重载铁路隧道内无砟轨道结构选型分析

王继军，尤瑞林，杜香刚，范 佳，江 成

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

近年来，重载铁路运输在世界范围内迅速发展，在国际上被公认为铁路货运发展的方向。不仅在矿物和货运为主的国家(美国、加拿大、巴西、澳大利亚和南非等国)大量开行重载列车，而且在欧洲以客运为主的客货混运干线上也开始发展重载运输。

我国重载铁路运输近年来也有较大发展，除大秦线、朔黄线、神朔线等既有铁路外，目前规划建设的山西中南部铁路通道及蒙西至华中地区铁路煤运通道将成为我国重要的重载运输铁路。山西中南部铁路通道自山西省吕梁市兴县的瓦塘开始，跨京广、京九线后终至山东日照南站，线路正线长度1 268 km。蒙西至华中地区铁路煤运通道工程北起鄂尔多斯，途经蒙西、陕西、山西等我国最重要的煤炭产区，终至江西吉安，是一条吸引蒙陕甘宁能源产地、覆盖鄂湘赣等华中能源消费地的便捷大能力煤运通道，线路全长1 816 km。

以上两条线路均按大轴重煤运通道进行规划设计，轨道按重型轨道设计，重车方向预留特重型轨道结构条件。山西中南部通道共有隧道198座，总长377.46 km。其中隧道长度≥6 km的隧道14座，长163.92 km。蒙华铁路通道穿越吕梁山脉、中条山脉、东秦岭山脉等山区，隧道总长428.4 km，且长大隧道较多，隧道长度≥10 km的隧道10座，其中长度≥15 km的隧道6座。

目前，国内外重载铁路大都采用有砟轨道结构。一方面，重载有砟轨道随着运量逐年增大，钢轨、焊接接头及道岔伤损数量大幅上升，道床残余变形增大，道床粉化板结，轨道刚度不断增大，加剧了列车对轨下基础的破坏及线路几何状态的恶化，形成了轨道状态劣化的恶性循环。另一方面，随着行车密度和载重量的提高，轨道的维修工作更趋频繁，但繁忙的货运铁路，天窗兑现率越来越低，可用于线路养护维修的时间较短，难以对线路病害进行及时维修。尤其在长大隧道内，有砟轨道结构养修作业更加困难。

针对山西中南部及蒙华重载铁路煤运通道工程隧道数量多、里程长，长大隧道比例较大的工程特点，在长大隧道内采用无砟轨道结构，具有降低隧道净空，结构耐久性强，维修工作量少，维护费用低，轨道结构稳定性、连续性和平顺性好等优点［1-2］。因此，结合国内重载煤运通道建设的工程背景，开展隧道内无砟轨道结构选型研究，对我国重载铁路运输的发展以及重载铁路轨道技术体系的完善具有重要意义。

1 国内外重载无砟轨道应用概况

1.1 国外重载无砟轨道应用及隧道内轨道结构概况

1.1.1 美国重载无砟轨道［3-4］

2000年，美国波特兰水泥协会(PCA)开展了一项“货运与高速客运线路用无砟轨道研究与试验”的合作开发项目，目标是开发先进的无砟轨道技术。经研究筛选，确定对直接式无砟轨道(DFST)和弹性支承块式无砟轨道(IDBT)两种结构形式进行试验研究，如图1和图2所示。

2003年7月—2006年7月由AAR下属的TTCI在FAST重载线路上完成了无砟轨道现场试验及验证工作。重载列车包括3～4个机车以及60～80辆货车，牵引质量为8 000～10 000 t，货车轴重为35.4 t;机车轴重为29 t，列车一般运行速度为64 km/h。从2003年开始运营试验至目前，累积通过总重4.5亿t。现场试验表明两种轨道结构整体状态良好，能够保证重载列车运营的安全性，同时可以实现轨道结构的少维修。

图1 美国直接式无砟轨道

图2 美国弹性支承块式无砟轨道

1.1.2 加拿大重载无砟轨道［5］

加拿大CP公司重载线路于1988年在Macdonald隧道(如图3所示)及Shaughnessy隧道内分别铺设了15.1 km和1.6 km的直接式无砟轨道结构(PACT)，主要考虑减少养护维修工作量［5］。

