郭 杰,王森榮,3,楊榮山

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

無砟軌道具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如高穩(wěn)定性、高平順性以及少維修等，因而，廣泛地應(yīng)用于高速鐵路無縫線路中[1-2]。伴隨著高速鐵路運(yùn)營里程逐年增加，我國隧道建設(shè)也取得突破進(jìn)展，其里程亦逐年增加[3-4]。預(yù)計(jì)到2030年，我國鐵路隧道建設(shè)將迎來新的里程碑，總里程將突破3萬km[5]。由于無砟軌道結(jié)構(gòu)高度較有砟軌道低，可在一定程度上減少隧道開挖斷面面積并減少維修工作量，故無砟軌道結(jié)構(gòu)已成為隧道段鐵路優(yōu)選的軌道結(jié)構(gòu)方案[6]。

橋上無縫線路因特殊的縱向力學(xué)作用關(guān)系而備受設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維人員的重視，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究[7-10]。饒惠明[11]對(duì)橋隧過渡段軌溫和鋼軌橫向變形進(jìn)行測試，表明橋隧過渡段鋼軌存在“碎彎”現(xiàn)象，鋼軌“碎彎”最大波幅為2 mm，波長為4倍扣件間距；曾志平等[12-13]對(duì)橋隧過渡段軌溫與鋼軌縱向位移進(jìn)行測試，得到了軌溫和鋼軌縱向位移的分布規(guī)律，并研究了鋼軌縱向位移影響因素；于向東等[14]研究了拱橋和隧道過渡段的鋼軌溫度力和鋼軌縱向位移的分布特征，研究表明鋼軌縱向力學(xué)特性受鋼軌溫差影響較大；還有學(xué)者對(duì)隧道內(nèi)外氣溫和軌溫進(jìn)行測試和分析[15]。我國長期的鐵路運(yùn)營實(shí)踐和監(jiān)測結(jié)果表明，隧道洞口一般存在10～50 m的氣溫過渡段[16]。

以上研究主要測試和分析了橋隧過渡段軌溫和氣溫，對(duì)橋隧過渡段無縫線路尤其是無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性研究較少，尚無對(duì)橋隧過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性的研究。為彌補(bǔ)這一研究不足，對(duì)筆架山隧道內(nèi)外進(jìn)行了為期2年的氣溫監(jiān)測，并建立橋隧過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)有限元計(jì)算模型，分析橋隧過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性影響因素，以期為橋隧過渡段無砟軌道無縫線路設(shè)計(jì)和維護(hù)提供一定理論依據(jù)。

1 隧道氣溫監(jiān)測

1.1 氣溫監(jiān)測點(diǎn)布置

筆架山隧道洞口附近氣溫監(jiān)測共布置8個(gè)氣溫監(jiān)測點(diǎn)，見圖1。其中，在隧道洞口外1 m和隧道洞口處各布置1個(gè)氣溫監(jiān)測點(diǎn)以監(jiān)測隧道洞口外氣溫，隧道內(nèi)300 m范圍內(nèi)每50 m布置1個(gè)氣溫監(jiān)測點(diǎn)以監(jiān)測隧道內(nèi)的氣溫。氣溫監(jiān)測設(shè)備采用Davis氣象站，其溫度監(jiān)測范圍在-40～60 ℃，誤差不超過0.5 ℃。

1.2 監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測時(shí)間約為2年，數(shù)據(jù)龐大。由于隧道內(nèi)部50 m外各監(jiān)測點(diǎn)氣溫相差不大，隧道洞口外10 m與隧道洞口監(jiān)測點(diǎn)氣溫也相差不大，且長期的現(xiàn)場監(jiān)測和實(shí)踐結(jié)果表明，8:00和14:00一般分別為一天氣溫的最低值和最高值，故為使敘述簡明扼要，僅分析隧道洞口外10 m、隧道內(nèi)50 m處和隧道內(nèi)250 m處8:00和14:00的監(jiān)測結(jié)果。8:00和14:00隧道內(nèi)外氣溫見圖2、圖3。將隧道外10 m的氣溫減去隧道內(nèi)50 m的氣溫得到隧道內(nèi)外氣溫差，見圖4。

圖3 14:00隧道內(nèi)外各測點(diǎn)氣溫

圖4 隧道內(nèi)外氣溫差

由圖2～圖4可知，筆架山隧道內(nèi)外氣溫隨季節(jié)呈周期變化。監(jiān)測時(shí)間內(nèi)，筆架山隧道最高和最低氣溫分別為43 ℃和-14 ℃。隧道外10 m氣溫波動(dòng)幅值較大，隧道內(nèi)250 m處氣溫波動(dòng)幅值較小，表明越往隧道內(nèi)部，氣溫波動(dòng)越小。夏季隧道外氣溫高于隧道內(nèi)，表現(xiàn)為，氣溫差為正值，冬季則相反，且夏季14:00氣溫差最大，最大氣溫差為23 ℃左右。

