改善时速160 km以下铁路隧道养护维修条件的应对措施初步研究

马志富,杨毅秋

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300252)

1 研究的背景和意义

1.1 研究背景

以SRM80型全断面道砟清筛机为例,机械作业净宽需要4.03 m,考虑机械作业要求,道砟槽净宽需要满足单线隧道4.4 m,双线隧道8.4 m。根据现行的部颁通用图,时速160、200 km客货共线铁路及高速铁路客运专线均满足机械作业要求。而以现行《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)为指导,目前时速160 km以下的隧道设计图中,有砟轨道线路中线至水沟电缆槽边缘距离为按照轨枕端头距离水沟电缆槽侧壁不小于20 cm设计,也就是说,有砟轨道单线隧道内道砟槽宽度不小于2.9 m/3.0 m(Ⅱ型枕/Ⅲ型枕),有砟轨道双线隧道内道砟槽宽度不小于6.9 m/7.0 m(Ⅱ型枕/Ⅲ型枕)。因此,目前时速160 km以下既有隧道不能满足大型养路机械在隧道内清筛作业,如图1、图2所示。

1.2 研究意义

随着运量的快速增长,隧道维修的难度逐渐增加,以年运量4亿t的大秦线为例,在线路维修方面,大秦线在开通初期,天窗时间为180 min。1990年实行垂直天窗调整为140 min,2002年实施V形天窗,改回180 min。实际上,由于列车密度不断增加,天窗兑现率也就在5%左右。所以,我国繁忙干线铁路特别是重载铁路的线路维修时间极短,隧道内维修作业变得越来越困难。

图1 时速160 km以下单线隧道轨下示意(单位：cm)

图2 时速160 km以下双线隧道轨下示意(单位：cm)

在隧道部分的维护中,大型机械进不去,只能靠人工将沉积在钢轨内的石砟、煤面及粉尘等清理出隧道,工作条件十分艰苦。而且,由于维修人员不能及时离开隧道,当天窗时间结束后,列车通过时的煤屑对躲避在避车洞内的职工们形成了强烈的侵蚀。

同时,由于隧道内维修养护条件困难,正常的维修养护工作无法按照《铁路线路维修规则》进行,容易形成隐患,最后形成严重病害后不得已进行集中处理。

因此,在铁路现代化的发展的趋势下,为了进一步贯彻“以人为本”的理念,线路维修养护实现机械化,推行隧道内大型养路机械作业,需求十分迫切。

2 改善时速160 km以下铁路隧道养护维修条件的应对措施

2.1 采用有砟轨道隧道断面道砟槽宽度加大方案

目前规划建设的时速160 km以下铁路以重载铁路为主,包括联络各大片区的大能力货运通道、煤运通道,采取的标准以双线为主,加之分析研究的思路相当,分析过程主要介绍双线隧道,单线隧道列举分析结论。

2.1.1为加宽道砟槽而加大隧道断面的内轮廓方案情况

按照大型机械养护要求,以Ⅲ型枕轨道为基础,双线一侧加宽2.2-1.5=0.7 m,即断面加宽1.4 m。加大断面思路：①按照净高维持现行的内轮廓高度,净宽加大,水沟电缆槽顶面与轨面齐平,见断面一(图3)；②按照净高较现行的内轮廓高度降低,净宽加大,水沟电缆槽顶面高于轨面30 cm或与轨面齐平,见断面二、三(图4、图5)；③按照净高和净宽加大,水沟电缆槽顶面与轨面齐平或高于轨面30 cm,见断面四、五(图6、图7)。沟槽顶面单侧宽度为95 cm。

2.1.2 受力分析(图8)

对以上断面及现行时速120 km断面内轮廓简化为梁单元拱顶施加50 kN集中力,计算结果显示断面五相对断面四其受力结构形式更加合理。断面二与断面三由于在断面面积上小于另外3种断面约6～11 m2,故受力小,且造价更加经济。

图3 断面一(单位：cm)

图4 断面二(单位：cm)

图5 断面三(单位：cm)

图6 断面四(单位：cm)

