干旱风沙地区高速铁路双块式轨枕设计研究

褚卫松

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

干旱风沙地区高速铁路双块式轨枕设计研究

褚卫松

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

双块式轨枕作为双块式无砟轨道的重要组成部分，承受列车荷载并将荷载传递给道床板。武广、郑西高速铁路中分别采用了CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅱ型双块式无砟轨道结构。对于兰州至乌鲁木齐第二双线，全线多处于严寒、温差大、风沙大、日照强、干旱缺水等恶劣自然气候条件下，国内外尚无类似条件下铺设双块式无砟轨道的工程实践。结合沿线气候特点易造成双块式轨枕沙埋、磨蚀等病害，提出加高承轨台、改进桁架筋布置、增加挡肩内配筋、枕内钢筋绝缘等措施，解决了气候对双块式轨枕带来的不利影响，并在全线得到推广应用。

高速铁路；干旱风沙；无砟轨道；双块式轨枕

1 概述

兰州至乌鲁木齐第二双线全线跨越甘肃省、青海省、新疆维吾尔自治区三省区，线路正线全长1 775.8双线km，沿线气候有较大差异。从气温特点而言，全线极端最低气温-21.7～-41.5 ℃，均处于严寒地区。就自然气象而言，日照强烈、昼夜温差较大，最大年气温差乌鲁木齐地区高达82 ℃，轨温差达102 ℃。张掖至乌鲁木齐段途经安西风区、烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区等五大风区，风区总长度580 km。全线多处于严寒、温差大、风沙大、日照强、干旱缺水等恶劣自然气候条件下[1]。

根据兰新二线无砟轨道结构选型结果，结构形式采用双块式无砟轨道，基于本线所处的气候环境，国内外尚无类似条件下铺设双块式无砟轨道的工程实践，有必要对该条件下无砟轨道结构双块式轨枕进行系统研究，以确保列车运营安全以及无砟轨道结构的耐久性。

2 双块式轨枕设计方案

在总结分析干旱风沙对铁路轨道危害的基础上，结合国内外双块式轨枕的前期工程实践经验，针对兰新二线双块式轨枕进行特殊设计。

2.1 风沙对轨道结构的危害

干旱风沙对铁路轨道的危害主要表现为以下2种。

(1)沙埋

线路上积沙对行车的危害主要是容易造成列车缓行、停车，严重情况下还可能导致脱轨。另外，被沙埋铁路轨道清沙工作量大，若钢轨及扣件长期被积沙掩埋，将产生锈蚀，在含盐沙层中尤甚。

(2)磨蚀

具有一定硬度的沙粒，在气流运动中含有较大能量，可对钢轨、轨枕、扣件等工务设备进行撞击和磨蚀，造成这些构件严重损耗，从而缩短使用年限[2]。

根据我国既有线风沙地区铁路轨道的工程实践，结合中东地区沙漠铁路轨道结构防沙采取的技术措施，确定兰新二线双块式轨枕设计的主要思路：增大轨下过沙通道，减少积沙，便于清沙；轨枕采用高性能混凝土，提高抗磨蚀能力。

2.2 国内外双块式轨枕的应用

双块式轨枕源于德国高速铁路无砟轨道结构，其代表性双块式轨枕有雷达型和旭普林型。雷达型双块式轨枕为预制结构，两混凝土块通过钢筋骨架联结，从1994年的B355 TS发展到1997年的B355 TS—M(带桁架)[3-5]。目前，双块式轨枕型号较多、应用较广，在德国、韩国、荷兰及我国高速铁路无砟轨道中均有应用[6]。

2.3 双块式轨枕总体设计方案

(1)设计原则

兰新二线双块式轨枕的设计遵循以下原则：满足结构需要的抗弯刚度、抗扭刚度；提高轨下过沙通道的净空 ；原则上不影响线下基础的高程；考虑枕内配筋对轨道电路传输长度的影响；型式美观；经济。

(2)总体设计方案

基于国内外工程实践经验，兰新二线双块式轨枕的设计方案为钢筋桁架联结混凝土块的结构，按施工工艺及桁架钢筋形式的不同提出以下3种方案。

①方案1。采用加高承轨台方式实现轨下净空的增大，部分桁架钢筋露于轨枕块外。

②方案2。采用加高混凝土轨枕块实现轨下净空的增大，部分桁架钢筋露于轨枕块外。

③方案3。采用加高承轨台方式实现轨下净空的增大，桁架钢筋位于轨枕混凝土块内。

对比上述3种双块式轨枕整体方案的结构特点及施工工艺，从轨枕质量(涉及制造时振动成型、现场散枕、运输等)、控制道床板裂纹发展、混凝土浇筑后道床板外观、经济性等角度进行综合比选，确定选用方案1。

3 双块式轨枕设计

根据兰新第二双线的气候特点，结合我国前期双块式轨枕设计经验和工程实践，对兰新二线双块式轨枕从以下几个方面进行特殊设计。

(1)加高承轨台，增大轨下净空面积

针对兰新第二双线风沙大的特点，结合其防风工程的设计，采取加高承轨台的方式，增大轨底与道床板顶面距离，从而获得较大的过沙通道，减少积沙，并便于运营阶段的清沙工作。

本设计中轨底至道床板表面距离增至114 mm，较前期设计增大41%。见图1。

图1 加高承轨台示意(单位：mm)

(2)改进桁架筋布置，使轨枕存放及运输时受力更合理

桁架的波形筋从以下两个方面进行改进。

①轨下截面。为使双块式轨枕在木方支撑存储时受力状态更合理，考虑将钢轨中心线下部的桁架筋尽量置于波谷。

图2 改进后桁架钢筋(单位：mm)

