适应复杂山区高速铁路隧道变形的高承轨台双块式无砟轨道设计研究

杨宇栓,杨荣山,黄嘉奇,李 莹,苏乾坤,曹世豪

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031；3.河南工业大学土木工程学院,郑州 450001)

近年来，随着我国经济建设的快速发展和“西部开发”战略的不断推进，高速铁路路网逐步向西部山区拓展[1]，截止2020年底，全国高铁营业里程已达3.80万km[2]，其中复杂山区高速铁路已建成约0.7万km(占比18.4%)，在建和近期规划约0.8万km。由于复杂山区地形高差大，通常隧道占比较高[3]，如贵广、成贵、川藏等众多线路中隧道占比均超过50%，甚者高达70%以上[4-6]。无砟轨道由于其刚度均匀性好、耐久性强、维修量少等特点，在长度超过1 km隧道及隧道群地段一般都采用无砟轨道[7]。相比于其他无砟轨道，双块式无砟轨道以其适应性强、稳定性高、造价低等优点成为了我国复杂山区隧道内主要铺设的无砟轨道形式[8-10]。然而受水压、高地应力、频繁地质活动等因素影响，由隧道基础上拱引发的无砟轨道变形已成为隧道内无砟轨道的主要病害之一，当上拱变形量超过扣件调整范围时，将影响铁路运营的平稳性、舒适性和安全性。

对于复杂山区隧道而言，软弱围岩与高地应力交互作用、地下水动荷载反复作用、膨胀性黏土矿物在物化综合作用下引发的体积膨胀和应力变化是导致隧道仰拱隆起的关键因素。目前，主要通过对拱脚及拱墙设置锚杆、注浆进行加固处理，若病害进一步发展，则需换置仰拱[11-13]。当隆起引发的无砟轨道变形较小时，可通过扣件进行调整，对于基础变形较大的问题，相关学者开展了大量研究，欧阳旋宇[14]针对高天隧道水害造成的双块式无砟轨道上拱病害，提出了排水降压、注浆加固的整治方法，并通过现场实测、调研和数值模拟共同验证了该整治方法的有效性；肖广智[15]提出了“泄水降压、底部加固、水流归槽”的整治方案，成功解决了向莆铁路雪峰山隧道内道床板上拱现象，整治效果良好；李奎等[16]通过人工及自动监测相结合的研究方法，基于监测结果对道床隆起的病因进行了分析，提出了明洞耳墙底注浆、洞外锚固桩、道床锚杆等解决措施，改善效果明显；王云杰[17]通过现场钻探、调查等方法对黄土隧道洞口段轨道板上拱现象进行了分析，提出了旋喷桩加固+疏流排水的整治手段，有效控制了轨道板的上拱变形；李强[18]针对隧道内I型双块式无砟轨道上拱现象，基于现场实测结果，发现仰拱及填充厚度不足、隧底积水为主要病因，随后采用分段拆换仰拱、填充及支承层+现浇道床板的方式，实现病害的彻底整治。可见，对于无砟轨道基础上拱问题，主要通过扣件调整解决，一旦上拱变形较大，则需中断线路，拆换、加固、重构轨道或隧底结构，其施工难度大、耗时长，无法在短时间内完成整治作业。

目前，扣件的一般调高量为(-4，+26) mm，当隧道发生上拱病害时，轨道的下调量有限，基于此，本文提出了打磨轨枕承轨台的调整方法来降低轨道结构的垂向高度的方案，并利用ANSYS有限元分析软件，以优化设计后的高承轨台双块式无砟轨道结构为研究对象，建立了隧道内高承轨台双块式无砟轨道有限元分析模型，探讨了结构合理调整量，分析了在调整范围内高承轨台双块式轨枕的静力学特性，为复杂山区隧道内无砟轨道上拱病害的整治提供参考。

1 高承轨台双块式无砟轨道结构设计概况

1.1 结构几何尺寸及构造

高承轨台双块式无砟轨道结构主要由CNH60钢轨、WJ-8扣件、高承轨台双块式轨枕、道床板组成，具体结构如图1所示。

图1 高承轨台双块式无砟轨道结构(单位： mm)

高承轨台式轨枕块尺寸为800 mm(长)×280 mm(宽)×274 mm(高)，通过桁架钢筋和加固钢管共同连接，保证轨距并增强轨道结构横向稳定性；道床板尺寸为2 800 mm(宽)×300 mm(高)，采用现浇施工方式，直接浇筑在仰拱回填层上。

当线下基础变形引发轨道结构上拱，且变形较小时，为使轨道结构恢复至原设计高程，优先采用扣件对其进行调整，扣件最大下调量为4 mm[19]；当扣件调整量不足时，采取打磨承轨台的方式向下进行调整：根据轨道结构实际上拱变形量，确定打磨厚度，沿承轨台轮廓形状平行向下进行打磨，必要时可打磨至CRTSⅠ型双块式承轨台高度，即本轨道结构最大垂向调整量为90 mm，如图2中红色虚线所示。

图2 轨枕调整、打磨细部构造(单位：mm)

