高原铁路隧道地段单元式道床板植筋检算

刘启宾 魏周春 徐 旸 褚卫松 赵志强

(1.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

某高原铁路为设计速度目标值200 km/h的客货共线铁路，设计最大轴重为25 t[1-3]。铁路沿线工程与环境条件复杂，养护维修条件极为恶劣，为降低运营期线路养护维修工作量，正线以采用少维护且在隧道地段具有良好经济性能的双块式无砟轨道为主[4-5]。现行双块式无砟轨道通用参考图中，隧道地段双块式无砟轨道为连续式结构，一般地段与隧道基础之间依靠道床与基底的粘结进行限位[6]。根据现有应用经验，连续式结构道床病害多、裂缝修补工作量大[7-8]，尤其在高原铁路沿线工程与环境条件极为复杂的情况下，钢筋混凝土道床结构的耐久性以及运营期的养护维修均面临巨大挑战。同时，该线具有地质条件复杂、线下基础变形风险高等特点[9-10]，纵连式无砟轨道整治、修复难度大，采用单元式结构有利于养护维修及应急抢修[11-13]。因此，为提高道床结构耐久性、降低运营期养护维修工作量、提高无砟道床对沿线工程与环境条件的适应性，推荐隧道地段采用单元式道床板结构。

道床结构单元化能大幅降低裂缝出现的概率，但道床整体稳定性被削弱，为确保其与隧道基础间连接的可靠性，需采用植筋加强二者之间的连接。为确保植筋设置的可靠性与经济性，基于数值分析方法对道床板与隧道基础之间植筋设置情况进行检算分析，为高原铁路无砟轨道结构设计提供支持。

1 荷载效应

该铁路为客货共线铁路，运行的基本车型有3种，见表1。

表1 川藏铁路列车类型

参考关于动载系数的规定[14]，对道床板植筋检算时，选取轴重25 t的货物列车(牵引机车重25 t，HXD)，动载系数取2.5，其机车轮对布置见图1。

图1 HXD列车轮对图示(单位：mm)

客货共线铁路一般地段双块式无砟轨道的轨枕间距为625 mm，每块道床板上布置10根轨枕，在施工段落端部及变形缝前后的调整地段可采用非标准版，根据轨枕间距及每块板上轨枕布置数量，确定非标准道床板长4.025～6.875 m。由图1可以看出，单个道床板上至多同时存在两个轮对。为简化计算，对道床板与隧道仰拱间植筋检算作出如下假设。

(1)假设单块道床板独立承受一个转向架的荷载，不考虑轮载在不同道床板间的分配(相邻转向架之间的距离均超过5 m，其分配效应可忽略)[15]。

(2)假设局部出现道床板离缝后，植筋仍能满足道床板的限位需求；道床板与隧道基础之间无粘结作用，即道床板纵横向限位完全由植筋提供。

道床板纵向受列车制(启)动力，横向受轮轨横向力，二者合力作用于植筋。基于以上假设，则道床板水平方向受力可视为全部由植筋承担，道床板水平方向受力情况如下。

(1)道床板纵向受力

道床板所受列车最大制(启)动力为

F纵=μ×4×Pd

(1)

其中，μ为轮轨间摩擦系数，取0.164；Pd为列车动轮载，有

Pd=αPj

(2)

其中，α为动载系数，取2.5；Pj为列车静轮载，取125 kN，有

F纵=205 kN

(2)道床板横向受力

按照规范规定，列车横向设计荷载

Q=0.8×4×Pj=400 kN

基于以上分析，则道床板所受荷载的合力为

2 植筋参数

为节约投资及便于现场施工，铁路隧道内多采用与道床结构同型号的钢筋作为道床与隧道仰拱之间的植筋，主要参数如下。

(1)采用φ16 mm的HRB400级钢筋，长380 mm，植入隧道仰拱回填层长200 mm，伸入道床板内180 mm。

(2)钻孔直径为20 mm，钻孔与植筋之间采用植筋胶填充，植筋胶抗压强度不小于99 MPa。

(3)隧道仰拱回填层混凝土强度等级为C20。

3 植筋数量计算

基于植筋抗剪强度、仰拱回填层混凝土局部抗压强度及植筋胶抗压强度要求，进行植筋数量检算分析。

3.1 基于植筋抗剪强度计算

基于群栓抗剪强度计算理论，则植筋所受剪应力为

(3)

