台州市域铁路S1线新型双块式轨枕及无砟轨道

李秋义, 朱彬, 韩志刚

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430063；2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430063）

0 引言

市域（郊）铁路是连接都市圈中心城市城区和周边城镇组团, 为通勤客流提供运输服务的“快速度、大运量、公交化”轨道交通系统[1-3］。国外市域铁路发展较早, 巴黎、纽约、东京等城市均建立了完善的都市圈市域铁路网[4］。我国市域铁路建设起步较晚, 曾是国家综合立体交通网的短板。近年来, 随着城市化进程加快和都市圈发展, 国家陆续出台一系列推进市域铁路发展的政策, 我国市域铁路建设进入快速发展时期, 打造“轨道上的都市圈”成为共识[5］。

作为《浙江省都市圈城际铁路规划》的重要组成部分, 台州市域铁路S1线于2016年开工建设, 该项目对于优化城市结构、构建综合运输体系、提升台州在浙江沿海中部区域性中心城市地位具有重要作用[6］。台州市域铁路S1线设计时速140 km, 一期工程线路全长52.175 km, 其中地下线17.189 km、高架线29.113 km、路基0.785 km、山岭隧道5座共5.088 km, 桥隧比为98.50%。无砟轨道是市域铁路的重要基础设施, 关系到市域铁路的安全性、舒适性和经济性。市域铁路无砟轨道技术体系不能照搬高速铁路和地铁, 而应基于“技术先进、经济适用、绿色环保”的原则, 形成独有的技术体系。根据《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展意见的通知》（国办函〔2020〕116号）中“从严控制工程造价”的原则, 结合台州市域铁路S1线实际情况, 研究适用于市域铁路运营条件的轻量化、经济型无砟轨道。

1 钢管混凝土双块式轨枕结构设计

1.1 结构组成

双块式无砟轨道是市域铁路常用的轨道结构形式, 双块式轨枕的关键在于轨枕块之间的连接构件。我国高速铁路采用SK系列双块式轨枕, 该轨枕制造工艺复杂、工程造价高、钢筋桁架易锈蚀、钢筋桁架专用焊接设备价格昂贵, 应用于市域铁路时经济性较差[7-8］。

钢管混凝土（Concrete Filled Steel Tube, CFT）结构是由混凝土填入钢管内形成的新型组合结构, 能更有效地发挥钢材与混凝土2种材料各自的优点, 克服钢管结构易发生局部屈曲的缺点。因此, 针对市域铁路研发采用CFT构件连接的新型双块式轨枕, 通过小直径钢管内灌注自密实微膨胀混凝土材料, 形成CFT连接构件, 具有良好的力学性能和施工性能。CFT轨枕结构组成见图1。

1.2 CFT构件材质与规格

为实现技术先进、性能可靠、造价合理的目标, 针对CFT构件开展理论分析和试验研究, 确定其材质、截面形式、几何尺寸、灌注混凝土强度等。综合考虑力学性能、生产制造成本, 提出易于制造和施工的CFT构件方案：CFT构件长2 050 mm、外径42 mm、壁厚3 mm、内径36 mm；钢管采用结构用无缝钢管时, 其力学性能指标应符合GB/T 8162—2008《结构用无缝钢管》规定；灌注材料采用抗压强度70 MPa的自密实微膨胀混凝土。对不同轨枕的用钢量进行对比, 高速铁路SK-Ⅱ型双块式轨枕用钢量18.1 kg、CFT双块式轨枕用钢量12 kg。因此, CFT双块式轨枕用钢量更少, 可降低材料成本。

1.3 灌注材料

采用C70自密实微膨胀混凝土材料进行灌注。该材料由水泥、外加剂（含减水剂、膨胀剂、早强剂、消泡剂等）、集料、矿物掺合料等干混料与水拌合而成, 无需机械振捣即可达到自密实状态, 具有微膨胀、流动性高、硬化快、强度高、施工性能好等优点。

为保证灌注质量, 针对灌注材料的流动度、强度、竖向膨胀率等关键指标进行材料配比优化, 开展流动度、密实度等试验研究（见图2）, 提出相应的检测方法及灌注材料的性能指标。

