西南地區鐵路特殊地段軌道結構設計創新

姚力, 劉大園, 龐玲, 江萬紅

（中鐵二院工程集團有限責任公司 土木建筑設計研究一院, 四川 成都 610031）

1 影響西南地區鐵路軌道結構設計的主要因素

我國西南地區處于歐亞板塊東南緣, 地形條件艱險復雜, 山高谷深, 地勢起伏劇烈；地質條件復雜多樣, 新構造運動及地震活躍；地質災害頻繁, 類型多且分布廣。西南地區特有的環境特征和復雜的建設條件給鐵路建設及運營帶來了巨大挑戰。在西南地區鐵路建設過程中, 影響軌道工程設計的主要因素為艱險復雜的地形條件和復雜多樣的地質條件。

1.1 艱險復雜的地形條件

西南地區地勢西高東低, 山地、高原、丘陵、盆地均有分布, 大部分地區地勢起伏劇烈, 鐵路經常穿行于連綿群山和陡峻峽谷之間, 選線時特別重視地質選線、重大工程優先選址、環境選線和工程選線[1-3］, 鐵路沿線橋梁、隧道占比較高, 可達80%以上。數量眾多的短路基（平均長度約為30～100 m）零星分布于橋梁、隧道之間, 造成大量橋梁-路基之間、隧道-路基之間、路基與橫向構筑物之間和路堤路塹之間頻繁過渡。這種橋梁、隧道、路基的交錯分布, 給軌道結構設計（尤其是無砟軌道設計）帶來困難, 主要體現在2個方面：一是需分別設計橋梁、隧道以及路基地段的無砟軌道, 路基地段又分級配碎石路基、硬質巖石路基和樁板結構路基等多種形式, 相應的軌道結構均需單獨設計, 不同軌道間需設置軌道過渡段；二是零星分布的短路基, 大多長度較短、規模性差, 無法采用大型攤鋪機連續作業, 原路基上CRTS雙塊式連續無砟軌道需要調整。西南地區鐵路橋梁-隧道-路基分布示意見圖1。

圖1 西南地區鐵路橋梁-隧道-路基分布示意圖

另外, 因劇烈起伏的地形條件, 西南地區鐵路經常以特殊大跨度橋梁實現線路跨越河谷地帶[4］, 其中特大拱橋、特大懸索橋、特大斜拉橋、特大組合體系橋比較多見, 主跨跨度最長達到870 m。特殊大跨度橋梁軌道線型不易控制且梁軌相互作用加大。滬昆高鐵北盤江特大橋見圖2。

圖2 滬昆高鐵北盤江特大橋

1.2 復雜多樣的地質條件

西南地區活動斷裂規模大、分布密集, 分布有19條活動斷裂（帶）, 地震活動頻繁、震級大, 歷史上發生Ms≥6級地震189次, 其中西藏、云南、川西現今斷裂構造活動強烈, 高烈度地震發生頻度較高[5-8］。同時, 區內廣泛發育滑坡、崩塌、巖堆、泥石流、巖溶、采空區、有害氣體、高烈度地震、活動斷裂、高地應力、高地溫等工程地質問題, 容易造成鐵路基礎設施損毀、變形（沉降、隆起）[9-14］, 軌道線位出現變位, 道床開裂、破損、離縫等病害, 影響軌道結構及部件的服役性能和使用壽命, 嚴重的更是導致行車中斷。軌道結構設計時, 既要充分考慮鐵路沿線復雜的地質條件, 又要考慮為施工和養護維修創造便利條件。高烈度地震導致橋梁地段軌道變形見圖3, 路基地段軌道上拱變形見圖4, 基礎變形上拱導致道床面拉裂見圖5。

圖3 高烈度地震導致橋梁地段軌道變形

圖4 路基地段軌道上拱變形

圖5 基礎變形上拱導致道床面拉裂

綜上所述, 西南地區鐵路軌道面臨的特殊地段主要包括零星分布的短路基地段、特殊大跨度橋梁、潛在變形風險較大地段以及高烈度地震區域等。因此, 鐵路軌道（尤其是無砟軌道）設計除應遵守《鐵路軌道設計規范》外, 還應結合西南地區特殊地段的地形、地質條件進行設計創新。

2 特殊地段軌道設計創新

2.1 短路基地段無砟軌道設計

針對西南地區鐵路短路基眾多、分布零碎的情況, 對現有標準的路基地段CRTS雙塊式無砟軌道系統進行優化調整, 采用分塊道床板下設置鋼筋混凝土底座來代替原連續道床和支承層的方案, 即“道床分塊、底座單元（分塊）”的無砟軌道結構方案[15］。一般路基地段軌道采用道床分塊、底座單元方案, 道床長度5～7 m, 底座單元長度為2～3塊道床板, 底座上設置限位凹槽, 底座間設置傳力桿以保持整體性, 設置20 mm伸縮縫；樁板路基地段軌道采用道床、底座分塊方案, 道床與底座同長度, 設置100 mm寬縫。這2種路基地段無砟軌道方案道床及底座長度均較短, 無需大型攤鋪機施工作業, 養護維修方便, 能更好地適應西南山區鐵路, 已成功應用于滬昆、云桂高鐵等項目, 完全能夠滿足高速鐵路的運營需求。一般路基地段無砟軌道方案見圖6, 樁板路基地段無砟軌道方案見圖7。

