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 陳瀟

 （中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司  武漢430063）

摘要  針對城際鐵路的特點，提出無砟軌道選型原則，通過方案比選推薦采用CRTSI型雙塊式無砟軌道。對雙塊式無砟軌道的總體方案進行優(yōu)化設(shè)計，提出時速160 km/h及以下城際鐵路橋梁地段雙塊式無砟軌道取消底座方案，并對其方案進行靜動力學(xué)計算分析，計算結(jié)果表明，取消底座方案可行。

關(guān)鍵詞  城際鐵路選型  雙塊式無砟軌道  靜動力學(xué)計算  底座

 城際鐵路線路長度一般介于50～200 km之間，主要承擔(dān)區(qū)域內(nèi)相鄰城市間或城市群內(nèi)的通勤客流，車站間距一般為5～20 km，其速度目標(biāo)值一般不高于200 km/h。由于城際鐵路的服務(wù)對象是以中短途旅客為主，客流具有明顯的時段高峰特點，且單程旅行時間通常較短，特別強調(diào)旅客出行的快速和便捷，所以城際鐵路的運輸組織模式具有典型的“高密度、小編組、公交化”特點。

 根據(jù)城際鐵路的技術(shù)特征，在保證安全且鐵路等級、設(shè)計速度、輸送能力、運輸效率相同的條件下，《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》中采用的各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其工程靜態(tài)投資較原客運專線標(biāo)準(zhǔn)節(jié)省投資達10%以上。

1城際鐵路無砟軌道選型研究

 《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“對于城市中心區(qū)等對景觀要求較高地段、長度超過1km的橋梁、隧道及隧道群等線下基礎(chǔ)穩(wěn)固地段，可優(yōu)先考慮無砟軌道”。

1.1無砟軌道類型

 目前我國廣泛采用的無砟軌道類型較多，主要有CRTS I，II，III型板式無砟軌道和CRTS工型雙塊式無砟軌道，均具有多條長大干線采用，運營經(jīng)驗豐富。

 CRTS I型板式無砟軌道由鋼軌、扣件系統(tǒng)、充填式墊板、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿調(diào)整層、混凝土底座、凸形擋臺及其周圍填充樹脂等組成。

 CRTS II型板式無砟軌道主要由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿充填層及支承層等部分組成。

 CRTS III型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、

預(yù)制軌道板、配筋的自密實混凝土、限位擋臺、中間

隔離層（土工布）和鋼筋混凝土底座等部分組成。

 CRTS I型雙塊式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座板／支承層等組成。

1.2無砟軌道選型原則

 無砟軌道的一般選型應(yīng)遵照以下原則：

 (1)結(jié)構(gòu)安全可靠。安全可靠是無砟軌道的選型基本原則。

 (2)較強的適應(yīng)性。較強的適應(yīng)性主要體現(xiàn)在本線所處的水文、地質(zhì)條件、環(huán)境條件、以及線路本身的半徑、坡度等方面的適應(yīng)能力。

 (3)施工簡單方便。施工工藝的難易程度影響工程造價及建設(shè)周期，故應(yīng)盡量選擇施工方便的無砟軌道結(jié)構(gòu)。

 (4)可修復(fù)性較好。無砟軌道相比有砟軌道總體來說維修周期較長，但好的無砟軌道類型應(yīng)在某些病害發(fā)生時具備較好的可修復(fù)功能。

 根據(jù)以上基本原則，同時結(jié)合城際鐵路的特點，《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》特別提出：“正線軌道結(jié)構(gòu)類型應(yīng)根據(jù)線下工程條件、環(huán)境條件、運輸組織方式及養(yǎng)護維修條件等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選后確定”，即城際鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分體現(xiàn)經(jīng)濟性特點。

 此外，由于城際鐵路一般修建于人σ稠密地區(qū)，為了吸引客流，選線設(shè)計時受多方面控制因素影響，曲線半徑相對較小。曲線半徑越小，左右線的軌道板長度差異越大。對于預(yù)制板類型，左右線可能需要采用不同長度的軌道板，即非標(biāo)準(zhǔn)軌道板，需要制造不同長度軌道板的模具，從而增加了預(yù)制工作量、難度及成本。而若采用現(xiàn)澆道床板，軌枕間距可以根據(jù)曲線半徑靈活調(diào)整，施工簡便。因此無砟軌道結(jié)構(gòu)型式應(yīng)在小半徑曲線地段具有較強的適用性。

