高速铁路无砟轨道拨接技术研究*

潘自立，吴 军，刘在庆，陈以庭，李粮余

(1.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2.中国铁路成都局集团有限公司，四川 成都 610081)

0 引言

无砟轨道一般主要由钢轨、弹性分开式扣件、钢筋混凝土道床、混凝土底座组成。无砟轨道具有良好的结构纵横向稳定性，轨道几何形位持续得到保持；轨道刚度均匀，结构连续性好；无砟轨道具有使用寿命长、线路状况良好、减小轨道结构高度，降低维修成本，减少维修工作量，适应高速铁路运输的特点；基本无轨道失稳可能；不存在风沙污染道床和道砟飞溅问题。由于无砟轨道为整体刚性结构，基础变形适应性差，对线下基础的稳定性要求较高；如果基础变形超过无砟轨道适应幅度，道床将出现破坏，不能保证列车高速安全运行，必须降低列车运行速度，严重影响旅客的旅行质量。损坏后的无砟轨道快速恢复需专用材料和施工工艺。某客运专线车站范围内的无砟道岔和正线无砟轨道基础出现严重病害，影响高速动车组行车安全。为彻底整治车站内线下基础病害，同时整治期间不中断正线行车，保持全线运营能力不变，动车组需绕开站内病害地段正线，通过便线拨接到站线运行。根据该便线平面线形，有70m正线无砟轨道与便线线位冲突，要实现拨接，需破除70m无砟轨道并修建有砟轨道便线，耗时最少需1个工天，不能满足不中断行车且需在天窗时间4.5h内的要求，同时不能保证该段便线轨道质量满足动车组运行安全。只能考虑在正线无砟轨道上来实现与便线的拨接。在保持高速铁路正常运营的前提下实现正线无砟轨道直接拨接，这在国内乃至世界上都无先例。

1 轨道过渡拨接方案比选设计

新建便线由既有站线有砟轨道引出过渡到正线无砟轨道，采用60kg/m钢轨，有缝线路。便线有砟轨道铺设Ⅲa型轨枕，弹条Ⅱ型扣件，一级碎石道砟，道床宽3.4m，轨枕按1 680根/km铺设[1]。

轨道过渡初步共研究了2类共6个拨接方案，第1类是需拆除线位冲突的正线无砟轨道，改铺有砟轨道(见图1a)，第2类无须拆除无砟轨道正线(见图1b)。

图1 2类方案平面示意

1.1 普通有砟轨道过渡拨接

拆除拨接过渡区段正线道床、支承层和底座→换铺普通有砟轨道便线→整治工程完成后拆除有砟轨道→进行正线无砟轨道重建和无缝线路恢复。

1.2 弹性轨枕有砟轨道过渡拨接

在拨接过渡区段道床外侧铺设混凝土垫层与支承层同高→拆除过渡区段正线道床→换铺弹性轨枕有砟轨道(确保有砟轨道弹性)→整治工程完成后拆除有砟轨道→进行正线无砟轨道重建和无缝线路恢复。

1.3 钢垫梁形式过渡拨接

在拨接过渡区段道床外侧铺设混凝土垫层→拆除过渡区段正线道床→在支承层(底座)或外侧混凝土垫层上固定并铺设钢垫梁→在钢垫梁上铺设钢轨扣件→整治工程完成后拆除过渡区段钢垫梁、钢轨、扣件及道床外侧混凝土垫层→进行正线无砟轨道重建和无缝线路恢复。

1.4 木枕(合成树脂枕)过渡拨接

在拨接过渡区段道床外侧铺设混凝土垫层→拆除过渡区段正线道床→在支承层(底座)或外侧混凝土垫层上固定铺设木枕或合成树脂枕→采用K型分开式扣件将过渡钢轨固定到枕木上→整治工程完成后拆除过渡区的钢轨、扣件、枕木及道床外侧混凝土垫层→进行正线无砟轨道重建和无缝线路恢复。

1.5 框架式轨道结构过渡拨接

在过渡区段道床外侧铺设承轨台式无砟轨道→在过渡区段既有双块式轨枕间道床面钻孔→在过渡区前后进行调高顺坡(采用特殊调整扣件调高30mm以上，保证过渡区段钢轨轨底高于既有双块式轨枕挡肩)→利用钻孔固定并铺设承轨架→通过WJ-7型扣件将过渡钢轨固定于承轨架上形成轨排框架→整治工程完成后拆除过渡区轨排框架及道床外侧无砟轨道→进行正线无缝线路恢复→修复道床板钻孔。

