重載鐵路軌道可快速更換結構研究

袁憲利 張光田 白曉偉 胡志鵬 張生延

(1. 陜西紅檸鐵路有限責任公司,陜西榆林 719399; 2. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

我國是全球煤炭消費第一大國,煤炭在我國能源消費中的比重超過70%。 我國煤炭運輸主要依靠重載鐵路運煤專線,將北方煤炭源源不斷運輸到東部港口和其他煤炭消費大省。 重載鐵路運煤專線以有砟軌道結構為主,全線通過設置多處筒倉進行煤炭集中裝載作業,筒倉裝車時,由于抑塵液、防凍液噴灑或煤渣掉入,易導致筒倉下有砟軌道出現道床板結、彈性變差等病害。 既有軌道缺少排水措施,導致軌下道床長期浸水,扣件失效;同時路基長時間被水浸泡,存在翻漿冒泥及不均勻沉降現象,存在較大安全隱患。 已有學者開展相關研究,秦懷兵等通過研究朔黃鐵路道床臟污指數和道床臟污率的對應關系,確定運煤專線道床臟污分級標準[1];朱德兵等認為運煤專線道床臟污是由于細顆粒介質日積月累漸次沉積造成的,提出一種基于車載探地雷達測量的沿線道床臟污水平評估方法[2];葉朝良等認為,運煤線路基產生過大沉降的原因主要有線路運營量上升、填料不合格、施工質量較差等[3];楊志浩等對大秦鐵路典型病害斷面進行取樣調查并進行物性試驗分析,并提出整治對策[4-5];張萬濤等研究重載鐵路路基下沉病害整治措施[6-7]。

筒倉下煤炭裝載作業繁忙,養護維修天窗時間短,線路難以得到及時有效的養護維修,為徹底解決筒倉下有砟軌道病害,有必要研究可快速更換的軌道結構及地基處理方案,解決道床臟污、固結、基礎沉降等病害,實現軌道幾何狀態良好、基礎穩固、軌道維修量少的目的,以期為后續大范圍整治筒倉軌道病害提供參考。

2 筒倉下快速更換的無砟軌道方案

2.1 基礎處理

既有重載鐵路運煤專線基礎多采用AB 組填料,經多年運營,有砟道床下部常出現翻漿冒泥、基礎沉降等病害。 經現場調查,有砟道床兩側排水不暢,抑塵液、防凍液、雨水及道床沖洗水滲入下部基礎,冬季形成約1.5 m 厚凍土層。 凍融循環會導致軌道結構產生不均勻沉降,軌道幾何狀態較差。 常用的打樁、注漿等地基處理方法并不能徹底解決凍土層凍脹問題。 因此,選用換填墊層法對軌道下部基礎進行處理,換填料采用級配碎石摻水泥。 基礎換填開挖斷面見圖1。

圖1 有砟道床下部基礎換填斷面(單位:mm)

2.2 筒倉下可快速更換的無砟軌道

重載鐵路運煤專線養護維修天窗時間短是影響軌道結構正常維修的主要因素之一,筒倉下有砟軌道病害較多,短時間內無法實現軌道病害的徹底整治,需研究一種在運營期可快速更換的無砟軌道結構。

運煤專線列車軸重大、運營速度低、裝載作業頻繁,現澆無砟軌道結構施工工期受限;預制板式無砟軌道具有加工精度高[8]、實施速度快等特點,能實現無砟軌道的快速更換[9]。 因此,推薦筒倉下運煤專線采用預制板式無砟軌道結構方案。

2.2.1 軌道板

國鐵軌道板長度一般為3~6 m,寬度為2.1~2.5 m[10],考慮到筒倉下施工空間和設備吊裝能力有限,結合筒倉寬度、板端軌枕外懸出長度、軌道板組合調整能力及水溝安裝空間[11],推薦筒倉下軌道板長度為2.98 m、寬度為2.5 m、厚度為0.27 m。

軌道板兩端中部設置1 個灌注孔,頂面?180 mm,底面?170 mm。 在軌道板兩端分別設置1 對起吊套管,用于軌道板的吊裝,軌道板結構平面見圖2。

圖2 軌道板結構平面(單位:mm)

2.2.2 底座

結合軌道板的設計,底座上部設置500 mm×800 mm 限位凹槽,縱橫向約束軌道板,長度與軌道板保持一致,寬度較軌道板寬200 mm,厚度為200 mm。軌道板底座結構平面見圖3。

圖3 軌道板底座結構平面(單位:mm)

2.2.3 調平層

為實現無砟軌道快速更換、高精度鋪設的要求,在軌道板與底座間設置調平層,采用快硬早強自密實混凝土,強度等級為C40,厚度為100 mm。 為保證在天窗點快速更換無砟軌道,并保證有足夠的支撐強度,需在軌道板與底座間設置一定數量的混凝土支墩。

2.2.4 支墩

運煤專線天窗維護時間一般為2~4 h,短時間內不僅要實現快速更換無砟軌道,且要保證軌道結構應滿足正常通車運營的剛度要求。 結合列車軸重及軌道板、底座結構,通過建立有限元模型,具體研究確定支墩的設計及布置方案。

(1)支墩尺寸及布置方案

支墩的不同尺寸及布置方案見圖4,分別對不同方案進行分析研究。

圖4 道床板下不同支墩布置方案(單位:mm)

(2)主要參數及有限元模型

筒倉下無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、支墩和底座等組成。 鋼軌以實體單元進行模擬,鋼軌和軌道板間采用連接器單元模擬扣件的支承和約束作用。軌道板和底座均按實際尺寸建模,采用實體單元模擬。有限元模型見圖5,各結構材料參數見表1。