由于隧道内排水不畅、洞口附近基础不均匀沉降、道床板配筋及道床板与底座连接钢筋设计不足等原因，导致道床板出现开裂、掉块等伤损。现场主要采用改进表面排水、注入环氧材料以及伤损道床板的移除和换铺等措施进行修复;目前已对约115 m长的地段进行了换铺维修。

图3 加拿大隧道内直接式无砟轨道(单位:mm)

1.1.3 南非重载无砟轨道［6］

南非目前有两条典型的重载铁路，里查兹湾(Richards Bay)运煤专线和斯申—撒尔丹哈(Sishen-Saldanha)铁矿石专运线。

里查兹湾运煤专线全长588 km，线路的设计年运量1 750万t/年，扩能改造后为4 200万t/年。运营列车的机车轴重28 t(总重168 t)，车辆轴重26 t。全线共有隧道37座(共计44 km)，其中最长隧道为3.9 km。隧道内全部为直接式无砟轨道结构。

斯申—撒尔丹哈铁矿石专运线全长861 km，线路设计年运量2 100万t，完成既有线扩能改造后，目前实际年运量达到6 300万t。运营列车的机车轴重28 t，车辆轴重30 t。该线只有一座隧道，长787 m，隧道内也是采用直接式无砟轨道(如图4所示)。

图4 南非隧道内直接式无砟轨道

南非隧道内无砟轨道总体使用情况较好。里查兹湾运煤专线，在实际使用中无须任何养护作业，据介绍曾有一块道床板在水压作用下出现松动，通过打入岩石锚杆进行了修复。另外，里查兹湾运煤专线一些隧道内钢轨扣件的扣压效果不好，曾在个别隧道内进行了相关试验研究。

1.2 国内客货混运铁路隧道内无砟轨道应用概况

我国客货混运无砟轨道结构的发展也有较长历史，早期曾试铺过支承块式、整体灌注式、短木枕式及无砟无枕式等无砟轨道结构形式，主要应用于隧道和桥梁等刚性基础地段，1965年—1984年间，整体道床铺设长度达到300 km。在20世纪90年代，结合高速铁路无砟轨道的前期研究，选定秦沈线沙河、狗河和双何三座特大桥进行长枕埋入式和板式无砟轨道的试铺，为完善两种无砟轨道技术，在渝怀线鱼嘴2号隧道、圆梁山隧道和赣龙线枫树排隧道又分别进行了长枕埋入式和板式无砟轨道的铺设。为形成区段铺设无砟轨道成套技术，2004年在遂渝线建设了无砟轨道综合试验段，线下基础涵盖了路基、桥梁、隧道及过渡段，试验段范围内铺设了板式、双块式和长枕埋入式等多种形式无砟轨道结构。此外，弹性支承块式无砟轨道在西康线秦岭、宁西线东秦岭、兰新线的乌鞘岭隧道以及黔桂线、大丽线等干线铁路长大隧道内得到广泛应用。

结合30 t轴重重载铁路隧道内无砟轨道关键技术的研究，相关单位开展了对我国客货混运铁路无砟轨道应用情况的调研工作，调研情况的总结分析表明:

1)国内客货混运铁路隧道内无砟轨道结构及线路状态总体情况良好。

秦岭、白清、乌鞘岭隧道内弹性支承块式无砟轨道结构及线路状态总体情况良好，相比有砟轨道，其维修工作量显著减少。在渝怀线鱼嘴2号隧道内铺设的长枕埋入式无砟轨道结构以及赣龙线枫树排隧道板式无砟轨道结构，运营了货物列车，轨道结构及线路状态总体情况也较好，达到了减少养护维修工作量的目的。

2)部分隧道内隧底处理不当以及防排水措施不完善是无砟轨道结构产生病害的主要原因。

乌鞘岭隧道内由于隧道仰拱下未设排水设施、加之基底处理不当等施工原因导致弹性支承块式无砟轨道出现两处较大的道床下沉病害。黔桂线定水坝、银洞坡隧道内弹性支承块式无砟轨道，由于前期施工质量缺陷以及基底处理不当等问题，导致出现道床板开裂、支承块伤损、套靴与支承块间离缝，形成动态空吊等病害，轨道结构及线路状况总体情况不良。

