重载铁路隧道内无砟轨道结构选型设计与施工关键技术

李明领

(晋豫鲁铁路通道股份有限公司，山西太原 030045)

1 工程概况

新建山西中南部铁路通道是国家一级重载铁路，为目前国内第一条设计轴重30 t的重载铁路，设计为双线，速度120 km/h。该线横跨晋豫鲁三省，全长1 267 km，其中隧道所占比重较大。目前我国既有铁路隧道内普遍采用整体道床，主要形式有弹性支承块式、双块式、长枕埋入式三种，均是在重载铁路隧道中首次应用。由于该重载铁路施工精度高，隧道内作业空间小，工期紧，施工难度大，因此优化轨道结构形式和施工关键技术尤为重要。

山西中南部铁路通道自山西省吕梁市兴县的瓦塘站引出，向南经临县、柳林、蒲县，折向东经洪洞、长治，跨京广线后引入汤阴东站，利用既有汤台铁路并增建第二线至台前，再北跨京九线后向南跨越黄河，经泰安、莱芜、沂源、沂水至日照南站。全线共有201座隧道，总长度380 km。其中铺设无砟轨道的隧道共83座，约280 km(双线)，约占隧道总长度的73.7%。

2 无砟轨道结构选型

2.1 无砟轨道结构基本组成及技术特点

目前国内尚无重载铁路无砟轨道的工程实践。我国前期客货混运线路隧道内采用的无砟轨道结构主要有双块式、长枕埋入式和弹性支承块式三种。

1)双块式无砟轨道

隧道内双块式无砟轨道(图1)主要由钢轨、弹条扣件、双块式轨枕等组成。轨枕由工厂预制，施工时将轨枕组装成轨排，以现场浇筑混凝土的方式将轨枕浇入钢筋混凝土道床内。

图1 双块式无砟轨道结构

双块式无砟轨道结构主要优点为:结构整体性较强、施工工艺简单;预制轨枕生产工艺易于掌握，已有成套生产设备且运输吊装方便;经济性较好。其主要不足为:道床板与轨枕新老混凝土结合面易产生裂纹，裂纹控制较困难;采用工具轨施工，施工质量受工具轨、扣件等的影响;运营期间难以修复。

2)长枕埋入式无砟轨道

长枕埋入式无砟轨道结构(图2)主要包括混凝土道床板、穿孔轨枕及配套扣件。长枕埋入式无砟轨道采用预应力长轨枕，浇入钢筋混凝土道床中，为了保证轨枕与道床的连接，在轨枕上设5个横向预留孔，道床上层用纵向钢筋穿过增强其整体性。

图2 长枕埋入式无砟轨道结构

长枕埋入式无砟轨道结构的主要优点为:结构形式简单、整体性好、轨距保持能力强;经济性好;道床混凝土灌注成型，均为常规施工工艺，易于掌握;轨枕制造、运输吊装方便。其主要不足为:新老混凝土结合面面积较大，裂纹控制较困难;预制轨枕的自重较大，与双块式无砟轨道相比，运输、组装铺设难度较大。

3)弹性支承块式无砟轨道

隧道内弹性支承块式无砟轨道结构(图3)组成主要包括混凝土道床板、弹性支承块(混凝土支承块、橡胶靴套、块下胶垫)及配套扣件。

图3 弹性支承块式无砟轨道结构

弹性支承块式无砟轨道是在双块式轨枕(或两个独立支承块)的下部及周围设橡胶或其它弹性复合材料套靴，轨枕块底部与套靴间设橡胶弹性垫层，套靴周围灌注混凝土而成形的一种无砟轨道结构形式。结构的主要优点为:轨道结构弹性好;施工工艺简单;结构可修复性能较好;预制件吊装方便。其主要不足有:套靴防水、防尘性能差;结构中弹性元件耐久性问题;轨道几何形位的保持能力相对较弱。

