高烈度地震区桥上无砟轨道选型及工程对策研究

2022-11-25谢铠泽田春香胡连军

铁道标准设计 2022年12期

徐浩,谢铠泽,田春香,胡连军

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 2.石家庄铁道大学安全工程与应急管理学院,石家庄 050043)

无砟轨道因具有耐久性强、平顺性高、稳定性好等优点，被广泛应用于高速铁路、客运专线及城际铁路[1-4]。在吸收、引进日本、德国无砟轨道技术的基础上，进行再创新，形成了我国CRTS系列无砟轨道结构。无砟轨道需有稳定的下部基础，故高速铁路采用了“以桥代路”的建设理念，为此我国高速铁路桥梁占比高达50%以上[5-6]，部分线路桥梁占比甚至达到94.2%，如图1所示。因此，桥上无砟轨道也就成为高速铁路的重要特征。

图1 我国部分高铁线路桥梁占比[6]

由于我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育，是一个震灾严重的国家。我国已建成的高速铁路网中有“三纵两横”位于高烈度地震区，同时还有在建的渝昆高铁、川藏铁路等西南部地区铁路也均位于地震断裂带上[7-9]。然而，我国桥上无砟轨道尚未遭遇强震作用，缺少地震考验，且无砟轨道设计也未考虑地震作用。我国地震活动具有频度高、强度大、震源浅、分布广的特点，因此，有必要结合无砟轨道应用情况，研究地震区桥上无砟轨道选型。在无砟轨道选型研究方面，学者们开展了大量研究[10-16]，但研究中鲜有考虑地震这一因素。

将选取好的砧木从断面中间垂直劈开，劈口深度大约3-4 cm，随即把削好的接穗轻轻插入，使接穗削面上部留1-3 mm的露白，并将砧木和接穗形成层对齐，立刻用1 cm宽的塑料薄膜把接口包扎严实；仅将芽眼露出即可，将接穗（包括接穗顶端剪口）及砧木劈口全部用薄膜包扎严实后，最后在劈口处扎紧。砧木上的2片叶片要全部保留，制造养分供应根系和接穗萌发生长。

拟结合地震区桥上无砟轨道的工程特点，分析地震区桥上无砟轨道性能的需求，通过对比我国CRTS系列无砟轨道的典型特点及经济性指标，提出地震区桥上无砟轨道结构选型建议，并针对无砟轨道可能面临的问题，提出相应的工程设计对策，从而为地震区及川藏铁路桥上无砟轨道选型及设计提供参考。

不仅如此，支股或条目的内容可以随意变更或增删，使传统小学数学的稳定结构被一个脆弱的不稳定结构所取代；给课程标准的制定者提供了很大的空间与自由度，以进行所谓的‘创新’，从而设计出了诸多不同版本的‘发现式数学’.

1 地震区桥上无砟轨道需求分析及选型原则

1.1 需求分析

地震的发生具有突发性、破坏性大、监测预防难度大等显著特点，地震区轨道结构选型、设计及养护维修等均与普通地段无砟轨道存在显著差异。

一是良好的调整能力，无砟轨道结构应能够适应频发的小震，无砟轨道在小震作用下应能够保持足够的稳定性，且当轨道结构发生小变形时，具备一定的调整能力；二是梁端变形适应能力，地震具有典型的非一致性特征，在两跨桥梁梁端极易出现大的错台，因此，无砟轨道在桥梁梁缝处应能适应较大的梁端错台；三是快速修复能力，无砟轨道结构在损坏后应具备快速修复的能力[17]，由于地震区桥上无砟轨道在地震作用下可能出现关键部件失效的问题，为保障生命通道的畅通，无砟轨道应具备良好的可维修性。

无砟轨道经济性是无砟轨道选型的重要指标之一，CRTS系列无砟轨道建设成本如表2所示。

1.2 选型原则

针对地震荷载作用下桥上无砟轨道的力学行为特征及需求，地震区桥上无砟轨道选型应遵循如下原则。

古代建筑多为亭台楼阁，这就为士人们提供了很好的“凭栏”场所。登高望远向来为士人所推崇。登上楼阁，由于四面镂空，作者可以远眺，登高望远就能感受自身的渺小与天地的广大，情感也就随之而来。建筑的形态为“凭栏”意向提供了客观的条件，而建筑的精美又为士人提供了审美的情趣。由此产生了“登高必赋”的思想感情。这其实是之前“登山临水”的继承与发展。士人本身对于现实的不满，却又无处发泄，所以他们在很多时候都需要一种心灵的寄托，而周围建筑中最能满足士人，又不需要花费时间去远离市区登山临水，登楼便自然而言成了满足他们心理需要的场所。

