臺州市域鐵路S1線新型雙塊式軌枕及無砟軌道

李秋義, 朱彬, 韓志剛

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430063）

0 引言

市域（郊）鐵路是連接都市圈中心城市城區(qū)和周邊城鎮(zhèn)組團(tuán), 為通勤客流提供運輸服務(wù)的“快速度、大運量、公交化”軌道交通系統(tǒng)[1-3］。國外市域鐵路發(fā)展較早, 巴黎、紐約、東京等城市均建立了完善的都市圈市域鐵路網(wǎng)[4］。我國市域鐵路建設(shè)起步較晚, 曾是國家綜合立體交通網(wǎng)的短板。近年來, 隨著城市化進(jìn)程加快和都市圈發(fā)展, 國家陸續(xù)出臺一系列推進(jìn)市域鐵路發(fā)展的政策, 我國市域鐵路建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時期, 打造“軌道上的都市圈”成為共識[5］。

作為《浙江省都市圈城際鐵路規(guī)劃》的重要組成部分, 臺州市域鐵路S1線于2016年開工建設(shè), 該項目對于優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)、構(gòu)建綜合運輸體系、提升臺州在浙江沿海中部區(qū)域性中心城市地位具有重要作用[6］。臺州市域鐵路S1線設(shè)計時速140 km, 一期工程線路全長52.175 km, 其中地下線17.189 km、高架線29.113 km、路基0.785 km、山嶺隧道5座共5.088 km, 橋隧比為98.50%。無砟軌道是市域鐵路的重要基礎(chǔ)設(shè)施, 關(guān)系到市域鐵路的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性。市域鐵路無砟軌道技術(shù)體系不能照搬高速鐵路和地鐵, 而應(yīng)基于“技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用、綠色環(huán)?！钡脑瓌t, 形成獨有的技術(shù)體系。根據(jù)《關(guān)于推動都市圈市域（郊）鐵路加快發(fā)展意見的通知》（國辦函〔2020〕116號）中“從嚴(yán)控制工程造價”的原則, 結(jié)合臺州市域鐵路S1線實際情況, 研究適用于市域鐵路運營條件的輕量化、經(jīng)濟(jì)型無砟軌道。

1 鋼管混凝土雙塊式軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

雙塊式無砟軌道是市域鐵路常用的軌道結(jié)構(gòu)形式, 雙塊式軌枕的關(guān)鍵在于軌枕塊之間的連接構(gòu)件。我國高速鐵路采用SK系列雙塊式軌枕, 該軌枕制造工藝復(fù)雜、工程造價高、鋼筋桁架易銹蝕、鋼筋桁架專用焊接設(shè)備價格昂貴, 應(yīng)用于市域鐵路時經(jīng)濟(jì)性較差[7-8］。

鋼管混凝土（Concrete Filled Steel Tube, CFT）結(jié)構(gòu)是由混凝土填入鋼管內(nèi)形成的新型組合結(jié)構(gòu), 能更有效地發(fā)揮鋼材與混凝土2種材料各自的優(yōu)點, 克服鋼管結(jié)構(gòu)易發(fā)生局部屈曲的缺點。因此, 針對市域鐵路研發(fā)采用CFT構(gòu)件連接的新型雙塊式軌枕, 通過小直徑鋼管內(nèi)灌注自密實微膨脹混凝土材料, 形成CFT連接構(gòu)件, 具有良好的力學(xué)性能和施工性能。CFT軌枕結(jié)構(gòu)組成見圖1。

