双块式无砟轨道嵌套式轨道排架研究与应用

姚坤锋

中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600

智能建造是工程建造的发展方向，是新形势下铁路工程建设发展的必然趋势［1］。由于当前双块式无砟轨道精调劳动强度较大，自动化水平不高，且不同人员操作对精调数据影响较大，施工过程中质量不可控。为实现双块式无砟轨道智能化精调，需将轨道排架轨向调整设置为单侧调节，于是出现了嵌套式轨道排架。将轨道排架自动精调机构与嵌套式轨道排架的高程螺杆、轨向螺杆连接起来，能实现高程、轨向同时达到精调需求。本文对嵌套式轨道排架及其在郑州—万州高速铁路中的应用进行介绍和分析，为类似工程应用提供参考。

1 嵌套式轨道排架

1.1 嵌套式轨道排架的组成

图1 嵌套式轨道排架施工断面

嵌套式轨道排架（图1）由工具轨、托梁、高低螺杆、防护墙固定座、锁定装置等组成。托梁由内外套组成，内外套通过十字销轴在竖向螺杆处连接，内套可沿着外套滑动而不影响高程［2］。嵌套式轨道排架通过轨向调节撑杆调整轨道排架中线，取消了线路中部的斜支撑，高程螺杆底部设有保护座。

1.2 嵌套式轨道排架的工作原理

嵌套式轨道排架通过托梁内外套滑动的方式实现轨向调整，将轨向与高程独立调整。防护墙固定座与嵌套式托梁外套通过轨向撑拉杆牢固连接，每根工具轨与托梁内套连接处设2个楔形夹板。楔形夹板处于轨道侧面，保证轨距始终处于（1 435±0.5）mm范围内。施工过程中轨距若超过该范围，可通过专用工具移动楔形夹板，起到调整轨距的作用［3］。

采用嵌套式轨道排架施工时，通过工具轨模拟线路正线轨道的几何形位进行无砟道床浇筑，待混凝土达到规定的强度后，拆除轨道排架，最后统一铺设正线轨道［4-5］。

1.3 嵌套式轨道排架施工流程

①在自动分枕机上完成嵌套式轨道排架与轨枕的智能组装，通过调节轨向调节螺杆使托梁内外套完成对中，操作嵌套式轨道排架上的角度调节螺杆将竖向螺杆调至适当位置。②由粗铺机将组装完成的嵌套式轨道排架运送至预铺位置，安装防护墙固定座及配套撑拉杆。③轨排精调机上道并完成自校，全站仪自由设站后与轨排精调机进行通讯锁定，将轨排精调机的伺服调整器连接到嵌套式轨道排架的高低螺杆和轨向调节螺杆上，如图2所示。④启动全站仪自动测量模式和轨排精调机自动精调模式开始测量，实测数据通过数据管理系统实时处理并传回控制系统，轨排精调机控制伺服调整器精确转动调节螺杆，实现嵌套式轨道排架的轨向和高程调整。

图2 嵌套式轨道排架与轨排精调机待连接状态

2 嵌套式轨道排架在郑万高速铁路无砟轨道施工中的应用

2.1 工程概况

郑万高速铁路桥梁段无砟轨道结构的高度为715 mm，道床宽度为2 800 mm，道床板边缘距防护墙距离为600 mm。无砟轨道的混凝土底座直接浇筑在桥面上，并采用预埋连接钢筋与桥面连接。混凝土底座采用分块式结构，底座长度与宽度跟道床板的长度与宽度相同。每块底座上设置2个抗剪凹槽。桥上曲线超高采用外轨抬高方式在混凝土底座上实现［6］。

郑万高速铁路隧道段无砟轨道结构的高度为515 mm，道床宽度为2 800 mm，道床板边缘距水沟侧墙距离为800 mm。除隧道洞口段200 m道床分块设置外，其余地段道床板均采用连续浇筑，轨枕间距600～650 mm，一般取650 mm。

2.2 轨道排架长度的确定

铁路的曲线半径对于轨道排架的长度影响较大，曲线半径较小时轨道排架的长度受到很大限制。郑万高速铁路路基及隧道内轨枕间距均为650 mm。为实现轨道排架顺铺，限定轨道排架长度L=600nmm，n为轨道排架悬挂的双块式轨枕个数。综合考虑曲线半径、轨道排架组装效率、轨道排架成本、工装运输等因素，n取11，L=650×11=7 150 mm。悬挂双块式轨枕的轨道排架如图3所示。

郑万高速铁路桥上无砟轨道轨枕间距同路基和隧道内略有不同。以桥梁中常见的32 m简支梁为例，两端、中间的轨道板轨枕间距分别为624、633 mm。需根据桥梁段无砟轨道轨枕分布情况，对嵌套式轨道排架进行设计。采用（6.855+6.330+6.330+6.330+6.855）m轨道排架组合方式进行32 m梁上无砟轨道施工，如图4所示。