3)加强隧道内无砟轨道施工质量控制是保证运营阶段少维修的一个前提条件。

客货混运条件下，双块式或长枕埋入式无砟轨道新老混凝土界面处为薄弱环节，施工处理不当易产生开裂、离缝、轨枕松动等病害，因此应加强施工控制，采取枕面粗糙处理、设置连接钢筋等措施加强预制枕与现浇混凝土的粘结，道床板施工时加强枕底面混凝土的振捣密实。弹性支承块式无砟轨道在轨排组装阶段则应严格控制支承块、橡胶套靴和枕下弹性垫板之间各界面的密贴，封闭支承块和套靴之间的缝隙，控制现浇道床板的顶面标高，避免出现支承块空吊、离缝、轨距不良等运营病害。黔桂线定水坝、银洞坡隧道内弹性支承块式无砟轨道以及遂渝线隧道内双块式无砟轨道由于施工工艺和工程材料质量方面的问题出现过支承块空吊、双块式轨枕松动、道床板开裂等病害。2011年7月遂渝线开行货车之后，上述病害现象的发生呈上升趋势。

2 隧道内重载铁路无砟轨道选型原则

2.1 重载铁路煤运通道长大隧道线路特点

结合我国山西中南部及蒙华铁路煤运通道工程概况，总结分析重载铁路煤运通道工程长大隧道线路主要有以下特点:

1)运量高、轴重大

大秦和大包等重载铁路的运营实践表明，列车轴重的增加将带来轨道部件伤损增多、轨道几何状态变化加快、轨道大中修周期缩短等不利影响。山西中南部及蒙华铁路煤运通道均按重载线路设计规划，设计部分列车牵引质量10 000 t，远期有可能开行30 t轴重货车，且年运量也会非常大，高运量、大轴重的运营条件，对轨道结构的破坏作用可以预见。

2)横向荷载大

目前山西中南部及蒙华重载铁路煤运通道隧道设计最小曲线半径均为800 m，列车轴重的增加势必造成横向荷载的增大，不仅对扣件系统的轨距保持能力及抗倾覆性能提出更高要求，对轨道结构横向稳定性的要求也更为严格。

3)纵向荷载大

重载列车(特别是长编组重载及组合列车)对轨道结构产生的纵向荷载主要源于列车前后部制动力差，其与列车轴重、车长、编组方式、机车位置和配置、制动系统的性能和参数、线路纵横断面参数等多种因素有关。山西中南部及蒙华重载铁路煤运通道隧道设计最大上坡6‰，最大下坡13‰，列车运行时产生的纵向力要求扣件系统具有相适应的纵向阻力，轨道结构应有较好纵向稳定性。

4)污染严重

大秦铁路运营经验表明，煤粉对隧道内轨道结构污染严重，且清理难度较大，对轨道弹性产生不利影响。山西中南部及蒙华重载铁路通道均为运煤线路，设计中应考虑煤粉对轨道结构的影响。

5)地质条件复杂、部分地段地下水发育

山西中南部及蒙华重载铁路煤运通道隧道众多，分布在我国各个不同省份，地质条件复杂。长大隧道内的特点是温度变化较小，且不受雨水侵蚀，可为无砟轨道铺设提供良好的环境条件。但若隧道通过地段，地质条件较差，隧道地下水发育，处理不当将会对无砟轨道结构造成不利影响。

结合上述特点分析，我国重载铁路隧道内无砟轨道结构的选择必须与线路特点相适应。

2.2 长大隧道内重载铁路无砟轨道选型原则

为研究重载铁路隧道内无砟轨道结构形式，借鉴客运专线无砟轨道技术再创新研究成果，并结合线路特点，提出长大隧道内重载铁路无砟轨道结构选型原则:

