姚力, 劉大園, 龐玲, 江萬(wàn)紅

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 土木建筑設(shè)計(jì)研究一院, 四川 成都 610031）

1 影響西南地區(qū)鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素

我國(guó)西南地區(qū)處于歐亞板塊東南緣, 地形條件艱險(xiǎn)復(fù)雜, 山高谷深, 地勢(shì)起伏劇烈；地質(zhì)條件復(fù)雜多樣, 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震活躍；地質(zhì)災(zāi)害頻繁, 類(lèi)型多且分布廣。西南地區(qū)特有的環(huán)境特征和復(fù)雜的建設(shè)條件給鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。在西南地區(qū)鐵路建設(shè)過(guò)程中, 影響軌道工程設(shè)計(jì)的主要因素為艱險(xiǎn)復(fù)雜的地形條件和復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件。

1.1 艱險(xiǎn)復(fù)雜的地形條件

西南地區(qū)地勢(shì)西高東低, 山地、高原、丘陵、盆地均有分布, 大部分地區(qū)地勢(shì)起伏劇烈, 鐵路經(jīng)常穿行于連綿群山和陡峻峽谷之間, 選線時(shí)特別重視地質(zhì)選線、重大工程優(yōu)先選址、環(huán)境選線和工程選線[1-3］, 鐵路沿線橋梁、隧道占比較高, 可達(dá)80%以上。數(shù)量眾多的短路基（平均長(zhǎng)度約為30～100 m）零星分布于橋梁、隧道之間, 造成大量橋梁-路基之間、隧道-路基之間、路基與橫向構(gòu)筑物之間和路堤路塹之間頻繁過(guò)渡。這種橋梁、隧道、路基的交錯(cuò)分布, 給軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（尤其是無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)）帶來(lái)困難, 主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是需分別設(shè)計(jì)橋梁、隧道以及路基地段的無(wú)砟軌道, 路基地段又分級(jí)配碎石路基、硬質(zhì)巖石路基和樁板結(jié)構(gòu)路基等多種形式, 相應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)均需單獨(dú)設(shè)計(jì), 不同軌道間需設(shè)置軌道過(guò)渡段；二是零星分布的短路基, 大多長(zhǎng)度較短、規(guī)模性差, 無(wú)法采用大型攤鋪機(jī)連續(xù)作業(yè), 原路基上CRTS雙塊式連續(xù)無(wú)砟軌道需要調(diào)整。西南地區(qū)鐵路橋梁-隧道-路基分布示意見(jiàn)圖1。

圖1 西南地區(qū)鐵路橋梁-隧道-路基分布示意圖

另外, 因劇烈起伏的地形條件, 西南地區(qū)鐵路經(jīng)常以特殊大跨度橋梁實(shí)現(xiàn)線路跨越河谷地帶[4］, 其中特大拱橋、特大懸索橋、特大斜拉橋、特大組合體系橋比較多見(jiàn), 主跨跨度最長(zhǎng)達(dá)到870 m。特殊大跨度橋梁軌道線型不易控制且梁軌相互作用加大。滬昆高鐵北盤(pán)江特大橋見(jiàn)圖2。

圖2 滬昆高鐵北盤(pán)江特大橋

1.2 復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件

西南地區(qū)活動(dòng)斷裂規(guī)模大、分布密集, 分布有19條活動(dòng)斷裂（帶）, 地震活動(dòng)頻繁、震級(jí)大, 歷史上發(fā)生Ms≥6級(jí)地震189次, 其中西藏、云南、川西現(xiàn)今斷裂構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈, 高烈度地震發(fā)生頻度較高[5-8］。同時(shí), 區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育滑坡、崩塌、巖堆、泥石流、巖溶、采空區(qū)、有害氣體、高烈度地震、活動(dòng)斷裂、高地應(yīng)力、高地溫等工程地質(zhì)問(wèn)題, 容易造成鐵路基礎(chǔ)設(shè)施損毀、變形（沉降、隆起）[9-14］, 軌道線位出現(xiàn)變位, 道床開(kāi)裂、破損、離縫等病害, 影響軌道結(jié)構(gòu)及部件的服役性能和使用壽命, 嚴(yán)重的更是導(dǎo)致行車(chē)中斷。軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí), 既要充分考慮鐵路沿線復(fù)雜的地質(zhì)條件, 又要考慮為施工和養(yǎng)護(hù)維修創(chuàng)造便利條件。高烈度地震導(dǎo)致橋梁地段軌道變形見(jiàn)圖3, 路基地段軌道上拱變形見(jiàn)圖4, 基礎(chǔ)變形上拱導(dǎo)致道床面拉裂見(jiàn)圖5。

