武廣高速鐵路橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道關(guān)鍵技術(shù)研究

王森榮

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線站處，武漢 430063)

武廣高速鐵路橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道關(guān)鍵技術(shù)研究

王森榮

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線站處，武漢 430063)

為解決武廣高速鐵路大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道時(shí)，遇到跨越大梁縫、梁端轉(zhuǎn)角和位移過(guò)大、溫度跨度太大需設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、梁端軌道板穩(wěn)定性、橋上鋪設(shè)道岔等系列問(wèn)題。采用理論計(jì)算分析并結(jié)合工況實(shí)際，充分考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的最不利因素，武廣高速鐵路實(shí)現(xiàn)了最大跨度168m橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道，在鋼箱系桿拱橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道，在橋上道岔區(qū)鋪設(shè)無(wú)砟軌道等技術(shù)難題，解決了大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道若干關(guān)鍵技術(shù)難題。

武廣高速鐵路;無(wú)砟軌道;橋梁;關(guān)鍵技術(shù)

武廣高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km，全線長(zhǎng)1 068.6 km，除武漢站和廣州南站鋪設(shè)有砟軌道外，其余均鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。全線大中橋679座，橋梁比例占全線44%，其橋梁的主要特點(diǎn)是橋梁比例大、高架橋、大跨度橋梁多，主跨超過(guò)60 m的特大橋梁有25座，主跨超過(guò)100 m的特大橋梁有15座。

武廣高速鐵路實(shí)現(xiàn)了在最大跨度為168 m的連續(xù)剛構(gòu)橋、主跨為140 m的鋼箱系桿拱橋、高速道岔區(qū)特別是50號(hào)道岔區(qū)、橋上道岔區(qū)、無(wú)縫線路溫度跨度超過(guò)200 m的衡陽(yáng)和株洲湘江特大橋上的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)等均鋪設(shè)了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，解決了無(wú)砟軌道跨越大梁縫、梁端扣件和道床板穩(wěn)定性、橋上道岔區(qū)和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)鋪設(shè)無(wú)砟軌道等關(guān)鍵技術(shù)難題。對(duì)武廣高速鐵路大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道的若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 無(wú)砟軌道跨越大梁縫研究

無(wú)砟軌道的扣件間距一般為600～650 mm，但由于橋梁處于線路平面小半徑曲線地段，或大跨度橋梁的溫度伸縮變形量比較大，或大跨度橋梁考慮人進(jìn)梁體內(nèi)檢查等因素，導(dǎo)致梁縫處兩相鄰扣件間距按照一般設(shè)計(jì)超過(guò)650 mm。武廣高速鐵路采用放大梁縫處單個(gè)扣件間距和設(shè)置梁端過(guò)渡板的方式，解決無(wú)砟軌道跨越大梁縫的難題，

1.1 放大梁縫處扣件節(jié)點(diǎn)間距

武廣高速鐵路對(duì)于扣件間距超過(guò)650 mm，但不是很大的情況下，無(wú)砟軌道跨越大梁縫采用放大梁縫處單個(gè)扣件間距至725 mm。當(dāng)梁縫大于250 mm時(shí)，采用底座懸出梁端適當(dāng)長(zhǎng)度，但應(yīng)滿足梁端位置距其第一組扣件的距離至少在225 mm以上，從而確保道床板端部結(jié)構(gòu)的受力和耐久性滿足要求。

梁縫處單個(gè)扣件最大間距應(yīng)通過(guò)對(duì)所在地區(qū)的溫度和列車(chē)等荷載作用下鋼軌強(qiáng)度、鋼軌豎向變形、鋼軌斷縫時(shí)的彈性擠開(kāi)量、梁端轉(zhuǎn)角引起扣件上拔力等進(jìn)行計(jì)算和研究確定。

1.2 采用設(shè)置梁端過(guò)渡板方式

武廣高速鐵路最大梁縫達(dá)到近400 mm，同時(shí)還有很多復(fù)雜梁縫的情況，為了使梁縫處無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)滿足要求，當(dāng)采用放大梁縫處單個(gè)扣件間距至725 mm還不能滿足要求時(shí)，武廣高速鐵路采用梁端設(shè)置過(guò)渡板的方式。梁端過(guò)渡板的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 梁端過(guò)渡板的設(shè)計(jì)圖示