2.2 无砟轨道性能对比分析

由前文分析可以看出，三种无砟轨道结构均具有良好的安全可靠性，完善结构设计后均可适用于重载铁路运营条件。但针对本线运营特点，从低动力特性、可修复性以及良好的耐久性等方面进行无砟轨道结构的选型分析。

1)双块式和长枕埋入式

这两种轨道结构均为现浇枕式整体道床结构，轨道弹性主要由扣件系统提供。重载运输条件下，扣件结构若要起到保持轨距的作用并且弹性垫层具有良好的抗疲劳耐久性，则扣件弹性垫层的刚度不应过低。这使得轨道整体刚度较大，列车冲击荷载将会加剧，对轨道结构整体性和耐久性产生不利影响。此外，轨枕和道床板新老混凝土结合面易产生裂纹，其受力特性尚需进一步的理论分析和试验对比研究。

目前我国客货混运线路中，双块式和长枕埋入式无砟轨道尚无大规模使用经验，轨道结构长期适宜性尚缺乏运营实践检验。据相关资料显示，遂渝线几座隧道铺设了双块式无砟轨道，通行货车几年后2011年不同程度地出现了轨枕松动、道床板裂纹;渝怀线几座隧道铺设了长枕埋入式无砟轨道，2005年开通运营，自2011年4月起出现了整体道床下沉、轨枕松动、严重冒浆等病害，使得线路几何尺寸变化大。此外，这两种无砟轨道结构发生病害后维修困难。

2)弹性支承块式

弹性支承块式无砟轨道在混凝土支承块下和轨下设置有弹性垫层，其轨道整体弹性较好，有利于降低重载运输条件下的轮轨相互作用力，改善轨道结构的受力环境。

弹性支承块式无砟轨道已成功应用于西康线秦岭隧道和兰武二线乌鞘岭隧道等客货混运线路，累计铺设已超过300 km。秦岭隧道和乌鞘岭隧道已开通运营近10年，在隧道基底稳固地段，弹性支承块式无砟轨道结构整体状态良好。此外，相比双块式而言，混凝土支承块破损、隧道基底发生局部病害后，可修复性更好。

综上所述，弹性支承块式无砟轨道综合性能良好，且在我国客货混运线路隧道内有一定规模的工程应用，在施工和养护维修方面已积累了较多经验，是一种较为成熟的结构形式。另外，相对刚性道床而言，混凝土支承块破损、隧道发生局部病害后具有一定的可修复性。因此，山西中南部铁路通道隧道内选用弹性支承块式无砟轨道结构。

3 弹性支承块式无砟轨道结构设计要点

3.1 结构尺寸

1)弹性支承块

弹性支承块由混凝土支承块、橡胶套靴和微孔橡胶垫板三个部件组成，各部件工厂化生产，具体尺寸见图4。

图4 弹性支承块尺寸(单位:mm)

2)道床板

道床板宽2 800 mm，一般厚度为390 mm(可根据隧底标高适当调整)，顶面设1.0%的人字形排水坡;曲线地段根据实设超高确定，顶面排水坡不小于1.0%。

3.2 配筋

道床板直接浇筑于隧道仰拱上，采用双层配筋，钢筋采用φ20和φ16，纵向钢筋末端采用弯钩锚固在横向钢筋上，弯钩直线段长度不应小于100 mm。混凝土设计强度等级为C40，道床板范围的隧道底板或仰拱回填层需进行拉毛或凿毛处理。

3.3 纵向连接形式及伸缩缝设置

距隧道洞口200 m范围内道床板采用6 580 mm和12 000 mm两种长度分块浇筑，在距隧道洞口200 m范围以外洞内，采用连续浇筑和6 580 mm分块浇筑两种形式。在隧道沉降缝处纵向钢筋断开，并设置伸缩缝。相邻两块道床板间设置宽20 mm的伸缩缝，采用聚乙烯泡沫型板材或泡沫橡胶板填缝，在表面30～40 mm深度范围内采用聚氨酯或沥青密封。

