山西中南部铁路通道试验段无砟轨道设计

李　敏，牛　瑞

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055；2.无锡地铁集团有限公司，江苏无锡　214000)



山西中南部铁路通道试验段无砟轨道设计

李敏1，牛瑞2

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055；2.无锡地铁集团有限公司，江苏无锡214000)

结合30 t轴重无砟轨道结构设计原则，通过不同的试验数据、理论计算等，得到30 t轴重重载无砟轨道设计参数，提出适用于山西中南部铁路通道工程30 t轴重重载铁路隧道内无砟轨道设计方案，并结合既有无砟轨道调研病害情况，提出具体的优化建议措施；优化后的重载无砟轨道试验及开通后运营良好，为试验段重载无砟轨道结构在山西中南部铁路通道隧道内及其他重载铁路的扩大试用奠定了基础。

重载铁路；无砟轨道；设计参数；方案选型 ；结构设计

1　概述

重载铁路速度相对较低，对于以货运为主且运量较大的铁路，长大隧道内铺设少维修的无砟轨道结构具有更大优势。山西中南部铁路长子南—平顺段试验段(DK482+400～DK574+200)，正线长度91.8 km，试验段内含桥梁43座(有30 t轴重荷载设计的简支梁、连续梁及钢桁梁)，隧道10座；红岭隧道和吾沿河隧道2座隧道为原铁道部确定的无砟轨道铺设试验研究工点，包括弹性支承块、双块式及长枕埋入式3种无砟轨道类型，其余地段均为有砟轨道。其中吾沿河隧道全长9.1 km，小里程端为半径1 600 m曲线，出口端为半径800 m曲线，线路坡度为10.3‰～11‰，红岭隧道全长4.852 km，小里程端为半径1 200 m曲线，线路坡度为10.5‰～11‰。

2　30 t轴重无砟轨道结构设计原则

因本线以货运为主，兼顾部分客运，隧道内无砟轨道结构设计在具有足够强度、稳定性、耐久性的基础上，应遵循以下设计原则：

(1)根据本线的技术标准及轴重等特点，确定合理的无砟轨道设计参数；

(2)根据具体的参数，合理选择适宜的轨道部件，重点兼顾货运列车低动力特性，减缓轮轨之间的冲击对轨道和车辆的不利影响；

(3)结合山西中南部铁路长大隧道工程实施情况及具体的地质情况，新型隧道内无砟轨道结构具有良好的适应性；

(4)拟采用的隧道内无砟轨道结构应具有良好的经济性。

3　30 t轴重无砟轨道结构设计

3.130 t轴重无砟轨道结构选型

鉴于国内尚无重载铁路无砟轨道的工程实践，前期客货混运线路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。

表1为结合我国3种无砟轨道具体的伤损及对本线的适应性分析[1]。

表1　重载铁路隧道内无砟轨道选型对比分析

从表1可看出，目前3种无砟轨道经采取措施后都可适应本线工程，结合《30 t轴重重载铁路隧道内无砟轨道关键技术研究》课题成果(课题编号：2011G028-C)，最终确定在山西中南部铁路通道隧道内铺设了重载弹性支承块式、重载双块式和重载长枕埋入式无砟轨道，同时进行重载无砟轨道方案及配套扣件的试铺和试验。

重载弹性支撑块式无砟轨道结构采用弹条Ⅶ型扣件(预埋铁座结构)，采用重载弹性支承块轨枕，扣件间距采用600 mm，轨道结构高度647 mm(60 kg/m钢轨)[2]。

重载双块式无砟轨道结构采用WJ-12型扣件(预埋铁座结构)，扣件间距采用625 mm，轨道结构高度557 mm(60 kg/m钢轨)[2]。

重载长枕埋入式无砟轨道结构配套扣件及间距与重载双块式无砟轨道结构一致，轨道结构高度为615 mm[2]。

对于距洞口200 m范围以外无砟轨道采用连续浇筑，距洞口200 m范围以内道床采用分块浇筑，单元长度按12 m或12.5 m，道床板混凝土采用C40[2]。

3.230 t轴重无砟轨道结构列车荷载

列车荷载通常包括设计最大轮载及疲劳检算荷载时的常用轮载。一般即可对实际线路实测后得到常用轮载，后考虑一定的安全系数确定设计轮载，而设计最大轮载根据特殊工况如车轮扁疤及焊缝不平顺通过动力学确定。本工程的相关荷载取值如下。

