复杂艰险山区铁路桥隧相连区域轨道结构温度适应性研究

侯博文，赵闻强，高 亮，蔡小培，郄录朝，徐 旸

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044；2.北京市轨道交通线路工程安全与防灾工程技术研究中心，北京 100044；3.浙江省交通投资集团有限公司 智慧交通研究分公司, 浙江 杭州 310030；4.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081)

复杂艰险山区铁路横跨中国第一阶梯与第二阶梯，线路八起八伏，地势高差极大，80%以上将以隧道和桥梁的方式建设。复杂艰险山区铁路轨道结构需适应高烈度活动断裂带超长隧道、超长大坡道、高墩大跨桥梁等多种复杂线下基础，同时面临着强紫外线、高日温差、隧道内高岩温高湿等多重极端严酷环境的考验[1]。复杂艰险山区铁路独有的严苛线路条件为线路带来了前所未有的挑战，其面临的复杂温度环境[2]，更为桥隧相连区域轨道选型带来了新的技术难题。

相关研究资料表明，桥隧相连区域的轨道结构需要满足一定的刚度和平顺性要求[3]，除了需要对桥隧相连区域进行刚度过渡设计外[4-5]，更需要考虑到复杂温度环境下钢轨爬行、温度力不均等因素对线路整体平顺性的影响。复杂艰险山区铁路处于高寒高海拔区域，年温差极大，导致其所处温度环境十分复杂[2]；同时山谷相连，桥隧相连区域较为普遍，因此开展复杂艰险山区铁路桥隧相连区域轨道及无缝线路对温度的适应性至关重要。

目前国内外学者在相关领域展开了许多研究。曾志平等[6]通过建立钢轨位移微分方程，推导了桥隧过渡段轨温与钢轨纵向位移的映射关系。曾志平等[7]对某桥隧过渡段的轨温和纵向变形开展了连续监测。于向东等[8]分析了桥隧过渡段RC拱桥上无缝线路纵向力的分布特征。李国龙等[9]研究了无砟轨道温度翘曲变形对桥隧过渡段车线动力性能的影响。张向民等[10]对青藏铁路高寒地区风火山隧道进行了轨温长期监测，分析了隧道口轨温分布特征。戴公连等[11]对桥隧过渡段无砟轨道纵向温度梯度特征进行了研究。现有研究表明，桥隧相连区域轨道结构的适应性研究，不仅要关注桥梁段复杂温度条件对线路整体受力均衡性的影响，隧道口纵向温度梯度效应同样不可忽略[12]。但目前研究大多只单一关注了隧道外温度或隧道口温度带来的荷载效应，桥隧相连区域隧道内外温度环境共同作用对轨道结构的影响还有待进一步分析。

针对以上问题，本文结合复杂艰险山区铁路艰险山区对线路的服役要求，基于有限元法建立了桥隧相连区域轨道-下部基础空间精细化建模，同时考虑了隧道外桥上复杂温差环境和隧道口纵向温度梯度的影响，分别研究了当隧道内采用双块式无砟轨道时，桥梁铺设无砟轨道及有砟轨道带来的影响，提出了桥隧相连区域轨道结构选型建议，旨在为复杂艰险山区铁路艰险山区的桥隧相连区域轨道选型提供理论参考。

1 桥隧相连区域数值计算模型

复杂艰险山区铁路艰险山区面临高寒缺氧、超长隧道、大范围无人区等条件，给养护维修提出了巨大挑战，这就决定了线路需要采用少维修或免维修的结构型式[9]。根据重载、客货共线等线路的实践经验[13-14]，隧道内可铺设无砟轨道来达到少维修的目的；但桥梁区域轨道暴露于外界环境之中，直接经受日照、大风等影响，环境温度变化剧烈。无砟轨道与桥梁同属混凝土结构，与桥上采用有砟轨道相比，复杂温度环境下无砟轨道线路面临的温度效应将更为复杂[15-16]，因此桥上轨道结构选型还需通过进一步研究后确定。

基于此，本文综合工程条件适应性、经济性等指标，隧道内轨道选用施工便捷、整体性好的双块式无砟轨道，只在沉降缝处将道床板断开[17]。桥梁上轨道类型选用双块式无砟轨道与有砟轨道两种结构，重点分析无缝线路和轨下结构的受力情况。

1.1 隧道内无砟轨道模型

隧道内双块式无砟轨道包括钢轨、扣件、道床板、SK-Ⅱ轨枕等结构，道床板直接浇筑于仰拱混凝土回填层上[18-19]。建模时将钢轨视为离散点支承的无限长欧拉梁；扣件系统采用弹簧-阻尼单元进行模拟[20]；道床板、轨枕及仰拱等均采用实体单元模拟，按照实际几何特征进行建模。具体建模参数见表1。

隧道洞口及隧道内道床伸缩缝(即隧道沉降变形缝位置)会在道床板端部仰拱回填层植入销钉以加强道床板与基础间的连接，因此对隧道内无砟轨道与下部仰拱节点自由度耦合来表征其良好的层间黏结关系。此外，建模时忽略隧道口轨道底部混凝土顺坡的设置，道床板厚度统一选为260 mm。