3.4 无砟轨道过渡段

过渡段设置在隧道内，其中有砟轨道长度30 m;自过渡段无砟轨道和有砟轨道分界处，向有砟轨道方向30 m范围内用聚氨酯道砟胶对道砟分别进行全部或部分粘结，具体粘结方案为:①与无砟轨道相接的有砟轨道10 m范围内全断面粘结;②与无砟轨道相接的有砟轨道10～20 m范围内砟肩及轨枕底面10 cm以下部分断面粘结;③洞口10 m有砟轨道范围内轨枕底面10 cm以下部分断面粘结。

4 无砟轨道结构与隧底衔接设计

通过对既有线隧道内无砟轨道结构破坏原因的分析，并结合多次专家会商意见发现，隧底的可靠度是轨道结构完好性的关键。因此，设计时结合地下水、工程地质条件对隧道基底进行加强是必要的。

4.1 隧底加固设计

根据对大秦线、朔黄线等既有重载铁路隧道的调查，在列车荷载、地下水作用下，以及受当时施工工艺、施工质量等的影响，部分隧道出现了铺底开裂、损坏、翻浆冒泥等现象。当铁路列车轴重增加、运量提高以后，基底结构与基岩之间更易产生空洞。尤其是对于含水的软弱围岩和土质地层，在列车荷载的作用下，其物理性能指标和承载力将明显降低，加剧了隧底结构开裂、下沉以及翻浆冒泥等病害的发生。因此，山西中南部铁路通道列车轴重提高后，须对含水的软弱围岩及土质隧道底部进行地基加固以减少病害，确保无砟轨道结构长期稳定性及行车安全。隧底加固原则为:①基底加固处理段落应主要根据隧底围岩特征及地下水赋存状态，并考虑隧道支护形式等综合确定。②对含水的土质基底、土石界面的隧道仰拱下基底采用钢管桩、注浆加固处理。③对于富水软岩、软弱不均地段的隧道仰拱下部可采用注浆处理。④现场注浆施工工艺是决定隧底加固处理成败的关键，应对已开展的基底加固工艺性试验进行充分的分析总结，以完善实施方案及指导大面积施工。

工艺性试验经验表明:注浆浆液扩散至隧底缝隙，充填围岩裂隙，起到加固围岩的作用，对施工造成的隧底虚渣也可有效包裹，注浆后仰拱与围岩可以紧密接触，提高基底强度;注浆还可以有效阻止地下水对隧底围岩颗粒的冲刷，避免形成隧底空洞。

4.2 完善排水系统

铺设无砟轨道的隧道设置完善的隧底排水系统非常重要。无砟轨道排水设计应结合隧道排水系统综合考虑。隧底排水设计应结合地下水情况，并考虑施工难以避免的一些影响因素，要形成完善的排水系统。对有水隧道隧底预设置中心水沟，要采用深排水沟且尽量靠无砟轨道侧设置，以利于无砟轨道底水的释放。隧道排水系统如图5所示。

图5 无砟轨道隧道排水系统示意(单位:cm)

5 无砟轨道施工关键技术

5.1 弹性支承块预制质量控制

1)预制钢模。钢模的刚度、尺寸、平整性及预埋件固定系统是保证支承块各部分形状、尺寸、平整性和预埋件准确性的关键。钢模的制造极限偏差应为支承块成品极限偏差的1/2，应严格验收进场。

2)预埋铁座及安装。预埋铁座表面应洁净平整，修边整齐，不应出现任何分裂、剥落或者剥离现象，颜色应均匀。预埋铁座应有生产厂家出厂合格证明书，并应符合设计要求和相关技术条件规定。预埋铁座安装后下列参数必须满足设计要求:①两轨底外侧预埋铁座间的距离;②同一轨底内外侧预埋铁座距离;③预埋铁座支承面至轨面高度;④预埋铁座与承轨面的垂直度;⑤预埋铁座内侧面与承轨面纵向中心线的垂直度等。