1.2 轨枕内部配筋设计

纵向(轨枕长度方向)选用2根有效直径为22 mm的HRB400钢筋；箍筋设计成网片状，采用φ7 mm带肋钢筋，根数为6根，强度等级为CRB550，简称为钢筋网片；套管四周的螺旋筋为φ3 mm的低碳冷拔钢丝。如图3所示。

图3 高承轨台双块式轨枕内部配筋

2 合理调整量的取值与验证

2.1 计算模型

为确定轨道结构的合理调整量和高承轨台双块式轨枕静力学特性，根据高承轨台双块式无砟轨道的结构特点和受力特征，按前述设计尺寸，建立了考虑轨枕实际轮廓及枕上结构的计算模型，如图4所示，模型中涉及相关参数见表1。

图4 高承轨台双块式无砟轨道计算模型

表1 高承轨台双块式无砟轨道计算参数

模型中钢轨、扣件、螺旋道钉、预埋套管、轨下胶垫、轨枕、道床板均采用实体单元，远处钢轨采用梁单元，并通过耦合、约束方程与实体钢轨进行连接，以传递位移及弯矩。螺栓通过设置预紧单元加载预紧力[20]；在不影响扣件以下部件力学性能的前提下，对扣件进行了一定的简化，便于网格划分，并考虑扣件与周围结构的接触关系。

2.2 轨枕挡肩及承轨台受力分析

根据现有调研资料统计[21]，在实际运营过程中，双块式轨枕挡肩、承轨台开裂现象时有发生，当裂缝发展严重时，将影响行车的安全性。考虑高承轨台双块式轨枕挡肩、承轨台为轨道结构承载不利位置，并按疲劳检算荷载对承轨台、挡肩的受力进行检算。列车轴重取17 t，考虑列车垂、横向荷载，其中列车垂向荷载动载系数取1.5，横向荷载动载系数取0.4[7]，参考目前隧道内无砟轨道上拱变形实际情况[18，22]，结合高承轨台双块式轨枕实际厚度，取垂向调整量分析范围为0～90 mm，承轨台顶面第一主应力、挡肩剪应力云图以及随调整量变化关系如图5、图6所示。

图5 承轨台、挡肩应力云图

图6 承轨台、挡肩应力随调整量的变化关系

由图5、图6可知，承轨台顶面最大压应力分布在轨下垫板支承处一侧，调整分析范围取0～90 mm时，承轨台压应力与调整量呈正相关变化趋势，应力增大22.7%，其极大值为3.51 MPa，远小于C60混凝土的抗压强度设计值27.5 MPa；挡肩最大剪应力出现在横向力作用一侧承轨槽中部，其值与调整量呈正比关系，在整个调整分析范围内，其挡肩剪应力增大7.7%，其极大值为1.39 MPa，小于C60抗剪强度设计值1.428 MPa[23]。

综上，根据轨枕承轨台、挡肩的受力情况，当调整量取90 mm及以下时，轨枕承轨台、挡肩力学指标满足设计要求，初步验证本结构垂向最大调整量可取至90 mm。

2.3 轨枕露出与埋深高度适应性分析

道床板作为现浇结构，高承轨台双块式轨枕与道床板的粘接面属结构薄弱环节[24-25]。为保证粘接面在调整范围具有足够的强度，根据《高速铁路CRTS双块式无轨道通用参考图》，轨枕埋深取139 mm，荷载取WJ-8扣件最大纵向阻力15 kN[26]，垂向调整量分析范围取0～90 mm，道床板、轨枕粘接面的第一主应力随调整量变化关系如图7所示。

图7 道床板、轨枕应力随调整量变化关系

由图7可知，在0～90 mm调整分析范围内，道床板拉应力、轨枕拉应力与调整量大致呈正相关变化，其中轨枕拉应力增幅较大，道床板拉应力增长相对平缓；在调整量取90 mm时，轨枕、道床板拉应力取极大值，分布于轨枕与道床板交界面纵向力作用一侧，分别为0.665，0.428 MPa，均小于相应结构的应力允许限值。

综上，当轨枕埋深取139 mm时，在0～90 mm垂向调整分析范围内，轨枕露出与埋深高度设计匹配合理，道床板与轨枕粘接面强度满足相关设计要求，即本结构最大垂向调整量取90 mm是可行的。

2.4 扣件系统抗拔承载力分析

WJ-8扣件系统主要以轨枕-预埋套管-螺旋道钉组成锚固结构，当套管埋深较大时，可能出现螺杆拉断、套管挤压或拉断等破坏现象[27]，考虑承轨台加高而引起的埋深深度增大，因此需要对调整前、后扣件系统的抗拔性能进行检算。由于沿螺纹牙的载荷分布几乎不受螺纹升角影响，道钉螺纹设置为平螺纹[28]，取最大垂向调整量90 mm，即调整前、后预埋套管埋深深度为230 mm和140 mm，根据文献[29]，计算得到单个螺杆受到的最大上拔力为103 kN，按照第四强度理论进行计算分析，为便于查看结构内部应力分布情况，提取半剖面螺杆以及预埋套管的等效应力云图，详见图8。