②轨枕中间截面。为保证桁架连接钢筋以轨枕横向中间截面对称布置，设计时将此处置于波形筋的波谷或波峰位置。

经对比波长193 mm及190 mm两个方案，最终选用190 mm波长的桁架钢筋。见图2。

(3)增加挡肩内配筋

由于承轨台加高后，支承块内桁架筋及箍筋对挡肩部位的混凝土约束程度降低，同时为控制挡肩与承轨台之间可能出现的裂纹及便于运营阶段混凝土挡肩的修补，在混凝土挡肩内增设补强钢筋。见图3。

图3 混凝土挡肩增设配筋

(4)轨枕质量控制

本设计通过控制轨枕混凝土外形尺寸，在加高承轨台的基础上有效控制了双块式轨枕的质量，与前期大量应用的双块式轨枕相比，总质量基本相当或略减少，方便了轨枕的存放、运输及施工；减少了与现浇混凝土的接触面，降低了新老混凝土结合面开裂风险[9]。见图4。

图4 优化后双块式轨枕外形(单位：mm)

(5)枕内钢筋绝缘措施

双块式轨枕受自身结构所限，钢筋桁架、混凝土块中的箍筋及挡肩内配筋离钢轨均较近，且使得2组钢筋桁架形成闭合回路，为减少轨枕配筋对轨道电路传输长度的影响，并配合双块式无砟轨道结构进行绝缘处理，双块式轨枕内部钢筋骨架采取绝缘措施[1]。

4 双块式轨枕检算

(1)混凝土挡肩受力检算

我国《高速铁路设计规范》(试行)[10]规定，横向设计荷载Q=0.8Pj(Pj为静轮载)，则Q=68 kN。考虑其分配系数及动力附加系数，计算的单根轨枕承受的横向压力Q1=68 kN×0.5×1.5=51 kN。

该水平力的作用面积约为125 mm×237 mm，剪应力

τ=1.72 MPa

C60混凝土容许剪应力值为1.75 MPa(不考虑挡肩内配筋加强作用)，挡肩应力小于容许剪应力。因此，挡肩的尺寸满足设计要求。

(2)承轨台混凝土受力检算

我国《高速铁路设计规范》(试行)规定，列车竖向设计荷载取300 kN，考虑轮载的分配系数，可得钢轨支点反力为150 kN，扣件铁垫板支承面积约为290 mm×160 mm。则混凝土枕承轨台上的压应力为

σc=3.23 MPa

轨枕采用的混凝土强度等级为C60，容许应力为16.0 MPa，承轨台压应力小于容许压应力。

5 结论

为适应戈壁地区风沙大的环境特点，尽量减少道床板表面积沙，对兰新第二双线所采用的双块式轨枕进行了优化设计，其主要优化内容包括：

(1)承轨台加高35 mm，增大轨下过沙面积；

(2)改进桁架筋布置，选用190 mm波长的桁架钢筋，优化了桁架钢筋受力；

(3)在混凝土挡肩内增设补强钢筋，使轨枕不因承轨台的加高而降低挡肩横向约束；

(4)控制轨枕质量，轨枕外形优化，降低新老混凝土结合面开裂风险。

经过对双块式轨枕的优化设计，解决了气候对双块式轨枕带来的不利影响，并在全线得到推广应用，确保了工程的实施。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰新第二双线初步设计总说明[Z].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2010．

[2] 刘辉.太中银铁路沙害现状调查及防治原则探讨[J].铁道标准设计，2012(10)：8-10．

[3] Rheda 2000无砟轨道系统技术转让[Z].Pfleiderer track systems，2006．

[4] 徐学东.德国Rheda型无砟轨道的技术特点[J].中国铁路，2006(2)：51-57．

[5] 李向国.高速铁路技术[M].北京：中国铁道出版社，2008．

[6] 赵国堂.高速铁路无砟轨道技术[M].北京：中国铁道出版设，2006．

[7] 中华人民共和国铁道部.高速铁路CRTSⅠ型双块式无砟轨道双块式轨枕[S].北京：铁道部经济规划研究院，2011．

[8] 朱应娟.合武铁路无砟轨道双块式轨枕设计[J].铁道工程学报，2009(8)：60-63．

[9] 章建华.路基段CRTSⅠ型双块式无砟轨道混凝土裂纹成因分析与防治[J].铁道建筑，2014(2)：86-89．

[10] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2010．

[11] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010．

[12] 铁道部科学技术司.客运专线高性能混凝土暂行技术条件[S].北京：铁道部科学技术司，2005．

Design of Double-Block Sleeper in High Speed Railway in Arid and Sandstorm Area

Chu Weisong

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xian 710043, China)

Double-block sleeper is an important component， bearing and transfering the train load to the track bed slab. CRTSⅠand Ⅱslab ballastless track structures are widely employed for Wuhan-Guangzhou and Zhengzhou-Xian high-speed railways. The second double-track railway line from Lanzhou to Wulumuqi is the first railway construction project in rugged area with bitter cold， large temperature difference， raging sandstorms， strong sunshine， drought and other adverse natural climatic conditions. In order to reduce sand burial， erosion and other hazards likely encountered， a series of improved measures including heightening track-bed， optimizing the layout of rebar truss， increasing reinforcement in shoulder and insulation are employed to minimize the impact of adverse weather conditions on double-block sleeper and applied in the entire project．

High-speed railway; Arid and sandstorm area; Ballastless track; Double-block sleeper

2014-02-19

铁道部科技研究开发计划项目(2010G019-A)

褚卫松(1984—)，男，工程师，2008年毕业于中南大学道路与铁道工程专业，工学硕士，E-mail:94693572@qq.com。

1004-2954(2014)11-0041-03

U238； U213.3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.010