(1)安全可靠

无砟轨道结构具有足够的强度和整体性，应避免在小震作用下发生过大的变形，影响线路平顺性，更不能发生不可修复的损伤。

(2)耐久性强

无砟轨道结构及关键工程材料在长期的列车疲劳荷载或地震作用下应具有良好的耐久性，能满足结构设计使用寿命。

(3)可修复性

铁路运输对抢险救灾意义重大，一旦地震造成无砟轨道关键部件伤损，无砟轨道应能快速拆除，并能很快恢复重建，从而能快速抢通受损地段。

(4)施工便捷

具体做法是：根据写作的基本原理和方法，结合教材导引的写作体系，将写作训练划分为若干训练点，以教材文本为语言范本，找准语言表达角度，融入一定的写作技法指导，引导学生从 “点”上训练，在“点”的训练中获得语言表达的能力。

CRTSⅢ型板式无砟轨道采用单元式结构，轨道板与自密实混凝土层通过门形钢筋形成整体，与底座板之间通过限位凹槽传递水平荷载，垂向力也采用分层传递的模式。

断奶至性成熟阶段，平均日增重800克时第一个产奶量最佳。从管理角度来说，700～900克日增重都可以获得较好的产奶量。牛养到合适的日增重即可，不宜太高，否则造成饲料浪费，并且在没有意识到的情况下可能已经损失了一部分奶量，如图3所示。

(5)经济合理

2014年8月20日，郭恒信又一次来到阿里甫·司马义家中，将2000元的学费递到儿子买买江·阿里甫手中，又一次圆了孩子上学的梦想。

无砟轨道结构除满足上述条件，还应尽可能降低初期投资、运营养护维修费用，降低无砟轨道的全寿命周期成本，经济合理。

2 地震区桥上无砟轨道选型分析

2.1 CRTS系列无砟轨道结构

CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板相互之间通过纵向钢筋形成连续结构，轨道板下设有水泥乳化沥青砂浆调整层。轨道板上在每个枕间距中间设有横向贯通的假缝，以控制裂缝不通过扣件支点。CRTSⅡ型板式无砟轨道一般不设水平传力机构，主要通过层间粘结和摩擦传递水平荷载，仅在长桥地段通过设置侧向挡块传递横向力；垂向荷载则采用分层传递的方式。

笔者在大学英语课程的教学中，对于英语歌曲的选择除了考虑以上的因素之外，还参考了以下的原则：第一，尽量推荐知名欧美歌星的代表曲目；第二，尽量交替学习不同演唱风格和类型的歌曲；第三，尽量兼顾歌曲的经典性和时代性。这样，在两个学期的教学过程中，学生能够较好地保持学习的兴趣，而且对欧美的流行音乐文化有了一个初步系统的了解。在设计下面的教学曲目单的过程中，笔者试图反映上述提到的选择因素和原则。该教学曲目，笔者曾在部分班级使用过，使用时间为两个学期内每周学习一曲，取得了较好的教学效果。

不同类型桥上无砟轨道结构的组成及应用情况如表1所示。

表1 桥上无砟轨道结构组成及应用情况

2.2 CRTS系列无砟轨道结构特点及综合性能

2.2.1 技术特点

双块式无砟轨道在桥梁地段采用单元结构，路基和隧道地段采用连续结构。路基和隧道地段双块式无砟轨道通过纵向连续结构的整体性及层间粘结来保持轨道的稳定性，而桥上双块式无砟轨道则通过限位凸台约束轨道的纵横向位移。

CRTSⅠ型板式无砟轨道为单元分层结构，采用凸形挡台限位，轨道板下采用水泥乳化沥青砂浆充填层作为调整结构。垂向力分层传递，水平力则通过轨道板传递给凸形挡台，再由凸形挡台传递至底座板。

我国高速铁路无砟轨道技术研发起于20世纪90年代初期，开展了秦沈、赣龙、渝怀、遂渝、武广、成灌铁路等多个无砟轨道试验段设计、工程研究与建设。通过前期试验研究、国外高速铁路无砟轨道技术引进消化吸收再创新研究以及无砟轨道技术深化研究，逐渐形成了我国CRTS系列无砟轨道结构，主要有CRTS双块式无砟轨道、CRTSⅠ型、CRTSⅡ型和CRTSⅢ型板式无砟轨道。

无砟轨道结构应便于组织施工，且制造和施工精度易达到设计要求。

2.2.2 施工性能

双块式无砟轨道的轨枕采用工厂预制，道床板、底座板或支承层采用现场浇筑，现场混凝土浇筑工作量大，双块式无砟轨道采用由下至上施工，可施工性好，对桥梁、路基、隧道等线下基础的适应性较好。

CRTSⅠ型板式无砟轨道的轨道板为预应力结构，工厂化预制，现浇混凝土浇筑工程量少，施工效率较高，但水泥乳化沥青砂浆层施工前需进行大量的工艺性试验，同时配备专门的施工设备。CRTSⅠ型板式无砟轨道为无挡肩结构，一般可通过扣件实现无级调整，钢轨精调工作量较大。

