適應復雜山區(qū)高速鐵路隧道變形的高承軌臺雙塊式無砟軌道設計研究

楊宇栓,楊榮山,黃嘉奇,李 瑩,蘇乾坤,曹世豪

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031；3.河南工業(yè)大學土木工程學院,鄭州 450001)

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展和“西部開發(fā)”戰(zhàn)略的不斷推進，高速鐵路路網(wǎng)逐步向西部山區(qū)拓展[1]，截止2020年底，全國高鐵營業(yè)里程已達3.80萬km[2]，其中復雜山區(qū)高速鐵路已建成約0.7萬km(占比18.4%)，在建和近期規(guī)劃約0.8萬km。由于復雜山區(qū)地形高差大，通常隧道占比較高[3]，如貴廣、成貴、川藏等眾多線路中隧道占比均超過50%，甚者高達70%以上[4-6]。無砟軌道由于其剛度均勻性好、耐久性強、維修量少等特點，在長度超過1 km隧道及隧道群地段一般都采用無砟軌道[7]。相比于其他無砟軌道，雙塊式無砟軌道以其適應性強、穩(wěn)定性高、造價低等優(yōu)點成為了我國復雜山區(qū)隧道內(nèi)主要鋪設的無砟軌道形式[8-10]。然而受水壓、高地應力、頻繁地質(zhì)活動等因素影響，由隧道基礎上拱引發(fā)的無砟軌道變形已成為隧道內(nèi)無砟軌道的主要病害之一，當上拱變形量超過扣件調(diào)整范圍時，將影響鐵路運營的平穩(wěn)性、舒適性和安全性。

對于復雜山區(qū)隧道而言，軟弱圍巖與高地應力交互作用、地下水動荷載反復作用、膨脹性黏土礦物在物化綜合作用下引發(fā)的體積膨脹和應力變化是導致隧道仰拱隆起的關(guān)鍵因素。目前，主要通過對拱腳及拱墻設置錨桿、注漿進行加固處理，若病害進一步發(fā)展，則需換置仰拱[11-13]。當隆起引發(fā)的無砟軌道變形較小時，可通過扣件進行調(diào)整，對于基礎變形較大的問題，相關(guān)學者開展了大量研究，歐陽旋宇[14]針對高天隧道水害造成的雙塊式無砟軌道上拱病害，提出了排水降壓、注漿加固的整治方法，并通過現(xiàn)場實測、調(diào)研和數(shù)值模擬共同驗證了該整治方法的有效性；肖廣智[15]提出了“泄水降壓、底部加固、水流歸槽”的整治方案，成功解決了向莆鐵路雪峰山隧道內(nèi)道床板上拱現(xiàn)象，整治效果良好；李奎等[16]通過人工及自動監(jiān)測相結(jié)合的研究方法，基于監(jiān)測結(jié)果對道床隆起的病因進行了分析，提出了明洞耳墻底注漿、洞外錨固樁、道床錨桿等解決措施，改善效果明顯；王云杰[17]通過現(xiàn)場鉆探、調(diào)查等方法對黃土隧道洞口段軌道板上拱現(xiàn)象進行了分析，提出了旋噴樁加固+疏流排水的整治手段，有效控制了軌道板的上拱變形；李強[18]針對隧道內(nèi)I型雙塊式無砟軌道上拱現(xiàn)象，基于現(xiàn)場實測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)仰拱及填充厚度不足、隧底積水為主要病因，隨后采用分段拆換仰拱、填充及支承層+現(xiàn)澆道床板的方式，實現(xiàn)病害的徹底整治。可見，對于無砟軌道基礎上拱問題，主要通過扣件調(diào)整解決，一旦上拱變形較大，則需中斷線路，拆換、加固、重構(gòu)軌道或隧底結(jié)構(gòu)，其施工難度大、耗時長，無法在短時間內(nèi)完成整治作業(yè)。

目前，扣件的一般調(diào)高量為(-4，+26) mm，當隧道發(fā)生上拱病害時，軌道的下調(diào)量有限，基于此，本文提出了打磨軌枕承軌臺的調(diào)整方法來降低軌道結(jié)構(gòu)的垂向高度的方案，并利用ANSYS有限元分析軟件，以優(yōu)化設計后的高承軌臺雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)為研究對象，建立了隧道內(nèi)高承軌臺雙塊式無砟軌道有限元分析模型，探討了結(jié)構(gòu)合理調(diào)整量，分析了在調(diào)整范圍內(nèi)高承軌臺雙塊式軌枕的靜力學特性，為復雜山區(qū)隧道內(nèi)無砟軌道上拱病害的整治提供參考。