圖3 高烈度地震導(dǎo)致橋梁地段軌道變形

圖4 路基地段軌道上拱變形

圖5 基礎(chǔ)變形上拱導(dǎo)致道床面拉裂

綜上所述, 西南地區(qū)鐵路軌道面臨的特殊地段主要包括零星分布的短路基地段、特殊大跨度橋梁、潛在變形風(fēng)險(xiǎn)較大地段以及高烈度地震區(qū)域等。因此, 鐵路軌道（尤其是無(wú)砟軌道）設(shè)計(jì)除應(yīng)遵守《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》外, 還應(yīng)結(jié)合西南地區(qū)特殊地段的地形、地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

2 特殊地段軌道設(shè)計(jì)創(chuàng)新

2.1 短路基地段無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)

針對(duì)西南地區(qū)鐵路短路基眾多、分布零碎的情況, 對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的路基地段CRTS雙塊式無(wú)砟軌道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整, 采用分塊道床板下設(shè)置鋼筋混凝土底座來(lái)代替原連續(xù)道床和支承層的方案, 即“道床分塊、底座單元（分塊）”的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)方案[15］。一般路基地段軌道采用道床分塊、底座單元方案, 道床長(zhǎng)度5～7 m, 底座單元長(zhǎng)度為2～3塊道床板, 底座上設(shè)置限位凹槽, 底座間設(shè)置傳力桿以保持整體性, 設(shè)置20 mm伸縮縫；樁板路基地段軌道采用道床、底座分塊方案, 道床與底座同長(zhǎng)度, 設(shè)置100 mm寬縫。這2種路基地段無(wú)砟軌道方案道床及底座長(zhǎng)度均較短, 無(wú)需大型攤鋪機(jī)施工作業(yè), 養(yǎng)護(hù)維修方便, 能更好地適應(yīng)西南山區(qū)鐵路, 已成功應(yīng)用于滬昆、云桂高鐵等項(xiàng)目, 完全能夠滿足高速鐵路的運(yùn)營(yíng)需求。一般路基地段無(wú)砟軌道方案見(jiàn)圖6, 樁板路基地段無(wú)砟軌道方案見(jiàn)圖7。

圖6 一般路基地段無(wú)砟軌道方案

圖7 樁板路基地段無(wú)砟軌道方案

2.2 特殊大跨度橋梁軌道設(shè)計(jì)

2.2.1 軌道結(jié)構(gòu)

對(duì)于特殊大跨度橋梁, 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視軌道與橋梁間變形協(xié)調(diào)和梁軌相互作用, 重點(diǎn)關(guān)注橋梁在恒載、溫度、徐變等荷載作用下各向變形給軌道帶來(lái)的影響, 軌道結(jié)構(gòu)選型時(shí)應(yīng)綜合考慮軌道對(duì)大跨度橋梁的適應(yīng)性、高速行車(chē)安全性及養(yǎng)護(hù)維修等因素。以滬昆高鐵北盤(pán)江特大橋軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例, 該橋?yàn)橹骺邕_(dá)445 m上承式拱橋, 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)就橋梁墩臺(tái)溫度變形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力、軌道穩(wěn)定性、軌道平順性以及高速行車(chē)安全性等開(kāi)展研究, 最終確定該橋采用聚氨酯固化道床[16-18］方案, 與傳統(tǒng)有砟軌道技術(shù)相比, 聚氨酯固化道床兼?zhèn)溆许能壍篮蜔o(wú)砟軌道的優(yōu)點(diǎn), 既具有良好的整體性和穩(wěn)定性, 又具有良好的彈性、變形協(xié)調(diào)能力和可維修性。為降低工程投資, 減少聚氨酯固化材料用量, 滬昆高鐵北盤(pán)江特大橋聚氨酯固化道床設(shè)計(jì)時(shí), 采用雙梯形聚氨酯固化道床斷面, 即主要對(duì)軌枕承力范圍（約850 mm）的道床道砟進(jìn)行固化。目前該橋聚氨酯固化道床已運(yùn)營(yíng)多年, 使用狀況良好。聚氨酯固化道床示意見(jiàn)圖8, 聚氨酯固化道床施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖9。