CRTSⅢ型板式无砟轨道的轨道板也为预制结构，现场钢轨精调工作量介于CRTSⅡ型与CRTSⅠ型板式无砟轨道之间。由于CRTSⅢ型板式无砟轨道采用自密实混凝土，相比CRTSⅠ型板式无砟轨道，施工工艺更简单。

CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板采用工厂化预制，但在工厂内需要精确打磨，减少了现场钢轨的精调工作量；由于采用水泥乳化沥青砂浆层，也需在现场进行大量工艺性试验并配备专门的施工设备。CRTSⅡ型板式无砟轨道为纵连结构，需控制轨道板的锁定温度，施工工艺复杂，尤其是桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道，由于增加了两布一膜滑动层、高强挤塑板、端刺等附属结构，施工步骤更为繁琐。

不管是选择哪种培养模式或培养方案，都需要有强大的师资力量和实践平台，在新旧教学模式更替的大环境下，努力提升教师的理论和实践水平，才能保证现代学徒制顺利实施。

学生在校外参与顶岗实习过程中应采用“双导师”制。即学生在企业参与顶岗实习时，既要接受校内教师的理论指导，还要接受企业导师的实践指导。企业导师应根据学生的实际情况让学生逐步参与到企业生产实践中，从而发现学生的问题并及时纠正。企业导师在实际项目中应起到引导作用，要循序渐进的加大学生实习工作的难度，从而锻炼学生工程造价的技能。实训过程中，学生潜移默化的与企业建立了感情，学生在获得技能的同时也获得了认同感和归属感。

2.2.3 经济性

高源(1996-)，男，四川工商学院计算机学院学生，主要研究方向为云计算基础架构与数学建模算法分析。E-mail:13558628926@163.com。

表2 CRTS系列无砟轨道建设成本[14] 万元/km

由表2可知，无砟轨道的建设成本与下部基础有关，不论何种下部基础，双块式无砟轨道的建设成本均最低，具有明显优势。当基础为桥梁时，CRTSⅡ型板式轨道的建设成本最高，其次为CRTSⅠ型板式轨道，双块式无砟轨道和CRTSⅢ型板式轨道的建设成本较低。

2.2.4 耐久性及可维修性

双块式无砟轨道由于存在预制轨枕与现浇混凝土的新旧混凝土结合面，因此，在该结合面之间易开裂，从而发展为贯通裂缝，如图2所示。该裂缝主要是由于混凝土收缩徐变、降温、混凝土配合比不当、施工养护不好等原因造成，通过控制施工质量可避免该类病害的发生。对于桥上双块式无砟轨道结构，由于轨道板与底座板之间设置了隔离层及限位凸台结构，可维修性较好。

图2 双块式无砟轨道轨枕与道床板裂纹

CRTSⅠ型板式无砟轨道的水泥乳化沥青砂浆层是其薄弱结构，在运营过程中极易出现轨道板与水泥乳化沥青砂浆层层间离缝，如图3所示。对于大跨桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道，也出现了凸形挡台破损情况[14]。CRTSⅠ型板式无砟轨道采用分层结构，可修复性好。

夏菠菜出苗后仍要盖遮阳网，晴盖阴揭，迟盖早揭，以利降温保温。苗期浇水应是早晨或傍晚进行小水勤浇。2～3片真叶后，追施两次速效氮肥。每次施肥后要浇清水，以促生长。

图3 轨道板与水泥乳化沥青砂浆层离缝

CRTSⅡ型板式无砟轨道在其服役过程中，同样出现了水泥乳化沥青砂浆层与轨道板离缝、脱空等病害，如图4所示，由于CRTSⅡ型板式无砟轨道为纵连结构，在温度作用下容易出现轨道板上拱病害。一旦出现轨道板上拱，需对轨道板进行锚固、锯板、应力放散、重新锁定等，维修工序繁杂。

图4 轨道板与水泥乳化沥青砂浆层离缝、脱空

CRTSⅢ型板式无砟轨道在服役过程中的病害主要为自密实混凝土与支承层间离缝，同时轨道板和底座板也出现了少量裂缝[15]。CRTSⅢ型板式无砟轨道的轨道板与自密实混凝土层的复合结构与底座板之间可以分离，可修复性好。

根据第1部分计算方法，将其应用于拉格朗徳Ⅱ级水电站和伊泰普水电站，并根据表1开展计算，其结果如表2所示。

2.3 CRTS系列无砟轨道对地震的适应性分析

与有砟轨道相比，无砟轨道具有更高的稳定性、整体性和可靠性，在地震区应用具有明显的结构优势。地震区桥上无砟轨道除能适应小震时的变形外，还应具备在大震后能快速恢复运营的能力。

