高原铁路大跨桥梁轨道结构选型研究

伍卫凡

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

1 高原铁路大跨度桥梁设计概况

近年来，随着我国铁路建设的快速发展，线路不可避免地需要跨越交通干线、陡峭峡谷、宽广河流等地段，大跨度特殊结构桥梁在铁路建设中得到了推广应用，国内大跨桥梁上轨道结构应用情况如表1所示。

表1 国内已运营铁路典型大跨度桥梁轨道结构应用情况

从桥上轨道结构形式来看，目前已建成大跨桥上一般铺设有砟轨道结构，其中合福高铁铜陵长江公铁斜拉桥[3]主跨最大跨度达到630 m，沪通铁路长江大桥[4]及连镇铁路五峰山长江大桥[5]主跨均达到了千米级，桥上均铺设有砟轨道。近年来，为减少轨道养护维修工作量，部分高速铁路大跨桥上也采用了无砟轨道，主要有昌赣高铁赣江特大桥[6]和商合杭高铁裕溪河特大桥[7]，其中赣江特大桥主跨跨度为300 m，裕溪河特大桥主跨跨度达324 m。

从列车运营速度来看，由于大跨桥梁柔性大，桥梁变形受温度、列车荷载影响显著，轨道几何形位不易控制，目前部分大跨度桥梁处于限速运行状态。

某高原铁路位于青藏高原东南部，最大坡度30‰[1-2]，线路跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等河流，桥梁重难点工程主要有高墩大跨桥梁工程，主跨1 000 m级悬索桥，主跨800 m级悬索桥，主跨400～500 m级上承式拱桥。

总体来看，国内在主跨300 m及以下大跨桥上铺设无砟轨道开展了大量研究工作，并积累了一定经验，但考虑到高原铁路地处高海拔、大高差、空气稀薄缺氧的高原高寒地区，部分区段穿越无人区，轨道结构养护维修作业条件差、应急处置困难，桥梁跨度大等，有必要针对高原铁路开展轨道结构选型研究。

2 高原铁路大跨度桥上轨道结构选型

2.1 有砟轨道

有砟轨道具有良好的弹性和噪声吸收特性，同时造价低、养护维修方便，在国内外铁路线路上得到了广泛应用。大跨度桥梁可采用在桥面上分段设置钢筋混凝土承砟槽，槽内铺设有砟轨道的方案，该方案轨道养护、维修经验成熟，轨道变形可方便调整，但由于桥面被承砟槽覆盖，桥面系不易检查与维护；同时，由于道床厚度较厚(轨枕以下至少需要25 cm厚)以及设有混凝土承砟槽，导致结构自重较大(约6.36 t/单线延米)；此外，桥上道砟的流动性会引起轨道结构几何形位不易保持，因此，维修工作量较大。

2.2 合成轨枕(图1)

图1 钢桥上铺设的合成轨枕

合成轨枕是将硬质聚氨酯树脂发泡与添加剂浸渗玻璃长纤维，将它们连续成型或在模型中发泡固化成形，生产出的一种板型构造材料[8]。合成轨枕有效降低了桥梁的二期恒载，节省了工程投资；同时，合成轨枕具有较好的耐久性和可靠性，具有一定的弹性，能有效缓解车桥之间的动力冲击，但存在单根轨枕价格较高、国内产品技术不成熟等问题。

2.3 无砟轨道

(1)板式无砟轨道

板式无砟轨道在铁路钢桁桥上有较多的应用实例。中国香港青马大桥上板式无砟轨道为点支撑方式，轨道板长度为5～6 m，可适应桥梁的大挠度变形，两侧设有横向限位的角钢挡块，板下与板侧支撑可提供轨道结构所需的纵、横向阻力；俄罗斯圣彼得堡桥上板式无砟轨道标准板为1 780 mm×4 000 mm×300 mm，轨道板下设置垫层，利用螺栓将轨道板与纵梁进行联结；德国新斯特拉斯堡-科尔铁路连续钢桁桥上采用Bögl板式无砟轨道，由钢轨、扣件、Bögl板、砂浆层、缓冲层等组成，采用凸台限位方式。如图2、图3所示。

