素影响，浩吉铁路轨排框架长度设计为6 600 mm，悬挂支承块的轨排框架见图4。

图4 浩吉铁路6600型轨排框架(单位：mm)

浩吉铁路隧道口30 m范围内采用长枕埋入式无砟轨道，轨道结构高度、道床断面情况等均同弹性支承块无砟轨道，需要指出的是长枕埋入式无砟轨道工况下轨枕间距为625 mm，施工中需考虑采用6 600型轨排框架满足该工况下无砟轨道施工要求。综合考虑现有工况的施工现状，采用6 600型轨排+275型轨节组成6 875型轨排的方案，进行长枕埋入式无砟轨道的连续顺铺施工。该方案借用正常施工的6 600型轨排框架，辅以短轨节完成长枕埋入式无砟轨道的顺利铺设，施工单位无须再次采购相对应的6 875型轨排设备，为施工和业主单位节约了工程投入。

4 轨排框架有限元受力分析

浩吉铁路隧道内采用轨排框架法施工的原理是工具轨模拟线路正线轨道的几何形位进行无砟道床浇筑，待混凝土达到规定要求后，拆除轨排框架，最后统一铺设正线轨道[5]。由于轨排框架是由矩形钢管与钢轨通过夹板及螺栓连接的组合式结构，需验证浩吉铁路轨排框架的托梁在施加横向荷载、调整出满足正线轨道几何形位的情况下，满足钢结构规范要求[6]。

轨排与弹性支承块组装完成后，浇筑混凝土前后的受力情况并不相同，浇筑之前轨排框架受自重和轨枕两种荷载；浇筑之后，由于混凝土初凝前可视为液体，轨排框架还要受到通过弹性支承块传递的液态浮力[7]，单个轨枕的液态浮力计算公式为：F=Vγc。式中：F为液态浮力(N)；V为轨枕侵入浇筑混凝土的体积(mm3)；γc为液态混凝土重度(N/mm3)。

组装完成的轨排框架每处悬挂点按照四点接触，结构自重、轨枕自重、配件重量及液态浮力平均分配到每个集中点[8]。有限元计算模型中，钢轨与矩形管通过楔形夹板紧密固结，二者共用节点，加载后的计算模型如图5所示。

图5 浩吉铁路轨排框架计算模型

边界条件施加在高程螺柱底部，在轨排单侧4个支撑点位置施加约束：Tx=Ty=Tz=0，Rx=Rz=0；在另一根主梁下(后端)，在轨排另一侧4个支撑点位置施加约束：Tx=Tz=0，Rx=Rz=0。其有限元边界条件添加如图6所示。轨枕自重按照梁单元的均布荷载施加，考虑结构自重、轨枕自重、配件重量在钢轨上施加均布荷载5 N/mm，其有限元加载如图7所示。

图6 轨排框架边界条件

图7 轨排框架加载情况

轨排结构材料采用Q235A，根据《起重机设计手册》第二版，钢结构按组合B进行校核，其许用应力[σ]=175 MPa，参考桥式起重机对刚度要求为fL≤L/400=3 000 mm/400=7.5 mm。通过有限元分析得出的托梁应力云图如图8所示，可知矩形方管螺栓固定点处最大应力为85.4 MPa<[σ]，此应力是由于矩管与钢轨连接处的应力集中造成；托梁应变云图如图9所示，托梁中部变形最大，其最大值为5.2 mm<7.5 mm。综上可知，浩吉铁路轨排框架满足钢结构设计要求。

图8 轨排框架托梁应力计算结果

图9 轨排框架托梁刚度计算结果

5 轨排施工遇到的问题及解决方案

隧道内无砟道床施工达到预期的实践效果不仅取决于性能可靠的施工设备，水沟侧墙、仰拱填充等前期工程能否达到设计要求也至关重要。浩吉铁路部分隧道水沟侧墙侵线、仰拱填充标高误差大等问题时有发生。

针对隧道水沟侧墙侵线导致轨排框架高程螺柱难以支撑在道床侧面的问题，通过考察调研城烟隧道、肴山隧道及红土岭隧道等现场施工工况，提出的解决方案是对轨排框架的水沟侧支腿灵活处理，加长支腿长度并在支腿上预装两个方形螺母，遇到水沟侧墙侵线等极端情况、将高程螺柱支撑在水沟盖板上，遇到常规断面情况、高程螺柱正常支撑在道床边缘距离水沟侧墙之间的100 mm空间内，如图10所示。通过现场施工反馈，采用加长支腿的解决方案很好的解决了部分隧道水沟侧墙侵线的施工难题，加长支腿的螺柱支撑在水沟侧壁既能够实现轨排框架的调整精度，也避开了道床侧壁与水沟侧壁有限的空间限制。

图10 隧道水沟侧墙侵线解决方案

浩吉铁路无砟轨道轨排现场施工遇到的另外一个问题是水沟侧墙与道床边缘100 mm距离使正常断面高程螺柱的支撑位置与道床模板发生干涉，针对这种普遍性的问题，研究道床模板与轨排框架对应架设的解决方案：考虑一榀排架对应3处模板，在模板的固定位置开豁口，以避让轨排框架侧面的高程螺柱，从而解决二者发生干涉的问题。今后类似的重载铁路隧道断面均可采用模板开豁的方式实现道床的无砟轨道施工，从而有效发挥轨排框架施工技术及设备在重载铁路施工中的作用。

6 结束语

通过对浩吉铁路隧道内无砟轨道轨排框架施工技术与设备的研究，确定了适用于浩吉铁路隧道内道床施工的轨排框架结构断面及合理的轨排长度，并对其矩形钢管结构的托梁体进行有限元分析。目前该套施工技术及设备已成功应用于浩吉铁路多条隧道的无砟轨道施工，取得了很好的示范效果。