 同時，隨著人們對環(huán)境保護的要求不斷提高，城際鐵路大多穿越城區(qū)人σ密集處，因而對振動和噪聲控制提出了更高要求，城際鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需結(jié)合環(huán)境影響評價及批復(fù)要求，綜合考慮各方需求，在振動噪聲超標(biāo)地段采用相應(yīng)的減振降噪措施，即城際鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)較好地實現(xiàn)減振功能。

1.3無砟軌道類型比選

 (1)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。CRTS I，II型，III型板式無砟軌道軌道板均為工廠預(yù)制結(jié)構(gòu)，受天氣、溫度因素影響小。城際鐵路線路長度小于一般的客運專線，小半徑曲線較多，CRTS I，II型，III型板式無砟軌道配板時可能出現(xiàn)較多不同長度的板型，尤其是III型板式無砟軌道，生產(chǎn)軌道板時需要更多的模具。CRTS I型雙塊式無砟軌道為現(xiàn)澆無砟軌道結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場可靈活地調(diào)整軌枕間距，在小半徑曲線地段適用性最強。

 CRTS I型和III型板式無砟軌道為單元結(jié)構(gòu)，能很好的適應(yīng)地震多發(fā)地段、便于及時維修。CRTS II型板式無砟軌道和CRTS I型雙塊式無砟軌道均能很好適應(yīng)少地震、具有穩(wěn)定線下基礎(chǔ)地段。

 CRTS I型，II型和III型板式無砟軌道軌道板為預(yù)制結(jié)構(gòu)，受環(huán)境氣候的影響較小，采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗裂能力較強。CRTS I型雙塊式無砟軌道需要現(xiàn)場澆注大面積混凝土道床，施工質(zhì)量受環(huán)境條件影響相對較大，應(yīng)特別注意雨水的影響。

 (2)施工難易程度。CRTS I型雙塊式無砟軌道的雙塊式軌枕為工廠預(yù)制結(jié)構(gòu)，制造工藝目前較為成熟；道床板混凝土為現(xiàn)場澆筑，現(xiàn)場混凝土的施工量較大，受混凝土齡期的影響，其施工進度相對較慢。

 CRTS I型板式無砟軌道的軌道板為工廠預(yù)制，其質(zhì)量容易控制；現(xiàn)場混凝土施工量少，施工的機械化程度高，施工進度較快，但對各部件的精度控制嚴(yán)格。CRTS II型板式無砟軌道軌道板為連續(xù)結(jié)構(gòu)。軌道板為工廠預(yù)制并需對其打磨，制造難度大，需大型制造設(shè)備；橋上軌道系統(tǒng)受力復(fù)雜，施工難度大。CRTS III型板式無砟軌道軌道板承軌臺的矢距和高低采用模具進行調(diào)整，各種曲線半徑下需要的非標(biāo)板較多，施工較為復(fù)雜，但精度高。

 曲線地段施工時，采用CRTS I型雙塊式無砟軌道時，線路的超高順坡、曲線圓順度等易于控制；采用CRTS I和II型板式無砟軌道時，線路超高順坡、曲線矢度的實現(xiàn)對扣件系統(tǒng)高低、方向調(diào)整要求較高。CRTS III型軌道板出廠時即是特定平面曲線半徑、豎曲線對應(yīng)的“定制”品，現(xiàn)場施工時不需調(diào)整。

 (3)可修復(fù)性。CRTS II型板式無砟軌道軌道板相互連接，結(jié)構(gòu)連續(xù)，可修復(fù)性一般。CRTSI板式無砟軌道的結(jié)構(gòu)是分離式的，軌道的水平、高低可通過CA砂漿來調(diào)整，可修復(fù)性稍好。CRTS III型板式軌道結(jié)構(gòu)為分離式的，軌道的水平、高低通過扣件及自密實混凝土調(diào)整，所以其可修復(fù)性較好。CRTS I型雙塊式無砟軌道的軌枕嵌在現(xiàn)澆的道床板中，且扣件的可調(diào)性有限，可修復(fù)性稍差。

 (4)經(jīng)濟性。城際鐵路線路長度一般不是很長，CRTS I型，II型和III型板式無砟軌道軌道板均為預(yù)制結(jié)構(gòu)，需建廠生產(chǎn)軌道板，建廠成本及運輸成本高，均攤到每公里后將明顯提高全線軌道結(jié)構(gòu)的總體造價。目前CRTS I型雙塊式無砟軌道整體的設(shè)計、制造、施工已實現(xiàn)國產(chǎn)化，造價最低。