图2 俄罗斯钢桥上无砟轨道

图3 德国钢桥上无砟轨道

单元板式无砟轨道能适应桥梁的大挠度变形，具有较好保持轨道几何形位的能力，养护维修工作量小等优点，但轨道板精调复杂，在平曲线和竖曲线地段施工难度较大。

(2)双块式无砟轨道

国内大跨度钢桥上铺设双块式无砟轨道的应用案例较少，武广高速铁路汀泗河特大桥主跨为140 m钢箱系杆拱桥，桥上铺设双块式无砟轨道。为适应梁端转角过大，在梁端设置了过渡梁结构，有效控制了梁端扣件上拔力过大等问题，同时为解决桥梁梁面下挠可能导致的轨面动态平顺性问题，施工中在无砟轨道表面设置了预拱度。如图4所示。

图4 武广高铁汀泗河大桥上的双块式无砟轨道

双块式无砟轨道结构简单，具有较好的线路适应性和轨道平顺性，成桥后的梁面变形可方便通过混凝土底座调平。

2.4 轨道结构选型

高原铁路地处高海拔、大高差、空气稀薄缺氧的高原高寒地区[9]，部分区段穿越无人区，道路交通极其不便，施工便道修建困难，养护维修作业条件差、应急处置困难；同时，考虑到高原铁路隧道占比极大，隧道内有砟轨道养护维修工作环境差以及高原缺氧等，养护维修难度大且对养护工人身体健康影响较大。因此，高原铁路需要采用少维护且维修时对空气环境影响较小的轨道结构。

有砟轨道存在轨道几何保持能力差、养护维修工作量大等缺点，特别是隧道内道砟捣固、打磨、清筛等大型机械作业存在烟尘污染等问题，且高海拔、大坡道区段作业车辆存在动力不足等问题。

无砟轨道具有良好的稳定性、平顺性和耐久性，维护工作量较少[10-11]，已在国内外高速铁路中广泛采用。截至2018年底，我国已共计铺设了各类型无砟轨道约3.2万铺轨公里，在无砟轨道结构设计、施工、维修等方面积累了大量的经验。

因此，结合高原铁路工程特点及养护需求，高原铁路大跨桥梁上轨道结构应选择少维修、可调整的轨道结构形式，在工程技术条件允许的地段，应尽量采用无砟轨道结构形式。

3 高原铁路大跨度桥上铺设无砟轨道技术可行性

3.1 面临的主要技术难点

3.1.1 桥梁竖向及徐变变形大

(1)桥梁竖向变形大

根据TB10621—2014《高速铁路设计规范》要求，对于跨度96 m及以下的混凝土桥梁，在竖向静活载作用下，梁体的竖向挠度不应大于表2中限值。

表2 梁体竖向挠度限值

从实际工程应用来看，我国高速铁路大跨度桥梁特别是斜拉桥主跨较大，挠跨比一般在1/670～1/799，如表3所示，因此，对于大于96 m跨度的桥梁，其挠跨比应该根据研究确定。

表3 梁体竖向挠度限值

(2)桥梁徐变变形大[12]

根据TB10621—2014《高速铁路设计规范》要求，对于设计时速200 km及以上铁路无砟轨道桥面预应力混凝土梁，当跨度大于50 m时，无砟轨道桥面徐变变形不应大于L/5 000且不应大于20 mm。

通过对我国9座200m左右跨度连续梁(刚构)桥梁徐变变形统计，其中7座桥梁的工后徐变变形超过20 mm，最大徐变变形达34.1 mm，可见，大跨度桥梁竖向徐变变形控制在20 mm内一般很难做到，如表4所示。

表4 大跨度连续刚构(梁)桥主梁工后徐变统计

(3)桥梁组合变形大

大跨度桥梁在列车活载、温度作用及工后徐变等多因素组合工况下产生的变形较大且随温度不断变化，昌赣客专赣江特大桥在列车荷载、最不利温度影响以及徐变组合作用下，最大挠度达219.4 mm，在横风和双线运行列车组合作用下，最大横向变形达35.1 mm，如图5所示，其最大变形均远大于中小跨度桥梁变形绝对值。

