臺州市域鐵路S1線新型雙塊式軌枕及無砟軌道

李秋義, 朱彬, 韓志剛

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430063）

0 引言

市域（郊）鐵路是連接都市圈中心城市城區和周邊城鎮組團, 為通勤客流提供運輸服務的“快速度、大運量、公交化”軌道交通系統[1-3］。國外市域鐵路發展較早, 巴黎、紐約、東京等城市均建立了完善的都市圈市域鐵路網[4］。我國市域鐵路建設起步較晚, 曾是國家綜合立體交通網的短板。近年來, 隨著城市化進程加快和都市圈發展, 國家陸續出臺一系列推進市域鐵路發展的政策, 我國市域鐵路建設進入快速發展時期, 打造“軌道上的都市圈”成為共識[5］。

作為《浙江省都市圈城際鐵路規劃》的重要組成部分, 臺州市域鐵路S1線于2016年開工建設, 該項目對于優化城市結構、構建綜合運輸體系、提升臺州在浙江沿海中部區域性中心城市地位具有重要作用[6］。臺州市域鐵路S1線設計時速140 km, 一期工程線路全長52.175 km, 其中地下線17.189 km、高架線29.113 km、路基0.785 km、山嶺隧道5座共5.088 km, 橋隧比為98.50%。無砟軌道是市域鐵路的重要基礎設施, 關系到市域鐵路的安全性、舒適性和經濟性。市域鐵路無砟軌道技術體系不能照搬高速鐵路和地鐵, 而應基于“技術先進、經濟適用、綠色環?！钡脑瓌t, 形成獨有的技術體系。根據《關于推動都市圈市域（郊）鐵路加快發展意見的通知》（國辦函〔2020〕116號）中“從嚴控制工程造價”的原則, 結合臺州市域鐵路S1線實際情況, 研究適用于市域鐵路運營條件的輕量化、經濟型無砟軌道。

1 鋼管混凝土雙塊式軌枕結構設計

1.1 結構組成

雙塊式無砟軌道是市域鐵路常用的軌道結構形式, 雙塊式軌枕的關鍵在于軌枕塊之間的連接構件。我國高速鐵路采用SK系列雙塊式軌枕, 該軌枕制造工藝復雜、工程造價高、鋼筋桁架易銹蝕、鋼筋桁架專用焊接設備價格昂貴, 應用于市域鐵路時經濟性較差[7-8］。

鋼管混凝土（Concrete Filled Steel Tube, CFT）結構是由混凝土填入鋼管內形成的新型組合結構, 能更有效地發揮鋼材與混凝土2種材料各自的優點, 克服鋼管結構易發生局部屈曲的缺點。因此, 針對市域鐵路研發采用CFT構件連接的新型雙塊式軌枕, 通過小直徑鋼管內灌注自密實微膨脹混凝土材料, 形成CFT連接構件, 具有良好的力學性能和施工性能。CFT軌枕結構組成見圖1。

1.2 CFT構件材質與規格

為實現技術先進、性能可靠、造價合理的目標, 針對CFT構件開展理論分析和試驗研究, 確定其材質、截面形式、幾何尺寸、灌注混凝土強度等。綜合考慮力學性能、生產制造成本, 提出易于制造和施工的CFT構件方案：CFT構件長2 050 mm、外徑42 mm、壁厚3 mm、內徑36 mm；鋼管采用結構用無縫鋼管時, 其力學性能指標應符合GB/T 8162—2008《結構用無縫鋼管》規定；灌注材料采用抗壓強度70 MPa的自密實微膨脹混凝土。對不同軌枕的用鋼量進行對比, 高速鐵路SK-Ⅱ型雙塊式軌枕用鋼量18.1 kg、CFT雙塊式軌枕用鋼量12 kg。因此, CFT雙塊式軌枕用鋼量更少, 可降低材料成本。

1.3 灌注材料

采用C70自密實微膨脹混凝土材料進行灌注。該材料由水泥、外加劑（含減水劑、膨脹劑、早強劑、消泡劑等）、集料、礦物摻合料等干混料與水拌合而成, 無需機械振搗即可達到自密實狀態, 具有微膨脹、流動性高、硬化快、強度高、施工性能好等優點。

為保證灌注質量, 針對灌注材料的流動度、強度、豎向膨脹率等關鍵指標進行材料配比優化, 開展流動度、密實度等試驗研究（見圖2）, 提出相應的檢測方法及灌注材料的性能指標。