為得到隧道洞口氣溫過渡段長度，以隧道洞口外10 m氣溫最高一天的14:00氣溫為例，隧道內(nèi)外各監(jiān)測點(diǎn)氣溫見圖5。

圖5 14:00各監(jiān)測點(diǎn)氣溫

由圖5可知，從隧道外10 m至隧道內(nèi)250 m距離內(nèi)，筆架山隧道最高和最低氣溫分別為43 ℃和18 ℃，隧道內(nèi)外氣溫差為25 ℃。從隧道洞口至隧道內(nèi)50 m的距離內(nèi)，氣溫由42 ℃下降至20 ℃，下降了22 ℃之多，而從隧道內(nèi)50 m至200 m這150 m的距離內(nèi)，氣溫下降至18 ℃，僅下降了2 ℃，表明超過隧道洞口50 m后，氣溫下降非常緩慢。隧道內(nèi)150 m后，氣溫不再變化?？芍?，筆架山隧道氣溫過渡段長度為50 m。

2 有限元模型及溫度荷載

2.1 有限元模型

模型中，鋼軌、軌道板和梁體采用梁單元模擬，扣件縱向阻力采用非線性彈簧單元模擬，極限位移為2 mm，極限縱向阻力為24 kN/m/軌[17]。樹脂視為僅受壓縱向傳力部件，采用非線性彈簧單元模擬，其剛度為80 kN/mm[18]。CA砂漿的縱向阻力采用非線性彈簧單元模擬，其值為6.3 kN/m，極限位移為0.2 mm[19-20]。橋臺(tái)縱向剛度為3 000 kN/cm，簡支梁固定墩水平剛度為350 kN/cm[17]。橋上過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)模型見圖6。

圖6 橋隧過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)模型

以5×32 m簡支梁為研究對(duì)象，橋梁左側(cè)路基段長100 m，右側(cè)隧道長150 m，模型總長約415 m。橋梁固定墩在左側(cè)，活動(dòng)墩在右側(cè)。隧道過渡段長50 m。有限元模型分為3個(gè)區(qū)段，隧道洞口外路基與橋上高溫區(qū)、隧道洞口處氣溫過渡段和隧道內(nèi)低溫區(qū)。

2.2 溫度荷載

由1.2節(jié)監(jiān)測結(jié)果可知，隧道內(nèi)外最大氣溫差為23 ℃，而最高軌溫比最高氣溫高20 ℃，且隧道內(nèi)軌溫與氣溫相差不大[16]。為考慮更不利工況，隧道內(nèi)外最大鋼軌溫差取45 ℃。隧道洞口外最高軌溫取60 ℃，超過隧道過渡段50 m后最大軌溫取15 ℃，過渡段軌溫則按線性變化。結(jié)合既有研究[14]，隧道內(nèi)外軌道板最大溫差取20 ℃，由于隧道內(nèi)一般不考慮軌道結(jié)構(gòu)溫度作用，故超過隧道過渡段50 m后不考慮軌道板溫差作用，過渡段軌道板溫差按線性變化。溫度荷載計(jì)算工況有2種，見表1，工況1不考慮隧道內(nèi)外溫差。

表1 溫度荷載工況 ℃

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 隧道內(nèi)外溫差影響

工況1和工況2荷載作用下鋼軌縱向位移和橋上鋼軌附加縱向力分別見圖7、圖8。

圖7 橋隧過渡段鋼軌縱向位移(不同溫度荷載工況)

圖8 橋上鋼軌附加縱向力(不同溫度荷載工況)

由圖7、圖8可知，工況1即不考慮隧道內(nèi)外溫差時(shí)，鋼軌最大縱向位移出現(xiàn)在第3跨簡支梁處，為2.94 mm。工況2考慮隧道內(nèi)外溫差時(shí)鋼軌縱向位移由第1跨梁至第5跨梁逐漸累積增大，鋼軌最大縱向位移出現(xiàn)在第5跨簡支梁處，為4.32 mm，較工況1增大46.9%，表明隧道內(nèi)外溫差導(dǎo)致鋼軌縱向位移顯著增大。由鋼軌縱向位移分布特征可知，高溫季節(jié)臨近隧道洞口簡支梁上的鋼軌爬行量較大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此處鋼軌爬行量監(jiān)測。