1.2 CFT構(gòu)件材質(zhì)與規(guī)格

為實現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、造價合理的目標(biāo), 針對CFT構(gòu)件開展理論分析和試驗研究, 確定其材質(zhì)、截面形式、幾何尺寸、灌注混凝土強度等。綜合考慮力學(xué)性能、生產(chǎn)制造成本, 提出易于制造和施工的CFT構(gòu)件方案：CFT構(gòu)件長2 050 mm、外徑42 mm、壁厚3 mm、內(nèi)徑36 mm；鋼管采用結(jié)構(gòu)用無縫鋼管時, 其力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)符合GB/T 8162—2008《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》規(guī)定；灌注材料采用抗壓強度70 MPa的自密實微膨脹混凝土。對不同軌枕的用鋼量進(jìn)行對比, 高速鐵路SK-Ⅱ型雙塊式軌枕用鋼量18.1 kg、CFT雙塊式軌枕用鋼量12 kg。因此, CFT雙塊式軌枕用鋼量更少, 可降低材料成本。

1.3 灌注材料

采用C70自密實微膨脹混凝土材料進(jìn)行灌注。該材料由水泥、外加劑（含減水劑、膨脹劑、早強劑、消泡劑等）、集料、礦物摻合料等干混料與水拌合而成, 無需機(jī)械振搗即可達(dá)到自密實狀態(tài), 具有微膨脹、流動性高、硬化快、強度高、施工性能好等優(yōu)點。

為保證灌注質(zhì)量, 針對灌注材料的流動度、強度、豎向膨脹率等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行材料配比優(yōu)化, 開展流動度、密實度等試驗研究（見圖2）, 提出相應(yīng)的檢測方法及灌注材料的性能指標(biāo)。

圖2 灌注材料檢測試驗

1.4 構(gòu)件與軌枕塊的連接

為加強CFT構(gòu)件與軌枕塊之間的連接, 在CFT構(gòu)件兩端采用擴(kuò)口處理（見圖3）。擴(kuò)口至外徑為45 mm, 擴(kuò)口長度50 mm。通過冷加工, 使鋼管端部外徑大于其他部位3 mm, 在受到外荷載作用時具有更大的抗拔力。該方案具有生產(chǎn)制造簡單、效果好、造價低等優(yōu)點。

圖3 CFT端部擴(kuò)口

采用有限元模型模擬CFT構(gòu)件兩端擴(kuò)口與軌枕塊的連接作用[9］。鋼管端部未擴(kuò)口時, CFT構(gòu)件與軌枕塊之間連接力為68.0 kN；鋼管端部擴(kuò)口后, CFT構(gòu)件與軌枕塊之間連接力為75.1 kN。鋼管端部擴(kuò)口后, 連接力增加7.1 kN, 錨固效果明顯增強。

1.5 軌枕塊與道床黏結(jié)性能優(yōu)化

1.5.1 軌枕塊側(cè)面設(shè)置凹槽

針對CFT雙塊式軌枕與道床板混凝土之間新老混凝土界面裂紋問題, 開展混凝土軌枕塊與道床黏結(jié)性能機(jī)理研究, 提出加強軌枕塊與道床黏結(jié)性能的優(yōu)化措施, 在軌枕塊的2個側(cè)面均設(shè)置長度500 mm、寬度55 mm、深度25 mm的凹槽（見圖4）。

圖4 軌枕塊側(cè)面的凹槽結(jié)構(gòu)

1.5.2 軌枕塊底部設(shè)置門型連接鋼筋

為增強混凝土軌枕塊與道床之間的連接作用, 在軌枕塊底部設(shè)置門型連接鋼筋（見圖5）。門型連接鋼筋伸出軌枕塊底部40 mm, 將鋼筋與道床混凝土結(jié)合, 可增加軌枕與道床之間的黏結(jié)性能。

圖5 門型連接鋼筋布置橫斷面

2 CFT雙塊式軌枕的生產(chǎn)制造

CFT雙塊式軌枕的生產(chǎn)工藝及裝備與SK系列桁架式雙塊式軌枕基本一致, 主要不同點在于CFT構(gòu)件的制造, 應(yīng)注意以下關(guān)鍵步驟：

