西南地区铁路特殊地段轨道结构设计创新

姚力, 刘大园, 庞玲, 江万红

（中铁二院工程集团有限责任公司 土木建筑设计研究一院, 四川 成都 610031）

1 影响西南地区铁路轨道结构设计的主要因素

我国西南地区处于欧亚板块东南缘, 地形条件艰险复杂, 山高谷深, 地势起伏剧烈；地质条件复杂多样, 新构造运动及地震活跃；地质灾害频繁, 类型多且分布广。西南地区特有的环境特征和复杂的建设条件给铁路建设及运营带来了巨大挑战。在西南地区铁路建设过程中, 影响轨道工程设计的主要因素为艰险复杂的地形条件和复杂多样的地质条件。

1.1 艰险复杂的地形条件

西南地区地势西高东低, 山地、高原、丘陵、盆地均有分布, 大部分地区地势起伏剧烈, 铁路经常穿行于连绵群山和陡峻峡谷之间, 选线时特别重视地质选线、重大工程优先选址、环境选线和工程选线[1-3］, 铁路沿线桥梁、隧道占比较高, 可达80%以上。数量众多的短路基（平均长度约为30～100 m）零星分布于桥梁、隧道之间, 造成大量桥梁-路基之间、隧道-路基之间、路基与横向构筑物之间和路堤路堑之间频繁过渡。这种桥梁、隧道、路基的交错分布, 给轨道结构设计（尤其是无砟轨道设计）带来困难, 主要体现在2个方面：一是需分别设计桥梁、隧道以及路基地段的无砟轨道, 路基地段又分级配碎石路基、硬质岩石路基和桩板结构路基等多种形式, 相应的轨道结构均需单独设计, 不同轨道间需设置轨道过渡段；二是零星分布的短路基, 大多长度较短、规模性差, 无法采用大型摊铺机连续作业, 原路基上CRTS双块式连续无砟轨道需要调整。西南地区铁路桥梁-隧道-路基分布示意见图1。

图1 西南地区铁路桥梁-隧道-路基分布示意图

另外, 因剧烈起伏的地形条件, 西南地区铁路经常以特殊大跨度桥梁实现线路跨越河谷地带[4］, 其中特大拱桥、特大悬索桥、特大斜拉桥、特大组合体系桥比较多见, 主跨跨度最长达到870 m。特殊大跨度桥梁轨道线型不易控制且梁轨相互作用加大。沪昆高铁北盘江特大桥见图2。

图2 沪昆高铁北盘江特大桥

1.2 复杂多样的地质条件

西南地区活动断裂规模大、分布密集, 分布有19条活动断裂（带）, 地震活动频繁、震级大, 历史上发生Ms≥6级地震189次, 其中西藏、云南、川西现今断裂构造活动强烈, 高烈度地震发生频度较高[5-8］。同时, 区内广泛发育滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、岩溶、采空区、有害气体、高烈度地震、活动断裂、高地应力、高地温等工程地质问题, 容易造成铁路基础设施损毁、变形（沉降、隆起）[9-14］, 轨道线位出现变位, 道床开裂、破损、离缝等病害, 影响轨道结构及部件的服役性能和使用寿命, 严重的更是导致行车中断。轨道结构设计时, 既要充分考虑铁路沿线复杂的地质条件, 又要考虑为施工和养护维修创造便利条件。高烈度地震导致桥梁地段轨道变形见图3, 路基地段轨道上拱变形见图4, 基础变形上拱导致道床面拉裂见图5。

图3 高烈度地震导致桥梁地段轨道变形

图4 路基地段轨道上拱变形

图5 基础变形上拱导致道床面拉裂

综上所述, 西南地区铁路轨道面临的特殊地段主要包括零星分布的短路基地段、特殊大跨度桥梁、潜在变形风险较大地段以及高烈度地震区域等。因此, 铁路轨道（尤其是无砟轨道）设计除应遵守《铁路轨道设计规范》外, 还应结合西南地区特殊地段的地形、地质条件进行设计创新。

2 特殊地段轨道设计创新

2.1 短路基地段无砟轨道设计

针对西南地区铁路短路基众多、分布零碎的情况, 对现有标准的路基地段CRTS双块式无砟轨道系统进行优化调整, 采用分块道床板下设置钢筋混凝土底座来代替原连续道床和支承层的方案, 即“道床分块、底座单元（分块）”的无砟轨道结构方案[15］。一般路基地段轨道采用道床分块、底座单元方案, 道床长度5～7 m, 底座单元长度为2～3块道床板, 底座上设置限位凹槽, 底座间设置传力杆以保持整体性, 设置20 mm伸缩缝；桩板路基地段轨道采用道床、底座分块方案, 道床与底座同长度, 设置100 mm宽缝。这2种路基地段无砟轨道方案道床及底座长度均较短, 无需大型摊铺机施工作业, 养护维修方便, 能更好地适应西南山区铁路, 已成功应用于沪昆、云桂高铁等项目, 完全能够满足高速铁路的运营需求。一般路基地段无砟轨道方案见图6, 桩板路基地段无砟轨道方案见图7。