3.2.1横向荷载

国内有砟轨道货运线路的测试数据表明，25 t货车轮轨横向力最大值不超过90 kN(最小曲线半径600 m)。25 t轴重货车通过遂渝线无砟轨道综合试验1 600、1 800、2 500 m曲线时轮轨横向力范围为15～55 kN。30 t轴重货车试验最大横向力为107 kN。国外35.4 t轴重列车在半径350 m曲线上，列车状况及轨道状况良好，测试最大横向荷载为99.8 kN。

通过对国内外重载有砟轨道铁路动态试验、无砟轨道货车动态试验，得到列车动态横向荷载、动态轮轨力等数据统计后认为：山西中南部通道铁路隧道内设计最小曲线半径为800 m，参照国内外试验数据统计结果，按照30 t轴重列车的运营条件考虑，列车横向荷载按100 kN计[3]。

3.2.2无砟轨道设计轮重的动力学模拟分析

(1)车轮扁疤的动力学分析

如图1所示，通过对不同速度工况下，轮轨冲击力的动力学模拟仿真可知，30 t轴重货车车轮扁疤引起的最大轮轨冲击作用力为384.785 kN，为其静轮重(150 kN)的2.56倍。

图1　不同时速车轮扁疤的轮轨冲击作用力

(2)钢轨宽轨缝的动力学分析

通过模拟计算，得到30 t轴重货车通过18 mm构造轨缝处轮轨冲击力最大值为225.795 kN，为其静轮重(150 kN)的1.51倍[3]。

(3)钢轨焊缝不平顺的动力学分析

通过模拟计算，得到30 t轴重货车通过钢轨焊接区焊缝不平顺引起的轮轨动作用力最大值为187.647 kN，为其静轮重的1.25倍。

根据动力学仿真计算结果，并结合国内外重载货运列车的相关试验测试数据，山西中南部铁路隧道内无砟轨道结构设计列车垂向荷载的动力系数取3.0[3]。

3.2.3轨道刚度的合理匹配

轨道结构刚度对轮轨动力作用影响甚大，尤其是轨下胶垫刚度对轮轨动力作用影响巨大。世界各国弹性垫层的刚度指标一般在理论分析的基础上，根据使用经验综合确定。因此降低轨下基础刚度，增加弹性，有选择地采用高弹性垫板，弹性轨枕等一系列措施[4]。

经大量试验研究，隧道内弹性支承块式无砟轨道轨下垫板刚度范围为120～160 kN/mm，支承块下垫板刚度范围为70～100 kN/mm；双块式无砟轨道轨下垫板刚度范围为40～60 kN/mm[4]。

3.3重载无砟轨道道床板受力分析计算

依据目前国内无砟轨道设计理论与方法、技术标准和质量控制体系中对于隧道内连续式无砟轨道结构计算主要有以下几种荷载组合形式[5]：

(1)3倍列车荷载；

(2)最大温度力；

(3)1.5倍列车荷载+温度力。

对3种荷载组合工况进行对比分析，第3种荷载组合为最不利工况，本次结构设计计算采用1.5倍列车荷载+温度力工况[6]。

采用有限元软件对试验段隧道内重载双块式无砟轨道、重载弹性支承块式无砟轨道、重载长枕埋入式无砟轨道结构分别模拟直线段和曲线段各轨道部件及道床板受力状况，分析结果见表2～表4[7]。