1 高承軌臺雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)設計概況

1.1 結(jié)構(gòu)幾何尺寸及構(gòu)造

高承軌臺雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要由CNH60鋼軌、WJ-8扣件、高承軌臺雙塊式軌枕、道床板組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高承軌臺雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)(單位： mm)

高承軌臺式軌枕塊尺寸為800 mm(長)×280 mm(寬)×274 mm(高)，通過桁架鋼筋和加固鋼管共同連接，保證軌距并增強軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性；道床板尺寸為2 800 mm(寬)×300 mm(高)，采用現(xiàn)澆施工方式，直接澆筑在仰拱回填層上。

當線下基礎變形引發(fā)軌道結(jié)構(gòu)上拱，且變形較小時，為使軌道結(jié)構(gòu)恢復至原設計高程，優(yōu)先采用扣件對其進行調(diào)整，扣件最大下調(diào)量為4 mm[19]；當扣件調(diào)整量不足時，采取打磨承軌臺的方式向下進行調(diào)整：根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)實際上拱變形量，確定打磨厚度，沿承軌臺輪廓形狀平行向下進行打磨，必要時可打磨至CRTSⅠ型雙塊式承軌臺高度，即本軌道結(jié)構(gòu)最大垂向調(diào)整量為90 mm，如圖2中紅色虛線所示。

圖2 軌枕調(diào)整、打磨細部構(gòu)造(單位：mm)

1.2 軌枕內(nèi)部配筋設計

縱向(軌枕長度方向)選用2根有效直徑為22 mm的HRB400鋼筋；箍筋設計成網(wǎng)片狀，采用φ7 mm帶肋鋼筋，根數(shù)為6根，強度等級為CRB550，簡稱為鋼筋網(wǎng)片；套管四周的螺旋筋為φ3 mm的低碳冷拔鋼絲。如圖3所示。

圖3 高承軌臺雙塊式軌枕內(nèi)部配筋

2 合理調(diào)整量的取值與驗證

2.1 計算模型

為確定軌道結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整量和高承軌臺雙塊式軌枕靜力學特性，根據(jù)高承軌臺雙塊式無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點和受力特征，按前述設計尺寸，建立了考慮軌枕實際輪廓及枕上結(jié)構(gòu)的計算模型，如圖4所示，模型中涉及相關(guān)參數(shù)見表1。

圖4 高承軌臺雙塊式無砟軌道計算模型

表1 高承軌臺雙塊式無砟軌道計算參數(shù)

模型中鋼軌、扣件、螺旋道釘、預埋套管、軌下膠墊、軌枕、道床板均采用實體單元，遠處鋼軌采用梁單元，并通過耦合、約束方程與實體鋼軌進行連接，以傳遞位移及彎矩。螺栓通過設置預緊單元加載預緊力[20]；在不影響扣件以下部件力學性能的前提下，對扣件進行了一定的簡化，便于網(wǎng)格劃分，并考慮扣件與周圍結(jié)構(gòu)的接觸關(guān)系。

2.2 軌枕擋肩及承軌臺受力分析

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)研資料統(tǒng)計[21]，在實際運營過程中，雙塊式軌枕擋肩、承軌臺開裂現(xiàn)象時有發(fā)生，當裂縫發(fā)展嚴重時，將影響行車的安全性。考慮高承軌臺雙塊式軌枕擋肩、承軌臺為軌道結(jié)構(gòu)承載不利位置，并按疲勞檢算荷載對承軌臺、擋肩的受力進行檢算。列車軸重取17 t，考慮列車垂、橫向荷載，其中列車垂向荷載動載系數(shù)取1.5，橫向荷載動載系數(shù)取0.4[7]，參考目前隧道內(nèi)無砟軌道上拱變形實際情況[18，22]，結(jié)合高承軌臺雙塊式軌枕實際厚度，取垂向調(diào)整量分析范圍為0～90 mm，承軌臺頂面第一主應力、擋肩剪應力云圖以及隨調(diào)整量變化關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 承軌臺、擋肩應力云圖

圖6 承軌臺、擋肩應力隨調(diào)整量的變化關(guān)系

由圖5、圖6可知，承軌臺頂面最大壓應力分布在軌下墊板支承處一側(cè)，調(diào)整分析范圍取0～90 mm時，承軌臺壓應力與調(diào)整量呈正相關(guān)變化趨勢，應力增大22.7%，其極大值為3.51 MPa，遠小于C60混凝土的抗壓強度設計值27.5 MPa；擋肩最大剪應力出現(xiàn)在橫向力作用一側(cè)承軌槽中部，其值與調(diào)整量呈正比關(guān)系，在整個調(diào)整分析范圍內(nèi)，其擋肩剪應力增大7.7%，其極大值為1.39 MPa，小于C60抗剪強度設計值1.428 MPa[23]。

