姚毓锋
（中铁十二局集团第三工程有限公司，山西，太原，030032）
The Design of Double-block Ballastless Track in South lu-liang mountains Tunnel of Shanxi-Henan-Shandong Railway
YAO Yu-feng
(1. The 3th Engineering Co., Ltd. of China Railway 12th Bureau Group，Taiyuan 030032， China；2. Lanzhou Jiaotong University，lanzhou 730070，China)
【摘 要】山西中南部铁路通道为30吨轴重重载铁路，首次在隧道内铺设重载双块式无砟轨道。本文针对提出的双块式无砟轨道结构方案，进行了结构力学计算，并按结构受力情况完成结构设计。系统介绍了重载铁路隧道内双块式无砟轨道结构特点及结构设计要求，可为我国其他重载铁路无砟轨道设计提供有益参考。
【关键词】重载铁路；隧道；双块式无砟轨道；结构设计
【Abstract】Shanxi-Henan-Shandong Railway thoroughfare for 30-ton load heavy railway, it is the first time that the double-block ballastless track is layed in tunnel. This paper puts forward double-block ballastless track structural concept, without a frantic jumble of track structure, with the structural mechanics calculation, and complete the structural design according to the structure stress distribution. This paper introduces the structure characteristics and structural design requirements of tunnel double-block ballastless track in the overloaded railway, can provide a reference for other heavy haul railway in our country.
【Keywords】heavy haul railway; tunnel; double-block ballastless track; structural design
一、概述
山西中南部铁路通道为30吨轴重重载铁路，南吕梁山隧道起讫里程DK298+172 ~DK321+618，线路全长23.446km。为满足重载铁路轴重要求，本隧道轨枕块采用重载双块式轨枕[1]。
二、结构方案
隧道内双块式无砟轨道结构自上而下分别由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板等组成[2]，轨道结构高度573mm（对应60kg/m钢轨时为557mm），横断面见图1。
图1 隧道内双块式无砟轨道横断面图
三、结构计算
3.1 计算理论
3.1.1 列车荷载作用下弯矩
列车竖向荷载是作用在无砟轨道上的主要荷载，采用有限单元法建立弹性地基上的梁—板模型进行列车荷载作用下的受力计算，其中钢轨以梁单元模拟，道床板以板壳单元模拟，扣件以及下部基础的弹性作用以线性弹簧进行模拟[3-4]。加载型式以单轴双轮荷载型式。列车荷载作用在道床板各个扣件位置，计算结果取最大值。计算模型如图2。
图2 双块式无砟轨道 “梁-板-板”计算模型
3.1.2 温度梯度作用下弯矩
隧道洞口范围道床板受阳光照射、强冷空气侵袭或突然降雨等作用造成轨道板上下表面温度差，道床板上下表面温度差使板产生翘曲变形，道床板顶面温度高于道床板底面温度（正梯度），道床板面伸长大于道床板板底，板中部向上拱起。道床板面温度低于道床板底（负梯度），道床板四边向上翘起。当翘曲变形受到约束时产生翘曲应力[5-6]。翘曲应力按照Westgaard计算理论进行计算。
3.1.3 横向荷载计算
当轨道结构处于曲线地段时，考虑横向荷载作用，道床板由于横向轮轨力产生的弯矩如式(1)所示。
（1）
式中：Q—横向荷载；h—横向荷载作用点距离板顶面的高度。
3.2 主要设计参数
（1）列车竖向荷载
列车竖向设计荷载为3倍静轮重。
（2）温度梯度荷载