图2 灌注材料检测试验

1.4 构件与轨枕块的连接

为加强CFT构件与轨枕块之间的连接, 在CFT构件两端采用扩口处理（见图3）。扩口至外径为45 mm, 扩口长度50 mm。通过冷加工, 使钢管端部外径大于其他部位3 mm, 在受到外荷载作用时具有更大的抗拔力。该方案具有生产制造简单、效果好、造价低等优点。

图3 CFT端部扩口

采用有限元模型模拟CFT构件两端扩口与轨枕块的连接作用[9］。钢管端部未扩口时, CFT构件与轨枕块之间连接力为68.0 kN；钢管端部扩口后, CFT构件与轨枕块之间连接力为75.1 kN。钢管端部扩口后, 连接力增加7.1 kN, 锚固效果明显增强。

1.5 轨枕块与道床黏结性能优化

1.5.1 轨枕块侧面设置凹槽

针对CFT双块式轨枕与道床板混凝土之间新老混凝土界面裂纹问题, 开展混凝土轨枕块与道床黏结性能机理研究, 提出加强轨枕块与道床黏结性能的优化措施, 在轨枕块的2个侧面均设置长度500 mm、宽度55 mm、深度25 mm的凹槽（见图4）。

图4 轨枕块侧面的凹槽结构

1.5.2 轨枕块底部设置门型连接钢筋

为增强混凝土轨枕块与道床之间的连接作用, 在轨枕块底部设置门型连接钢筋（见图5）。门型连接钢筋伸出轨枕块底部40 mm, 将钢筋与道床混凝土结合, 可增加轨枕与道床之间的黏结性能。

图5 门型连接钢筋布置横断面

2 CFT双块式轨枕的生产制造

CFT双块式轨枕的生产工艺及装备与SK系列桁架式双块式轨枕基本一致, 主要不同点在于CFT构件的制造, 应注意以下关键步骤：

（1）钢管除锈、防腐涂装。钢管内表面应无可见油污, 无铁锈、氧化皮及其他污染物, 外表面防锈涂装材料附着力应达到相关标准要求。钢管防腐涂装可采用热镀锌、喷涂锌、喷刷涂料等方式。

（2）CFT构件灌注。若采用重力式灌注, 应连续灌注；若采用压力式灌注, 应先排除管路中的空气、水或稀浆, 灌注压力不宜大于2.5 MPa。

（3）装管作业。在装管区将钢管逐一插入钢管架, 每装满1个钢管架, 通过专用轨道移动至灌注区。

（4）灌注作业。通过灌注系统将搅拌好的灌注材料逐一灌注至待灌注钢管中, 每根钢管浇注的灌注材料与钢管口平齐, 浇注完成后钢管架移动至下一工序。

（5）养护作业。钢管架运送至养护区, 对已经灌注好的钢管进行养护, 采用常温养护, 养护时长不小于7 d。

（6）拆管作业。养护完成的钢管架运送至拆管区, 将每根钢管拆卸下来抽检、打包, 空置钢管架移至装管区继续循环生产。

（7）CFT构件安装。CFT构件装运应平稳进行、不得摔落、碰撞、扭曲。CFT应与混凝土块内的钢筋绑扎或焊接固定, 混凝土块的模板应与CFT的接口契合, 防止漏浆。

3 CFT双块式无砟轨道结构

3.1 桥隧地段

在满足运营安全前提下, 市域铁路无砟轨道选型和结构设计应尽量结构简单、二期恒载小、经济性好。因此, 轻量化、经济型的无砟轨道是市域铁路轨道技术发展方向。结合台州市域铁路桥隧比高的特点, 研发一种新型无底座CFT双块式无砟轨道, 采用单元分块式结构, 由钢轨、扣件、CFT双块式轨枕、道床板等部分组成, 取消了混凝土底座（见图6）。轨道结构高度由725 mm优化为560 mm, 道床宽度由2 800 mm优化为2 600 mm, 市域铁路新型无砟轨道可降低桥梁二期恒载30%, 降低轨道和桥梁造价20%。