王冠通[18]针对桥上板式无砟轨道，研究了地震下桥上CRTSⅠ型和CRTSⅡ型板式无砟轨道的受力状态，表明地震作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板和底座板应力远大于CRTSⅠ型板式无砟轨道。在温度作用下，连续式轨道中往往有较大的纵向温度力，在地震作用下轨道发生破坏时，轨道纵向温度力得以释放，会给轨下基础带来严重破坏。当连续式轨道结构位于桥上时，若地震造成无砟轨道的轨道板断板会造成桥梁墩台承受较大的附加力。

经过十几年的综合治理，初步遏制了水土流失持续恶化的趋势，水土保持生态建设取得明显成效。一是改善当地的生态环境，促进生态文明建设；二是改善农业生产条件，促进山区经济社会发展；三是减轻洪涝等自然灾害的威胁；四是提高水源涵养能力，减轻河道水库泥沙淤积。

另外，由于在地震作用可能导致相邻桥梁梁端变形不一致，故无砟轨道在桥梁梁缝处应断开，即高烈度地震区桥上无砟轨道应优先采用单元式无砟轨道结构。同时，地震导致的相邻梁端变形不一致，极易造成相邻梁端无砟轨道的钢轨发生较大横向变形，甚至造成轨道结构拉裂，因此，地震区桥上无砟轨道结构必须能快速修复。

桥上CRTS双块式无砟轨道、CRTSⅠ型板式无砟轨道和CRTSⅢ型板式无砟轨道均为单元结构，且均具有较好的可修复性。CRTSⅠ型板式无砟轨道的水泥乳化沥青砂浆层受现场环境影响较大，且工程造价最高；同时，CRTSⅠ型板式无砟轨道的凸台破坏后需现场重新浇筑，较难实现快速修复；CRTSⅢ型板式无砟轨道对轨道板的制造和运输要求较高，在西南地区路桥隧频繁过渡适应性较差，且发生破坏后需将轨道板与自密实混凝土层全部更换；CRTS双块式无砟轨道施工相对简单，且无需大型通道和运输设备，经济性最好。综合考虑施工性能、耐久性、可维修性和经济性，建议西南地区高烈度地震区及川藏铁路桥上无砟轨道优先采用CRTS双块式无砟轨道结构。

3 地震区桥上无砟轨道工程设计对策

3.1 无砟轨道抗震设计

合理的结构型式可有效减轻地震对无砟轨道的破坏程度，因此，需在无砟轨道设计时进行抗震设计。

无砟轨道虽然在国内外已经成功运营多年，但依旧缺乏抗震设计方法及规范。为提高无砟轨道结构的抗震特性及工程适应性，有必要根据其结构特点和铁路重要性，确定结构抗震设防原则、抗震设防标准及地震设计参数等，在此基础上采用时程分析法研究地震对桥上无砟轨道服役性能的影响，评估地震作用下桥上无砟轨道薄弱位置，为提高无砟轨道的抗震性能提供理论支撑。

此外，地震后易造成线路平面线形破坏，轨道发生相对位移等破坏，因此，在无砟轨道结构设计中，还需考虑适应地震引起的大变形，如研发新型装配式无砟轨道结构、大调整量扣件，以增加轨道结构的调整能力和变形自适应能力。

3.2 地震灾害预警监控系统

为避免地震时列车运行出现安全问题，可在地震区无砟轨道结构设计时考虑设置地震灾害预警监控系统。通过在铁路沿线一定间距设置地震灾害预警监控系统，并融合于列控系统，实现地震提前预警和列车紧急制动，保证列车安全运行，如日本新干线的地震预警系统在宫城南部地震中成功使乘客幸免遇难[19]。为进一步保证地震时列车安全运行，需提高地震灾害预警精度、加快监控系统的反应速度，同时在设置地震灾害预警监控系统时，还应研究如何缩短制动距离，确保地震发生时列车能快速制动。

3.3 地震适应性防护措施

一方面通过设置地震灾害预警系统提前预知地震危害采取措施，另一方面通过提高无砟轨道的抗震性能，使无砟轨道结构在地震时不致完全破坏，还应在地震区桥上无砟轨道结构设计必要的防护措施，保证地震后列车不致倾覆。目前，防脱轨措施主要有安装防脱轨保护装置、改良转向架性能、安装桥上防撞墙、防偏离保护装置及钢轨防倾倒装置等[20]。

一旦震后无砟轨道出现伤损，为不影响行车，无砟轨道设计时需有快速修复与调整功能，还应有便捷修复和大调整量的措施，如新型预制装配式无砟轨道、大调整量无砟轨道结构等，从而保证震后无砟轨道能快速恢复运营能力。