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高速铁路轨道工程设计研究

学术杂志网   |   2020-09-22

摘要:本文针对山区高速铁路的特点,结合山区高速铁路工程设计、施工及运营状况,综合介绍了轨道工程在山区高速铁路设计中需重点思考的轨道结构选型、无缝线路设计、轨道变形控制技术及梁端结构设计等问题.针对上述问题,提出对应的技术解决方案,对山区高墩大跨桥的无缝线路设计、轨道平顺性及梁端轨道设计等给出了最新研究成果及设计建议,以期为山区高速铁路轨道工程设计提供参考。

关键词:高速铁路;无砟轨道;无缝线路

随着高速铁路的建设,山区高速铁路得到相应发展,近年来多条山区高速铁路(沪昆、云桂、贵广、成渝、西成、成贵等)相继开通。复杂山区地形艰险、气象多变、地质复杂、地质结构复杂、地应力较大(岩溶发育、断层较多),线下基础变形(沉降、隆起)不易控制,线下基础结构形式变化频繁,桥梁高墩大跨较多,而高速铁路对安全性、平顺性、稳定性和耐久性的要求较高,为山区高速铁路轨道设计带来新的挑战。本文根据近年来山区高速铁路无砟轨道设计、施工及运营状况,对山区无砟轨道的设计理念进行了深入的探讨与思考。

1轨道选型与设计

近几年,我国铁路在学习、消化、吸收世界高速铁路先进技术的基础上,系统总结了多年来中国客运专线工程技术、科研试验成果,形成了适合中国国情、路情的高速铁路自主技术体系。无砟轨道类型主要有CRTSI型双块式无砟轨道,CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道,各类型无砟轨道经过运营的考验,各有特点,但均能满足高速铁路无砟轨道的运营需求。轨道板采用工厂预制,容易获得高精度和高质量,但双块式无砟轨道具有结构的高度整体性,同时又具有对有砟轨道结构概念的良好继承性,使之对复杂艰险山区高速铁路具有较好的适应性。考虑到山区地形起伏大、物流条件差、线下基础结构形式变化频繁等特点,山区高速铁路无砟轨道应选用双块式无砟轨道。但在轨道结构设计方面,结合山区地质复杂、地应力较大,线下基础变形不易控制、线下基础结构形式变化频繁等特点,应在通用图的基础上,对双块式无砟轨道进行优化设计。

1.1路基地段双块式无砟轨道

德国高速铁路路基地段轨道结构采用连续结构,其最大的优点是路基地段无砟轨道支承层可采用水硬性支承层代替钢筋混凝土结构,降低轨道工程造价;另外一方面,路基地段德国无砟轨道设计理念借鉴了高速公路从路面到路基刚度递减的设计理念,而高速公路路面与下部路基结构之间即敷设了一层水硬性材料[1]。我国高速铁路采用的双块式无砟轨道沿用了这一理念,在路基地段采用连续结构和支承层。考虑到山区铁路桥隧比重大、线下基础结构形式变化频繁,且存在大量的短路基,有些短路基地段采用刚性基础,故采用大型摊铺机摊铺支承层是不实际的,也是不经济的。同时,在刚性路基地段采用支承层也不满足从路面到路基刚度递减的设计理念,故采用连续支承层、连续道床板的标准双块式无砟轨道不适合山区高速铁路。因此,山区铁路铺设双块式无砟轨道时,应采用带钢筋混凝土底座的双块式无砟轨道。钢筋混凝土底座采用分块浇筑,在伸缩缝处设置传力钢筋或剪力铰以增强底座的连续性和整体性。路基地段双块式无砟轨道结构典型断面如图1所示。

1.2隧道地段双块式无砟轨道

隧道地段双块式无砟轨道由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、连续道床板等组成,仅在洞口范围及隧道变形缝处设置道床伸缩缝。通常认为隧道基础稳定,整体性好,有利于铺设无砟轨道,但无砟轨道铺设运营后局部出现了一些病害,主要表现为道床与基底剥离、浸水,道床开裂,列车运营时出现道床板拍打、翻浆冒泥等,给运营及维护带来了困扰。考虑到山区高速铁路隧道穿越区域受地震、活动断裂、大变形、岩溶、地下水、极高地应力等不良地质的影响,当基础发生变形时,不可避免地影响轨道结构的整体性,从减缓基础变形对轨道结构的影响角度出发,山区高速铁路隧道地段不适宜采用连续结构,而应采用“道床分块、加强连接”的设计方案,或者为了维修方便,采用“道床分块、道床与基础隔离”的设计方案。采用隔离层将道床与基础隔离时,可减缓列车的冲击作用。此外,在有水环境中,减小动水压力,消除翻浆,同时轨道结构容易更换,便于维修,隧道地段双块式无砟轨道横断面如图2所示。