表2　距洞口200 m范围内道床板应力计算结果(直线段)　MPa

表3　距洞口200 m范围内道床板应力

表4　距洞口200 m范围外道床板应力计算结果　MPa

从上述计算结果可看出，由于洞口采用了单元式结构及受温度力影响，道床板板顶及板底纵横向拉应力都明显高于洞内其他地段，因此洞口处3种重载无砟轨道结构设计都应加强，因此从减小无砟轨道道床板应力角度看无砟轨道结构应优先采用连续式。3种重载无砟轨道结构对曲线地段都有较好的适应性，较直线段应力增加有限。3种重载无砟轨道受力均可满足本线试验的轴重要求[7]。

4　相关结论及建议

通过上述选型分析及受力分析可以看出：上述3种重载无砟轨道结构均具有良好的安全可靠性，双块式与长枕埋入式形式及特点具有相通性，两者的加强措施具有通用性。

针对本线运营特点，并结合国内外既有线无砟轨道调研病害等情况，通过完善和加强结构设计，提出了适用于本试验段的建议措施[7]。

4.1重载双块式无砟轨道结构设计细部优化加强措施

重载双块式无砟轨道存在新老混凝土结合面易产生裂纹、裂纹控制较难、轨枕损坏较难修复等缺点。主要原因是双块式轨枕与道床之间的二次浇筑，其结合面存在新老混凝土结合不足，其结合面在长期荷载及温度力作用下易形成疲劳开裂[8]。

为弥补这一不足，针对重载双块式无砟轨道主要采取的措施有：

(1)双块式轨枕中预留4个孔，道床上的纵向钢筋贯穿轨枕，提高轨枕与道床新老混凝土结合面处的抗剪及抗拉强度；

(2)为增加新老混凝土结合面的粘结，将轨枕脱模后立即对轨枕侧面用水进行冲刷处理，增加新老结合面的粗糙度。

4.2重载弹性支承块式无砟轨道结构设计细部优化加强措施

弹性支承块式无砟轨道结构存在的主要问题有橡胶套靴防水、防尘性能差，轨道几何形位的保持能力减弱[9]。

针对上述缺点，重载弹性支承块式无砟轨道结构采取的措施主要有：

(1)为防止粉尘及水等进入套靴内部，在套靴口四周块与道床之间采用密封胶将道床与套靴间的缝隙封闭；

(2)为防止支承块四周道床开裂，在支承块四周设置2根构造箍筋。

山西中南部铁路通道长子南—平顺段试验段已于2014年开通，成功进行了30 t轴重的相关试验。经试验测试，3种重载无砟轨道运营状况良好，并于同年在山西中南部铁路通道长度大于0.5 km以上的隧道内进行了扩大试铺，进一步提升了国内重载铁路技术，填补了我国重载铁路大规模铺设无砟轨道运营实践经验的空白。山西中南部铁路通道是我国首条大规模铺设重载无砟轨道结构的工程应用，为我国其他重载铁路无砟轨道的选型奠定了很好的基础。

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[2]中铁工程设计咨询集团有限公司.新建铁路山西中南部铁路通道洪洞北至日照南段红岭、吾岩河隧道铺设无砟轨道Ⅰ类变更设计[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2013.

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Ballastless Track Design of Test Section of Shanxi Center-south Railway

LI Min1， NIU Rui2

(1.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China;2.Wuxi Metro Group Co.， Ltd. Construction Branch， Wuxi 214000， China)

Based on 30 t axle load ballastless track structure theoretical calculation and experimental data， design parameters for 30 t axle load ballastless track are obtained and the design scheme for ballastless track structure in the tunnel is proposed and specific optimizations are recommended in view of the existing ballastless track defects. The optimized heavy load ballastless track is tested and remains in good condition in service， which have laid foundation for further application of such heavy ballastless track in the tunnels of Shanxi center-south railway and other heavy haul railways．

Heavy haul railway; Ballastless track; Design parameters; Scheme selection; Structure design

2016-01-12；

2016-04-12

铁道部科技研究开发计划项目(2011G028-C)

李敏(1982—)，女，高级工程师，2008年毕业于北京交通大学道路与铁道工程专业，工学硕士，主要从事轨道工程设计与研究工作，E-mail：21801586@qq.com。

1004-2954(2016)09-0001-03

U213.2+44

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.001