表1 無砟軌道結構參數

圖5 無砟軌道有限元模型

(3)計算結果

針對軌道板下部設置不同數量支墩方案,分別計算豎向荷載作用于板中和板端時的鋼軌、軌道板豎向位移和應力。 荷載作用于板中時(工況一),鋼軌豎向最大位移為3.21 mm,軌道板豎向最大位移為0.04 mm,見圖6。 通過對不同支墩方案進行計算分析,計算結果見表2。

表2 不同支墩布置方案計算結果MPa

圖6 荷載作用于板中時鋼軌、軌道板豎向位移

列車豎向荷載作用下,鋼軌、軌道板和支承塊各向應力均未超過材料抗拉和抗壓強度要求。 工況三較工況一和工況二可減少支墩333 對和666 對,較方案四尺寸減少,可節約制造成本;同時支承塊越多,精調難度大,對于軌道板的平順性不易保證。 因此,從經濟性及施工便利性考慮,建議支座布置形式采用工況三(即布置3 對支墩,支墩尺寸為0.5 m×0.5 m×0.1 m)。

2.2.5 無砟軌道結構

根據上述軌道板、底座及支墩設計,筒倉下可快速更換的無砟軌道結構見圖7。

圖7 可快速更換的無砟軌道橫斷面(單位:mm)

3 軌道板及底座配筋設計研究

3.1 計算模型及參數

(1)計算模型

根據筒倉下無砟軌道結構的特點,建立“梁-板-板”有限元模型見圖8。

圖8 無砟軌道有限元分析模型示意

(2)計算參數

軌道板、底座及支墩參數同第二節,扣件節點垂向靜剛度為70±1 kN/mm。

3.2 設計荷載

筒倉下無砟軌道軌道板及底座承受的主要荷載有列車荷載、不均勻沉降荷載,以及溫度梯度荷載[12]。

(1)列車荷載作用

列車設計軸重為23 t,采用單軸雙輪加載方式[13],列車作用下軌道板的彎矩結果見表3。

表3 列車荷載作用下軌道板及底座彎矩計算結果kN·m/m

(2)溫度梯度荷載

筒倉結構鋪設于路基基礎上,道床板和底座采用單元結構,由于底座鋪設于道床板之下,不受溫度梯度作用,僅軌道板受正、負溫度梯度作用[14]。 最大正溫度梯度取90 ℃/m;最大負溫度梯度取-45 ℃/m[15],溫度梯度作用下軌道板彎矩計算結果見表4。

表4 溫度梯度作用下軌道板彎矩計算結果kN·m/m

式中,M為軌道板溫度梯度作用彎矩;Δt為上下表面溫差;W為彎曲截面參數。

(3)路基不均勻沉降作用

筒倉下無砟軌道的不均勻沉降變形可假設為余弦曲線[16],路基不均勻沉降變形計算圖示見圖9。

圖9 路基不均勻沉降變形計算圖示

式中,к為下部基礎變形曲線的曲率;EI為無抗彎剛度。

路基不均勻沉降取15 mm/20m 時,僅產生縱向正彎矩[17],不產生其他方向的彎矩,計算結果見表5。

表5 路基不均勻作用下軌道板、底座彎矩計算結果kN·m/m

3.3 極限狀態法計算

3.3.1 荷載組合

筒倉下無砟軌道同時受列車荷載、基礎不均勻沉降及溫度梯度荷載,在不同荷載組合時,溫度梯度取常用溫度梯度[18],荷載組合見表6。

表6 極限狀態法不同荷載組合

3.3.2 極限狀態法

(1)承載能力極限狀態

筒倉下無砟軌道為單元結構,對單元結構而言,主要采用基本組合和偶然組合[19],在承載能力極限狀態法分析中計算兩種組合中的最大值[20]。

①基本組合

式中,分項系數γd=1.5;組合系數ψtd=0.5;分項系數γtd=1.0。

②偶然組合

單元結構承載能力極限狀態偶然組合如下

式中,分項系數γd=1.0;ψtd=0.5;γcj=1.0。

(2)正常使用極限狀態

正常使用極限狀態主要考慮列車荷載、溫度梯度荷載及不均勻沉降,其標準組合如下

式中,組合系數φd=0.75;φtd=0.5。

3.3.3 荷載組合作用效應

不同極限狀態下、不同荷載組合下的軌道板和底座彎矩結果見表7。

表7 荷載組合作用下軌道板及底座彎矩計算結果kN·m/m

3.4 軌道板及底座配筋

承載力極限狀態配筋設計時其基本組合起控制作用,根據混凝土橫截面抗彎承載力計算軌道板及底座配筋,有

式中,正常使用極限狀態下結構裂縫寬度檢算需滿足w

軌道板及底座的配筋設計取承載能力極限狀態與正常使用極限兩者中的較大者,并遵循上下兩層對稱布筋原則,同時滿足最小配筋率的要求,軌道板及底座配筋見表8。

表8 軌道板及底座配筋計算結果 mm

4 結論

針對重載鐵路運煤專線筒倉下有砟軌道道床臟污、板結、彈性差等病害,結合運煤線作業繁重、天窗時間短等特點,為了徹底解決有砟軌道病害,研究一種可快速修復的軌道結構,得出以下結論。

(1)采用換填墊層法對軌道下部基礎進行處理,換填料采用級配碎石摻水泥。

(2)運煤專線筒倉下采用預制板式無砟軌道結構方案,可實現短天窗內整治軌道病害。

(3)從經濟性及施工便利性考慮,軌道板下建議布置3 對支墩,支墩尺寸為0.5 m×0.5 m×0.1 m。

(4)根據極限狀態法計算,軌道板縱橫向分別配置20 根?14 mm 鋼筋,底座縱橫向分別配置14 根?12 mm 鋼筋和16 根?12 mm 鋼筋,即可滿足結構受力要求。