2高墩大跨桥梁桥上无缝线路设计

西南艰险山区,地形复杂、山高谷深,在该区域修建铁路,不可避免地需要跨越深沟深谷,采用大量的大跨超高墩桥梁。同时受线路技术标准制约,为绕避地形控制点,不可避免地将采用高墩、大跨结构桥梁。对高墩大跨桥上无缝线路不仅需要考虑伸缩、挠曲、制动及断轨工况,还应该考虑由于风载、桥墩的升温、桥墩的纵横向温度梯度荷载及基础的沉降等特殊荷载对桥上无缝线路的影响。但我国高墩大跨桥梁及特殊桥梁桥上无缝线路的设计方法仍然依照TB10015-2012《铁路无缝线路设计规范》进行相关设计,但规范中未对高墩大跨桥梁以及特殊桥梁所遇到的特殊荷载、特殊变形等内容进行全面的考虑。为此,中铁二院工程集团有限责任公司承担的中国铁路总公司2012年度的科研项目“高墩大跨桥梁桥上无缝线路技术深化研究”对高墩大跨桥上无缝线路技术进行了深化研究,重点对桥上无缝线路的设计与检算方法、部分关键参数合理取值、特殊桥梁桥上梁轨相互作用计算方法等进行了深入研究,得出如下指导意见。

2.1风荷载作用

(1)沿线路方向风荷载的存在会使梁体的温度变化幅度降低,但高墩大跨桥上无缝线路在梁体温度变化、纵向风荷载以及桥墩纵向温差荷载作用下的钢轨受力等计算结果与不考虑纵向风荷载的计算结果相差不大,因此对于高墩大跨桥上无缝线路的设计及检算建议不考虑纵向风荷载的影响。(2)垂直线路方向的风荷载会造成线路的轨向不平顺,但高墩大跨桥上无缝线路在横风荷载及桥墩横向温差荷载下的耦合计算结果表明,耦合作用下的钢轨横向变形及产生的轨向不平顺大于任何一种荷载单独计算的结果,但是在满足制动工况检算要求时,不需要对其进行检算。

2.2温度荷载作用

主要包括桥墩整体温度变化及桥墩纵横向温度梯度的作用对桥上无缝线路的影响。(1)桥墩整体温度变化对轨道强度影响较小,且引起的线路竖向不平顺为长波不平顺,其是否超限还与桥梁各跨的跨度以及相邻桥墩的高度差有关。(2)高墩大跨桥梁桥墩纵向温度差对桥上无缝线路纵向受力影响较大,由于线路阻力的非线性,桥墩纵向温差荷载与梁体温度荷载耦合计算时,钢轨纵向力增加幅度远小于单独桥墩纵向温差作用时的结果。此外,研究表明,随着桥墩纵向水平线刚度的增加,桥墩温差引起的钢轨附加力增大,钢轨附加力随着简支梁跨数的增加而增大,但逐渐变缓,建议对超过18跨的多跨简支梁桥只按18跨计算[2]。(3)当桥墩横向温度差采用德国规范规定的5℃以及推荐的温度荷载梯度时,在桥墩刚度满足制动工况检算要求时,可以不需要考虑桥墩横向温差对高墩大跨桥上无缝线路的影响,但是当桥墩横向温度差大于10℃时,高墩大跨桥上无缝线路会出现长波不平顺超限。

2.3桥墩沉降作用

TB10621-2014《高速铁路设计规范》的规定,对于桥上无砟轨道,墩台均匀沉降不得超过20mm,相邻墩台沉降差不得超过5mm。主要考虑桥墩的不均匀沉降、均匀沉降以及桥墩的纵、横向偏转对高墩大跨桥上无缝线路的受力的影响。考虑各因素的综合作用后,前三项作用下对钢轨受力和变形有所增加,但影响不大,其中桥墩均匀沉降主要对无缝线路的高低不平顺产生影响,其长波不平顺是否超限与桥梁各跨的跨度有关,横向偏转角对钢轨受力的影响比较小,但是其对轨向不平顺的影响比较大,轨向不平顺主要仍然为长波不平顺,并且容易超限。

