高原鐵路隧道地段單元式道床板植筋檢算

劉啟賓 魏周春 徐 旸 褚衛(wèi)松 趙志強(qiáng)

(1.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

某高原鐵路為設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值200 km/h的客貨共線鐵路，設(shè)計(jì)最大軸重為25 t[1-3]。鐵路沿線工程與環(huán)境條件復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)維修條件極為惡劣，為降低運(yùn)營期線路養(yǎng)護(hù)維修工作量，正線以采用少維護(hù)且在隧道地段具有良好經(jīng)濟(jì)性能的雙塊式無砟軌道為主[4-5]。現(xiàn)行雙塊式無砟軌道通用參考圖中，隧道地段雙塊式無砟軌道為連續(xù)式結(jié)構(gòu)，一般地段與隧道基礎(chǔ)之間依靠道床與基底的粘結(jié)進(jìn)行限位[6]。根據(jù)現(xiàn)有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，連續(xù)式結(jié)構(gòu)道床病害多、裂縫修補(bǔ)工作量大[7-8]，尤其在高原鐵路沿線工程與環(huán)境條件極為復(fù)雜的情況下，鋼筋混凝土道床結(jié)構(gòu)的耐久性以及運(yùn)營期的養(yǎng)護(hù)維修均面臨巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，該線具有地質(zhì)條件復(fù)雜、線下基礎(chǔ)變形風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)[9-10]，縱連式無砟軌道整治、修復(fù)難度大，采用單元式結(jié)構(gòu)有利于養(yǎng)護(hù)維修及應(yīng)急搶修[11-13]。因此，為提高道床結(jié)構(gòu)耐久性、降低運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)維修工作量、提高無砟道床對沿線工程與環(huán)境條件的適應(yīng)性，推薦隧道地段采用單元式道床板結(jié)構(gòu)。

道床結(jié)構(gòu)單元化能大幅降低裂縫出現(xiàn)的概率，但道床整體穩(wěn)定性被削弱，為確保其與隧道基礎(chǔ)間連接的可靠性，需采用植筋加強(qiáng)二者之間的連接。為確保植筋設(shè)置的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，基于數(shù)值分析方法對道床板與隧道基礎(chǔ)之間植筋設(shè)置情況進(jìn)行檢算分析，為高原鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支持。

1 荷載效應(yīng)

該鐵路為客貨共線鐵路，運(yùn)行的基本車型有3種，見表1。

表1 川藏鐵路列車類型

參考關(guān)于動(dòng)載系數(shù)的規(guī)定[14]，對道床板植筋檢算時(shí)，選取軸重25 t的貨物列車(牽引機(jī)車重25 t，HXD)，動(dòng)載系數(shù)取2.5，其機(jī)車輪對布置見圖1。

圖1 HXD列車輪對圖示(單位：mm)

客貨共線鐵路一般地段雙塊式無砟軌道的軌枕間距為625 mm，每塊道床板上布置10根軌枕，在施工段落端部及變形縫前后的調(diào)整地段可采用非標(biāo)準(zhǔn)版，根據(jù)軌枕間距及每塊板上軌枕布置數(shù)量，確定非標(biāo)準(zhǔn)道床板長4.025～6.875 m。由圖1可以看出，單個(gè)道床板上至多同時(shí)存在兩個(gè)輪對。為簡化計(jì)算，對道床板與隧道仰拱間植筋檢算作出如下假設(shè)。

(1)假設(shè)單塊道床板獨(dú)立承受一個(gè)轉(zhuǎn)向架的荷載，不考慮輪載在不同道床板間的分配(相鄰轉(zhuǎn)向架之間的距離均超過5 m，其分配效應(yīng)可忽略)[15]。

(2)假設(shè)局部出現(xiàn)道床板離縫后，植筋仍能滿足道床板的限位需求；道床板與隧道基礎(chǔ)之間無粘結(jié)作用，即道床板縱橫向限位完全由植筋提供。