图7 断面五(单位：cm)

图8 双线各断面弯矩统计

2.1.3 小结

因此,为了改善时速160 km以下铁路隧道养护维修条件,时速160 km以下双线隧道断面推荐采用断面三形式,隧道内道砟槽宽度为8.4 m, 直线段内轨上有效净空面积推荐采用65.30 m2。

同样,时速160 km以下单线隧道道砟槽宽度为4.4 m, 直线段内轨上有效净空面积推荐采用35.48 m2。

2.2 无砟轨道方案

如果不考虑加大隧道断面,改善时速160 km以下铁路隧道养护维修条件的另一个方法就是在隧道内铺设无砟轨道,下面将无砟轨道的优越性与局限性进行分析。

2.2.1 铺设无砟轨道的优越性

(1)降低养护维修工作量,综合效益好

无砟轨道初期投资比有砟轨道大,但无砟轨道结构可大幅度减少养护、维修费用,特别对长大隧道、繁忙干线等养护维修困难地段,无砟轨道消除了有砟轨道中频繁的道砟清筛、捣固等繁重的体力劳动,节省了养护维修费用,减少了对运营的干扰,带来显著的社会效益与经济效益。

无砟轨道相对有砟轨道结构高度低,能降低隧道净空,减小隧道的开挖面,也可降低工程造价。

(2)保持行车安全平稳

无砟轨道采用钢筋混凝土结构,耐久性、稳定性好,能长久保持轨道结构良好的平顺性和稳定性。长大隧道内由于受空间限制,列车一旦发生脱轨等安全事故,救援工作将极其困难,而无砟轨道结构稳定性好,能有效降低隧道内列车脱轨等安全隐患。

(3)改善作业环境

兼运煤的干线铁路特别是重载铁路煤灰污染成为了值得关注并应加以解决的问题。据对大秦线相关调查资料显示,隧道内散落煤灰清理麻烦,养护维修人员经过在隧道内作业后,几乎都成了“煤灰人”。后采取加强隧道通风,改进车辆防尘等措施,但还是无法从根本上解决问题。无砟轨道隧道则相对易于清理。

2.2.2 铺设无砟轨道的局限性

我国大秦、朔黄、侯月等重载铁路隧道中,主要以铺设宽轨枕有砟轨道为主,无砟轨道在国内客货混跑的部分特长隧道中有使用,但在重载铁路隧道中的使用情况还需要进一步研究,若隧道内全部采用无砟轨道结构形式,仍存在一定的风险。

2.3 加大断面与隧道内铺设无砟轨道的比较

2.3.1 加大断面衬砌参数及其经济性

(1)与目前时速160 km以下双线隧道相比,加大断面衬砌参数支护稍有加强,衬砌则按拱墙加厚5 cm,Ⅳ、Ⅴ级围岩仰拱厚度加厚5 cm,参数见表1。

表1 加大断面双线隧道衬砌断面参数

(2)研究过程中将加大断面双线隧道与目前时速160 km以下双线隧道进行数量及投资增加的估算,结果见表2。

表2 加大断面双线隧道相对现行双线隧道各级围岩增加投资估算

假设隧道各级围岩的长度占整个隧道长度比例相当,则增加投资的均值为2 938元/m。

2.3.2 铺设无砟轨道的经济性

根据某重载铁路测算结果,维持目前的双线隧道断面不变,有砟轨道隧道改为无砟轨道平均指标增加3 612.86元/m。

3 研究结论

(1)为了进一步贯彻“以人为本”的理念,改善铁路隧道养护维修条件,推行隧道内大型养路机械作业十分必要。

(2)当隧道内采用有砟轨道时,为了满足隧道大型养路机械作业要求,隧道断面宽度应较现行的隧道断面进行加宽,单、双线隧道内道砟槽宽度分别采用4.4 m和8.4 m,直线段单、双线隧道内轨上有效净空面积分别推荐采用35.48 m2和65.30 m2。

(3)当铁路线路较长、线隧比较高,在隧道断面适当加宽的基础上,有必要对目前的大型养路维修机械进行适应性改进。

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