 (5)減振功能的實現(xiàn)。CRTS I型雙塊式無砟軌道減振可在道床板與底座之間設(shè)減振墊層；CRTS I和II型板式無砟軌道可在CA砂漿與底座間設(shè)置減振墊層；CRTS III型板式無砟軌道可在自密實混凝土與底座間設(shè)減振墊層。

 減振型CRTS I型雙塊式無砟軌道曾在蘭新線嘉峪關(guān)古長城段、北京地下直徑線、大西高鐵，以及廣深港客專香港段中使用。減振型CRTS I型板式無砟軌道在廣深港獅子洋隧道及福田站、杭長客專葉宅二號隧道中使用過。減振型CRTSIII型板式無砟軌道在蘭新線嘉峪關(guān)古長城段使用過。CRTS II型板式無砟軌道未曾有過減振方面的運營經(jīng)驗。

 綜合考慮城際鐵路小半徑曲線一般較多，多數(shù)有減振需求，在滿足安全可靠的基礎(chǔ)上希望追求最大經(jīng)濟化，在沒有線網(wǎng)無砟軌道類型統(tǒng)一因素的限制時，本文推薦城際鐵路無砟軌道采用CRTS I型雙塊式無砟軌道。

2城際鐵路雙塊式無砟軌道方案設(shè)計

 高速鐵路CRTS I型雙塊式無砟軌道在武廣、鄭西、蘭新、包西、合福（福建段）等線路中均有廣泛鋪設(shè)，運營狀態(tài)良好，因此城際鐵路雙塊式無砟軌道的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案建議與高速鐵路CRTS I型雙塊式無砟軌道相同。

 為了盡可能地減少雙塊式無砟軌道工程造價，原雙塊式無砟軌道設(shè)計可從以下幾個方面進行適當(dāng)優(yōu)化。

 (1)對扣件節(jié)點間距進行相應(yīng)的優(yōu)化增加，減少扣件使用量。由于城際鐵路列車軸重可能比高速鐵路列車軸重輕，速度也比高速鐵路低，在滿足軌道強度檢算要求的情況下，適當(dāng)增大扣件節(jié)點間距可以減少扣件數(shù)量，降低造價。建議在確定最大扣件節(jié)點間距時充分調(diào)研國內(nèi)外各條線路無砟軌道的扣件節(jié)點間距最大值及平均值，進行靜動力學(xué)檢算分析，尤其對橋梁地段扣件節(jié)點間距進行力學(xué)計算分析后綜合確定。

 (2)對道床板／底座的尺寸及配筋進行相應(yīng)優(yōu)化。道床板／底座的寬度設(shè)計首先需滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，考慮列車荷載在道床板及底座的傳遞范圍。當(dāng)減小道床板／底座寬度時，其橫向正彎矩相應(yīng)地減少，橫向負(fù)彎矩及縱向彎矩將相應(yīng)增大，原雙塊式無砟軌道道床板寬度為2 800 mm，底座寬度為3 400 mm，通過理論計算分析，建議其寬度均減少100～200 mm。

 道床板／底座的厚度是由結(jié)構(gòu)強度及配筋要求決定的。在進行靜力學(xué)計算及配筋設(shè)計時，應(yīng)充分考慮列車荷載（ZC荷載）、整體溫差、溫度梯度、線下基礎(chǔ)變形等作用的影響。當(dāng)超高在底座上實現(xiàn)時，底座的厚度應(yīng)考慮城際鐵路最大設(shè)置超高150 mm時，底座的最薄厚度要求。

 通過理論計算分析，道床板縱向鋼筋可由原來的直徑20 mm減小為16 mm或18 mm。

(3)橋梁地段考慮取消底座方案。橋梁地段取消底座方案在某市域鐵路中被推薦采用，本文對車速160 km／h及以下城際鐵路橋梁地段采用雙塊式無砟軌道取消底座方案的可行性進行相應(yīng)的計算和分析，采用Ansys有限元分析軟件建立如圖1所示的三維模型。