圖6 一般路基地段無砟軌道方案

圖7 樁板路基地段無砟軌道方案

2.2 特殊大跨度橋梁軌道設計

2.2.1 軌道結構

對于特殊大跨度橋梁, 軌道結構設計時應重視軌道與橋梁間變形協調和梁軌相互作用, 重點關注橋梁在恒載、溫度、徐變等荷載作用下各向變形給軌道帶來的影響, 軌道結構選型時應綜合考慮軌道對大跨度橋梁的適應性、高速行車安全性及養護維修等因素。以滬昆高鐵北盤江特大橋軌道結構設計為例, 該橋為主跨達445 m上承式拱橋, 軌道結構設計時重點就橋梁墩臺溫度變形對軌道結構受力、軌道穩定性、軌道平順性以及高速行車安全性等開展研究, 最終確定該橋采用聚氨酯固化道床[16-18］方案, 與傳統有砟軌道技術相比, 聚氨酯固化道床兼備有砟軌道和無砟軌道的優點, 既具有良好的整體性和穩定性, 又具有良好的彈性、變形協調能力和可維修性。為降低工程投資, 減少聚氨酯固化材料用量, 滬昆高鐵北盤江特大橋聚氨酯固化道床設計時, 采用雙梯形聚氨酯固化道床斷面, 即主要對軌枕承力范圍（約850 mm）的道床道砟進行固化。目前該橋聚氨酯固化道床已運營多年, 使用狀況良好。聚氨酯固化道床示意見圖8, 聚氨酯固化道床施工現場見圖9。

圖8 聚氨酯固化道床示意圖

圖9 聚氨酯固化道床施工現場

2.2.2 軌道線形控制

橋上軌道施工期間, 隨著包括軌道在內的恒載逐步上橋, 將引起橋梁豎向撓曲變形, 從而對CPⅢ控制網的測試及軌道精調帶來影響, 尤其是較大跨度橋梁軌道施工時更為敏感, 需充分重視。為保證軌道線形滿足要求, 最好的辦法就是保持橋上恒載穩定, 為此采用前期水袋堆載預壓技術措施來模擬軌道恒載加載, 施工過程中隨著軌道恒載的逐步加載, 通過精確控制水袋的水量來保持梁體承受恒載穩定, 以實現軌道施工過程中軌道線形穩定。該水袋堆載預壓技術已在滬昆高鐵等多個特殊大跨度橋梁的軌道施工中得到推廣應用, 確保了特殊大跨度橋梁的軌道線形滿足設計要求。特殊大跨度橋梁軌道施工時水袋堆載預壓加載橫斷面示意見圖10。

圖10 橋梁水袋堆載預壓加載橫斷面示意圖

2.3 高烈度地震區軌道設計

根據成灌城際鐵路抗震無砟軌道研究成果[6］, 軌道結構在高烈度地震區的設計原則為：小震不壞, 中震可修, 大震可換。地震條件下軌道結構設計時應考慮軌道結構動態響應、軌道結構受力、線下橫向錯動對軌道結構影響和地震所致底座板與路基相互錯動等的影響。以位于西南地區的渝昆高鐵為例, 線路規模約700 km, 沿線5 km范圍內平均場地條件下地震動峰值加速度為0.05～0.40g。沿線通過Ⅵ度地震區192.70 km, Ⅶ度地震區328.32 km, Ⅷ度地震區172.00 km, Ⅸ度地震區38.00 km[8, 19］, 地震動峰值加速度分布見圖11。渝昆高鐵采用雙塊式無砟軌道, 隧道地段軌道道床和橋梁地段軌道底座與線下基礎間均已加強連接錨固, 確保了軌道結構與線下基礎的整體性和變形協調。為研究路基地段無砟軌道在地震條件下道床板和底座的應力分布以及二者之間的穩定性, 開展了無砟軌道結構地震響應分析及無砟軌道與路基間接觸薄弱環節準動態分析[7］。

圖11 渝昆高鐵地震動峰值加速度分布

無砟軌道結構地震響應分析表明, Ⅸ度地震引起的軌道結構內部附加應力較小, 道床板和底座所受最大拉應力分別為0.229 MPa和0.134 MPa, 均小于混凝土抗拉強度, 軌道結構層間連接有效, 具有很好的整體性, 在線下基礎不破壞的情況下, 軌道主體結構不會發生應力破壞?？梢娂词沟卣鹆叶冗_到Ⅸ度, 軌道結構依然具有較強的地震適應能力。Ⅸ度地震區道床板和底座板拉應力分布見圖12。