圖8 聚氨酯固化道床示意圖

圖9 聚氨酯固化道床施工現(xiàn)場(chǎng)

2.2.2 軌道線形控制

橋上軌道施工期間, 隨著包括軌道在內(nèi)的恒載逐步上橋, 將引起橋梁豎向撓曲變形, 從而對(duì)CPⅢ控制網(wǎng)的測(cè)試及軌道精調(diào)帶來(lái)影響, 尤其是較大跨度橋梁軌道施工時(shí)更為敏感, 需充分重視。為保證軌道線形滿足要求, 最好的辦法就是保持橋上恒載穩(wěn)定, 為此采用前期水袋堆載預(yù)壓技術(shù)措施來(lái)模擬軌道恒載加載, 施工過(guò)程中隨著軌道恒載的逐步加載, 通過(guò)精確控制水袋的水量來(lái)保持梁體承受恒載穩(wěn)定, 以實(shí)現(xiàn)軌道施工過(guò)程中軌道線形穩(wěn)定。該水袋堆載預(yù)壓技術(shù)已在滬昆高鐵等多個(gè)特殊大跨度橋梁的軌道施工中得到推廣應(yīng)用, 確保了特殊大跨度橋梁的軌道線形滿足設(shè)計(jì)要求。特殊大跨度橋梁軌道施工時(shí)水袋堆載預(yù)壓加載橫斷面示意見(jiàn)圖10。

圖10 橋梁水袋堆載預(yù)壓加載橫斷面示意圖

2.3 高烈度地震區(qū)軌道設(shè)計(jì)

根據(jù)成灌城際鐵路抗震無(wú)砟軌道研究成果[6］, 軌道結(jié)構(gòu)在高烈度地震區(qū)的設(shè)計(jì)原則為：小震不壞, 中震可修, 大震可換。地震條件下軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)、軌道結(jié)構(gòu)受力、線下橫向錯(cuò)動(dòng)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響和地震所致底座板與路基相互錯(cuò)動(dòng)等的影響。以位于西南地區(qū)的渝昆高鐵為例, 線路規(guī)模約700 km, 沿線5 km范圍內(nèi)平均場(chǎng)地條件下地震動(dòng)峰值加速度為0.05～0.40g。沿線通過(guò)Ⅵ度地震區(qū)192.70 km, Ⅶ度地震區(qū)328.32 km, Ⅷ度地震區(qū)172.00 km, Ⅸ度地震區(qū)38.00 km[8, 19］, 地震動(dòng)峰值加速度分布見(jiàn)圖11。渝昆高鐵采用雙塊式無(wú)砟軌道, 隧道地段軌道道床和橋梁地段軌道底座與線下基礎(chǔ)間均已加強(qiáng)連接錨固, 確保了軌道結(jié)構(gòu)與線下基礎(chǔ)的整體性和變形協(xié)調(diào)。為研究路基地段無(wú)砟軌道在地震條件下道床板和底座的應(yīng)力分布以及二者之間的穩(wěn)定性, 開(kāi)展了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析及無(wú)砟軌道與路基間接觸薄弱環(huán)節(jié)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析[7］。

