劉 杰

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

川藏鐵路昌都至林芝段設(shè)計速度目標值為200 km/h，貫通方案全長約372 km。線路位于青藏高原東南部，沿線山高谷深、地形起伏嚴峻，超長大坡道占比高，復雜結(jié)構(gòu)橋梁、超長深埋隧道眾多，具有高寒缺氧、地形高差顯著、交通條件困難等特點[1-3]，是川藏鐵路建設(shè)最為艱難一段。

受上述因素的影響，相比于一般項目，川藏鐵路在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型方面存在系列技術(shù)難題。為確保川藏鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與可靠性，需要對已建項目軌道結(jié)構(gòu)在類似工程環(huán)境條件下的服役狀態(tài)進行調(diào)研分析，并結(jié)合川藏鐵路沿線的實際工程與環(huán)境條件，提出軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計需求和優(yōu)化設(shè)計方向，指導川藏鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型。

1 軌道結(jié)構(gòu)選型分析

目前，軌道結(jié)構(gòu)類型整體上可分為有砟軌道和無砟軌道兩種。對于設(shè)計速度目標值200 km/h的客貨共線鐵路，從技術(shù)上分析，有砟軌道與無砟軌道均能滿足其運營需求。但考慮到川藏鐵路昌都至林芝段沿線環(huán)境復雜，部分區(qū)段穿越了無人區(qū)，且受高寒缺氧、超長隧道及超長大坡道占比極高等條件的限制，本線在運營期養(yǎng)護維修條件極差，軌道應盡量采用少維修或免維修的結(jié)構(gòu)形式，以降低高原缺氧條件下軌道結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護維修工作量，確保川藏鐵路建成后高效、可靠運營。

因此，推薦本項目正線以采用運營期養(yǎng)護維修工作量少的無砟軌道結(jié)構(gòu)為主。

目前，國內(nèi)無砟軌道的主要類型有雙塊式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式、彈性支承塊式及長枕埋入式6種。既有板式無砟軌道在隧道內(nèi)鋪設(shè)的經(jīng)濟性較差，對本項目隧道占比極高的工程條件適應性差[4-6]。彈性支承塊式無砟軌道目前僅在設(shè)計速度≤160 km/h的隧道地段鋪設(shè)[7-8]。相比于長枕埋入式無砟軌道，雙塊式無砟軌道的軌枕桁架鋼筋與道床混凝土粘接在一起，道床的整體性強、耐久性好，且施工便捷。

綜合分析，推薦本項目一般地段采用雙塊式無砟軌道，在活動斷裂帶等線下基礎(chǔ)變形難以控制的區(qū)域和規(guī)模較大的車站范圍，采用便于調(diào)整的有砟軌道。對采用有砟軌道的區(qū)段，為降低運營期養(yǎng)護維修工作量，道床可采取膠結(jié)、固化等措施[9-11]。

2 軌道設(shè)計需求與建議

2.1 鋼軌

川藏鐵路昌都至林芝段為設(shè)計時速200 km的客貨共線鐵路，沿線處于高寒環(huán)境且長大坡道占比高。據(jù)統(tǒng)計，川藏鐵路昌都至林芝段軌面海拔最低為2 100 m，最高為4 360 m，沿線年平均氣溫多在15 ℃以下，其中邦達機場年平均氣溫僅1.5 ℃，最低氣溫-25.7 ℃(局部無人區(qū)缺少氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù))；本段線路最大坡度30‰，30‰坡度的最大坡段長度約50 km，全段大于20‰坡段長度合計191.6 km，占線路總長度的51.5%。

根據(jù)對既有西成客專和成蘭線長大坡道軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的調(diào)研分析，軌道結(jié)構(gòu)及部件存在的主要問題是鋼軌擦傷。在超長大坡道區(qū)段，車輛采用的防滑(如撒砂)和制動措施會導致鋼軌磨耗及傷損的速率加快，增加維護工作量，按規(guī)范應選擇強度高、耐磨性好的U75VG鋼軌。但由于本段沿線處于高原寒冷地區(qū)，含碳量較高的鋼軌在低溫環(huán)境下容易產(chǎn)生脆斷；高原寒冷地區(qū)既有青藏線及拉日線均采用U71Mn鋼軌，研究表明，U71Mn鋼軌含碳量較低時，低溫韌性較好[12-13]。因此，對于川藏鐵路，鋼軌應具備良好的抗擦傷性能和耐低溫性能。