1.6 特殊合成树脂枕过渡拨接

特殊合成树脂枕过渡拨接方式与框架式轨道结构过渡拨接的轨道结构相似，仅将承轨架替换为特殊合成树脂枕。

1.7 拨接过渡方案比选

上述6个方案在运营经验、施工难度、工程投资、运输组织影响等方面的对比分析结果如表1所示。

表1 便线拨接无砟正线过渡方案对比

针对上述各方案运营安全、工程实施难易程度、过渡段工程量、工程投资的对比分析，采用拆除正线无砟轨道铺设普通的有砟轨道过渡(方案1)最优。但本线是成渝地区唯一的高速铁路，不能进行断道施工，过渡所有拨接工程(包括整治完成后，重新拔回正线)必须在1个天窗时间内(4.5h)完成，不得影响第2天高速铁路的安全正常运营。通过施工组织模拟分析，上述6个方案都不能在规定时间内完成，不能保证第2天高速动车组安全运营。在施工组织模拟分析过程中，要实现天窗时间内完成轨道拨接，正线向便线过渡拨接期间就不能拆除正线无砟道床；否则病害整治完后，便线向正线拨接时，无砟道床在天窗时间内不能完成施工，道床混凝土强度第2天不能达到列车运营要求。

2 推荐拨接过渡方案设计

为减少拨接过渡对运营组织的影响，同时保障整治期间双线运营，在框架式轨道结构拨接过渡方案基础上对承轨结构、过渡区段及道床加宽、轨枕锚固等方面进行优化后形成钢制承轨台式无砟轨道与WJ-7型扣件组合拨接过渡方案[2]。该方案通过加宽无砟道床，在道床上钻孔锚固使用特制双层调高钢垫板及双层缓冲垫板相结合的拼装式承轨台，通过顺坡抬高拨接段钢轨标高，使钢轨底越过既有轨枕挡肩，在平面上实现自由衔接到便线，实现既有无砟轨道与新建便线有砟轨道拨接过渡[3]。

2.1 无砟轨道钢制承轨台设计

无砟轨道钢制承轨台[4]采用的特制双层调高钢垫板及双层缓冲垫板相结合的拼装式设计如图2所示。

图2 钢制承轨台设计示意

本钢制承轨台设计方案采取30mm钢调高垫板⑥、5mm缓冲垫板⑦和⑨、40mm钢调高垫板⑧与WJ-7型扣件配合使用。扣件用M30螺栓(GB/T 5781—2016 8.8 级)和焊接在钢调高垫板⑥的M30螺母(GB/T41—2016)配合连接，代替原有的锚固螺栓与预埋套管的配合方式。钢制承轨台通过4套M24化学锚栓组件⑤与无砟道床连接，每组扣件节点按顺序依次安放5mm缓冲垫板⑨、40mm钢调高垫板⑧、5mm缓冲垫板⑦、30mm钢调高垫板⑥和WJ-7型扣件。如遇混凝土道床边缘接缝处，采用加长型钢调高垫板及缓冲垫板以跨越道床缝，使化学锚栓锚固在稳定的道床上。

2.2 无砟轨道钢制承轨台仿真分析

无砟轨道钢制承轨台上扣件弹条直径14mm，材料为60Si2MnA型弹簧钢，螺栓预紧力25kN约束螺栓内表面的纵、横向自由度。无砟轨道钢制承轨台各部分间的相互作用选用surface to surface接触分析，各接触间采用罚函数模拟，计算模型如图3所示。

图3 计算模型

由图4可知，预紧状态下轨下垫板最大应力达到0.645MPa，最大位移为0.36mm。

图4 钢制承轨台预紧状态下弹条及钢垫板应力云图

轨底、轨腰、轨头位移曲线类似，前段呈抛物线，后段呈直线，扣件横向阻力极值为35.47kN(见图5)。在钢轨纵向一端加力，在另一端拾取断面纵向位移，得到纵向阻力与位移关系曲线(见图6)。承轨台上扣件纵向阻力达到14.6kN。经仿真分析，无砟轨道钢制承轨台及其配套扣件力学性能满足高速铁路相关技术要求。