綜上，根據(jù)軌枕承軌臺、擋肩的受力情況，當調(diào)整量取90 mm及以下時，軌枕承軌臺、擋肩力學指標滿足設計要求，初步驗證本結(jié)構(gòu)垂向最大調(diào)整量可取至90 mm。

2.3 軌枕露出與埋深高度適應性分析

道床板作為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，高承軌臺雙塊式軌枕與道床板的粘接面屬結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)[24-25]。為保證粘接面在調(diào)整范圍具有足夠的強度，根據(jù)《高速鐵路CRTS雙塊式無軌道通用參考圖》，軌枕埋深取139 mm，荷載取WJ-8扣件最大縱向阻力15 kN[26]，垂向調(diào)整量分析范圍取0～90 mm，道床板、軌枕粘接面的第一主應力隨調(diào)整量變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 道床板、軌枕應力隨調(diào)整量變化關(guān)系

由圖7可知，在0～90 mm調(diào)整分析范圍內(nèi)，道床板拉應力、軌枕拉應力與調(diào)整量大致呈正相關(guān)變化，其中軌枕拉應力增幅較大，道床板拉應力增長相對平緩；在調(diào)整量取90 mm時，軌枕、道床板拉應力取極大值，分布于軌枕與道床板交界面縱向力作用一側(cè)，分別為0.665，0.428 MPa，均小于相應結(jié)構(gòu)的應力允許限值。

綜上，當軌枕埋深取139 mm時，在0～90 mm垂向調(diào)整分析范圍內(nèi)，軌枕露出與埋深高度設計匹配合理，道床板與軌枕粘接面強度滿足相關(guān)設計要求，即本結(jié)構(gòu)最大垂向調(diào)整量取90 mm是可行的。

2.4 扣件系統(tǒng)抗拔承載力分析

WJ-8扣件系統(tǒng)主要以軌枕-預埋套管-螺旋道釘組成錨固結(jié)構(gòu)，當套管埋深較大時，可能出現(xiàn)螺桿拉斷、套管擠壓或拉斷等破壞現(xiàn)象[27]，考慮承軌臺加高而引起的埋深深度增大，因此需要對調(diào)整前、后扣件系統(tǒng)的抗拔性能進行檢算。由于沿螺紋牙的載荷分布幾乎不受螺紋升角影響，道釘螺紋設置為平螺紋[28]，取最大垂向調(diào)整量90 mm，即調(diào)整前、后預埋套管埋深深度為230 mm和140 mm，根據(jù)文獻[29]，計算得到單個螺桿受到的最大上拔力為103 kN，按照第四強度理論進行計算分析，為便于查看結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力分布情況，提取半剖面螺桿以及預埋套管的等效應力云圖，詳見圖8。

圖8 螺桿、預埋套管等效應力云圖

由圖8可知，在上拔力作用下，埋深不同時，螺桿等效拉應力分布均隨埋置深度增加而減小。螺桿最大等效拉應力均出現(xiàn)在第一個螺紋與螺桿交界面處，埋深為230 mm時，其值為324 MPa，埋深為140 mm時，其值為289 MPa，兩者均遠小于螺桿屈服應力900 MPa，且埋置深度較淺時，螺桿等效應力值相對更?。粚τ陬A埋套管，不同埋深時，在上拔力作用下，套管內(nèi)部的螺紋接觸面上均受到較大等效拉應力，主要分布于螺紋接觸面上半部分，其等效拉應力值均與埋置深度成負相關(guān)變化。埋深為230 mm時，套管完整，上部光滑部分受到的等效拉應力較小。套管最大等效拉應力區(qū)域分布在前兩個螺紋接觸面，其值為63.1～70.9 MPa，小于其限值82 MPa。當埋深為140 mm時，套管經(jīng)過磨削，除前兩個螺紋接觸面等效應力處于較高水平之外，其最大等效拉應力區(qū)域分布于套管與混凝土接觸面處，說明在埋深較淺時，套管與混凝土之間的粘接作用增強，其等效拉應力值為70.3～78.8 MPa，接近但小于其限值82 MPa。

綜上，調(diào)整量取90 mm時，調(diào)整前、后螺桿和預埋套管在最大上拔力作用下的力學指標滿足相關(guān)設計要求，扣件系統(tǒng)具有足夠的抗拔承載力。

3 承軌臺在線打磨修復技術(shù)