图6 无底座双块式无砟轨道

3.2 路基地段

路基地段双块式无砟轨道采用道床板和底座双层结构（见图7）。道床板宽度为2 600 mm, 厚度为290 mm, 单元长度一般为5～7 m。每3块道床板对应的底座为1个大单元结构, 相邻底座单元之间设置宽度为20 mm伸缩缝和纵向传力杆；底座与道床板之间设置厚度为4 mm的聚丙烯土工布, 道床板单元与底座之间通过2个凹槽限位。

图7 道床板、底座双层结构双块式无砟轨道

4 试验研究

4.1 抗弯性能试验

对CFT双块式轨枕进行抗弯性能试验[10］（见图8）。支点轨枕块下钢轨中心位置, 支点距离1 510 mm, 加载位置在钢管中分点, 抗弯试验荷载-位移曲线见图9。根据试验结果, 当荷载小于11 kN时, 荷载-位移曲线具有线性关系；当荷载大于11 kN时, 荷载-位移曲线上升趋势变缓。采用相同的试验方法, SK-Ⅱ轨枕承受最大荷载为15.0 kN。考虑双块式轨枕自质量以及制造、运输、施工荷载, 双块式轨枕承受最大荷载为5.0 kN。因此, 2种轨枕均满足承载要求。

图8 抗弯试验装置

图9 抗弯试验荷载-位移曲线

4.2 抗扭性能试验

对CFT双块式轨枕进行抗扭性能试验。将轨枕块一端固定, 采用上下2块钢板夹持活动端轨枕, 用千斤顶侧向顶升钢板, 使轨枕发生扭转, 抗扭试验荷载-位移曲线见图10。根据试验结果, 最大抗扭荷载为2 880 N·m, 相应扭转角度为8.81°。采用相同的试验方法, SK-Ⅱ型双块式轨枕最大抗扭荷载为1 104 N·m, 相应扭转角度为10.2°。因此, CFT双块式轨枕抗扭性能明显优于钢筋桁架轨枕。

图10 抗扭试验荷载-位移曲线

4.3 室内试验

4.3.1 静载试验

在室内制作CFT双块式无砟轨道实尺模型, 包括2块道床板, 每块道床板长度5 m、厚度305 mm、宽度2 600 mm、轨枕间距625 mm, 试验装置及加载位置见图11。静载试验结果：从0～510 kN, 每级50 kN逐级加载, 加载速度2～3 kN/s, 混凝土最大拉应变21.8με、最大压应变19.8με, 钢筋最大拉应变44.8με、最大压应变20.2με。在静载试验过程中, 混凝土道床未出现开裂现象, 轨道结构强度满足要求。

图11 静载试验装置及加载位置示意图

4.3.2 疲劳试验

疲劳试验条件为疲劳荷载幅值30～255 kN、加载频率3 Hz、加载500万次。疲劳试验结果：轨距变化量小于3 mm, 双块式轨枕与道床混凝土新老混凝土界面未见肉眼可见的裂缝, 双块式轨枕之间连接钢管的最大拉应变18.1με、最大压应变8.7με均小于钢材屈服应变, CFT轨枕、无砟轨道工作状态良好。

5 结论

（1）研发一种自主知识产权的CFT双块式轨枕, 创新性地将CFT结构引入轨枕设计, 采用小直径钢管内灌注自密实微膨胀混凝土材料, 具有微膨胀、流动性高、硬化快、强度高、施工性能好等优点。

（2）通过钢管端部扩口处理、轨枕块侧面设置凹槽、底部设置门型钢筋等技术措施, 加强了轨枕与道床的连接性能。

（3）开展CFT灌注技术试验, 提出灌注材料的性能指标, 掌握生产灌注方法。

（4）结合台州市域铁路桥隧比高的特点, 研发一种轻量化、经济型的新型无底座CFT双块式无砟轨道, 降低了桥梁二期恒载和工程造价。

（5）开展CFT双块式无砟轨道实尺模型试验研究, 掌握了无砟轨道受力变形规律和疲劳性能, 验证了无砟轨道结构设计的可靠性。