图5 承轨台上扣件横向阻力-位移关系曲线

图6 承轨台上扣件纵向阻力-位移关系曲线

2.3 钢制承轨台锚固试验

为了验证化学锚栓的抗拔能力，正式施工前，实验室人员在无砟道床等强度C40混凝土结构上对φ24化学锚栓做了抗拔试验[5]，数据如表2所示。

表2 化学锚栓抗拔力

现场试验表明，一端2根化学锚栓的抗拔力远大于WJ-7型扣件抗拔力100kN。

3 正线无砟道床加宽施工

正线钢轨通过平面曲线与新建便线连接，钢轨延伸偏离正线的大里程端加宽无砟道床，利用拨接前天窗时间对既有无砟轨道外侧路肩封闭层进行表面铣刨处理，在基床表层钻孔植入锚固销钉，并在既有轨道结构侧面钻孔植入钢筋加强连接，置安钢筋笼，在既有道床侧面铺设土工布隔离层，根据便线线位在既有道床外侧浇筑C40钢筋混凝土加宽道床，设置便线过渡段无砟道床。根据便线线性过渡区道床加宽段长度约55.9m，其中24.5m加宽1m，其余31.4m范围内加宽1～3.09m，如图7所示。

图7 无砟道床加宽示意

4 钢制承轨台锚固施工

根据便线线形施工好拨接处帮宽的无砟道床后，在正线轨道拨移施工前，预先在无砟轨道道床上安装调高垫板锚固系统。安装就位施工质量特别是施工精度是线路拨移就位精度的关键，质量控制要点是钢制承轨台锚固螺栓孔的钻孔精度。采用水磨钻对准定位工装样孔施钻，钻进过程中随时检查工装基准线与钻孔定位轴线对准偏差，超限时及时调整，以保证水磨钻钻孔精度[6]。钻孔后再次采用定位工装复核孔位，复核无误后清理孔内杂物，用植筋胶锚固M24螺栓，锚固过程中，采取措施保证锚栓的垂直度和精度[7]。确保其满足钢制承轨台的安装要求。

5 过渡区前后调高顺坡

在既有左线的过渡区前后采用特殊调整扣件调高顺坡，顺坡后过渡区段钢轨轨底应高于既有双块式轨枕挡肩5mm以上，使钢轨在平面上能自由调整。

6 轨道拨接施工

通过高强度化学锚栓将钢制承轨台固定于道床表面钻孔位置，在承轨台上方铺设WJ-7型扣件，通过WJ-7型扣件锁定钢轨，根据线路长度配置好带孔新轨和接头等扣配件；并对轨面进行几何形位打磨整理，完成轨道拨接。拨接完成后对轨道状态进行检测，满足行车条件后方可行车。

7 回拨钢轨至正线

车站路基上拱病害整治的主体工程完成后，将钢轨回拨至正线，对轨面状态进行定期整理，根据轨道几何状态调整动车组运行速度。

8 拆除运营便线

拆除过渡区的便线钢轨、扣件、承轨台及外侧加宽道床，拆除过程中注意对既有道床的保护。

9 结语

在轨道拨接前利用天窗时间精心测量和计算出各扣件几何空间数据，施工帮宽无砟道床和钢制承轨台，在拨接天窗4.5h内完成扣件安装、钢轨拨接和轨道精调，满足高速动车组开行条件，满足整治车站基础工程而不中断行车要求。在车站内基础整治3个多月的时间内，每天从拨接便线安全通过70多对高速列车。车站内基础整治结束后在1个天窗时间内完成了正线轨道的拨接，拨接复位的正线轨道满足高速铁路动静态要求，稳固的道床和高标准的轨道几何状态使高速动车组在正线复位72h内实现300km/h达速运行。该设计取得以下研究成果。

1)大大缩短高速铁路无砟轨道拨接时间，同时保证了施工质量，使无砟轨道拨接能在短短4.5h内高质量、安全完成。

2)确保高速动车组行车安全，无砟轨道拨接克服了有砟轨道初期稳定性差、轨道几何状态不能保持的缺点，有效保证了高速动车组行车所要求的轨道稳定状态和高精度的几何形位。

3)保证高速干线铁路的运输能力，拨接后可立刻实现高速列车通过对数与拨接前相同，确保国家干线铁路通畅，有巨大的经济和社会效益，据测算，如果按有砟轨道拨接需断道2d，停运高速列车除了巨大的社会影响外，直接经济损失>4 000万元。

4)为整治后的正线无砟轨道快速回拨创造了条件，无砟轨道拨接未使无砟道床产生破坏，减少了重复工程，降低了工程投资，为整治完成后拨接回正线赢得了时间，同时保证了无砟轨道道床质量。