武廣高速鐵路在東湖特大橋、汀泗河特大橋、胡家灣特大橋、梁家灣特大橋等設(shè)置了梁端過(guò)渡板結(jié)構(gòu)，確保了列車(chē)通過(guò)大梁縫地段的安全性、穩(wěn)定性和平順性(圖2)。

圖2 汀泗河特大橋上搭梁過(guò)渡板結(jié)構(gòu)

梁端過(guò)渡板結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、過(guò)渡板、限位板、過(guò)渡板支座、橫向限位器等部分組成，其中過(guò)渡板和限位板為其核心組成部分。過(guò)渡板底面設(shè)板式支座，端部設(shè)限位結(jié)構(gòu)，梁端過(guò)渡板和限位板采用鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成。限位板與橋梁采用鋼筋連接，并在限位板上設(shè)置限位裝置，從而確保橫向穩(wěn)定性。

2 梁端無(wú)砟軌道穩(wěn)定性研究

軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到列車(chē)運(yùn)行的安全性，大跨度橋梁上無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要應(yīng)考慮梁端扣件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和道床板(軌道板)的穩(wěn)定性。

2.1 梁端扣件系統(tǒng)穩(wěn)定性

橋上鋼軌扣件由于橋梁變形和梁端轉(zhuǎn)角等因素的影響，梁端的幾組扣件受到上拔力，當(dāng)上拔力大于扣件彈條扣壓力時(shí)，扣件將失去穩(wěn)定性，嚴(yán)重情況下扣件將被彈出，危及列車(chē)運(yùn)行的安全。見(jiàn)圖3。

圖3 梁端變形對(duì)扣件系統(tǒng)的影響圖示

扣件上拔力的影響因素如表1所示，其主要影響因素為梁端轉(zhuǎn)角、同一橋墩上兩支座的沉降變形差和列車(chē)輪載作用等。

表1 梁端扣件受力的影響因素

圖4、圖5分別為不同梁端轉(zhuǎn)角和同一橋墩支座的沉降差對(duì)扣件系統(tǒng)受力的影響。從圖中的計(jì)算結(jié)果可以看出，梁端轉(zhuǎn)角和錯(cuò)臺(tái)對(duì)梁端第1組和第2組扣件的上拔力影響最大。

圖4 不同梁端轉(zhuǎn)角對(duì)扣件系統(tǒng)受力

圖5 不同錯(cuò)臺(tái)高度對(duì)扣件系統(tǒng)受力

武廣高速鐵路通過(guò)計(jì)算分析，在連續(xù)梁或大跨度橋梁與相鄰簡(jiǎn)支梁的梁端第1組扣件的上拔力可能會(huì)超過(guò)扣件系統(tǒng)的抗拔力，因此均更換為具有更大抗拔力扣件。

2.2 梁端道床板穩(wěn)定性

武廣高速鐵路無(wú)砟軌道道床板與底座為分離式層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)梁端扣件上拔力較大時(shí)，會(huì)引起道床板上抬，嚴(yán)重情況下可使道床板與底座脫離，影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以大跨度橋梁上鋪設(shè)無(wú)砟軌道應(yīng)對(duì)道床板的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

武廣高速鐵路對(duì)道床板的穩(wěn)定性計(jì)算分析，采用剛性基礎(chǔ)上的半無(wú)限長(zhǎng)梁法，如圖6所示，設(shè)梁在扣件上拔力P作用下的變形在彈性范圍內(nèi)發(fā)生純彎曲，則剛性基礎(chǔ)上長(zhǎng)梁上抬長(zhǎng)度和抬起量可近似微分方程采用初參數(shù)法求得。

圖6 無(wú)限長(zhǎng)梁上抬長(zhǎng)度及上抬位移圖示

3 無(wú)砟軌道與無(wú)縫線路設(shè)計(jì)

大跨度橋梁在溫度荷載作用下，“梁-軌”伸縮位移較大，為避免“梁-軌”之間相對(duì)位移過(guò)大而破壞軌道和橋梁結(jié)構(gòu)，橋上無(wú)縫線路需設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，從而改善橋梁和軌道的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

武廣高速鐵路橋上鋪設(shè)無(wú)縫線路的溫度跨度通過(guò)計(jì)算分析，在滿足鋼軌強(qiáng)度和穩(wěn)定性時(shí)突破了200 m，全線無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)地段僅在衡陽(yáng)湘江特大橋和株洲西湘江特大橋上鋪設(shè)了鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器(圖7)。