圖12 Ⅸ度地震區道床板和底座板拉應力分布

無砟軌道與路基間接觸薄弱環節的準動態分析表明, 在Ⅸ度地震條件下由于地震豎向加速度導致軌道結構減載, 軌道與路基之間的最大摩擦力減小為0.352mg（m為軌道質量,g為重力加速度）, 小于Ⅸ度地震所引起的橫向最大慣性力0.4mg, 路基地段無砟軌道底座直接澆筑在路基基床表層上, Ⅸ度地震條件下底座和路基間有滑移錯動風險, 從而導致軌道線位發生變化。為此, 提出Ⅸ度地震區路基地段無砟軌道底座底部增設限位凸臺以加強軌道穩定性, 限位凸臺沿線路方向設置, 尺寸為寬500 mm×深100 mm, 并嵌入路基基床表層。渝昆高鐵Ⅸ度地震區路基地段無砟軌道方案見圖13。

圖13 渝昆高鐵Ⅸ度地震區路基地段無砟軌道方案

2.4 高承軌臺無砟軌道方案及其打磨技術

我國已積累了豐富的鐵路無砟軌道設計、建造及運營的成功經驗, 但運營中仍不可避免出現線下基礎變形而導致軌道變形, 個別累計上拱變形量達到100 mm, 造成列車限速運行。我國無砟軌道多采用WJ-8扣件系統, 僅有4 mm的向下調整能力, 因此完全無法適應較大的線下基礎上拱變形, 若線下基礎出現超過調整能力的上拱, 則需要對無砟軌道進行道床鋸切或拆除道床重構, 不僅工期長、費用高, 而且對正常運營造成巨大干擾。因此, 研究提出新型高承軌臺無砟軌道方案, 該方案維持現有無砟軌道總體方案和施工方式不變, 采用高承軌臺軌枕, 加高軌枕道床面以上的承軌臺高度, 預留90 mm的可打磨量, 當線下基礎出現上拱變形時, 可根據變形量及變形趨勢對承軌槽仿形打磨后實現軌道快速恢復。該技術方案適用于線下基礎變形不可預見且鋪設無砟軌道的新建線路地段。高承軌臺無砟軌道方案及承軌槽打磨示意見圖14。

圖14 高承軌臺無砟軌道方案及承軌槽打磨示意圖

為應對西南地區鐵路線下基礎易產生上拱變形而影響正常運營的難題, 研發了無砟軌道承軌臺在線打磨技術和裝備, 使用該技術可對已建成通車的傳統無砟軌道承軌臺進行打磨, 為其提供約10 mm的向下調整能力。同時, 若新建線路采用新型高承軌臺無砟軌道方案, 則可通過打磨技術提供90 mm的向下調整能力。該打磨技術和裝備通過核心銑削裝置對承軌槽進行仿形打磨, 以全機械自動化模式工作。經過上線試驗驗證, 該方案效率高、成本低, 無需斷道重構無砟軌道, 最快速度可達50 m/h, 綜合整治效率遠高于傳統無砟軌道整治方法, 可在運營線路天窗時間內對無砟軌道上拱病害點實現快速整治。無砟軌道承軌臺在線處理裝備作業示意見圖15[20］。

圖15 無砟軌道承軌臺在線處理裝備作業示意圖

3 結論

針對西南地區鐵路特殊地段軌道工程面臨的線下基礎分布零碎、變形不易控制、特殊大跨度橋梁多、潛在變形風險較大以及高烈度地震區分布廣泛等技術難點, 研究論述相應解決方案, 總結如下：

（1）采用道床分塊、底座單元（分塊）無砟軌道方案代替傳統路基地段連續無砟軌道, 能有效適應西南山區鐵路路基地段分布零碎、規模性差的特點。

（2）聚氨酯固化道床技術與傳統無砟軌道技術相比, 具有更好的彈性、可維修性和梁體大變形適應性；與傳統有砟軌道技術相比, 具有更好的穩定性和防止高速行車飛砟性能, 在當前軌道結構技術范疇中其綜合技術性能更優, 能有效適應西南地區特殊大跨度橋梁上軌道建設需求。

（3）在特大跨度鐵路橋梁軌道施工中, 采用水袋堆載預壓技術來模擬軌道恒載加載, 可有效確保特殊大跨度橋梁的軌道線形滿足設計要求。

（4）在Ⅸ度地震區, 傳統無砟軌道與路基之間存在接觸薄弱環節, 地震豎向加速度容易導致軌道結構減載, 軌道與路基之間的最大摩擦力將減小, 且小于Ⅸ度烈度地震所引起的橫向最大慣性力, 無砟軌道底座和路基間將出現滑移錯動風險, 采取防止滑移錯動措施可確保Ⅸ度地震區地震發生時無砟軌道的穩定性。

（5）無砟軌道打磨技術和裝備的成功研發, 為解決無砟軌道變形難題提供了一種經濟可行的養修方案, 與其配套的高承軌臺無砟軌道方案可用于存在變形風險的地段。