圖11 渝昆高鐵地震動(dòng)峰值加速度分布

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析表明, Ⅸ度地震引起的軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部附加應(yīng)力較小, 道床板和底座所受最大拉應(yīng)力分別為0.229 MPa和0.134 MPa, 均小于混凝土抗拉強(qiáng)度, 軌道結(jié)構(gòu)層間連接有效, 具有很好的整體性, 在線下基礎(chǔ)不破壞的情況下, 軌道主體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生應(yīng)力破壞?？梢?jiàn)即使地震烈度達(dá)到Ⅸ度, 軌道結(jié)構(gòu)依然具有較強(qiáng)的地震適應(yīng)能力。Ⅸ度地震區(qū)道床板和底座板拉應(yīng)力分布見(jiàn)圖12。

圖12 Ⅸ度地震區(qū)道床板和底座板拉應(yīng)力分布

無(wú)砟軌道與路基間接觸薄弱環(huán)節(jié)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析表明, 在Ⅸ度地震條件下由于地震豎向加速度導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)減載, 軌道與路基之間的最大摩擦力減小為0.352mg（m為軌道質(zhì)量,g為重力加速度）, 小于Ⅸ度地震所引起的橫向最大慣性力0.4mg, 路基地段無(wú)砟軌道底座直接澆筑在路基基床表層上, Ⅸ度地震條件下底座和路基間有滑移錯(cuò)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn), 從而導(dǎo)致軌道線位發(fā)生變化。為此, 提出Ⅸ度地震區(qū)路基地段無(wú)砟軌道底座底部增設(shè)限位凸臺(tái)以加強(qiáng)軌道穩(wěn)定性, 限位凸臺(tái)沿線路方向設(shè)置, 尺寸為寬500 mm×深100 mm, 并嵌入路基基床表層。渝昆高鐵Ⅸ度地震區(qū)路基地段無(wú)砟軌道方案見(jiàn)圖13。

圖13 渝昆高鐵Ⅸ度地震區(qū)路基地段無(wú)砟軌道方案

2.4 高承軌臺(tái)無(wú)砟軌道方案及其打磨技術(shù)

我國(guó)已積累了豐富的鐵路無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)的成功經(jīng)驗(yàn), 但運(yùn)營(yíng)中仍不可避免出現(xiàn)線下基礎(chǔ)變形而導(dǎo)致軌道變形, 個(gè)別累計(jì)上拱變形量達(dá)到100 mm, 造成列車(chē)限速運(yùn)行。我國(guó)無(wú)砟軌道多采用WJ-8扣件系統(tǒng), 僅有4 mm的向下調(diào)整能力, 因此完全無(wú)法適應(yīng)較大的線下基礎(chǔ)上拱變形, 若線下基礎(chǔ)出現(xiàn)超過(guò)調(diào)整能力的上拱, 則需要對(duì)無(wú)砟軌道進(jìn)行道床鋸切或拆除道床重構(gòu), 不僅工期長(zhǎng)、費(fèi)用高, 而且對(duì)正常運(yùn)營(yíng)造成巨大干擾。因此, 研究提出新型高承軌臺(tái)無(wú)砟軌道方案, 該方案維持現(xiàn)有無(wú)砟軌道總體方案和施工方式不變, 采用高承軌臺(tái)軌枕, 加高軌枕道床面以上的承軌臺(tái)高度, 預(yù)留90 mm的可打磨量, 當(dāng)線下基礎(chǔ)出現(xiàn)上拱變形時(shí), 可根據(jù)變形量及變形趨勢(shì)對(duì)承軌槽仿形打磨后實(shí)現(xiàn)軌道快速恢復(fù)。該技術(shù)方案適用于線下基礎(chǔ)變形不可預(yù)見(jiàn)且鋪設(shè)無(wú)砟軌道的新建線路地段。高承軌臺(tái)無(wú)砟軌道方案及承軌槽打磨示意見(jiàn)圖14。