（1）鋼管除銹、防腐涂裝。鋼管內(nèi)表面應(yīng)無可見油污, 無鐵銹、氧化皮及其他污染物, 外表面防銹涂裝材料附著力應(yīng)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼管防腐涂裝可采用熱鍍鋅、噴涂鋅、噴刷涂料等方式。

（2）CFT構(gòu)件灌注。若采用重力式灌注, 應(yīng)連續(xù)灌注；若采用壓力式灌注, 應(yīng)先排除管路中的空氣、水或稀漿, 灌注壓力不宜大于2.5 MPa。

（3）裝管作業(yè)。在裝管區(qū)將鋼管逐一插入鋼管架, 每裝滿1個鋼管架, 通過專用軌道移動至灌注區(qū)。

（4）灌注作業(yè)。通過灌注系統(tǒng)將攪拌好的灌注材料逐一灌注至待灌注鋼管中, 每根鋼管澆注的灌注材料與鋼管口平齊, 澆注完成后鋼管架移動至下一工序。

（5）養(yǎng)護(hù)作業(yè)。鋼管架運送至養(yǎng)護(hù)區(qū), 對已經(jīng)灌注好的鋼管進(jìn)行養(yǎng)護(hù), 采用常溫養(yǎng)護(hù), 養(yǎng)護(hù)時長不小于7 d。

（6）拆管作業(yè)。養(yǎng)護(hù)完成的鋼管架運送至拆管區(qū), 將每根鋼管拆卸下來抽檢、打包, 空置鋼管架移至裝管區(qū)繼續(xù)循環(huán)生產(chǎn)。

（7）CFT構(gòu)件安裝。CFT構(gòu)件裝運應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行、不得摔落、碰撞、扭曲。CFT應(yīng)與混凝土塊內(nèi)的鋼筋綁扎或焊接固定, 混凝土塊的模板應(yīng)與CFT的接口契合, 防止漏漿。

3 CFT雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)

3.1 橋隧地段

在滿足運營安全前提下, 市域鐵路無砟軌道選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量結(jié)構(gòu)簡單、二期恒載小、經(jīng)濟(jì)性好。因此, 輕量化、經(jīng)濟(jì)型的無砟軌道是市域鐵路軌道技術(shù)發(fā)展方向。結(jié)合臺州市域鐵路橋隧比高的特點, 研發(fā)一種新型無底座CFT雙塊式無砟軌道, 采用單元分塊式結(jié)構(gòu), 由鋼軌、扣件、CFT雙塊式軌枕、道床板等部分組成, 取消了混凝土底座（見圖6）。軌道結(jié)構(gòu)高度由725 mm優(yōu)化為560 mm, 道床寬度由2 800 mm優(yōu)化為2 600 mm, 市域鐵路新型無砟軌道可降低橋梁二期恒載30%, 降低軌道和橋梁造價20%。

圖6 無底座雙塊式無砟軌道

3.2 路基地段

路基地段雙塊式無砟軌道采用道床板和底座雙層結(jié)構(gòu)（見圖7）。道床板寬度為2 600 mm, 厚度為290 mm, 單元長度一般為5～7 m。每3塊道床板對應(yīng)的底座為1個大單元結(jié)構(gòu), 相鄰底座單元之間設(shè)置寬度為20 mm伸縮縫和縱向傳力桿；底座與道床板之間設(shè)置厚度為4 mm的聚丙烯土工布, 道床板單元與底座之間通過2個凹槽限位。

圖7 道床板、底座雙層結(jié)構(gòu)雙塊式無砟軌道

4 試驗研究

4.1 抗彎性能試驗

對CFT雙塊式軌枕進(jìn)行抗彎性能試驗[10］（見圖8）。支點軌枕塊下鋼軌中心位置, 支點距離1 510 mm, 加載位置在鋼管中分點, 抗彎試驗荷載-位移曲線見圖9。根據(jù)試驗結(jié)果, 當(dāng)荷載小于11 kN時, 荷載-位移曲線具有線性關(guān)系；當(dāng)荷載大于11 kN時, 荷載-位移曲線上升趨勢變緩。采用相同的試驗方法, SK-Ⅱ軌枕承受最大荷載為15.0 kN?？紤]雙塊式軌枕自質(zhì)量以及制造、運輸、施工荷載, 雙塊式軌枕承受最大荷載為5.0 kN。因此, 2種軌枕均滿足承載要求。