工況1和工況2鋼軌最大附加力出現(xiàn)位置一樣，但量值不同，兩種工況下鋼軌最大附加拉力分別為163.5 kN和172.5 kN，工況2較工況1增大5.5%，鋼軌最大附加壓力分別為173.3 kN和119.2 kN，工況2較工況1減小31.2%。由于鋼軌附加拉力有所增大，故在橋隧過渡段無砟軌道無縫線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮隧道內(nèi)外溫差影響。

3.2 過渡段長度影響

隧道洞口過渡段長度與隧道長度、方向和通風(fēng)條件有關(guān)，一般為10～50 m。為分析過渡段長度l對(duì)無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性的影響，過渡段長度分別取25，50，75，100 m。工況2荷載作用下鋼軌縱向位移和橋上鋼軌附加縱向力分別見圖9、圖10，各計(jì)算項(xiàng)目最值匯總見表2。

圖9 橋隧過渡段鋼軌縱向位移(不同過渡段長度)

圖10 橋上鋼軌附加縱向力(不同過渡段長度)

表2 計(jì)算結(jié)果匯總(不同過渡段長度)

由圖9、圖10和表2可知，隨著過渡段長度增大，鋼軌最大縱向位移逐漸減小，但減小速度逐漸變慢，鋼軌最大縱向位移逐漸由第5跨簡支梁向中間跨簡支梁移動(dòng)，表明鋼軌縱向位移累積效應(yīng)逐漸減弱。過渡段長25 m的鋼軌最大縱向位移為過渡段長100 m的2倍，表明隧道洞口過渡段長度越短，鋼軌爬行量越大。故對(duì)于過渡段長度較短的隧道，高溫季節(jié)越應(yīng)加強(qiáng)對(duì)臨近隧道洞口簡支梁上的鋼軌爬行量監(jiān)測。

隨著過渡段長度增大，鋼軌最大附加拉力逐漸減小，而鋼軌最大附加壓力增大，且過渡段長度對(duì)鋼軌附加壓力影響較鋼軌附加拉力顯著。過渡段長度越長，鋼軌附加壓力越大，但增大速度逐漸變慢，過渡段長度為100 m的鋼軌最大附加壓力為過渡段長25 m的2倍。

3.3 扣件阻力影響

為分析不同扣件縱向阻力對(duì)橋隧過渡段無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性的影響，過渡段范圍內(nèi)扣件縱向阻力r取8～24 kN/m/軌，其他區(qū)域扣件縱向阻力為24 kN/m/軌。過渡段長度為50 m，荷載仍取工況2，不同扣件縱向阻力時(shí)鋼軌縱向位移和橋上鋼軌附加縱向力分別見圖11、圖12，各計(jì)算項(xiàng)目最值匯總見表3。

圖11 橋隧過渡段鋼軌縱向位移(不同扣件縱向阻力)

圖12 橋上鋼軌附加縱向力(不同扣件縱向阻力)

表3 計(jì)算結(jié)果匯總(不同扣件縱向阻力)

由圖11、圖12和表3可知，隨著扣件縱向阻力增大，鋼軌最大縱向位移和最大附加拉力逐漸減小，但減小速度逐漸變慢，鋼軌最大附加壓力則逐漸增大。扣件縱向阻力對(duì)鋼軌最大縱向位移和最大附加壓力影響顯著，扣件縱向阻力由8 kN/m/軌增大至24 kN/m/軌時(shí)，鋼軌最大縱向位移和最大附加壓力分別減小1.5倍和增大2.31倍，變化顯著。

4 結(jié)論

通過對(duì)筆架山隧道內(nèi)外進(jìn)行2年的氣溫監(jiān)測，得到隧道內(nèi)外氣溫分布規(guī)律，并建立橋隧過渡段無砟軌道無縫線路縱向計(jì)算模型，分析了橋隧過渡段縱向力學(xué)特性影響因素，得出以下結(jié)論。

(1)筆架山隧道最高和最低氣溫分別為43 ℃和-14 ℃，隧道內(nèi)外最大氣溫差為23 ℃，隧道氣溫過渡段長50 m。

(2)考慮隧道內(nèi)外溫差時(shí)鋼軌縱向位移顯著增大，高溫季節(jié)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)臨近隧道洞口簡支梁上鋼軌爬行量監(jiān)測，鋼軌附加拉力有所增大，在橋隧過渡段無砟軌道無縫線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮隧道內(nèi)外溫差影響。

(3)隧道過渡段長度和扣件縱向阻力對(duì)鋼軌縱向位移和鋼軌附加壓力影響顯著，鋼軌縱向位移隨過渡段長度和扣件縱向阻力增大而顯著減小，鋼軌附加壓力則隨過渡段長度和扣件縱向阻力增大而顯著增大。