表1 隧道内双块式无砟轨道建模参数

1.2 桥梁区段无砟轨道模型

为减小梁轨间温度效应，桥梁上双块式无砟轨道设置为单元式结构，道床板与底座之间设有隔离层，并通过凹槽限位，底座通过预埋钢筋与桥面连接[18]。道床板长度为6.5 m，其余参数与表1一致；隔离层采用接触单元进行模拟。将道床板与底座间法向离散为法向与切向两类，法向的接触行为定义为

(1)

式中：P为接触应力；d为接触面间的间隙，正值表示分离，负值表示侵入。

接触面之间的法向接触力只存在压力，且两者不允许侵入、贯穿；切向则采用简化的库伦摩擦模型，摩擦系数取0.5；底座与桥梁采用共节点建模表征其良好的黏结关系。

1.3 桥梁区段有砟轨道模型

有砟轨道包括钢轨、扣件、轨枕、道床等结构，建模时将有砟道床视为连续弹性体[21]。根据道床与轨枕、桥梁间的接触特点，采用与桥上双块式无砟轨道道床板-底座间相同的接触关系进行建模。具体建模参数见表2[22]。

表2 有砟轨道建模参数

1.4 桥隧相连区域整体模型

在建立桥隧相连区域整体模型时，桥梁地段参考复杂艰险山区铁路拉林段[23]，选取单线简支梁进行分析。简支梁桥上部结构为双片式预制后张T梁，梁高为2.5 m，长为32.6 m，梁面宽为4.5 m，计算跨度为2.5 m。对桥梁主要采用实体单元对梁身进行模拟，考虑其实际截面参数，线胀系数与轨道混凝土一致，将支座采用单节点连接单元(即接地弹簧)进行模拟，其中固定支座约束其三向自由度，滑动支座在纵向设置线性刚度。模型总长度为150 m，建立的桥隧相连区域轨道-下部基础空间精细化分析模型见图1。值得说明的是，模型中隧道结构及周围土体只起到支承轨道，提供轨道下基础刚度的作用，不参与温度效应的计算，故在此不再对其参数进行详细说明。

图1 桥隧相连区域轨道-下部基础空间精细化模型

为验证模型计算温度效应的可靠性，基于所建立的桥隧相连区域分析模型，取文献[6]中相同计算工况(轨温线性，扣件纵向阻力非线性，轨温过渡区长为20 m，轨温差取30 ℃的参数)，计算得到钢轨纵向位移的数值解，并与文献[6]中的解析解进行对比见图2。由图2可知，本文计算结果与文献[6]结果基本一致，验证了模型的可靠性。

图2 计算模型的验证

1.5 温度荷载的施加

对于隧道外温度荷载，参考TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》[24]和既有线路监测结果[10-11,25]，钢轨按升温50 ℃进行选取，无砟轨道及桥梁按升温30 ℃进行选取[26]。

对于隧道内温度荷载，根据高原隧道内温度监测的相关研究资料[10-11]，隧道中部的温度较隧道外的温度在变化上具有滞后性，致使长大隧道隧道口气温会有明显的纵向梯度分布。在施加隧道口纵向温度梯度荷载时，参考文献[10，25]，隧道内外轨温差40 ℃(隧道外高于隧道内)；隧道内无砟轨道按整体升温10 ℃进行选取。温度过渡区设置在隧道内，长为20 m，得到的温度荷载图示见图3。

图3 桥隧相连区域温度荷载图示

2 无缝线路力学特性分析

2.1 无缝线路变形分布

桥上铺设不同轨道的情况下，桥隧相连区域的钢轨位移分布(取桥上一跨梁范围)见图4。图4中蓝色虚线区域为桥梁-隧道交界处。由图4可知，进入隧道后两方案的钢轨位移基本趋于一致。但在桥梁区段处有较大的差异。

图4 钢轨位移分布

由图4(a)可知，纵向温度梯度荷载使得两种轨道方案的钢轨纵向位移的峰值均出现在隧道里的温度过渡区内。采用小阻力扣件情况下，有砟轨道方案的钢轨纵向位移明显大于无砟轨道方案，达到了5.4 mm。由图4(b)可知，受到下部轨道、桥梁变形协调关系的影响，钢轨出现了一定程度的垂向变形，在进入隧道后逐渐降低为0。无砟轨道方案的桥上钢轨垂向变形受到了来自底座凹槽的影响，出现多个波长较短的不均匀变形，有砟道床变形则与桥梁温度挠曲基本呈1∶1传递，这是由于其连续弹性体的假定所决定的，其量值不作为选型指标。进一步提取梁-轨相对位移见图5。

图5 梁-轨纵向相对位移分布

由图5可知，梁-轨纵向相对位移沿桥跨周期性分布，最大值均位于梁端处。这也与文献[27]中桥上无砟轨道简支梁段梁-轨纵向相对位移分布规律相一致。有砟轨道方案最大纵向相对位移约11.5 mm，较无砟轨道方案增大约21.1%。