图8 螺杆、预埋套管等效应力云图

由图8可知，在上拔力作用下，埋深不同时，螺杆等效拉应力分布均随埋置深度增加而减小。螺杆最大等效拉应力均出现在第一个螺纹与螺杆交界面处，埋深为230 mm时，其值为324 MPa，埋深为140 mm时，其值为289 MPa，两者均远小于螺杆屈服应力900 MPa，且埋置深度较浅时，螺杆等效应力值相对更小；对于预埋套管，不同埋深时，在上拔力作用下，套管内部的螺纹接触面上均受到较大等效拉应力，主要分布于螺纹接触面上半部分，其等效拉应力值均与埋置深度成负相关变化。埋深为230 mm时，套管完整，上部光滑部分受到的等效拉应力较小。套管最大等效拉应力区域分布在前两个螺纹接触面，其值为63.1～70.9 MPa，小于其限值82 MPa。当埋深为140 mm时，套管经过磨削，除前两个螺纹接触面等效应力处于较高水平之外，其最大等效拉应力区域分布于套管与混凝土接触面处，说明在埋深较浅时，套管与混凝土之间的粘接作用增强，其等效拉应力值为70.3～78.8 MPa，接近但小于其限值82 MPa。

综上，调整量取90 mm时，调整前、后螺杆和预埋套管在最大上拔力作用下的力学指标满足相关设计要求，扣件系统具有足够的抗拔承载力。

3 承轨台在线打磨修复技术

为实现轨枕承轨台的快速打磨，中铁二院等单位联合研发了无砟轨道承轨台在线处理装备进行施工作业[30-32]。作业时，该装备主要通过对承轨台进行仿形“磨削”或“铣削”，在不改变承轨台断面形状的前提下，快速降低轨道结构高程，根据不同处理深度，单个承轨台处理可在1～4 min内完成，一个天窗点内可完成20～40 m内的上拱病害整治。

承轨台经处理完成后，其表面质量良好，见图9；承轨台轮廓形状满足扣件系统的安装需求，同时承轨台经打磨后，轨枕挡肩横向力作用点高度降低，结构安全性得到加强，打磨后扣件安装情况见图10。基于该装备对无砟轨道承轨台的处理技术及优势，提出了采用该无砟轨道承轨台在线处理装备的高承轨台双块式轨枕承轨台打磨工艺流程，如图11所示。

图9 打磨前、后承轨台对比

图10 承轨台打磨后扣件安装

图11 高承轨台双块式轨枕承轨台打磨工艺流程

(1)确定作业区间、调整量

根据线路实际病害情况及位置，确定线路调整段长度，即铣磨作业的起、终点，并对线路调整段进行逐枕测量，获取并标记待调整轨枕的竖向及横向铣磨量。

(2)清理作业面

实时监控轨温，在施工轨温不大于线路设计时的锁定轨温的前提下，松开线路调整段及两侧外扩段范围内的钢轨扣件，内拨钢轨并夹持固定，使其不干涉铣磨车作业空间，然后松开扣件末端，设置轨距拉杆，钢轨拨离承轨台后，在渐近段安装挡轨装置。

(3)吊放铣磨装置

伸出装备中起重机液压支腿，确保支腿支撑可靠后，通过起重机将铣磨装置吊至病害区段的道床板上，安装导向顶紧机构、动力电缆和水管，铣磨车走至铣磨作业起点就位。

(4)打磨轨枕承轨台

核实各轨枕竖向及横向铣磨量，确认铣磨方案，对正、调平装置，抱牢道床板两侧面。以现有承轨台廓形为基准，手动对刀，根据前测承轨台的铣磨量，进行铣磨作业，完成后，铣磨轮等各部件回到原点，经动力轮行走至下一个作业工位并开始作业，直至完成调整段内所有枕位的铣磨作业。

(5)回收铣磨装置

铣磨作业完成后，铣磨装置走行至吊装位，所有机构回归初始位置，关闭电源，锁定A轴旋转，拆除导向顶紧机构、动力电缆和水管，最后将装置吊至承载平台上相应位置并固定。

(6)调整扣件部件

根据枕位铣削量，针对需要更换扣件套管的枕位，采用钻机人工钻芯，取出并更换扣件套管后重新锚固，针对不需更换扣件套管的枕位，根据适配原则更换扣件螺旋道钉。

(7)恢复线路

回拨钢轨，重新安装扣件，精调线路，清理现场，待检查与验收合格后，开通线路。

4 结论

(1)采用高承轨台双块式无砟轨道结构，结合在线打磨设备，可实现轨道0～90 mm的向下调整量，为复杂山区隧道内无砟轨道结构选型提供了方案。

(2)理论计算表明：高承轨台双块式无砟轨道的轨枕露出与埋深高度匹配合理，轨枕承轨台、挡肩力学指标满足相关规范要求，螺杆、预埋套管抗拉性能良好，扣件系统具有足够的抗拔承载力。

(3)基于无砟轨道承轨台在线处理装备的高承轨台双块式轨枕承轨台打磨工艺流程，能够指导、实现轨道结构高程的快速调整，为处理实际工程中轨道上拱病害提供了可靠的技术和设备支持。