1)安全可靠性。在设计荷载作用下，无砟轨道结构具有足够的承载强度储备，线路应保持安全、可靠的几何状态。

2)耐久性。结合轨道结构生命周期理念，设计中考虑长期疲劳荷载，使无砟轨道结构满足使用寿命要求。

3)良好的适应性。轨道结构应与隧道工程和轨道电路等站后工程有良好的适应性，同时，应与煤运通道具体条件相结合。

4)良好的施工性能。针对隧道条件，无砟轨道结构应便于组织和施工，制造和施工精度应易于保证，同时应能较易实现与有砟轨道的过渡。

5)较强的可修复性。在隧道工程变形超限、结构部件损坏时，无砟轨道结构应具有一定的调整量和可修复性。

6)适宜的弹性。为减缓轮轨冲击力对轨道和车辆的不利影响，一般要求无砟轨道要有与有砟轨道相近的轨道弹性。

7)合理的经济性。在满足轨道结构安全可靠性和耐久性等的前提下，无砟轨道结构应尽可能降低建造成本，提高综合效益。

3 重载铁路隧道内无砟轨道选型分析

通过国内外研究应用情况的调研可以看出，目前国内尚无重载铁路无砟轨道的应用先例，世界范围内也仅有少数国家在重载线路上进行了无砟轨道结构的有益尝试;总的来说，重载铁路无砟轨道领域经验尚不丰富，技术尚待完善。因此，在进行重载铁路隧道内无砟轨道的结构选型时，有必要对国内外重载和客货共线铁路典型的无砟轨道结构进行总结和分析。

3.1 单元板式无砟轨道

主要由钢轨、扣件系统、预制混凝土轨道板、砂浆充填层以及现浇钢筋混凝土底座等部件构成。

单元板式无砟轨道铺设于客货共线铁路赣龙线枫树排隧道和遂渝线无砟轨道综合试验段。目前，遂渝线开行有25 t轴重货运列车。

结构的主要优点有:结构形式简单，力学传递路径明确;预制轨道板采用工厂化生产，可施加预应力，质量(混凝土裂纹控制、绝缘处理等)易于控制;现浇混凝土量少，预制件现场组装，施工进度快;外观质量整洁美观;结构可修复性较好。

存在的不足有:铺轨时，轨道状态调整工作量略大;经济性一般;施工作业面相对较大，隧道内施工存在一定困难;对小半径曲线适应性较差。

3.2 长枕埋入式无砟轨道

主要由混凝土道床板、整体式轨枕及配套扣件等部件构成。长枕埋入式无砟轨道结构以现浇混凝土的方式将整体预应力混凝土轨枕埋入道床板中，使之成为整体，为保证轨枕与现浇道床的牢固连接，在轨枕上设横向预留孔，使道床上层纵向钢筋穿过，以增强其整体性。

长枕埋入式无砟轨道铺设于客货共线铁路渝怀线鱼嘴2号隧道、圆梁山隧道和遂渝线无砟轨道综合试验段道岔区，遂渝线开行有25 t轴重货运列车。

结构的主要优点有:结构形式简单，整体性好，轨距保持能力强;经济性较好;道床混凝土灌注成型，均为常规施工工艺，利于掌握，轨枕单根设置，曲线适应能力强;可利用现有轨枕工厂，制造方便;轨枕的运输吊装方便。

存在的不足有:新老混凝土结合面较大;轨道结构高度相对较大;施工质量易受工具轨、扣件等因素影响;可修复性一般。

3.3 双块式无砟轨道

主要由混凝土道床板、双块式轨枕及配套扣件等部件构成。工厂内预制通过桁架钢筋相连的双块式轨枕，施工时将双块式轨枕组装成轨排，与现浇混凝土形成整体结构。

双块式无砟轨道铺设于襄渝线、遂渝线无砟轨道综合试验段等客货混运线路。目前，遂渝线开行有25 t轴重货运列车。

结构主要优点有:结构整体性较强;道床混凝土灌注成型，为常规施工工艺，便于施工;预制轨枕生产工艺利于掌握，具备成套生产设备;预制件较小，运输吊装方便;经济性较好。

存在不足有:新老混凝土结合面易产生裂纹，控制较困难;工具轨施工，施工质量受工具轨、扣件等因素影响;可维护性一般。

3.4 直接式无砟轨道

直接式无砟轨道是现场灌注的钢筋混凝土整体道床结构，钢轨直接通过扣件系统与道床连接。西班牙、南非、加拿大和荷兰等国重载和高速线的桥隧结构上应用的PACT无砟轨道结构形式，以及美国HTL大轴重环线上铺设DFST轨道都属于直接式无砟轨道结构。

