川藏铁路昌都至林芝段轨道选型与设计需求分析

刘 杰

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

川藏铁路昌都至林芝段设计速度目标值为200 km/h，贯通方案全长约372 km。线路位于青藏高原东南部，沿线山高谷深、地形起伏严峻，超长大坡道占比高，复杂结构桥梁、超长深埋隧道众多，具有高寒缺氧、地形高差显著、交通条件困难等特点[1-3]，是川藏铁路建设最为艰难一段。

受上述因素的影响，相比于一般项目，川藏铁路在轨道结构设计与选型方面存在系列技术难题。为确保川藏铁路轨道结构设计的合理性与可靠性，需要对已建项目轨道结构在类似工程环境条件下的服役状态进行调研分析，并结合川藏铁路沿线的实际工程与环境条件，提出轨道结构设计需求和优化设计方向，指导川藏铁路轨道结构设计与选型。

1 轨道结构选型分析

目前，轨道结构类型整体上可分为有砟轨道和无砟轨道两种。对于设计速度目标值200 km/h的客货共线铁路，从技术上分析，有砟轨道与无砟轨道均能满足其运营需求。但考虑到川藏铁路昌都至林芝段沿线环境复杂，部分区段穿越了无人区，且受高寒缺氧、超长隧道及超长大坡道占比极高等条件的限制，本线在运营期养护维修条件极差，轨道应尽量采用少维修或免维修的结构形式，以降低高原缺氧条件下轨道结构的养护维修工作量，确保川藏铁路建成后高效、可靠运营。

因此，推荐本项目正线以采用运营期养护维修工作量少的无砟轨道结构为主。

目前，国内无砟轨道的主要类型有双块式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式、弹性支承块式及长枕埋入式6种。既有板式无砟轨道在隧道内铺设的经济性较差，对本项目隧道占比极高的工程条件适应性差[4-6]。弹性支承块式无砟轨道目前仅在设计速度≤160 km/h的隧道地段铺设[7-8]。相比于长枕埋入式无砟轨道，双块式无砟轨道的轨枕桁架钢筋与道床混凝土粘接在一起，道床的整体性强、耐久性好，且施工便捷。

综合分析，推荐本项目一般地段采用双块式无砟轨道，在活动断裂带等线下基础变形难以控制的区域和规模较大的车站范围，采用便于调整的有砟轨道。对采用有砟轨道的区段，为降低运营期养护维修工作量，道床可采取胶结、固化等措施[9-11]。

2 轨道设计需求与建议

2.1 钢轨

川藏铁路昌都至林芝段为设计时速200 km的客货共线铁路，沿线处于高寒环境且长大坡道占比高。据统计，川藏铁路昌都至林芝段轨面海拔最低为2 100 m，最高为4 360 m，沿线年平均气温多在15 ℃以下，其中邦达机场年平均气温仅1.5 ℃，最低气温-25.7 ℃(局部无人区缺少气温监测数据)；本段线路最大坡度30‰，30‰坡度的最大坡段长度约50 km，全段大于20‰坡段长度合计191.6 km，占线路总长度的51.5%。

根据对既有西成客专和成兰线长大坡道轨道结构服役状态的调研分析，轨道结构及部件存在的主要问题是钢轨擦伤。在超长大坡道区段，车辆采用的防滑(如撒砂)和制动措施会导致钢轨磨耗及伤损的速率加快，增加维护工作量，按规范应选择强度高、耐磨性好的U75VG钢轨。但由于本段沿线处于高原寒冷地区，含碳量较高的钢轨在低温环境下容易产生脆断；高原寒冷地区既有青藏线及拉日线均采用U71Mn钢轨，研究表明，U71Mn钢轨含碳量较低时，低温韧性较好[12-13]。因此，对于川藏铁路，钢轨应具备良好的抗擦伤性能和耐低温性能。

对于设计时速200 km的客货共线铁路，根据工程及环境条件，可采用的钢轨类型主要有U75VG、U75VG在线热处理，U71MnG和U71MnG在线热处理4种，4种钢轨的强度、耐磨性及耐低温性能如表1所示。

表1 不同钢轨的耐磨性及耐低温性能对比

由表1可以看出，U71MnG在线热处理钢轨的耐磨性与U75VG相当，且具有良好的耐低温性能，对川藏铁路的设计标准、工程及环境条件具有良好的适应性。因此，推荐本项目全线采用U71MnG在线热处理钢轨。

同时，为提高川藏铁路钢轨的服役品质，丰富钢轨类型，推动技术进步，更好地为川藏铁路建设服务，建议开展适用于川藏铁路设计标准、特殊工程及环境条件的钢轨材质或相关减少养护维修工作量措施的研究工作。