為實現(xiàn)軌枕承軌臺的快速打磨，中鐵二院等單位聯(lián)合研發(fā)了無砟軌道承軌臺在線處理裝備進行施工作業(yè)[30-32]。作業(yè)時，該裝備主要通過對承軌臺進行仿形“磨削”或“銑削”，在不改變承軌臺斷面形狀的前提下，快速降低軌道結(jié)構(gòu)高程，根據(jù)不同處理深度，單個承軌臺處理可在1～4 min內(nèi)完成，一個天窗點內(nèi)可完成20～40 m內(nèi)的上拱病害整治。

承軌臺經(jīng)處理完成后，其表面質(zhì)量良好，見圖9；承軌臺輪廓形狀滿足扣件系統(tǒng)的安裝需求，同時承軌臺經(jīng)打磨后，軌枕擋肩橫向力作用點高度降低，結(jié)構(gòu)安全性得到加強，打磨后扣件安裝情況見圖10?；谠撗b備對無砟軌道承軌臺的處理技術(shù)及優(yōu)勢，提出了采用該無砟軌道承軌臺在線處理裝備的高承軌臺雙塊式軌枕承軌臺打磨工藝流程，如圖11所示。

圖9 打磨前、后承軌臺對比

圖10 承軌臺打磨后扣件安裝

圖11 高承軌臺雙塊式軌枕承軌臺打磨工藝流程

(1)確定作業(yè)區(qū)間、調(diào)整量

根據(jù)線路實際病害情況及位置，確定線路調(diào)整段長度，即銑磨作業(yè)的起、終點，并對線路調(diào)整段進行逐枕測量，獲取并標記待調(diào)整軌枕的豎向及橫向銑磨量。

(2)清理作業(yè)面

實時監(jiān)控軌溫，在施工軌溫不大于線路設計時的鎖定軌溫的前提下，松開線路調(diào)整段及兩側(cè)外擴段范圍內(nèi)的鋼軌扣件，內(nèi)撥鋼軌并夾持固定，使其不干涉銑磨車作業(yè)空間，然后松開扣件末端，設置軌距拉桿，鋼軌撥離承軌臺后，在漸近段安裝擋軌裝置。

(3)吊放銑磨裝置

伸出裝備中起重機液壓支腿，確保支腿支撐可靠后，通過起重機將銑磨裝置吊至病害區(qū)段的道床板上，安裝導向頂緊機構(gòu)、動力電纜和水管，銑磨車走至銑磨作業(yè)起點就位。

(4)打磨軌枕承軌臺

核實各軌枕豎向及橫向銑磨量，確認銑磨方案，對正、調(diào)平裝置，抱牢道床板兩側(cè)面。以現(xiàn)有承軌臺廓形為基準，手動對刀，根據(jù)前測承軌臺的銑磨量，進行銑磨作業(yè)，完成后，銑磨輪等各部件回到原點，經(jīng)動力輪行走至下一個作業(yè)工位并開始作業(yè)，直至完成調(diào)整段內(nèi)所有枕位的銑磨作業(yè)。

(5)回收銑磨裝置

銑磨作業(yè)完成后，銑磨裝置走行至吊裝位，所有機構(gòu)回歸初始位置，關(guān)閉電源，鎖定A軸旋轉(zhuǎn)，拆除導向頂緊機構(gòu)、動力電纜和水管，最后將裝置吊至承載平臺上相應位置并固定。

(6)調(diào)整扣件部件

根據(jù)枕位銑削量，針對需要更換扣件套管的枕位，采用鉆機人工鉆芯，取出并更換扣件套管后重新錨固，針對不需更換扣件套管的枕位，根據(jù)適配原則更換扣件螺旋道釘。

(7)恢復線路

回撥鋼軌，重新安裝扣件，精調(diào)線路，清理現(xiàn)場，待檢查與驗收合格后，開通線路。

4 結(jié)論

(1)采用高承軌臺雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，結(jié)合在線打磨設備，可實現(xiàn)軌道0～90 mm的向下調(diào)整量，為復雜山區(qū)隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)選型提供了方案。

(2)理論計算表明：高承軌臺雙塊式無砟軌道的軌枕露出與埋深高度匹配合理，軌枕承軌臺、擋肩力學指標滿足相關(guān)規(guī)范要求，螺桿、預埋套管抗拉性能良好，扣件系統(tǒng)具有足夠的抗拔承載力。

(3)基于無砟軌道承軌臺在線處理裝備的高承軌臺雙塊式軌枕承軌臺打磨工藝流程，能夠指導、實現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)高程的快速調(diào)整，為處理實際工程中軌道上拱病害提供了可靠的技術(shù)和設備支持。