圖14 高承軌臺(tái)無(wú)砟軌道方案及承軌槽打磨示意圖

為應(yīng)對(duì)西南地區(qū)鐵路線下基礎(chǔ)易產(chǎn)生上拱變形而影響正常運(yùn)營(yíng)的難題, 研發(fā)了無(wú)砟軌道承軌臺(tái)在線打磨技術(shù)和裝備, 使用該技術(shù)可對(duì)已建成通車(chē)的傳統(tǒng)無(wú)砟軌道承軌臺(tái)進(jìn)行打磨, 為其提供約10 mm的向下調(diào)整能力。同時(shí), 若新建線路采用新型高承軌臺(tái)無(wú)砟軌道方案, 則可通過(guò)打磨技術(shù)提供90 mm的向下調(diào)整能力。該打磨技術(shù)和裝備通過(guò)核心銑削裝置對(duì)承軌槽進(jìn)行仿形打磨, 以全機(jī)械自動(dòng)化模式工作。經(jīng)過(guò)上線試驗(yàn)驗(yàn)證, 該方案效率高、成本低, 無(wú)需斷道重構(gòu)無(wú)砟軌道, 最快速度可達(dá)50 m/h, 綜合整治效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)無(wú)砟軌道整治方法, 可在運(yùn)營(yíng)線路天窗時(shí)間內(nèi)對(duì)無(wú)砟軌道上拱病害點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速整治。無(wú)砟軌道承軌臺(tái)在線處理裝備作業(yè)示意見(jiàn)圖15[20］。

圖15 無(wú)砟軌道承軌臺(tái)在線處理裝備作業(yè)示意圖

3 結(jié)論

針對(duì)西南地區(qū)鐵路特殊地段軌道工程面臨的線下基礎(chǔ)分布零碎、變形不易控制、特殊大跨度橋梁多、潛在變形風(fēng)險(xiǎn)較大以及高烈度地震區(qū)分布廣泛等技術(shù)難點(diǎn), 研究論述相應(yīng)解決方案, 總結(jié)如下：

（1）采用道床分塊、底座單元（分塊）無(wú)砟軌道方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)路基地段連續(xù)無(wú)砟軌道, 能有效適應(yīng)西南山區(qū)鐵路路基地段分布零碎、規(guī)模性差的特點(diǎn)。

（2）聚氨酯固化道床技術(shù)與傳統(tǒng)無(wú)砟軌道技術(shù)相比, 具有更好的彈性、可維修性和梁體大變形適應(yīng)性；與傳統(tǒng)有砟軌道技術(shù)相比, 具有更好的穩(wěn)定性和防止高速行車(chē)飛砟性能, 在當(dāng)前軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)范疇中其綜合技術(shù)性能更優(yōu), 能有效適應(yīng)西南地區(qū)特殊大跨度橋梁上軌道建設(shè)需求。

（3）在特大跨度鐵路橋梁軌道施工中, 采用水袋堆載預(yù)壓技術(shù)來(lái)模擬軌道恒載加載, 可有效確保特殊大跨度橋梁的軌道線形滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）在Ⅸ度地震區(qū), 傳統(tǒng)無(wú)砟軌道與路基之間存在接觸薄弱環(huán)節(jié), 地震豎向加速度容易導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)減載, 軌道與路基之間的最大摩擦力將減小, 且小于Ⅸ度烈度地震所引起的橫向最大慣性力, 無(wú)砟軌道底座和路基間將出現(xiàn)滑移錯(cuò)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn), 采取防止滑移錯(cuò)動(dòng)措施可確保Ⅸ度地震區(qū)地震發(fā)生時(shí)無(wú)砟軌道的穩(wěn)定性。

（5）無(wú)砟軌道打磨技術(shù)和裝備的成功研發(fā), 為解決無(wú)砟軌道變形難題提供了一種經(jīng)濟(jì)可行的養(yǎng)修方案, 與其配套的高承軌臺(tái)無(wú)砟軌道方案可用于存在變形風(fēng)險(xiǎn)的地段。