2.2 扣件

川藏铁路沿线高寒缺氧、超长大坡道和超长隧道占比高，运营期养护维修条件极为恶劣。为降低运营期的养护维修强度，轨道几何形位及高程的调整宜采用扣配件调整，尽量避免通过道床调整。同时，由于现有无砟轨道扣件高程调整能力仅为-4～+26 mm[14]，有砟轨道扣件高程调整能力仅为0～+10 mm[15]，根据调研分析，此两种扣件调整量主要用于基础工程沉降后的调高，调低量小，对基础上拱变形的适应性差。虽然目前已研发出特殊调整扣件，高程调整能力为-10～+60 mm，但根据TJ/GW132—2015《WJ-7和WJ-8特殊调整扣件暂行技术条件》相关规定，特殊调整扣件铺设后一般情况下使用时间为3年，超过3年后应进行专项评估，难以长期采用。一般项目有砟轨道通常采用抬道或落道进行轨道高程的调整，聚氨酯固化道床采用起道后在枕底和道床顶面之间填塞或灌注垫层的方式进行轨道高程的调整，但由于本项目特殊工程及环境条件，人员设备及既有大型机械难以适应，抬道或落道等作业难度大。因此，有必要研发便于调整轨道几何形位及高程的大调整量扣件。同时，考虑到川藏铁路养护维修条件极为恶劣，应采取措施提高扣件服役的可靠性和耐久性。

综合分析，建议针对川藏铁路沿线地质条件复杂、养护维修条件恶劣的实际情况，分别针对无砟轨道和有砟轨道进行具备大调整能力、高可靠性和高耐久性扣件系统的研发。

2.3 无砟道床

(1)一般地段无砟道床

双块式无砟轨道可以适用于时速200 km客货共线铁路的运营条件，但目前原铁道部和原中国铁路总公司发布的通用图，是基于我国客运专线无砟轨道再创新研究成果编制的，并明确了其使用范围为高速铁路[16-18]。考虑到客运专线铁路货车轴重较大、列车编组长，尤其是川藏铁路沿线工程环境条件复杂，现有通用参考图难以满足本项目实际运营需求。同时，根据对既有客货共线铁路双块式无砟轨道的调研，由于现有双块式轨枕通用图中[19-20]，轨枕挡肩部分为素混凝土，在运营中部分轨枕挡肩或轨枕端部道床板混凝土出现碎裂现象，如图1和图2所示。

图1 轨枕挡肩失效

图2 轨枕端部道床板混凝土碎裂

因此，建议针对川藏铁路设计标准及工程环境条件，开展客货共线铁路双块式无砟轨道和轨枕设计研究工作，并编制相应的通用参考图和技术规程。

(2)大跨度特殊结构桥上无砟道床

川藏铁路昌都至林芝段沿线地形起伏严峻，峡谷深切，大跨度特殊结构桥梁合计5座，其中悬索桥2座、独塔斜拉桥1座、拱桥2座，最大跨度的桥梁为怒江特大桥，主跨1 040 m、桥高637 m。本段大跨度特殊结构桥梁情况如表2所示。

表2 大跨度特殊结构桥梁

考虑到大跨度特殊结构桥梁在外部荷载作用下的变形较大，无砟轨道难以适应大变形要求，目前国内设计时速200 km及以上的铁路，在大跨度特殊结构桥梁上多采用有砟轨道，采用无砟轨道最大跨度的桥梁为昌赣铁路的赣江特大桥，其主跨为300 m[21]。大跨度特殊结构桥梁上采用有砟轨道存在轨道二期恒载大、桥梁投资高，且以铺设无砟轨道为主的线路局部采用有砟轨道存在运营期养护工作量大、作业困难等缺点[22]。

因此，建议研究大跨度特殊结构桥梁采用轻型无砟轨道的可行性，以减轻桥梁二期恒载，降低桥梁工程投资，减少运营期养护维修工作量。

2.4 有砟道床

(1)长大坡道有砟道床

在长大坡道区段，受列车频繁制动影响，轨道结构的稳定性会受到一定程度的影响，当道床阻力不足以抵抗温度力和长大坡道上列车制动力时，轨排会产生不均匀的纵向位移，在极端不利因素叠加作用下，诱发钢轨折断或碎弯，甚至导致轨道结构失稳。因此，在长大坡道区段，需对有砟轨道结构采取加固措施，以确保轨道结构服役的安全性与可靠性。

(2)隧道内不良地质区域有砟道床

川藏铁路昌都至林芝段沿线地质情况复杂，活动断裂带、软岩大变形等不良地质段落多且占比高，长大隧道内局部难以满足铺设无砟轨道的要求，需采用有砟轨道。考虑到本段养护维修条件极为恶劣，局部采用有砟轨道存在养护维修工作量大、作业环境差且难以采用大型养护机械作业，因此在不良地质区域采用有砟道床时需采取措施提高道床结构的稳定性、减少运营期养护维修工作量。结合对目前国内外相关技术的调研分析，建议对局部不良地质区域采用的有砟道床采取聚氨酯发泡材料胶结、固化等措施，可显著提高道床的整体性与稳定性，降低运营期养护维修工作量。在线下基础变形量较大时，可采用大调整量扣件加抬高轨枕并在枕底和道床顶面之间填塞或灌注垫层的方式快速修复。