图6 一般路基地段无砟轨道方案

图7 桩板路基地段无砟轨道方案

2.2 特殊大跨度桥梁轨道设计

2.2.1 轨道结构

对于特殊大跨度桥梁, 轨道结构设计时应重视轨道与桥梁间变形协调和梁轨相互作用, 重点关注桥梁在恒载、温度、徐变等荷载作用下各向变形给轨道带来的影响, 轨道结构选型时应综合考虑轨道对大跨度桥梁的适应性、高速行车安全性及养护维修等因素。以沪昆高铁北盘江特大桥轨道结构设计为例, 该桥为主跨达445 m上承式拱桥, 轨道结构设计时重点就桥梁墩台温度变形对轨道结构受力、轨道稳定性、轨道平顺性以及高速行车安全性等开展研究, 最终确定该桥采用聚氨酯固化道床[16-18］方案, 与传统有砟轨道技术相比, 聚氨酯固化道床兼备有砟轨道和无砟轨道的优点, 既具有良好的整体性和稳定性, 又具有良好的弹性、变形协调能力和可维修性。为降低工程投资, 减少聚氨酯固化材料用量, 沪昆高铁北盘江特大桥聚氨酯固化道床设计时, 采用双梯形聚氨酯固化道床断面, 即主要对轨枕承力范围（约850 mm）的道床道砟进行固化。目前该桥聚氨酯固化道床已运营多年, 使用状况良好。聚氨酯固化道床示意见图8, 聚氨酯固化道床施工现场见图9。

图8 聚氨酯固化道床示意图

图9 聚氨酯固化道床施工现场

2.2.2 轨道线形控制

桥上轨道施工期间, 随着包括轨道在内的恒载逐步上桥, 将引起桥梁竖向挠曲变形, 从而对CPⅢ控制网的测试及轨道精调带来影响, 尤其是较大跨度桥梁轨道施工时更为敏感, 需充分重视。为保证轨道线形满足要求, 最好的办法就是保持桥上恒载稳定, 为此采用前期水袋堆载预压技术措施来模拟轨道恒载加载, 施工过程中随着轨道恒载的逐步加载, 通过精确控制水袋的水量来保持梁体承受恒载稳定, 以实现轨道施工过程中轨道线形稳定。该水袋堆载预压技术已在沪昆高铁等多个特殊大跨度桥梁的轨道施工中得到推广应用, 确保了特殊大跨度桥梁的轨道线形满足设计要求。特殊大跨度桥梁轨道施工时水袋堆载预压加载横断面示意见图10。

图10 桥梁水袋堆载预压加载横断面示意图

2.3 高烈度地震区轨道设计

根据成灌城际铁路抗震无砟轨道研究成果[6］, 轨道结构在高烈度地震区的设计原则为：小震不坏, 中震可修, 大震可换。地震条件下轨道结构设计时应考虑轨道结构动态响应、轨道结构受力、线下横向错动对轨道结构影响和地震所致底座板与路基相互错动等的影响。以位于西南地区的渝昆高铁为例, 线路规模约700 km, 沿线5 km范围内平均场地条件下地震动峰值加速度为0.05～0.40g。沿线通过Ⅵ度地震区192.70 km, Ⅶ度地震区328.32 km, Ⅷ度地震区172.00 km, Ⅸ度地震区38.00 km[8, 19］, 地震动峰值加速度分布见图11。渝昆高铁采用双块式无砟轨道, 隧道地段轨道道床和桥梁地段轨道底座与线下基础间均已加强连接锚固, 确保了轨道结构与线下基础的整体性和变形协调。为研究路基地段无砟轨道在地震条件下道床板和底座的应力分布以及二者之间的稳定性, 开展了无砟轨道结构地震响应分析及无砟轨道与路基间接触薄弱环节准动态分析[7］。

图11 渝昆高铁地震动峰值加速度分布

无砟轨道结构地震响应分析表明, Ⅸ度地震引起的轨道结构内部附加应力较小, 道床板和底座所受最大拉应力分别为0.229 MPa和0.134 MPa, 均小于混凝土抗拉强度, 轨道结构层间连接有效, 具有很好的整体性, 在线下基础不破坏的情况下, 轨道主体结构不会发生应力破坏。可见即使地震烈度达到Ⅸ度, 轨道结构依然具有较强的地震适应能力。Ⅸ度地震区道床板和底座板拉应力分布见图12。