對于設(shè)計時速200 km的客貨共線鐵路，根據(jù)工程及環(huán)境條件，可采用的鋼軌類型主要有U75VG、U75VG在線熱處理，U71MnG和U71MnG在線熱處理4種，4種鋼軌的強度、耐磨性及耐低溫性能如表1所示。

表1 不同鋼軌的耐磨性及耐低溫性能對比

由表1可以看出，U71MnG在線熱處理鋼軌的耐磨性與U75VG相當，且具有良好的耐低溫性能，對川藏鐵路的設(shè)計標準、工程及環(huán)境條件具有良好的適應性。因此，推薦本項目全線采用U71MnG在線熱處理鋼軌。

同時，為提高川藏鐵路鋼軌的服役品質(zhì)，豐富鋼軌類型，推動技術(shù)進步，更好地為川藏鐵路建設(shè)服務(wù)，建議開展適用于川藏鐵路設(shè)計標準、特殊工程及環(huán)境條件的鋼軌材質(zhì)或相關(guān)減少養(yǎng)護維修工作量措施的研究工作。

2.2 扣件

川藏鐵路沿線高寒缺氧、超長大坡道和超長隧道占比高，運營期養(yǎng)護維修條件極為惡劣。為降低運營期的養(yǎng)護維修強度，軌道幾何形位及高程的調(diào)整宜采用扣配件調(diào)整，盡量避免通過道床調(diào)整。同時，由于現(xiàn)有無砟軌道扣件高程調(diào)整能力僅為-4～+26 mm[14]，有砟軌道扣件高程調(diào)整能力僅為0～+10 mm[15]，根據(jù)調(diào)研分析，此兩種扣件調(diào)整量主要用于基礎(chǔ)工程沉降后的調(diào)高，調(diào)低量小，對基礎(chǔ)上拱變形的適應性差。雖然目前已研發(fā)出特殊調(diào)整扣件，高程調(diào)整能力為-10～+60 mm，但根據(jù)TJ/GW132—2015《WJ-7和WJ-8特殊調(diào)整扣件暫行技術(shù)條件》相關(guān)規(guī)定，特殊調(diào)整扣件鋪設(shè)后一般情況下使用時間為3年，超過3年后應進行專項評估，難以長期采用。一般項目有砟軌道通常采用抬道或落道進行軌道高程的調(diào)整，聚氨酯固化道床采用起道后在枕底和道床頂面之間填塞或灌注墊層的方式進行軌道高程的調(diào)整，但由于本項目特殊工程及環(huán)境條件，人員設(shè)備及既有大型機械難以適應，抬道或落道等作業(yè)難度大。因此，有必要研發(fā)便于調(diào)整軌道幾何形位及高程的大調(diào)整量扣件。同時，考慮到川藏鐵路養(yǎng)護維修條件極為惡劣，應采取措施提高扣件服役的可靠性和耐久性。

綜合分析，建議針對川藏鐵路沿線地質(zhì)條件復雜、養(yǎng)護維修條件惡劣的實際情況，分別針對無砟軌道和有砟軌道進行具備大調(diào)整能力、高可靠性和高耐久性扣件系統(tǒng)的研發(fā)。

2.3 無砟道床

(1)一般地段無砟道床

雙塊式無砟軌道可以適用于時速200 km客貨共線鐵路的運營條件，但目前原鐵道部和原中國鐵路總公司發(fā)布的通用圖，是基于我國客運專線無砟軌道再創(chuàng)新研究成果編制的，并明確了其使用范圍為高速鐵路[16-18]。考慮到客運專線鐵路貨車軸重較大、列車編組長，尤其是川藏鐵路沿線工程環(huán)境條件復雜，現(xiàn)有通用參考圖難以滿足本項目實際運營需求。同時，根據(jù)對既有客貨共線鐵路雙塊式無砟軌道的調(diào)研，由于現(xiàn)有雙塊式軌枕通用圖中[19-20]，軌枕擋肩部分為素混凝土，在運營中部分軌枕擋肩或軌枕端部道床板混凝土出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，如圖1和圖2所示。

圖1 軌枕擋肩失效

圖2 軌枕端部道床板混凝土碎裂

因此，建議針對川藏鐵路設(shè)計標準及工程環(huán)境條件，開展客貨共線鐵路雙塊式無砟軌道和軌枕設(shè)計研究工作，并編制相應的通用參考圖和技術(shù)規(guī)程。