图5 徐变、温度及列车活载组合作用下赣江桥中跨主梁竖向位移

3.1.2 竖向线形较难满足纵断面设计要求

TB10098—2017《铁路线路设计规范》规定：正线宜设计为较长的坡段。最小坡段长度一般条件下不应小于900 m，且不宜连续使用；困难条件下不应小于600 m，且不应连续使用。

大跨桥梁在列车荷载、温度作用以及工后徐变作用下，实测成桥面轨面高程与原设计轨面高程均存在偏差。为适应大跨桥梁实际成桥线形，一般需要调整大跨桥梁上线路纵断面坡度，但调坡后的线路纵断面坡段长度较难满足设计规范要求[13-16]。此外，大跨桥梁在温度作用下，成桥后竖向变形随温度呈周期性变化，由此形成的最小坡段长度也较难满足现行规范对坡长的要求，但赣江特大桥和裕溪河特大桥运营经验表明，成桥后随温度变化引起的竖向变形可以满足设计行车速度要求。

3.1.3 轨道长波不平顺不满足现行技术要求

轨道长波不平顺采用弦测法进行检测，当采用不同弦长对轨道静态平顺性进行控制时，弦测法可以覆盖从短波到长波全波长范围的不平顺。 TB10621—2014《高速铁路设计规范》及现行高速铁路线路维修规则均采用10 m弦长幅值2 mm、30 m弦长矢距差2 mm、300 m弦长矢距差10 mm来评价轨道静态不平顺。

昌赣高铁赣江特大桥主跨跨中在温度作用下最大下挠为63.7 mm，徐变下挠为27 mm，组合变形达90.7 mm，主跨在温度、徐变作用下的竖向变形超出了现行规范300 m弦长矢距差10 mm管理值的要求。

此外，广珠城际容桂水道特大桥主跨185 m，铺设板式无砟轨道，无车时温度作用下竖向变形最大值为41.1 mm，武汉天兴洲特大桥、大胜关长江大桥、铜陵长江公铁大桥、北盘江特大桥等大跨桥梁上铺设有砟轨道，无车时温度作用下竖向变形分别达±80，±40，±51，±50 mm。如果不把温度变形做为误差基准，均无法满足现行规范对轨道长波不平顺的要求，但动态检测和运营实践表明其行车舒适度均可满足要求。

相关研究[17-20]也发现：10 m弦长、30 m弦长多用于控制中短波不平顺，300 m弦长矢距差不适用大跨度桥梁发生大变形时轨道长波不平顺的评价。

3.2 技术可行性分析

3.2.1 桥梁竖向及徐变变形大

根据TB10621—2014《高速铁路设计规范》中“无砟轨道路基工后沉降拟合竖曲线半径需要满足Rsh≥0.4V2”的要求，对于时速350 km大跨度桥梁，由于桥梁竖向变形引起的拟合竖曲线半径不小于49 000 m，远大于32 m简支梁最大容许变形为L/1 500时的竖曲线半径6 000 m。此外，赣江特大桥、裕溪河特大桥、广珠容桂水道大桥等桥的动态验收、检测和实际运营表明，大跨度桥梁竖、横向及徐变变形较大时，车辆运行安全和舒适性均满足要求。因此，建议高原铁路大跨桥梁竖向及徐变变形值不套用现有中小跨度桥梁要求，以免造成较大的工程浪费，甚至影响工程设计方案。

3.2.2 竖向线形较难满足纵断面设计要求

坡段长度对乘坐舒适度的影响主要体现在两个方面，一是振动的峰值，二是两个竖曲线产生振动的相隔时间。当坡段长度较短时，第一个竖曲线产生的振动衰减不够充分，再与第二个竖曲线产生振动叠加，从而增加振动的峰值；同时，两个竖曲线产生的振动间隔时间短，人体感受的振动冲击变化频繁，从而影响乘坐舒适性。从控制前后曲线垂向振动叠加的角度来看，直接限定竖曲线间夹坡段长度比限定两变坡点之间坡段长度更为合理。相关研究成果表明，夹坡长0.4V与0.8V对车体垂向加速度峰值的影响相差较小，夹坡长最小可取0.4V。