3)橡胶套靴及微孔橡胶垫板。橡胶套靴及微孔橡胶垫板生产质量极为重要，必须保证其耐磨耗、耐老化、抗疲劳性能，同时要保持垫板变形和静刚度的稳定性。橡胶套靴原材料为三元乙丙或氯丁胶，微孔橡胶垫板原材料为三元乙丙胶，严禁掺加再生胶;橡胶套靴表面应洁净平整，修边整齐，不应出现任何分裂、剥落或者剥离现象，颜色应均匀，各项指标应符合技术条件要求。进行驻厂监造，严格出厂和进场检验。

4)底面平整度。成型后的支承块(图6)底面平整度要求在±1 mm内。通过试制表明，在生产节奏不快时，可通过人工抹面保证。但事实表明，受工作面的限制，这一方法却不适用于批量生产，所以底面平整度这一指标须通过机械打磨实现。

图6 成型后弹性支承块

5.2 整体道床施工必备条件

无砟轨道施工前6项必备条件:①隧道基底加固处理、第三方检测质量缺陷及缺陷整治。检测部件包括隧道内预埋件、过轨管线等;②隧道渗漏水检查，包括隧道排水系统沟槽与预留泄水孔;③隧道沉降变形观测;④精测网的建立与评估;⑤无砟轨道施工组织设计及作业指导书;⑥无砟轨道设计图纸、技术交底。

5.3 轨道施工关键工序及控制要点

5.3.1 工装设备配置及检查

合理配置工装设备是保证无砟轨道施工进度和精度的关键。结合本线隧道实际情况，主要采用轨排框架工装，具体工装设备配置如表1。

5.3.2 施工工艺流程(图7)

5.3.3 轨排精调

轨排精调是关键工序，对轨道的几何尺寸、最终位置能否达到设计及验收标准的要求起着决定性的作用。精调方法:①使用专用调整扳手配合精调小车测量系统进行轨道精确调整。根据测量小车电脑显示数据(可显示到0.1 mm)，调整竖向支撑螺杆，通过转动竖向螺杆，垂直调整轨道高程，通过调整轨排两侧撑杆，实现水平调整。在曲线地段，调整时可能产生水平位置和高度的冲突，因此必须在垂直及水平两方向同时进行调整，最终保证各项轨道高低及中线参数的偏差值不超过0.5 mm，并且越小越好。②使用接头夹板将轨道排架连接起来，保证接头的平顺性。③轨排精调测量测点应设在轨排支撑位置，保证钢轨及其接头的平顺。

表1 主要工装设备(一套)

图7 隧道内弹性支承块式无砟轨道施工流程

精调检查:利用CPⅢ点，使用轨检小车和全站仪逐一检测每根轨枕处的轨面高程、轨道中线位置、轨道平顺度等几何状态，全站仪测角标称精度不应大于1″，测距标称精度不应大于 2 mm+2D×10－6，D为距离，km。精调后轨排允许偏差应符合下列规定:轨面高程(以一股钢轨为准)与设计高程允许偏差±2 mm;轨道中线(以一股钢轨为准)与设计中线允许偏差为2 mm;线间距允许偏差为0～+5 mm;轨距偏差为±1 mm;高低、水平、轨向偏差均按±1 mm控制。

5.3.4 施工质量控制关键技术

弹性支承块式整体无砟道床采用轨排框架法施工，施工精度要求高，轨排铺设跨度大，工序多且干扰大，其中轨排验收、钢筋布置、轨排架设及混凝土浇筑是关键。

1)轨排(含工具轨)验收。轨排进场后对其工具轨、轨距、轨底坡等进行检查验收。工具轨端部平整度≤0.3 mm/1 m;钢轨中部平整度≤0.4 mm/1 m;工具轨高度≤－2 mm;轨面宽度≤－2 mm且表面无裂纹、损伤等;轨距偏差≤±1 mm，轨距变化率不得大于1‰;轨底坡按1/38～1/40控制。