隧道内无太阳照射，温度变化幅度较小，可不考虑温度梯度的作用。在隧道洞口区段，参考“客运专线无砟轨道技术再创新”研究成果，对于板厚220mm的道床板，温度梯度为45℃/m。对300mm厚度的道床板，按0.79修正系数对温度梯度进行修正。
（3）扣件
扣件静刚度为40～60kN/mm，计算时扣件动刚度取80kN/mm，扣件间距取600mm。
（4）道床板
道床板长6580mm，宽2800mm，厚300mm。混凝土等级为C40，弹性模量32500MPa，线膨胀系数1.0×10-5/℃。
（5）隧道支承刚度
依据南吕吕梁山隧道的工程实际，隧道对道床板的支承面刚度取1200MPa/m。
（6）混凝土收缩
单元道床板混凝土收缩以等效10℃降温考虑。
3.3 计算结果
根据建立的计算模型及相关计算方法，可得到道床板在列车荷载及温度梯度作用下所受弯矩值，并进行组合计算，见表1、表2。
表1 取土场部分土样试验结果
表2 隧道洞内地段道床板荷载组合计算结果
四、无砟轨道结构设计
4.1 主要部件
4.1.1 扣件
扣件采用WJ-12型扣件，扣件支点间距一般为600mm，最大不应大于650mm[7-9]。
4.1.2 轨枕
采用重载双块式轨枕，由工厂制造。轨枕设置穿孔钢筋预留孔，加强轨枕与道床板新老混凝土的连接。
图3 双块式轨枕横断面图
4.2 道床板结构设计
4.2.1 结构尺寸
道床板采用单元结构，标准道床板6580mm，宽2800mm，厚300mm。两道床板间设置宽20mm的伸缩缝，伸缩缝采用聚乙烯泡沫型板材或泡沫橡胶板填缝，并在表面30mm范围内采用聚氨酯或沥青密封。
4.2.2 配筋设计
（1）配筋计算
道床板采用HRB335钢筋，钢筋容许应力180MPa；道床板采用C40混凝土，混凝土容许应力：13.5MPa；裂纹宽度容许0.2mm控制，并满足最小配筋率的要求。计算结果详见表3和表4。
表3 距洞口小于200m范围内道床板配筋
表4 距洞口大于200m范围道床板配筋
（2）结构设计
① 距洞口小于200m范围
依据计算结果，距洞口小于200m范围道床板纵横向钢筋均采用Φ20mm钢筋，纵向上层设置10根，下层设置12根；横向上层每两根轨枕间设置3根，下层按200mm等间距布置。详见图4。
② 洞口大于200m范围
依据计算结果，洞口大于200m范围道床板纵向钢筋采用Φ20mm钢筋，上层设置10根，下层设置12根；横向采用Φ16mm钢筋，上层每两根轨枕间设置3根，下层按200mm等间距布置[10-11]。详见图5。
4.3 道床板与下部基础接口设计
（1）道床板范围仰拱回填层（底板）表面需进行拉毛或凿毛处理[12]。
（2）道床板与隧道仰拱回填层间通过剪力筋连接。考虑温度荷载、启动制动荷载等对道床板与下部基础连接钢筋进行强度检算。
4.4 排水设计
在隧道内电缆槽底部设置宽为4cm的泄水槽，泄水槽贯通至排水沟，间距3～5cm。靠近道床板一侧通过直径为5cm的PVC管连接，PVC管紧贴电缆槽边墙，并高出道床板设计表面10～15cm，待无砟轨道结构施工完成后，截至与道床板表面平齐。道床板表面设置1.0%的人字形排水坡，表面水通过所设置的排水通道排至隧道纵向排水沟。见图6。
4.5 无砟轨道与有砟轨道过渡段设计
无砟轨道与有砟轨道过渡段采取以下工程措施：
（1）过渡段设置在隧道内，隧道内过渡段有砟轨道长度30m。
（2）对于双块式无砟轨道，在过渡段线路基本轨之间设置两根60kg/m辅助轨，长度25m。其中无砟轨道内6.5m（单块道床板长度），有砟轨道内18.5m。设置辅助轨范围无砟轨道地段采用重载无砟轨道用过渡轨，有砟轨道地段配套采用重载有砟轨道用过渡轨。
（3）自过渡段无砟轨道和有砟轨道分界处，向有砟轨道方向27m范围内对道砟分别进行全部或部分粘结。
图5 洞口200m范围往内道床板配筋横断面图
图6 隧道内双块式无砟轨道排水接口设计图
五、小结
本文以山西中南部铁路通道为依托，设计了铺设在隧道内的重载双块式无砟轨道，提出了双块无砟轨道结构方案，并进行了结构力学的计算，同时系统的介绍了重载铁路隧道内双块式无砟轨道结构特点及结构设计要求，是我国双块无砟轨道设计的有力依据。
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作者简介：
姚毓锋，男， 1983.7 山西省运城市 助理工程师 轨道工程
论文作者:姚毓锋
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年11月供稿
论文发表时间:2016/1/27
标签：床板论文; 轨道论文; 隧道论文; 荷载论文; 轨枕论文; 扣件论文; 结构论文; 《工程建设标准化》2015年11月供稿论文;