2.4伸缩调节器的布置

大跨度桥梁无缝线路设计,为减少钢轨伸缩调节器的数量,首先可考虑设置小阻力扣件,以降低钢轨和墩台上的纵向力及梁轨相对位移。当在连续梁一端设置伸缩调节器时,钢轨调节器的位置应进行方案比选,既要满足轨道结构要求,亦不能使墩台受力过大。(1)由于钢轨伸缩调节器是轨道的薄弱环节,存在固有的结构不平顺,运营中较难保持其线型,行车平稳性较差,养护维修工作量较大,为满足高速列车高平顺、高平稳的运营要求,应尽量避免布置在轮轨动力作用较大的线路平纵断面处,应尽可能布置在平坡、直线地段,不宜设置在圆曲线、竖曲线、大坡道、缓和曲线上,也不应设置在不同轨下构筑物和轨道结构过渡段上。因此,在长大连续梁桥的线路设计中应充分考虑到伸缩调节器的铺设要求,轨道、桥梁、线路专业应从系统工程的角度协同设计[3]。(2)在连续梁温度跨度较大侧的梁端设置一组单向钢轨伸缩调节器,尖轨位于连续梁上,基本轨位于简支梁上,基本轨一侧伸缩区范围内设置小阻力扣件,这是我国及UIC规范中最常见的钢轨伸缩调节器设置方法。但实际应用中发现在基本轨一端采用小阻力扣件时,在梁轨相互作用下,小阻力扣件地段钢轨易出现线路横向臌包,故在基本轨一侧仍采用常阻力扣件。此外,在设计中考虑连续梁地段一般采用小阻力扣件以减缓梁轨相互作用,而大跨桥梁需设置伸缩调节器时,易忽略尖轨一端应采用常阻力扣件,而仍采用小阻力扣件,导致现场伸缩调节器尖轨地段轨距不易保持,从而增大了养护维修工作量。(3)钢轨伸缩调节器的焊接接头距离梁端宜在2m以上,且应尽可能位于枕中,以保证基本轨伸缩时焊接接头不能受到小阻力扣件的阻挡,必要时需对钢轨轨头及轨腰的焊接接头进行打磨处理。考虑到大跨桥梁梁端伸缩较大,为避免桥梁伸缩导致焊接接头受阻,伸缩调节器位于梁端时应将基本轨加长将接头置于连续梁相邻的简支梁上。近年来,根据现场使用需求,相关单位对西成客专使用的伸缩调节器和客货共线用伸缩调节器(研线TF9912(14)PS)的基本轨进行了优化设计,可将基本轨跨越梁缝设置在相邻简支梁上。

2.5坡度对无缝线路的影响

当高墩大跨桥梁位于坡道上时,还应限制坡道的大小,以减小桥梁变形对桥上无缝线路正常服役性能的影响,其中坡度限值与桥跨、墩高、风压以及温度等相关。文献[4]通过建立坡度桥梁扣件受力分析计算的有限元模型,研究了连续桥梁位于坡度上时梁体坡度、梁体温度变化、桥梁温度跨度以及相邻简支梁桥固定支座布设位置对梁端扣件受力的影响,基于线路运行条件下可能发生的不利荷载组合,从扣件受力角度出发,确定了不同墩高、不同温度跨度连续梁桥适应的坡度限值,如表1所示。由表1计算结果可知,为满足梁端扣件受力的要求,连续梁桥适应的最大坡度值随着墩高、温度跨度的增加而逐渐降低,当温度跨度大于124m时,最大坡度允许值均不超过10‰,因此会因梁端扣件受力超限而影响山区大跨桥梁的使用。

3大跨桥梁主跨竖向变形对轨道平顺性的影响

3.1桥梁预拱度对有砟轨道平顺性的影响

为确保行车的平顺性,大跨桥梁设计时一般需设置预拱度以消除恒载和活载造成的挠度。由于受实际情况比如设计荷载和运营荷载的差异、有砟轨道恒载取值等的影响,轨道精调时由于桥梁预拱度的存在,部分地段存在道砟厚度不够,影响轨道的质量,在轨道铺设中需进行调整。渝利铁路韩家沱长江特大桥主跨432m,其上拱度最大达到272.3mm,轨道铺设时采用线路设计轨面标高+对应点的桥梁上拱度,并结合轨道动态检测数据对轨道线型进行调整,解决了大拱度桥梁铺轨线型、道砟厚度不足等问题;渝贵铁路新白沙沱长江特大桥主跨432m,其上拱度最大达到300mm,轨道精调时按照实测梁面高程,在满足道砟厚度的前提下对线路轨面坡度进行了拟合,并结合轨道动态检测数据对轨道线型进行调整,使轨道的几何状态满足动态平顺性的要求[6]。

3.2桥梁竖向变形对无砟轨道平顺性的影响[7]