圖7 橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)段無(wú)砟軌道

武廣高速鐵路橋上伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)采用軌枕埋入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其該區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與道岔區(qū)尖軌處相似，其無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)從上至下為:鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、扣件、長(zhǎng)枕、道床板、道床板限位結(jié)構(gòu)、橋面保護(hù)層等組成。無(wú)砟軌道道床板采用分塊式設(shè)計(jì)，道床板與下部結(jié)構(gòu)間設(shè)置中間隔離層并采用凹凸槽方式限位。

4 橋上鋪設(shè)無(wú)砟道岔技術(shù)研究

在武廣高速鐵路建設(shè)過(guò)程中，我國(guó)研發(fā)了時(shí)速350 km的高速道岔，并在道岔區(qū)均采用了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，突破了在橋上道岔區(qū)鋪設(shè)無(wú)砟軌道的技術(shù)難題。武廣高速鐵路橋上道岔區(qū)采用了2種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式，即道岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟軌道和道岔區(qū)板式無(wú)砟軌道。其道岔直線通過(guò)最高速度為350 km/h，側(cè)向通過(guò)最高速度為80 km/h。

4.1 橋上道岔布置方式研究

道岔與橋梁伸縮縫之間的最小距離直接影響道岔和橋梁的受力和變形，是橋上道岔區(qū)鋪設(shè)無(wú)砟軌道的一個(gè)關(guān)鍵控制指標(biāo)。

武廣高速鐵路橋上道岔布置在一聯(lián)梁上，正線道岔全長(zhǎng)范圍內(nèi)梁體采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，道岔始端和終端距離梁端不小于18 m，如圖8所示。站線道岔在困難條件下，道岔連接部分可跨越梁縫，但應(yīng)滿足尖軌尖端、尖軌跟端、心軌尖端、心軌跟端距離梁縫不小于18 m的要求。2聯(lián)鋪設(shè)無(wú)縫道岔的連續(xù)梁之間設(shè)置1孔以上簡(jiǎn)支梁。

圖8 橋上道岔布置要求圖示(單位:m)

4.2 道岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

武廣高速鐵路橋上共鋪設(shè)了6組道岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，橋上道岔區(qū)鋪設(shè)軌枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 橋上道岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟軌道

道岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，在道岔鋼軌和軌枕進(jìn)行精調(diào)和固定后，對(duì)道床板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑，其具有施工方便快捷、施工機(jī)具設(shè)備要求相對(duì)低等優(yōu)點(diǎn)。其軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件系統(tǒng)、岔枕、鋼筋混凝土道床板、橋面保護(hù)層、限位凹槽等部分組成。并在道床板頂面設(shè)置橫向排水坡，道床板內(nèi)的縱橫向鋼筋及縱向鋼筋間根據(jù)綜合接地和軌道電路絕緣要求設(shè)置焊接接頭或絕緣卡。

橋上道床板下設(shè)置鋼筋混凝土保護(hù)層，每塊道床板設(shè)置4～6個(gè)限位凸臺(tái)，如圖10所示。道岔區(qū)道床板與保護(hù)層之間設(shè)置中間隔離層。

圖10 橋上道岔區(qū)限位擋臺(tái)布置圖示

4.3 道岔區(qū)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

武廣高速鐵路在雷大橋特大橋上鋪設(shè)了2組道岔區(qū)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。橋上道岔區(qū)鋪設(shè)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 橋上道岔區(qū)板式無(wú)砟軌道

道岔區(qū)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，采用預(yù)制軌道板現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)，直接對(duì)軌道板進(jìn)行精調(diào)和固定后，完成岔區(qū)無(wú)砟道床的施工，最后進(jìn)行道岔鋼軌的鋪設(shè)和精調(diào)。其具有施工快、不受道岔鋼軌配送的制約等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)軌道板制造要求和鋪設(shè)精度要求比較高。其軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌及扣件系統(tǒng)、軌道板、砂漿墊層、底座板、滑動(dòng)層、側(cè)向擋塊等部分組成。

軌道板采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)軌道板時(shí)不需拼裝道岔，可解決道岔供貨不足與施工工期的矛盾。

5 軌道平順性研究

大跨度橋梁與中小跨度橋梁最顯著的區(qū)別是靜活載撓度大、梁端伸縮量大、梁端轉(zhuǎn)角也可能比較大，可能造成軌道的不平順，對(duì)行車(chē)產(chǎn)生影響。所以需對(duì)大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道進(jìn)行軌道平順性分析。