2.5 与隧道工程接口条件

川藏铁路昌都至林芝段软岩大变形分布广泛且占比高。据统计，全线预估软岩大变形段落长度约50.84 km，如在软岩大变形区域全部采用有砟轨道，则存在轨道结构过渡频繁、运营期养护维修不便等问题。根据对既有兰渝线兰州至广元段软岩大变形隧道的调研分析，运营期软岩大变形区域出现仰拱上拱病害段落合计0.26 km(4处)，占全线软岩大变形区段长度的比例仅为0.34%。可以看出，软岩大变形段落隧道施工完成后仰拱的稳定性多数能够满足铺设无砟轨道的条件，个别点由于地质情况特殊、地下水及施工质量等耦合因素共同作用下出现了病害情况。因此，为尽量降低在川藏铁路昌都至林芝段复杂地质与环境条件下轨道结构的养护维修工作量，推荐在软岩大变形地段暂按无砟轨道结构设计。同时，为了避免局部在多重不利因素耦合作用下隧道仰拱稳定性不满足铺设无砟轨道的需求，建议软岩大变形区域的隧道断面能够兼容铺设有砟轨道的需求，轨道结构高度暂按有砟轨道766 mm预留，然后对仰拱稳定性进行沉降观测与评估，如仰拱沉降评估结果能够满足铺设无砟轨道的需求，则继续回填仰拱至轨面以下515 mm处，并施作无砟轨道；如局部无法满足铺设无砟轨道的要求，则将轨道结构变更为有砟轨道。软岩大变形区域仰拱根据沉降评估结果分层施作，可以有效避免局部不满足铺设无砟轨道要求的段落凿除隧道仰拱回填层的工作量，进而避免出现废弃工程，既能有效解决实际工程问题，又能节省投资、绿色环保。

目前，时速200 km客货共线铁路隧道通用参考图中，有砟轨道断面与无砟轨道断面在轨面以下存在一定的差异，以下以Ⅱ级围岩带仰拱复合式衬砌断面为例进行说明。Ⅱ级围岩带仰拱复合式衬砌断面无砟隧道与有砟隧道轨面以下断面设计情况如图3、图4所示，可以看出：无砟隧道中心水沟与轨面距离比有砟轨道小9 cm，隧道外轮廓下在隧道中心线处小19 cm，相应的断面面积小1.524 m2。

图3 无砟隧道轨面以下断面(单位：cm)

图4 有砟隧道轨面以下断面(单位：cm)

为解决在软岩大变形地段局部铺设有砟轨道难题，根据现有断面形式，可采取两种方案。

方案一：软岩地段采用有砟隧道断面，非软岩地段采用无砟隧道断面。

方案二：全线均采用有砟隧道断面。

如采用方案一，存在中心水沟顺坡过渡困难、局部排水不畅等问题；如采用方案二，可以有效解决不同断面中心水沟顺接的问题，但无砟轨道地段隧道开挖断面大，隧道弃渣量及仰拱回填量亦大，与本项目建设生态环保的要求不符。

综合以上分析，为解决软岩大变形地段轨道结构选型问题，建议针对本项目开展兼容有砟轨道与无砟轨道隧道断面的研究工作[23]，在确保隧道断面能够同时满足有砟轨道和无砟轨道铺设要求的前提下，使本项目隧道设计满足“保护生态、安全可靠”的基本要求。

3 结语

川藏铁路昌都至林芝段工程环境条件极为恶劣，为确保川藏铁路轨道结构设计的合理性与可靠性，基于对已建项目轨道结构在类似工程环境条件下服役状态的调研分析，结合沿线实际工程环境特点，对川藏铁路昌都至林芝段轨道结构选型及设计需求进行了分析，并给出了相关建议，主要结论如下。

(1)轨道结构应具有可靠性、可调整性、易修复性等功能，以适应复杂地质环境、特殊气候条件及不同线下基础的要求。

(2)一般地段宜采用少维修的双块式无砟轨道。

(3)推荐全线采用耐磨性及耐低温性能兼顾的U71MnG在线热处理钢轨，建议开展适用于本项目的钢轨材质或相关减少养护维修工作量措施的研究工作。

(4)针对本项目复杂工程及环境条件，建议研发具备大调整能力、高可靠性和高耐久性扣件系统。

(5)建议开展客货共线铁路双块式无砟轨道和轨枕设计研究工作，并针对大跨度特殊结构桥梁研发轻型无砟轨道系统。

(6)在活动断裂带及不良地质等线下基础变形难以控制区域采用便于调整的有砟轨道。有砟轨道在长大坡道区段需采取强化措施，长大隧道内可采取胶结、固化等措施降低养护维修工作量。

(7)软岩大变形区域暂按无砟轨道设计，但预留变更为有砟轨道的条件。隧道仰拱分层填筑可有效解决无砟轨道与有砟轨道结构高度差异问题，建议开展兼容有砟轨道与无砟轨道铺设要求的隧道断面研究工作。