图12 Ⅸ度地震区道床板和底座板拉应力分布

无砟轨道与路基间接触薄弱环节的准动态分析表明, 在Ⅸ度地震条件下由于地震竖向加速度导致轨道结构减载, 轨道与路基之间的最大摩擦力减小为0.352mg（m为轨道质量,g为重力加速度）, 小于Ⅸ度地震所引起的横向最大惯性力0.4mg, 路基地段无砟轨道底座直接浇筑在路基基床表层上, Ⅸ度地震条件下底座和路基间有滑移错动风险, 从而导致轨道线位发生变化。为此, 提出Ⅸ度地震区路基地段无砟轨道底座底部增设限位凸台以加强轨道稳定性, 限位凸台沿线路方向设置, 尺寸为宽500 mm×深100 mm, 并嵌入路基基床表层。渝昆高铁Ⅸ度地震区路基地段无砟轨道方案见图13。

图13 渝昆高铁Ⅸ度地震区路基地段无砟轨道方案

2.4 高承轨台无砟轨道方案及其打磨技术

我国已积累了丰富的铁路无砟轨道设计、建造及运营的成功经验, 但运营中仍不可避免出现线下基础变形而导致轨道变形, 个别累计上拱变形量达到100 mm, 造成列车限速运行。我国无砟轨道多采用WJ-8扣件系统, 仅有4 mm的向下调整能力, 因此完全无法适应较大的线下基础上拱变形, 若线下基础出现超过调整能力的上拱, 则需要对无砟轨道进行道床锯切或拆除道床重构, 不仅工期长、费用高, 而且对正常运营造成巨大干扰。因此, 研究提出新型高承轨台无砟轨道方案, 该方案维持现有无砟轨道总体方案和施工方式不变, 采用高承轨台轨枕, 加高轨枕道床面以上的承轨台高度, 预留90 mm的可打磨量, 当线下基础出现上拱变形时, 可根据变形量及变形趋势对承轨槽仿形打磨后实现轨道快速恢复。该技术方案适用于线下基础变形不可预见且铺设无砟轨道的新建线路地段。高承轨台无砟轨道方案及承轨槽打磨示意见图14。

图14 高承轨台无砟轨道方案及承轨槽打磨示意图

为应对西南地区铁路线下基础易产生上拱变形而影响正常运营的难题, 研发了无砟轨道承轨台在线打磨技术和装备, 使用该技术可对已建成通车的传统无砟轨道承轨台进行打磨, 为其提供约10 mm的向下调整能力。同时, 若新建线路采用新型高承轨台无砟轨道方案, 则可通过打磨技术提供90 mm的向下调整能力。该打磨技术和装备通过核心铣削装置对承轨槽进行仿形打磨, 以全机械自动化模式工作。经过上线试验验证, 该方案效率高、成本低, 无需断道重构无砟轨道, 最快速度可达50 m/h, 综合整治效率远高于传统无砟轨道整治方法, 可在运营线路天窗时间内对无砟轨道上拱病害点实现快速整治。无砟轨道承轨台在线处理装备作业示意见图15[20］。

图15 无砟轨道承轨台在线处理装备作业示意图

3 结论

针对西南地区铁路特殊地段轨道工程面临的线下基础分布零碎、变形不易控制、特殊大跨度桥梁多、潜在变形风险较大以及高烈度地震区分布广泛等技术难点, 研究论述相应解决方案, 总结如下：

（1）采用道床分块、底座单元（分块）无砟轨道方案代替传统路基地段连续无砟轨道, 能有效适应西南山区铁路路基地段分布零碎、规模性差的特点。

（2）聚氨酯固化道床技术与传统无砟轨道技术相比, 具有更好的弹性、可维修性和梁体大变形适应性；与传统有砟轨道技术相比, 具有更好的稳定性和防止高速行车飞砟性能, 在当前轨道结构技术范畴中其综合技术性能更优, 能有效适应西南地区特殊大跨度桥梁上轨道建设需求。

（3）在特大跨度铁路桥梁轨道施工中, 采用水袋堆载预压技术来模拟轨道恒载加载, 可有效确保特殊大跨度桥梁的轨道线形满足设计要求。

（4）在Ⅸ度地震区, 传统无砟轨道与路基之间存在接触薄弱环节, 地震竖向加速度容易导致轨道结构减载, 轨道与路基之间的最大摩擦力将减小, 且小于Ⅸ度烈度地震所引起的横向最大惯性力, 无砟轨道底座和路基间将出现滑移错动风险, 采取防止滑移错动措施可确保Ⅸ度地震区地震发生时无砟轨道的稳定性。

（5）无砟轨道打磨技术和装备的成功研发, 为解决无砟轨道变形难题提供了一种经济可行的养修方案, 与其配套的高承轨台无砟轨道方案可用于存在变形风险的地段。