3取消底座方案的計算

3.1靜力學(xué)計算

 橋上無砟軌道的受力計算，主要考慮列車荷載、溫度荷載、混凝土收縮和橋梁撓曲變形等影響因素。

 (1)列車荷載計算。采用梁一體模型，運用有限元法進行計算：鋼軌采用梁單元，可承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元；扣件采用彈簧單元，具有非線性功能的單向單元；道床板采用實體單元模擬。橋梁梁面提供的彈性采用彈簧單元進行模擬，該彈簧可以承受垂向壓力，但不能傳遞拉力。建立橋梁地段雙塊式無砟軌道有限元模型，模型共模擬了3塊道床板。為保守起見，軸重仍按17t考慮，取動載系數(shù)為2.5。為消除邊界效應(yīng)，計算模型選取3塊單元道床板的長度進行計算，以中間道床板作為研究對象�？紤]輪載作用在板中鋼軌節(jié)點上和板縫鋼軌節(jié)點上2種情況，記為板中工況和板縫工況，提取出道床板的縱橫向應(yīng)力。

 (2)整體溫度。雙塊式無砟軌道橋上道床板與橋梁之間采用預(yù)埋鋼筋等方式進行連接，認(rèn)為道床板與橋梁之間連接緊密，則道床板溫度認(rèn)為與橋梁一致，道床板隨橋梁發(fā)生整體的伸縮，且道床板為分塊結(jié)構(gòu)，道床板的軸向溫度應(yīng)力不計。

 (3)溫度梯度按正溫度梯度（上熱下冷）90。C／m、負(fù)溫度梯度45 'C／m計。

道床板受到的翹曲溫度應(yīng)力計算公式為：

式中：d為橋梁的最大撓度；L為余弦曲線半周期范圍內(nèi)的長度。

 以上計算取承載能力的強度檢算荷載組合的最不利值進行配筋設(shè)計，道床板配筋按30 mm保護層厚度下0.2mm裂縫寬度控制進行配筋。若保護層厚度取為45 mm，則裂縫寬度為0.3 mm控制，若以0.3 mm作為裂縫控制，按計算需要的配筋為：縱向道床板頂面：8φ16@450，底面9φ16@330;橫向頂面：1φ16@300，底面2φ16@300。

3.2動力學(xué)計算

本部分針對橋上雙塊式無砟軌道無底座方案，通過建立車輛一軌道一橋梁的空間耦合動力學(xué)模型，對車輛、軌道各在輪軌相互作用下的動態(tài)響應(yīng)進行了詳細的分析，結(jié)果見表1～3。

 根據(jù)以上動力計算結(jié)果來看，不管是車輛、橋梁、道床板以及鋼軌，包括車體豎、橫向加速度，脫軌系數(shù)，輪重減載率，橋梁跨中豎、橫向加速度，橋梁跨中豎、橫向位移，梁端折角，鋼軌垂向動位移，道床板垂向位移均小于《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)范限值，而道床板縱、橫向動應(yīng)力則小于采用設(shè)計荷載計算得到的道床板應(yīng)力，且小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》所規(guī)定的拉、壓強度限值，因此從理論角度講，設(shè)計速度160 km/h以下城際鐵路橋梁地段采用無底座方案是可行的。

4結(jié)論和建議

 (1)本文針對城際鐵路的特點對無砟軌道選型進行了研究，推薦城際鐵路無砟軌道采用CRTS I型雙塊式無砟軌道。

 (2)為了盡可能減少工程投資，建議對雙塊式無砟軌道的扣件節(jié)點間距、道床板／底座的尺寸及配筋進行相應(yīng)的優(yōu)化。

 (3)對時速160 km／h及以下城際鐵路橋梁地段雙塊式無砟軌道取消底座結(jié)構(gòu)方案進行了靜動力學(xué)計算分析，配筋按靜力計算結(jié)果進行設(shè)計，動力學(xué)檢算結(jié)果顯示，車輛及軌道的各項動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)均低于《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》中的限值，設(shè)計速度160 km/h以下城際鐵路橋梁地段采用無底座方案，從理論計算角度是可行的。

 (4)橋梁地段雙塊式無砟軌道取消底座尚未有過通車運營經(jīng)驗。但由于其取消了底座，可大大減少橋梁地段雙塊式無砟軌道的工程投資，建議將在某項目中做一試驗段試鋪，并對其進行相對較長時間的靜態(tài)觀測和動態(tài)檢測，經(jīng)試驗驗證良好后再大面積推廣使用，以達到雙塊式無砟軌道的最大經(jīng)濟化。