2.2 无缝线路应力分布

桥隧相连区域的钢轨纵向应力分布见图6。由图7可知，桥上有砟轨道方案纵向应力分布较为平缓，最大可达108.4 MPa。相较有砟轨道方案，桥上无砟轨道方案钢轨应力受下部结构影响存在波动，且峰值出现在梁缝处为134.4 MPa。进入隧道后两方案钢轨应力基本趋于一致。

图6 钢轨纵向应力分布

3 轨道结构力学特性分析

3.1 轨道结构变形分布

桥隧相连区域无砟轨道变形分布特征见图7。由图7(a)可知，桥上铺无砟轨道方案时，温度荷载影响下道床板出现一定的上拱变形，受到底座凹槽的约束影响，其道床板垂向位移峰值可达2.3 mm。由图7(b)可知，桥上双块式底座与桥梁共同伸缩变形，从而带动道床板纵向位移产生周期性变化。两种方案隧道内道床板纵向变形基本一致。

而桥上双块式无砟轨道道床板与底座间为垂向弱连接，桥上道床板与底座间可能因变形不协调导致板下离缝见图7(c)。由图7(c)可知，最大离缝量出现在梁缝位置，约0.8 mm。受凹槽限位影响，离缝量分布线形呈现为多个尖锐凸起，在行车条件下因车辆荷载压实作用可能会带来中短波的动态不平顺。

桥上双块式无砟轨道道床板-底座的纵向相对位移见图7(d)。由图7(d)可知，道床板-底座纵向相对位移峰值出现在梁缝位置，最大可达0.2 mm。道床板-底座纵向相对位移曲线在单跨梁范围内出现一定的错动性波动，波动位置与底座凹槽位置一致，说明小阻力扣件条件下道床板的伸缩仍受到底座凹槽的约束作用。

图7 无砟轨道变形分布特征

3.2 轨道结构应力分布

进一步提取道床板纵向应力分布如图8。由图8可知，但在小阻力扣件条件下，两方案道床板应力分布差别不大，在温度荷载下桥上双块式无砟轨道道床板受到凹槽的约束，纵向应力出现小幅波动。横向应力规律基本一致，在此不再列出。

图8 道床板纵向应力分布特征

4 桥隧相连区域轨道选型分析

桥上采用不同轨道形式改变了线路的整体传力特征。为综合对比轨道形式对桥上各结构的受力差异，本文还额外计算了两种轨道的常阻力扣件方案，扣件阻力取为24 kN/m[20]。将主要力学指标汇总见表3。

由表3可知，桥上有砟轨道方案能够显著减小钢轨应力，即使是使用常阻力扣件的有砟轨道方案，其钢轨纵向压应力也较无砟轨道方案更低。此外，尽管桥上双块式无砟轨道已经采用了隔离层、单元化等降低温度效应的措施，但还是存在较为复杂的层间相互作用。在各层变形协调关系的影响下，道床与底座间出现离缝，桥上钢轨也存在不均匀变形，这些因素都可能增加行车条件下的动态不平顺。尽管采用小阻力扣件的有砟轨道较相同条件下的无砟轨道存在更大的纵向位移，但在采用常阻力扣件后，原本相对较大的钢轨纵向位移峰值也大大降低，整体纵向稳定性更佳。

综合来看，在隧道内铺设无砟轨道的前提下，建议桥上铺设有砟轨道能够减小温度效应，提供更好的平顺性。因此在复杂艰险山区铁路桥上线路，尤其在涉及到复杂艰险山区线路上存在的大跨悬索桥、大跨钢桁拱桥等特殊桥梁结构形式时，建议铺设有砟轨道。但有砟轨道后期维护工作量相对较高，下阶段还需根据现场条件进一步研究道床固化等措施。

表3 不同轨道铺设方案主要力学指标汇总

5 结论

针对桥隧相连区域轨道温度适应性问题，本文基于复杂艰险山区铁路服役环境特征建立了精细的分析模型，综合隧道内外温度环境特点，分析了桥隧相连区域铺设不同形式轨道后的温度适应性，给出艰险山区桥隧相连区域轨道选型建议，主要结论如下：

(1)桥梁区段的温度环境和隧道口温度梯度作用都对轨道受力产生影响，在进行桥隧相连区域轨道选型时，两者的荷载效应均不可忽略。

(2)桥上采用有砟轨道后线路所受温度效应有所下降，钢轨整体变形更为平缓，应力显著降低。有砟轨道的钢轨纵向位移相对较大，但采用常阻力扣件后能够改善该问题。

(3)桥上铺设无砟轨道后，受多层结构间变形协调关系影响，桥上钢轨变形曲线相对更不均匀，道床板与底座间存在离缝，常阻力扣件条件下最大离缝高度为1.6 mm，影响了轨道的平顺性。

(4)建议在艰险山区桥隧相连区域桥上，尤其是大跨悬索桥、大跨钢桁拱桥等特殊桥梁上铺设有砟轨道，下阶段还需根据现场条件进一步研究道床固化等措施。