大跨桥梁上铺设无砟轨道时,由于预应力混凝土连续梁-拱结构,对温度作用较敏感,故轨道精调时需考虑温度和收缩徐变的作用对轨道高低不平顺的影响。成渝铁路资阳沱江特大桥主跨为180m的预应力混凝土连续梁-拱结构,无砟轨道施工完成时轨道静态不平顺较为明显,10m弦长和30m、300m基线长的静态高低不平顺均超过静态验收标准,精调后轨道线形满足静态验收标准,但主跨在温度和收缩徐变荷载下的变形,对轨道的状态影响较大,现场三次精调前轨道初始线形偏差较大,精调后轨道线形满足静态验收标准,但每次精调前与前一次精调后的线形变化较大。为深入了解桥梁竖向变形对轨道平顺性的影响,为线路维护提供依据,桥梁和轨道专业联合开展了相关计算分析,分析结果表明[5]:(1)桥梁整体温度变化对轨道线形影响较小,日照升温引起拱肋和主梁温差引起的主梁竖向变形相对最大;(2)无砟轨道精调后最不利温度荷载组合作用下,轨道理论不平顺值仍满足规范要求,线形符合静态验收标准;(3)桥梁在收缩徐变荷载作用下的变形在运营初期对轨面高程影响较大,但影响逐年减小并趋于稳定,温度荷载与收缩徐变共同作用下轨道理论300m长波不平顺值可能超限,但通过轨道精调可以有效消除收缩徐变的影响。此外,在山区修建无砟轨道时桥梁墩台的高度差较大,轨道精调时还应考虑在温度荷载下,桥梁墩台的高差会引起梁体的变形对轨道平顺性的影响。贵广铁路莫家寨双线特大桥相邻墩高差41m,桥所处位置1月份的平均气温为6℃,7月份平均气温为26℃,桥梁设计温差20℃。在20℃温差温度效应下相邻墩台最大竖向位移差为8.2mm,由位移差导致的轨道长波不平顺为12.95mm,超过了300m基线长10mm允许值。为降低温度荷载下墩台高差的位移差对轨道长波不平顺的影响,宜选择在月平均气温的时间段对轨道进行精调,以降低精调后的相对变形量,满足气温变化时,墩台的差异变形对轨道的长波不平顺影响较小,减少现场精调工作量。

4梁端轨道结构设计

由于桥梁跨度大、挠度大、梁端转角大,加之大梁缝、钢轨的线性控制等方面的原因,需重点关注扣件上拔力计算、大梁缝处轨道结构设计以确保轨道结构的稳定性。上拔力计算时,应充分考虑影响梁端轨道结构受力的荷载的综合作用。根据计算分析结果,选择满足扣件上拔力要求的扣件系统,确保扣件处于正常的工作状态。大梁缝处轨道结构设计随梁缝的大小和轨道结构形式的不同而不同,武广线在梁端最大扣件节点间距不超过725mm时,采用底座悬臂最大长度80mm的设计方案,当梁缝处扣件间距超过725mm时,采用在梁缝处设搭梁的方案。成绵乐铁路,成渝铁路及贵广铁路设计中均对大跨桥梁梁端扣件上拔力进行了计算分析,选择满足要求的扣件;梁缝处扣件间距针对不同的梁缝,采取将底座悬出的设计方案,且最大悬出长度按不超过60mm,将扣件间距控制在650mm以内[8-9]。此外,考虑到大跨桥梁梁端伸缩变形大,梁轨相互作用大,为提高轨道结构在梁轨相互作用下的抗破坏能力,成绵乐铁路在CRTSⅠ型板式无砟轨道地段对连续梁梁端底座与凸台配筋进行了加强设计,对于隔离层式无砟轨道,在大跨桥梁梁端建议加强底座与梁面的连接,同时加强底座内钢筋布置或者底座内增设限位凹槽,以增强底座的纵向承载能力。5结束语针对山区铁路的线路特点,结合近年来山区高速铁路无砟轨道设计、施工及运营状况,本文着重探讨了山区高速铁路轨道选型与设计,大跨桥梁无缝线路设计、大跨桥梁主跨变形对轨道平顺性的影响以及梁端轨道结构加强设计,对山区高速铁路轨道结构设计有了更加深刻地认识,主要结论如下:(1)复杂艰险山区高速铁路采用无砟轨道时宜优先采用双块式无砟轨道。(2)复杂艰险山区高速铁路无砟轨道应坚持单元设计理念,合理确定轨道结构型式。(3)掌握高墩大跨桥梁桥上无缝线路一般规律,优化大跨桥上无缝线路设计。(4)设计中桥梁和轨道专业应加强协同设计,及时采取措施消除桥梁变形对轨道平顺性的影响。(5)加强大跨桥梁梁端轨道结构设计,增强轨道结构的承载能力。

作者:田春香 李粮余 熊维 单位:中铁二院工程集团有限责任公司

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