道床板縱向受列車制(啟)動(dòng)力，橫向受輪軌橫向力，二者合力作用于植筋。基于以上假設(shè)，則道床板水平方向受力可視為全部由植筋承擔(dān)，道床板水平方向受力情況如下。

(1)道床板縱向受力

道床板所受列車最大制(啟)動(dòng)力為

F縱=μ×4×Pd

(1)

其中，μ為輪軌間摩擦系數(shù)，取0.164；Pd為列車動(dòng)輪載，有

Pd=αPj

(2)

其中，α為動(dòng)載系數(shù)，取2.5；Pj為列車靜輪載，取125 kN，有

F縱=205 kN

(2)道床板橫向受力

按照規(guī)范規(guī)定，列車橫向設(shè)計(jì)荷載

Q=0.8×4×Pj=400 kN

基于以上分析，則道床板所受荷載的合力為

2 植筋參數(shù)

為節(jié)約投資及便于現(xiàn)場施工，鐵路隧道內(nèi)多采用與道床結(jié)構(gòu)同型號(hào)的鋼筋作為道床與隧道仰拱之間的植筋，主要參數(shù)如下。

(1)采用φ16 mm的HRB400級(jí)鋼筋，長380 mm，植入隧道仰拱回填層長200 mm，伸入道床板內(nèi)180 mm。

(2)鉆孔直徑為20 mm，鉆孔與植筋之間采用植筋膠填充，植筋膠抗壓強(qiáng)度不小于99 MPa。

(3)隧道仰拱回填層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。

3 植筋數(shù)量計(jì)算

基于植筋抗剪強(qiáng)度、仰拱回填層混凝土局部抗壓強(qiáng)度及植筋膠抗壓強(qiáng)度要求，進(jìn)行植筋數(shù)量檢算分析。

3.1 基于植筋抗剪強(qiáng)度計(jì)算

基于群栓抗剪強(qiáng)度計(jì)算理論，則植筋所受剪應(yīng)力為

(3)

其中，ξ為植筋受力不均勻系數(shù)，取1.1；n為單塊板植筋數(shù)量；r為植筋半徑。

植筋采用HRB400級(jí)，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值400 MPa，設(shè)計(jì)值為360 MPa；抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為

[τ]=(0.6～0.8)×[σ]=(216～288) MPa

基于安全考慮，取[τ]=216 MPa。

由植筋抗剪強(qiáng)度計(jì)算的植筋數(shù)量為

基于植筋抗剪強(qiáng)度檢算結(jié)果，隧道地段單元式道床板每塊板需12根植筋。

3.2 基于植筋孔混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算

植筋對隧道仰拱混凝土壓應(yīng)力為

(4)

其中，ξ為植筋受力不均勻系數(shù)；n為單塊板植筋數(shù)量；D為鉆孔直徑；h為植筋植入底板長度。

隧道仰拱填充層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，其材料自身的容許壓應(yīng)力為5.4 MPa，植筋與混凝土之間的作用可以視為局部承壓，則其容許壓應(yīng)力為

[σ1]=5.4×β

(5)

因此，[σ1]=31.9 MPa

則由植筋孔混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算所需植筋數(shù)量為

基于植筋孔混凝土抗壓強(qiáng)度檢算結(jié)果，隧道地段單元式道床板每塊板需要植筋4根。

3.3 基于植筋膠抗壓強(qiáng)度計(jì)算

植筋膠所受壓應(yīng)力為

(6)

其中，ξ為植筋受力不均勻系數(shù)；n為單塊板植筋數(shù)量；d為植筋直徑；h為植筋植入底板長度。

(7)

其中，σ設(shè)計(jì)為抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取99 MPa；λ為系數(shù)，取2.5。

則[σ2]=39.6 MPa

由植筋膠抗壓強(qiáng)度計(jì)算所需植筋數(shù)量為

基于植筋膠抗壓強(qiáng)度檢算結(jié)果，隧道地段單元式道床板每塊板需4根植筋。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，該鐵路隧道內(nèi)每塊道床板植筋數(shù)量的受控因素為植筋抗剪強(qiáng)度，據(jù)此計(jì)算出當(dāng)植筋采用φ16 mm的HRB400級(jí)鋼筋時(shí)，每塊標(biāo)準(zhǔn)板上所需植筋數(shù)量至少12根。