图3 悬挂双块式轨枕的轨道排架（单位：mm）

图4 32 m梁嵌套式轨道排架纵向分布（单位：m）

2.3 嵌套式轨道排架结构强度和刚度的验算

嵌套式轨道排架托梁采用内外套结构，矩形管内套与60 kg∕m钢轨通过楔形夹板连接成一体，承受自重、钢轨及轨枕的重量［7］。为了保证嵌套式轨道排架结构的安全，需验算托梁在施加横向荷载、调整出满足正线轨道几何形位的情况下，嵌套式轨道排架结构的强度和刚度是否满足GB 50017—2017《钢结构设计规范》中的相关要求。

轨道排架与双块式轨枕组装完成后，浇筑混凝土之前轨道排架承受自重和轨枕重量［8］。浇筑之后混凝土初凝前可视为液体，轨道排架还要承受双块式轨枕传递来的液体浮力。单个轨枕的液体浮力F的计算公式为

式中：V为轨枕浸入浇筑混凝土的体积，mm3；γc为液态混凝土重度，N∕mm3。

组装完成的轨道排架每个悬挂点按照四点接触，结构自重、轨枕重量及液体浮力平均分配到每个悬挂点［9］。

采用7150型嵌套式轨道排架进行有限元数值模拟。矩形钢管结构采用板单元，钢轨采用三维实体单元，单元形状尽量接近正方形或正方体［10］。轨道排架中钢轨长度为7.142 m，4根托梁间距均取1.950 m。每榀嵌套式轨道排架通过8根高程螺杆与地面刚性连接，高程螺杆与托梁内套刚性连接。托梁一端x，y，z三个方向均固定，另一端通过调节螺杆施加横向调整力，即沿y向施加荷载10 kN，每榀嵌套式轨道排架上均匀分布11块轨枕，单块轨枕质量为250 kg。嵌套式轨道排架计算模型见图5。

图5 嵌套式轨道排架计算模型

嵌套式轨道排架材料采用Q345钢，其杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.3，质量密度为7.85 kg∕m3；结构自重（包含钢轨及托梁）20.3 kN，每根托梁横向调整力10 kN。每块轨枕重量2.5 kN，安全系数取1.3，则11块轨枕总重量F=2.5×11×1.3=35.75 kN。均布荷载q=F∕（nL）=35.75∕（2×7150）=2.5 N∕mm。

嵌套式轨道排架应力和位移计算结果见图6。可知，嵌套式轨道排架托梁内套最大应力为49.4 MPa＜应力容许值［σ］=230 MPa，可见嵌套式轨道排架的强度满足设计要求。托梁内套矩形钢管最大位移为1.134mm＜挠度容许值［f］=l∕800=3000∕800=3.75mm，l为托梁长度。可见嵌套式轨道排架的刚度满足设计要求。

图6 嵌套式轨道排架应力和位移计算结果（单位：MPa）

2.4 嵌套式轨道排架现场应用效果

对采用双块式无砟轨道嵌套式轨道排架施工的郑万高速铁路郝家湾特大桥一跨32 m梁的轨道几何形位进行了现场测量。轨检小车在每个轨道排架托梁处所测的轨向及轨距偏差见图7。其中：1⁃6.8⁃01为32 m梁中第1榀长6.855 m轨排的第1根托梁，每榀轨排均设有4根托梁，其余以此类推。

图7 32 m梁嵌套式轨道排架托梁处轨向和轨距偏差

由图7可知：32 m梁嵌套式轨道排架托梁处轨向的平均偏差仅为0.33 mm，最大偏差为1.50 mm，嵌套式轨道排架托梁处轨距的平均偏差仅为0.08 mm，最大偏差为0.30 mm，其整体偏差均满足TB 10754—2018《高速铁路轨道工程施工质量验收标准》中规定的轨向允许偏差±2mm、轨距允许偏差±1mm的要求。

3 结论

1）与传统轨道排架相比，嵌套式轨道排架通过设置托梁内外套将轨向与高程独立调整，通过轨向调节螺杆实现轨道排架托梁内外套的相对滑动，从而实现轨向的调整及锁定功能。嵌套式轨道排架配合智能化轨道排架精调机施工，还可大大缩短道床精调时间，提高施工效率。

2）隧道与路基采用统一型号的7150型嵌套式轨道排架，桥梁采用6855型、6330型嵌套式轨道排架施作无砟轨道，满足了隧路桥三种工况下的无砟轨道施工。

3）对嵌套式轨道排架结构进行了有限元分析，其强度和刚度均满足结构使用要求。

目前双块式无砟轨道嵌套式轨道排架正在郑万高速铁路各站前无砟轨道标段按计划施工，嵌套式轨道排架完全满足CRTS双块式无砟轨道智能化施工的要求，值得推广应用。