当相邻竖曲线长度不控制时，根据实际成桥线形拟合纵断面的最小夹坡段长度按0.4V可取80 m(按某高原铁路设计时速200 km)，考虑8辆编组列车，最小坡段长度可取200 m；当相邻竖曲线长度较长时，根据实际成桥线形拟合纵断面的最小夹坡段长度按lp=Δi1/2×Rsh1+Δi2/2×Rsh2+0.4V公式计算确定。

因此，对于高原铁路，为适应大跨桥梁实际成桥线形而进行线路纵断面坡度调整时，建议最小坡段长度可取200 m与公式计算lp二者中的较大值。

3.2.3 轨道长波不平顺不满足现行技术要求

车体加速度与轨道不平顺相关性较好，特别是当轨道不平顺波长与车体敏感波长一致时，轨道不平顺与车体加速度对应性较好。我国目前京沪、京津等高速铁路运行的动态检测车检测速度在280～300 km/h之间，列车速度为250，300，350 km/h等不同速度时敏感波长如表5、表6所示。

表5 不同车型动检车垂向敏感波长汇总 m

表6 不同车型动检车横向敏感波长汇总 m

可以看出：当列车速度为250 km/h时，垂向敏感波长应介于53～85 m；当列车速度为350 km/h时，垂向敏感波长应介于75～119 m。由此可知，对于250,300,350 km/h线路，轨道高低不平顺的管理波长应分别不低于85,105,120 m。而满足有效测量波长范围弦长应分别不小于50,60,60 m，同时为保证弦测结果与车体响应的相关性，测弦长度应不低于40 m。

铁道科学研究院杨飞通过分析列车振动敏感波长、不同弦长有效测量波长的范围，提出了60 m弦长的控制指标。该指标建立了弦测法幅值与车体振动加速度限值的关系，提出了车体加速度为0.1g，0.15g，0.2g时不同速度铁路对应的60 m弦长幅值三级管理限值，如表7所示。

表7 运营期高速铁路300及350 km/h速度下60 m弦长轨道长波高低不平顺控制标准

综上所述，如果对我国目前运营高铁线路不平顺分析采用现有的矢距差法测量，结果都会明显超出验收标准，但运营经验表明超过验收标准的区段，大部分列车实际运营状况均良好，综合检测车检测的动态轨道长波不平顺和车辆振动加速度也无明显响应。建议某高原铁路大跨桥梁上轨道长波不平顺可采用60 m弦进行测量。

4 结论

高原铁路地处高海拔、大高差、空气稀薄缺氧的高原高寒地区，部分区段穿越无人区，道路交通极其不便，施工便道修建困难，轨道结构养护维修作业条件差、应急处置困难。为指导高原铁路大跨桥上轨道结构选型，对国内大跨桥上轨道结构应用现状进行了分析，梳理了大跨度桥梁铺设无砟轨道面临的技术问题，并结合工程应用情况提出了应对方案，主要结论及建议如下。

(1)有砟轨道具有成熟应用经验，能适应大跨度桥梁，但其平顺性不易保持，道床捣固、清筛、换填工作量大，结合高原铁路轨道结构养护维修作业条件差等特点，建议大跨度桥梁优先采用无砟轨道结构。

(2)大跨桥上铺设无砟轨道面临着桥梁竖向及徐变变形大、竖向线形较难满足纵断面设计要求、轨道长波不平顺不满足验收容许偏差管理值等问题，需进一步开展针对性研究，完善相关设计规范。

(3)无砟轨道精度控制是保证行车舒适性的关键，大跨度桥上二期恒载、施工设备荷载、温度不断变化，运营期间桥梁轨道随温度和行车而变化，CPⅢ控制网点亦会随梁变形产生位移，造成轨道几何状态测不准、评价难，有必要设计科学的控制测量网和适用的测量方案。