圖8 抗彎試驗裝置

圖9 抗彎試驗荷載-位移曲線

4.2 抗扭性能試驗

對CFT雙塊式軌枕進(jìn)行抗扭性能試驗。將軌枕塊一端固定, 采用上下2塊鋼板夾持活動端軌枕, 用千斤頂側(cè)向頂升鋼板, 使軌枕發(fā)生扭轉(zhuǎn), 抗扭試驗荷載-位移曲線見圖10。根據(jù)試驗結(jié)果, 最大抗扭荷載為2 880 N·m, 相應(yīng)扭轉(zhuǎn)角度為8.81°。采用相同的試驗方法, SK-Ⅱ型雙塊式軌枕最大抗扭荷載為1 104 N·m, 相應(yīng)扭轉(zhuǎn)角度為10.2°。因此, CFT雙塊式軌枕抗扭性能明顯優(yōu)于鋼筋桁架軌枕。

圖10 抗扭試驗荷載-位移曲線

4.3 室內(nèi)試驗

4.3.1 靜載試驗

在室內(nèi)制作CFT雙塊式無砟軌道實尺模型, 包括2塊道床板, 每塊道床板長度5 m、厚度305 mm、寬度2 600 mm、軌枕間距625 mm, 試驗裝置及加載位置見圖11。靜載試驗結(jié)果：從0～510 kN, 每級50 kN逐級加載, 加載速度2～3 kN/s, 混凝土最大拉應(yīng)變21.8με、最大壓應(yīng)變19.8με, 鋼筋最大拉應(yīng)變44.8με、最大壓應(yīng)變20.2με。在靜載試驗過程中, 混凝土道床未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象, 軌道結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

圖11 靜載試驗裝置及加載位置示意圖

4.3.2 疲勞試驗

疲勞試驗條件為疲勞荷載幅值30～255 kN、加載頻率3 Hz、加載500萬次。疲勞試驗結(jié)果：軌距變化量小于3 mm, 雙塊式軌枕與道床混凝土新老混凝土界面未見肉眼可見的裂縫, 雙塊式軌枕之間連接鋼管的最大拉應(yīng)變18.1με、最大壓應(yīng)變8.7με均小于鋼材屈服應(yīng)變, CFT軌枕、無砟軌道工作狀態(tài)良好。

5 結(jié)論

（1）研發(fā)一種自主知識產(chǎn)權(quán)的CFT雙塊式軌枕, 創(chuàng)新性地將CFT結(jié)構(gòu)引入軌枕設(shè)計, 采用小直徑鋼管內(nèi)灌注自密實微膨脹混凝土材料, 具有微膨脹、流動性高、硬化快、強度高、施工性能好等優(yōu)點。

（2）通過鋼管端部擴(kuò)口處理、軌枕塊側(cè)面設(shè)置凹槽、底部設(shè)置門型鋼筋等技術(shù)措施, 加強了軌枕與道床的連接性能。

（3）開展CFT灌注技術(shù)試驗, 提出灌注材料的性能指標(biāo), 掌握生產(chǎn)灌注方法。

（4）結(jié)合臺州市域鐵路橋隧比高的特點, 研發(fā)一種輕量化、經(jīng)濟(jì)型的新型無底座CFT雙塊式無砟軌道, 降低了橋梁二期恒載和工程造價。

（5）開展CFT雙塊式無砟軌道實尺模型試驗研究, 掌握了無砟軌道受力變形規(guī)律和疲勞性能, 驗證了無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。