4 植筋數(shù)量確定及布置方案

由上述檢算結(jié)果可知，每塊標(biāo)準(zhǔn)板上所需植筋數(shù)量為12根?？紤]到該鐵路沿線工程與環(huán)境條件、高原地區(qū)日照和風(fēng)的影響、洞口微區(qū)域極端環(huán)境、項(xiàng)目地形條件、超長大坡道占比等因素，為提高道床與隧道仰拱之間連接的可靠性，一般地段考慮1.3倍的植筋安全系數(shù)，對線路縱坡大于25‰的地段和隧道洞口200 m范圍，考慮1.5倍的安全系數(shù)。則單元式道床板所需植筋的最少數(shù)量如下。

一般區(qū)段取16根；洞口200 m范圍及線路縱坡≥25‰地段取18根。

為充分發(fā)揮植筋的限位作用，需將植筋布置在軌枕塊中間，每個(gè)軌枕塊對應(yīng)布置2根植筋，即每排布置4根植筋。植筋布置橫斷面見圖2。

圖2 道床板植筋布置橫斷面(單位：mm)

對于一般區(qū)段，每塊板上可布置4排植筋，即每塊板上布置16根；對于洞口200 m范圍及線路縱坡≥25‰的地段，每塊道床板上可布置5排植筋，即每塊板上布置20根。植筋平面布置見圖3、圖4。

圖3 一般地段道床板植筋布置

圖4 洞口200 m及坡度≥25‰地段道床板植筋布置

5 植筋對特殊病害整治的影響分析

無砟軌道鋪設(shè)前，應(yīng)進(jìn)行線下基礎(chǔ)沉降評(píng)估，當(dāng)滿足鋪設(shè)無砟軌道要求后方可施工；對于不滿足鋪設(shè)無砟軌道要求的地段，應(yīng)采用有砟軌道或其他大調(diào)整量的軌道類型。實(shí)際工程實(shí)踐中，受圍巖環(huán)境變化等因素影響，局部無砟軌道地段可能出現(xiàn)變形較大的情況，通常采用無砟軌道整體拆除重建(機(jī)械鑿除)、仰拱回填層切割落道(采用繩鋸鋸切仰拱回填層本體，調(diào)整后再次進(jìn)行層間粘接與植筋)等工程措施。對于單元式結(jié)構(gòu)，植筋雖然加強(qiáng)了道床與仰拱回填層之間的粘結(jié)，但不影響采取上述措施進(jìn)行整修工作。

6 結(jié)語

高原鐵路沿線工程與環(huán)境條件復(fù)雜，運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)維修條件極為惡劣，為解決連續(xù)式道床板裂縫病害多、后期修補(bǔ)難度大且對基礎(chǔ)變形適應(yīng)性差的問題，推薦采用單元式結(jié)構(gòu)。道床結(jié)構(gòu)單元化會(huì)削弱道床結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，需采用植筋加強(qiáng)道床與隧道基礎(chǔ)間的連接。針對該問題，結(jié)合本項(xiàng)目運(yùn)營期實(shí)際開行的列車種類，基于數(shù)值分析方法對道床板與隧道基礎(chǔ)之間植筋的可靠性進(jìn)行評(píng)估，得出主要結(jié)論如下。

(1)當(dāng)采用φ16 mm的HRB400級(jí)鋼筋時(shí)，基于植筋抗剪強(qiáng)度、仰拱回填層混凝土局部抗壓強(qiáng)度及植筋膠抗壓強(qiáng)度要求，隧道地段單元式道床板植筋數(shù)量不應(yīng)小于12根。

(2)結(jié)合該鐵路工程與環(huán)境特點(diǎn)以及植筋橫斷面布置要求，一般地段每塊道床板可布置植筋16根；洞口200 m范圍及線路縱坡≥25‰的地段，每塊道床板可布置植筋20根。