其中，ξ为植筋受力不均匀系数，取1.1；n为单块板植筋数量；r为植筋半径。

植筋采用HRB400级，其抗拉强度标准值400 MPa，设计值为360 MPa；抗剪强度设计值为

[τ]=(0.6～0.8)×[σ]=(216～288) MPa

基于安全考虑，取[τ]=216 MPa。

由植筋抗剪强度计算的植筋数量为

基于植筋抗剪强度检算结果，隧道地段单元式道床板每块板需12根植筋。

3.2 基于植筋孔混凝土抗压强度计算

植筋对隧道仰拱混凝土压应力为

(4)

其中，ξ为植筋受力不均匀系数；n为单块板植筋数量；D为钻孔直径；h为植筋植入底板长度。

隧道仰拱填充层混凝土强度等级为C20，其材料自身的容许压应力为5.4 MPa，植筋与混凝土之间的作用可以视为局部承压，则其容许压应力为

[σ1]=5.4×β

(5)

因此，[σ1]=31.9 MPa

则由植筋孔混凝土抗压强度计算所需植筋数量为

基于植筋孔混凝土抗压强度检算结果，隧道地段单元式道床板每块板需要植筋4根。

3.3 基于植筋胶抗压强度计算

植筋胶所受压应力为

(6)

其中，ξ为植筋受力不均匀系数；n为单块板植筋数量；d为植筋直径；h为植筋植入底板长度。

(7)

其中，σ设计为抗压强度设计值，取99 MPa；λ为系数，取2.5。

则[σ2]=39.6 MPa

由植筋胶抗压强度计算所需植筋数量为

基于植筋胶抗压强度检算结果，隧道地段单元式道床板每块板需4根植筋。

综合以上计算结果，该铁路隧道内每块道床板植筋数量的受控因素为植筋抗剪强度，据此计算出当植筋采用φ16 mm的HRB400级钢筋时，每块标准板上所需植筋数量至少12根。

4 植筋数量确定及布置方案

由上述检算结果可知，每块标准板上所需植筋数量为12根。考虑到该铁路沿线工程与环境条件、高原地区日照和风的影响、洞口微区域极端环境、项目地形条件、超长大坡道占比等因素，为提高道床与隧道仰拱之间连接的可靠性，一般地段考虑1.3倍的植筋安全系数，对线路纵坡大于25‰的地段和隧道洞口200 m范围，考虑1.5倍的安全系数。则单元式道床板所需植筋的最少数量如下。

一般区段取16根；洞口200 m范围及线路纵坡≥25‰地段取18根。

为充分发挥植筋的限位作用，需将植筋布置在轨枕块中间，每个轨枕块对应布置2根植筋，即每排布置4根植筋。植筋布置横断面见图2。

图2 道床板植筋布置横断面(单位：mm)

对于一般区段，每块板上可布置4排植筋，即每块板上布置16根；对于洞口200 m范围及线路纵坡≥25‰的地段，每块道床板上可布置5排植筋，即每块板上布置20根。植筋平面布置见图3、图4。

图3 一般地段道床板植筋布置

图4 洞口200 m及坡度≥25‰地段道床板植筋布置

5 植筋对特殊病害整治的影响分析

无砟轨道铺设前，应进行线下基础沉降评估，当满足铺设无砟轨道要求后方可施工；对于不满足铺设无砟轨道要求的地段，应采用有砟轨道或其他大调整量的轨道类型。实际工程实践中，受围岩环境变化等因素影响，局部无砟轨道地段可能出现变形较大的情况，通常采用无砟轨道整体拆除重建(机械凿除)、仰拱回填层切割落道(采用绳锯锯切仰拱回填层本体，调整后再次进行层间粘接与植筋)等工程措施。对于单元式结构，植筋虽然加强了道床与仰拱回填层之间的粘结，但不影响采取上述措施进行整修工作。

6 结语

高原铁路沿线工程与环境条件复杂，运营期养护维修条件极为恶劣，为解决连续式道床板裂缝病害多、后期修补难度大且对基础变形适应性差的问题，推荐采用单元式结构。道床结构单元化会削弱道床结构的整体稳定性，需采用植筋加强道床与隧道基础间的连接。针对该问题，结合本项目运营期实际开行的列车种类，基于数值分析方法对道床板与隧道基础之间植筋的可靠性进行评估，得出主要结论如下。

(1)当采用φ16 mm的HRB400级钢筋时，基于植筋抗剪强度、仰拱回填层混凝土局部抗压强度及植筋胶抗压强度要求，隧道地段单元式道床板植筋数量不应小于12根。

(2)结合该铁路工程与环境特点以及植筋横断面布置要求，一般地段每块道床板可布置植筋16根；洞口200 m范围及线路纵坡≥25‰的地段，每块道床板可布置植筋20根。