(2)大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋上無砟道床

川藏鐵路昌都至林芝段沿線地形起伏嚴峻，峽谷深切，大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁合計5座，其中懸索橋2座、獨塔斜拉橋1座、拱橋2座，最大跨度的橋梁為怒江特大橋，主跨1 040 m、橋高637 m。本段大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁情況如表2所示。

表2 大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁

考慮到大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁在外部荷載作用下的變形較大，無砟軌道難以適應大變形要求，目前國內(nèi)設(shè)計時速200 km及以上的鐵路，在大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁上多采用有砟軌道，采用無砟軌道最大跨度的橋梁為昌贛鐵路的贛江特大橋，其主跨為300 m[21]。大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁上采用有砟軌道存在軌道二期恒載大、橋梁投資高，且以鋪設(shè)無砟軌道為主的線路局部采用有砟軌道存在運營期養(yǎng)護工作量大、作業(yè)困難等缺點[22]。

因此，建議研究大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁采用輕型無砟軌道的可行性，以減輕橋梁二期恒載，降低橋梁工程投資，減少運營期養(yǎng)護維修工作量。

2.4 有砟道床

(1)長大坡道有砟道床

在長大坡道區(qū)段，受列車頻繁制動影響，軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會受到一定程度的影響，當?shù)来沧枇Σ蛔阋缘挚箿囟攘烷L大坡道上列車制動力時，軌排會產(chǎn)生不均勻的縱向位移，在極端不利因素疊加作用下，誘發(fā)鋼軌折斷或碎彎，甚至導致軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，在長大坡道區(qū)段，需對有砟軌道結(jié)構(gòu)采取加固措施，以確保軌道結(jié)構(gòu)服役的安全性與可靠性。

(2)隧道內(nèi)不良地質(zhì)區(qū)域有砟道床

川藏鐵路昌都至林芝段沿線地質(zhì)情況復雜，活動斷裂帶、軟巖大變形等不良地質(zhì)段落多且占比高，長大隧道內(nèi)局部難以滿足鋪設(shè)無砟軌道的要求，需采用有砟軌道?？紤]到本段養(yǎng)護維修條件極為惡劣，局部采用有砟軌道存在養(yǎng)護維修工作量大、作業(yè)環(huán)境差且難以采用大型養(yǎng)護機械作業(yè)，因此在不良地質(zhì)區(qū)域采用有砟道床時需采取措施提高道床結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、減少運營期養(yǎng)護維修工作量。結(jié)合對目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的調(diào)研分析，建議對局部不良地質(zhì)區(qū)域采用的有砟道床采取聚氨酯發(fā)泡材料膠結(jié)、固化等措施，可顯著提高道床的整體性與穩(wěn)定性，降低運營期養(yǎng)護維修工作量。在線下基礎(chǔ)變形量較大時，可采用大調(diào)整量扣件加抬高軌枕并在枕底和道床頂面之間填塞或灌注墊層的方式快速修復。

2.5 與隧道工程接口條件

川藏鐵路昌都至林芝段軟巖大變形分布廣泛且占比高。據(jù)統(tǒng)計，全線預估軟巖大變形段落長度約50.84 km，如在軟巖大變形區(qū)域全部采用有砟軌道，則存在軌道結(jié)構(gòu)過渡頻繁、運營期養(yǎng)護維修不便等問題。根據(jù)對既有蘭渝線蘭州至廣元段軟巖大變形隧道的調(diào)研分析，運營期軟巖大變形區(qū)域出現(xiàn)仰拱上拱病害段落合計0.26 km(4處)，占全線軟巖大變形區(qū)段長度的比例僅為0.34%?？梢钥闯?，軟巖大變形段落隧道施工完成后仰拱的穩(wěn)定性多數(shù)能夠滿足鋪設(shè)無砟軌道的條件，個別點由于地質(zhì)情況特殊、地下水及施工質(zhì)量等耦合因素共同作用下出現(xiàn)了病害情況。因此，為盡量降低在川藏鐵路昌都至林芝段復雜地質(zhì)與環(huán)境條件下軌道結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護維修工作量，推薦在軟巖大變形地段暫按無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，為了避免局部在多重不利因素耦合作用下隧道仰拱穩(wěn)定性不滿足鋪設(shè)無砟軌道的需求，建議軟巖大變形區(qū)域的隧道斷面能夠兼容鋪設(shè)有砟軌道的需求，軌道結(jié)構(gòu)高度暫按有砟軌道766 mm預留，然后對仰拱穩(wěn)定性進行沉降觀測與評估，如仰拱沉降評估結(jié)果能夠滿足鋪設(shè)無砟軌道的需求，則繼續(xù)回填仰拱至軌面以下515 mm處，并施作無砟軌道；如局部無法滿足鋪設(shè)無砟軌道的要求，則將軌道結(jié)構(gòu)變更為有砟軌道。軟巖大變形區(qū)域仰拱根據(jù)沉降評估結(jié)果分層施作，可以有效避免局部不滿足鋪設(shè)無砟軌道要求的段落鑿除隧道仰拱回填層的工作量，進而避免出現(xiàn)廢棄工程，既能有效解決實際工程問題，又能節(jié)省投資、綠色環(huán)保。