圖2 灌注材料檢測試驗

1.4 構件與軌枕塊的連接

為加強CFT構件與軌枕塊之間的連接, 在CFT構件兩端采用擴口處理（見圖3）。擴口至外徑為45 mm, 擴口長度50 mm。通過冷加工, 使鋼管端部外徑大于其他部位3 mm, 在受到外荷載作用時具有更大的抗拔力。該方案具有生產制造簡單、效果好、造價低等優點。

圖3 CFT端部擴口

采用有限元模型模擬CFT構件兩端擴口與軌枕塊的連接作用[9］。鋼管端部未擴口時, CFT構件與軌枕塊之間連接力為68.0 kN；鋼管端部擴口后, CFT構件與軌枕塊之間連接力為75.1 kN。鋼管端部擴口后, 連接力增加7.1 kN, 錨固效果明顯增強。

1.5 軌枕塊與道床黏結性能優化

1.5.1 軌枕塊側面設置凹槽

針對CFT雙塊式軌枕與道床板混凝土之間新老混凝土界面裂紋問題, 開展混凝土軌枕塊與道床黏結性能機理研究, 提出加強軌枕塊與道床黏結性能的優化措施, 在軌枕塊的2個側面均設置長度500 mm、寬度55 mm、深度25 mm的凹槽（見圖4）。

圖4 軌枕塊側面的凹槽結構

1.5.2 軌枕塊底部設置門型連接鋼筋

為增強混凝土軌枕塊與道床之間的連接作用, 在軌枕塊底部設置門型連接鋼筋（見圖5）。門型連接鋼筋伸出軌枕塊底部40 mm, 將鋼筋與道床混凝土結合, 可增加軌枕與道床之間的黏結性能。

圖5 門型連接鋼筋布置橫斷面

2 CFT雙塊式軌枕的生產制造

CFT雙塊式軌枕的生產工藝及裝備與SK系列桁架式雙塊式軌枕基本一致, 主要不同點在于CFT構件的制造, 應注意以下關鍵步驟：

（1）鋼管除銹、防腐涂裝。鋼管內表面應無可見油污, 無鐵銹、氧化皮及其他污染物, 外表面防銹涂裝材料附著力應達到相關標準要求。鋼管防腐涂裝可采用熱鍍鋅、噴涂鋅、噴刷涂料等方式。

（2）CFT構件灌注。若采用重力式灌注, 應連續灌注；若采用壓力式灌注, 應先排除管路中的空氣、水或稀漿, 灌注壓力不宜大于2.5 MPa。

（3）裝管作業。在裝管區將鋼管逐一插入鋼管架, 每裝滿1個鋼管架, 通過專用軌道移動至灌注區。

（4）灌注作業。通過灌注系統將攪拌好的灌注材料逐一灌注至待灌注鋼管中, 每根鋼管澆注的灌注材料與鋼管口平齊, 澆注完成后鋼管架移動至下一工序。

（5）養護作業。鋼管架運送至養護區, 對已經灌注好的鋼管進行養護, 采用常溫養護, 養護時長不小于7 d。

（6）拆管作業。養護完成的鋼管架運送至拆管區, 將每根鋼管拆卸下來抽檢、打包, 空置鋼管架移至裝管區繼續循環生產。

（7）CFT構件安裝。CFT構件裝運應平穩進行、不得摔落、碰撞、扭曲。CFT應與混凝土塊內的鋼筋綁扎或焊接固定, 混凝土塊的模板應與CFT的接口契合, 防止漏漿。

3 CFT雙塊式無砟軌道結構

3.1 橋隧地段

在滿足運營安全前提下, 市域鐵路無砟軌道選型和結構設計應盡量結構簡單、二期恒載小、經濟性好。因此, 輕量化、經濟型的無砟軌道是市域鐵路軌道技術發展方向。結合臺州市域鐵路橋隧比高的特點, 研發一種新型無底座CFT雙塊式無砟軌道, 采用單元分塊式結構, 由鋼軌、扣件、CFT雙塊式軌枕、道床板等部分組成, 取消了混凝土底座（見圖6）。軌道結構高度由725 mm優化為560 mm, 道床寬度由2 800 mm優化為2 600 mm, 市域鐵路新型無砟軌道可降低橋梁二期恒載30%, 降低軌道和橋梁造價20%。