结构主要优点有:由于道床板全部为现浇混凝土，轨道结构整体性较强;道床结构中无预制结构，不存在新老混凝土结合面粘结强度问题。

存在不足有:现浇混凝土量大，施工速度相对较慢;对于轨距、高低、轨底坡等轨道几何尺寸在施工时较难控制，尤其对于设置曲线超高或顺坡等特殊区段;施工中对扣件连接件固定的精度要求高，施工出现的误差只能通过扣件自身调整。

3.5 弹性支承块式无砟轨道

弹性支承块式无砟轨道是在两个独立(或有连接)混凝土支承块的下部及四周设橡胶套靴，支承块底部与套靴间设橡胶弹性垫层，套靴周围灌注混凝土而成型的一种无砟轨道结构形式。

弹性支承块式无砟轨道作为一种低振动轨道结构，在国外高速铁路、客货共线铁路和城市轨道交通领域均有广泛应用。弹性支承块式无砟轨道结构在我国干线铁路隧道内(如秦岭、乌鞘岭隧道等)累计铺设300 km，开行有最大轴重25 t货运列车。美国TTCI试验段开行有轴重35.4 t重载列车。

结构主要优点有:扣件和枕下垫板共同提供弹性，轨道结构弹性好;支承块之间相互独立，曲线适应性好;采用“自上而下”施工，工艺简单，国内有前期施工及使用经验;轨道结构可修复性较好。

存在的不足有:橡胶套靴防水、防尘性能需进一步研究;结构中弹性元件耐久性问题;轨道几何形位的保持能力减弱。

4 结论

针对我国重载铁路隧道特点，以上几种典型无砟轨道结构性能综合对比如表1所示。

表1 隧道内重载无砟轨道方案比选

由以上各种无砟轨道结构特点分析及表1对比可以看出:

1)各种无砟轨道结构均具有较好的耐久性，并能实现少维修。

2)对于单元板式无砟轨道结构，轨道板下水泥乳化沥青砂浆承受重载运营条件的适应性仍有待研究;并且轨道结构的技术经济性相对现浇道床结构不具优势。

3)双块式、长枕埋入式以及直接式无砟轨道均为现浇整体道床结构，综合性能较好。这3种无砟轨道结构受力体系基本相同，直接式无砟轨道施工性相对较差，并且对配套扣件系统要求较高，国内目前没有工程实践经验。双块式与长枕埋入式无砟轨道结构在我国客货混运的线路上有一定的应用经验，但这两种轨道结构弹性完全由扣件系统提供，针对重载运营条件，扣件的设计难度加大，且轨道结构可维修性能一般。

4)弹性支承块式无砟轨道结构综合性能良好，在我国客货混运线路隧道内有一定规模的工程应用，在施工和养护维修方面已积累了较多经验。从现场调研和美国试验情况来看，总体状态较好，是一种较为成熟的无砟轨道结构形式。弹性支承块式无砟轨道通过在支承块下和轨下设置双层弹性垫层，使得轨道结构整体弹性较好，有利于降低重载运输条件下的轮轨相互作用力并衰减对隧道基底的振动冲击，且相对刚性道床而言，混凝土支承块破损、隧道发生局部病害后具有一定的可维修性。

综合以上分析，根据我国新建重载铁路建设和运营特点，隧道内无砟轨道在安全可靠性满足要求的前提下，侧重于可修复性、低动力特性，以及从前期工程实践经验的角度考虑，隧道内弹性支承块式无砟轨道结构为推荐方案;双块式和长枕埋入式无砟轨道结构可作为对比方案进行研究。

对于弹性支承块式无砟轨道结构应用于重载铁路需重点研究解决轨道结构刚度的合理匹配，弹性材料的耐久性以及重载运营条件下的轨距保持能力;双块式和长枕埋入式无砟轨道结构需开展针对重载运营条件的研究设计和优化，研究分析合理的刚度取值，设计配套扣件系统，并针对两者新老混凝土结合面的粘结性能开展理论分析和相关试验对比研究。

［1］赵国堂.高速铁路无碴轨道结构［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］卢祖文.客运专线铁路轨道［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

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