目前，時速200 km客貨共線鐵路隧道通用參考圖中，有砟軌道斷面與無砟軌道斷面在軌面以下存在一定的差異，以下以Ⅱ級圍巖帶仰拱復合式襯砌斷面為例進行說明。Ⅱ級圍巖帶仰拱復合式襯砌斷面無砟隧道與有砟隧道軌面以下斷面設(shè)計情況如圖3、圖4所示，可以看出：無砟隧道中心水溝與軌面距離比有砟軌道小9 cm，隧道外輪廓下在隧道中心線處小19 cm，相應的斷面面積小1.524 m2。

圖3 無砟隧道軌面以下斷面(單位：cm)

圖4 有砟隧道軌面以下斷面(單位：cm)

為解決在軟巖大變形地段局部鋪設(shè)有砟軌道難題，根據(jù)現(xiàn)有斷面形式，可采取兩種方案。

方案一：軟巖地段采用有砟隧道斷面，非軟巖地段采用無砟隧道斷面。

方案二：全線均采用有砟隧道斷面。

如采用方案一，存在中心水溝順坡過渡困難、局部排水不暢等問題；如采用方案二，可以有效解決不同斷面中心水溝順接的問題，但無砟軌道地段隧道開挖斷面大，隧道棄渣量及仰拱回填量亦大，與本項目建設(shè)生態(tài)環(huán)保的要求不符。

綜合以上分析，為解決軟巖大變形地段軌道結(jié)構(gòu)選型問題，建議針對本項目開展兼容有砟軌道與無砟軌道隧道斷面的研究工作[23]，在確保隧道斷面能夠同時滿足有砟軌道和無砟軌道鋪設(shè)要求的前提下，使本項目隧道設(shè)計滿足“保護生態(tài)、安全可靠”的基本要求。

3 結(jié)語

川藏鐵路昌都至林芝段工程環(huán)境條件極為惡劣，為確保川藏鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與可靠性，基于對已建項目軌道結(jié)構(gòu)在類似工程環(huán)境條件下服役狀態(tài)的調(diào)研分析，結(jié)合沿線實際工程環(huán)境特點，對川藏鐵路昌都至林芝段軌道結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計需求進行了分析，并給出了相關(guān)建議，主要結(jié)論如下。

(1)軌道結(jié)構(gòu)應具有可靠性、可調(diào)整性、易修復性等功能，以適應復雜地質(zhì)環(huán)境、特殊氣候條件及不同線下基礎(chǔ)的要求。

(2)一般地段宜采用少維修的雙塊式無砟軌道。

(3)推薦全線采用耐磨性及耐低溫性能兼顧的U71MnG在線熱處理鋼軌，建議開展適用于本項目的鋼軌材質(zhì)或相關(guān)減少養(yǎng)護維修工作量措施的研究工作。

(4)針對本項目復雜工程及環(huán)境條件，建議研發(fā)具備大調(diào)整能力、高可靠性和高耐久性扣件系統(tǒng)。

(5)建議開展客貨共線鐵路雙塊式無砟軌道和軌枕設(shè)計研究工作，并針對大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁研發(fā)輕型無砟軌道系統(tǒng)。

(6)在活動斷裂帶及不良地質(zhì)等線下基礎(chǔ)變形難以控制區(qū)域采用便于調(diào)整的有砟軌道。有砟軌道在長大坡道區(qū)段需采取強化措施，長大隧道內(nèi)可采取膠結(jié)、固化等措施降低養(yǎng)護維修工作量。

(7)軟巖大變形區(qū)域暫按無砟軌道設(shè)計，但預留變更為有砟軌道的條件。隧道仰拱分層填筑可有效解決無砟軌道與有砟軌道結(jié)構(gòu)高度差異問題，建議開展兼容有砟軌道與無砟軌道鋪設(shè)要求的隧道斷面研究工作。