圖6 無底座雙塊式無砟軌道

3.2 路基地段

路基地段雙塊式無砟軌道采用道床板和底座雙層結構（見圖7）。道床板寬度為2 600 mm, 厚度為290 mm, 單元長度一般為5～7 m。每3塊道床板對應的底座為1個大單元結構, 相鄰底座單元之間設置寬度為20 mm伸縮縫和縱向傳力桿；底座與道床板之間設置厚度為4 mm的聚丙烯土工布, 道床板單元與底座之間通過2個凹槽限位。

圖7 道床板、底座雙層結構雙塊式無砟軌道

4 試驗研究

4.1 抗彎性能試驗

對CFT雙塊式軌枕進行抗彎性能試驗[10］（見圖8）。支點軌枕塊下鋼軌中心位置, 支點距離1 510 mm, 加載位置在鋼管中分點, 抗彎試驗荷載-位移曲線見圖9。根據試驗結果, 當荷載小于11 kN時, 荷載-位移曲線具有線性關系；當荷載大于11 kN時, 荷載-位移曲線上升趨勢變緩。采用相同的試驗方法, SK-Ⅱ軌枕承受最大荷載為15.0 kN?？紤]雙塊式軌枕自質量以及制造、運輸、施工荷載, 雙塊式軌枕承受最大荷載為5.0 kN。因此, 2種軌枕均滿足承載要求。

圖8 抗彎試驗裝置

圖9 抗彎試驗荷載-位移曲線

4.2 抗扭性能試驗

對CFT雙塊式軌枕進行抗扭性能試驗。將軌枕塊一端固定, 采用上下2塊鋼板夾持活動端軌枕, 用千斤頂側向頂升鋼板, 使軌枕發生扭轉, 抗扭試驗荷載-位移曲線見圖10。根據試驗結果, 最大抗扭荷載為2 880 N·m, 相應扭轉角度為8.81°。采用相同的試驗方法, SK-Ⅱ型雙塊式軌枕最大抗扭荷載為1 104 N·m, 相應扭轉角度為10.2°。因此, CFT雙塊式軌枕抗扭性能明顯優于鋼筋桁架軌枕。

圖10 抗扭試驗荷載-位移曲線

4.3 室內試驗

4.3.1 靜載試驗

在室內制作CFT雙塊式無砟軌道實尺模型, 包括2塊道床板, 每塊道床板長度5 m、厚度305 mm、寬度2 600 mm、軌枕間距625 mm, 試驗裝置及加載位置見圖11。靜載試驗結果：從0～510 kN, 每級50 kN逐級加載, 加載速度2～3 kN/s, 混凝土最大拉應變21.8με、最大壓應變19.8με, 鋼筋最大拉應變44.8με、最大壓應變20.2με。在靜載試驗過程中, 混凝土道床未出現開裂現象, 軌道結構強度滿足要求。

圖11 靜載試驗裝置及加載位置示意圖

4.3.2 疲勞試驗

疲勞試驗條件為疲勞荷載幅值30～255 kN、加載頻率3 Hz、加載500萬次。疲勞試驗結果：軌距變化量小于3 mm, 雙塊式軌枕與道床混凝土新老混凝土界面未見肉眼可見的裂縫, 雙塊式軌枕之間連接鋼管的最大拉應變18.1με、最大壓應變8.7με均小于鋼材屈服應變, CFT軌枕、無砟軌道工作狀態良好。

5 結論

（1）研發一種自主知識產權的CFT雙塊式軌枕, 創新性地將CFT結構引入軌枕設計, 采用小直徑鋼管內灌注自密實微膨脹混凝土材料, 具有微膨脹、流動性高、硬化快、強度高、施工性能好等優點。

（2）通過鋼管端部擴口處理、軌枕塊側面設置凹槽、底部設置門型鋼筋等技術措施, 加強了軌枕與道床的連接性能。

（3）開展CFT灌注技術試驗, 提出灌注材料的性能指標, 掌握生產灌注方法。

（4）結合臺州市域鐵路橋隧比高的特點, 研發一種輕量化、經濟型的新型無底座CFT雙塊式無砟軌道, 降低了橋梁二期恒載和工程造價。

（5）開展CFT雙塊式無砟軌道實尺模型試驗研究, 掌握了無砟軌道受力變形規律和疲勞性能, 驗證了無砟軌道結構設計的可靠性。