武廣高速鐵路對(duì)大跨度橋上無(wú)砟軌道，建立了“列車(chē)-無(wú)砟軌道-橋梁系統(tǒng)”耦合動(dòng)力學(xué)仿真分析，其耦合動(dòng)力學(xué)模型如圖12所示。采用計(jì)算機(jī)仿真分析，對(duì)列車(chē)在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的安全性和舒適性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。

圖12 列車(chē)-無(wú)砟軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)武廣高速鐵路大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用，已初步形成了我國(guó)高速鐵路大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論體系和設(shè)計(jì)方法，其主要成果如下。

(1)梁縫處單個(gè)扣件間距可由600～650 mm放寬至725 mm進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。

(2)當(dāng)采用放大梁縫處單個(gè)扣件間距還不能滿足要求時(shí)，可采用梁端設(shè)置過(guò)渡板的方式進(jìn)行跨越大梁縫設(shè)計(jì)。

(3)梁端轉(zhuǎn)角和同一橋墩上兩支座的沉降變形差是引起梁端扣件上拔力的主要原因，當(dāng)梁端扣件上拔力超限時(shí)，應(yīng)更換為具有更大抗拔力的扣件。

(4)梁端道床板應(yīng)考慮扣件上拔力的影響，具有足夠長(zhǎng)度和厚度，從而保證梁端道床板的穩(wěn)定性。

(5)武廣高速鐵路橋上鋪設(shè)無(wú)縫線路的溫度跨度突破了200 m;對(duì)橋上無(wú)縫線路溫度跨度進(jìn)行檢算不滿足要求時(shí)，應(yīng)設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

(6)橋上道岔區(qū)無(wú)砟軌道可采用長(zhǎng)枕埋入式或板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，道岔始端和終端距離梁端不小于18 m。

(7)大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道可采用“列車(chē)-無(wú)砟軌道-橋梁系統(tǒng)”耦合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行軌道平順性評(píng)估仿真分析。

［1］ 何華武.無(wú)碴軌道技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［2］ 盧祖文.客運(yùn)專(zhuān)線鐵路軌道［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［3］ 趙國(guó)堂.高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［4］ 范俊杰.現(xiàn)代鐵路軌道［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2000.

［5］ 王其昌.板式軌道設(shè)計(jì)與施工［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2002.

［6］ 張珍珍，劉學(xué)毅.橋上雙塊式無(wú)砟軌道凸型擋臺(tái)設(shè)計(jì)荷載研究［J］.路基工程，2009(6).

［7］ 崔國(guó)慶.雙塊式無(wú)砟軌道合理剛度取值研究［J］.鐵道建筑，2009(9).

［8］ 許國(guó)平，周全能，等.雙塊式無(wú)砟軌道施工質(zhì)量控制要點(diǎn)分析［J］.中國(guó)鐵路，2009(7).

［9］ 周詩(shī)廣.大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(3).

［10］姚宏生，王春陽(yáng).滬杭高速鐵路CRTSⅡ型無(wú)砟軌道橋上底座板施工技術(shù)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(6).

［11］李秋義.武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(1).

Study on Key Technology of Paving the Ballastless Track on Bridge in Wuhan－Guangzhou High-Speed Railway

WANG Sen-rong
(Route and Station Yard Department，China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

The purpose of this study is to solve a series of technical problems when paving the ballastless track on long-span bridge of Wuhan-Guangzhou High-speed Railway，such as passing through largescale girder's juncture，installing the rail expansion joints because of the overlarge gird-end rotation and displacement and overlarge temperature-span，the stability of gird-end track slab，laying the turnout on bridge，etc.Through theoretical calculation and analysis based on operation condition and the most adverse factors，several key technical problems of paving the ballastless track on the long-span bridge were solved in Wuhan-Guangzhou High-speed Railway，that are:paving the ballastless tracks on the bridge with the longest span of 168m，paving the ballastless tracks on the bridge with steel box tied-arch，and paving the ballastless tracks on the bridge's turnout zone.

Wuhan-Guangzhou High-speed Railway;ballastless track;bridge;key technology

U238;U213.2+44

A

1004-2954(2012)07-0001-04

2012-02-13

王森榮(1980—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail:wsr88@126.com。