2)钢筋安装。按照设计图纸设置道床板钢筋网，特别是支承块周围箍筋安装高度与支承块间距应符合设计要求;钢筋交叉及搭接处设置小型绝缘卡，道床板钢筋架设完毕后，应进行绝缘性能测试，符合要求后方可进行下一步施工。

3)轨排架设及粗调。龙门吊从组装平台上吊起轨排缓慢平稳地运至施工地点，按中线和高程进行粗略定位，误差控制在高程－10～0 mm，中线±10 mm。相邻轨排用夹板联接，每接头4套螺栓，初步拧紧，轨缝控制在6～10 mm。初步就位后用轨向锁定器锁定轨排水平方向后开始进行轨排粗调。调整原则:先中线后高程。调整方法:左右调节轨向锁定器中线对中，旋动竖向支撑螺杆调整高程。粗调完成后轨面高低允许偏差为0～－5 mm，轨道中线允许偏差为±5 mm。粗调完成后相邻两排架间按1-3-4-2顺序拧紧接头螺栓。

4)混凝土浇筑。混凝土浇筑前要采取有效措施防止混凝土对扣件、轨枕、钢轨污染，以保证轨道精调精度。应严格控制道床板混凝土的塌落度，一般在140～160 mm，灌注时沿线路纵向由支承块一侧边浇筑边振捣，直至混凝土从弹性支承块底部流出。对弹性支承块下及四周应加强振捣，确保无气泡、空洞，同时避免捣固棒接触橡胶套靴和轨排。加强轨排桁架底部的收光抹面措施，保证道床板的平整度要求，高程允许误差3 mm。道床板混凝土表面不得高于橡胶套靴帽檐的下边缘，严禁混凝土掩埋橡胶套靴。混凝土浇筑完毕，根据初凝时间，及时解除扣件约束，防止混凝土收缩开裂。

6 结论及建议

本文以山西中南部铁路通道重载铁路隧道工程为依托，通过对我国客货混运线路无砟轨道结构形式的比选及对无砟轨道整体结构设计与施工关键技术的分析，得出如下结论:

1)弹性支承块式无砟轨道综合性能良好，满足重载铁路对无砟轨道弹性和可修复性的要求，可作为中南部重载铁路隧道内无砟轨道首选结构形式。

2)无砟轨道结构只有建立在隧道基底稳定基础上才能保证其长期稳定性。

3)精密控制网是保证无砟轨道结构施工精度和质量的关键。

4)弹性支承块套靴和弹性垫板材质及安装质量是无砟轨道抗列车冲击和抗疲劳能力、使用寿命、维修量及列车运行平稳性的关键。

建议:

1)针对铺设无砟轨道的隧道地质和结构状况，完善隧道排水系统设计。一是对于双线隧道应设中心水沟;二是优化侧沟沟底标高及位置，以确保无砟整体道床底部水顺畅排泄到侧沟。

2)我国目前尚无重载铁路无砟轨道的设计与施工经验。山西中南部通道无砟轨道结构设计及施工参数尚需进一步研究和试验验证。

[1]李宏.国外重载铁路综述[J].铁道工程学报，2000(4):32-34.

[2]杨德修.重载铁路运输轨道结构面临的主要问题及强化措施[J].铁道标准设计，2005(12):10-12.

[3]毕建军，李建强.弹性支承块式无碴轨道的设计与应用[J].科技交流，2005(2):46-56.

[4]牛亚彬，张千里，马伟斌，等.重载铁路隧道病害产生机理及治理措施[J].铁道建筑，2012(7):34-36.

[5]常卫华.重载铁路力学特性与选型设计研究[D].北京:北京交通大学，2009.

[6]王建华.铁路隧道弹性支承块式整体道床施工技术[J].建筑，2007(10):10-12.

[7]李智艺，刘红斌.套靴式弹性支承块整体道床施工技术[J].西部探矿工程，2009(5):173-176.