重载标准铁路设计对工程投资的影响分析

重载标准铁路设计对工程投资的影响分析高天（铁道第三勘察设计院集团有限公司工经处，天津300142）摘要:由山西中南部铁路通道工程分析入手，讨论采用重载标准设计对铁路投资的影响情况。通过分析探讨，建议以运输煤炭货物为主的铁路通道采用重载标准，因为其有利于充分发挥铁路运输效益。关键词:铁路;重载;工程投资收稿日期1研究背景2005年国际重载运输协会（IHHA）巴西年会，对重载运输的定义作了新的修订，主要包括下面3点:重载列车牵引质量至少要达到8000t（以前为5000t）;轴重（或计划轴重）为27t及以上（以前为25t）;在至少150km线路区段上年运量超过4000万t（以前为2000万t）。从20世纪80年代起，我国铁路为扭转运输紧张的被动局面，瞄准世界铁路科技发展前沿，学习和借鉴国外经验。根据我国铁路运营特点和实际需要，在货物运输方面把发展重载运输作为主攻方向，把研究和采取开行不同类型的重载列车运输方式作为铁路扩能提效的重要手段。笔者结合个人实践经验，分析铁路重载设计对工程建设投资的影响。2项目简介新建山西中南部铁路通道连接山西省西部和中南部、河南省北部、山东省中南部，线路全长1218km，为双线电气化Ⅰ级铁路，是以运煤为主的山西中南部地区大能力煤炭外运通道。预计最大区段货流密度:近期1.亿t、远期1.8亿t。工程起点至汤阴段初步设计概算总额为568.8亿元。此文以瓦唐至洪洞段工程为例进行分析。本段正线291.755km，桥梁长度为61.049km，占线路比重的21%;隧道长度为155.078km，占线路比重的53%;路基长度为75.628km，占线路比重的26%。该段概算总额284亿元，其中静态投资237亿元。3重载设计对工程造价的影响分析3.1路基设计采用30t轴重荷载设计之后，对路基存在影响的部分主要是路基基床表层、高路基（大于30m）本体填料部分以及高路堑（堤）挡土墙。（1）基床表层（0.6m）填料由原来的A组填料改为级配碎石或级配砂砾石，压实标准执行《重载铁路路基设计规范》（报批稿），标准较《铁路路基设计规范》有所提高，投资增加6845万元。（2）该线填料为新黄土，塑性指数宜小于12，填土高大于30m基床以下填料用水泥改良，水泥掺入量3%。水泥采用普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，强度等级为32.5级或42.5级，初凝时间不宜小于3.0h，终凝时间不宜小于6.0h，不应使用快硬水泥、早强水泥，不得使用受潮变质水泥。填料由新黄土变为水泥改良土，投资增加7284万元。（3）对于路肩式支挡结构应尽量改为路堤式支挡结构，以减小列车动应力对支挡结构的影响，同时根据30t的换算土柱对支挡结构进行检算。22t轴重调整为30t轴重荷载对挡土墙产生影响，投资增加100万元。3.2桥梁对重载设计活载标准及相关参数的确定为:“中－活载（2005)ZH标准（Z=1.2）”能满足山西中南部铁路通道运输需求;动力系数、牵引力和制动力系数仍按《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1－2005）公式确定;离心力按《铁路桥涵设计基本规范》公式确定，离心力的作用位置取轨顶以上2。2m;横向摇摆力、脱轨荷载的计算原则按《铁路桥涵设计基本规范》确定，荷载取值提高20%。经测算，ZH（Z=1.2）活载较普通荷载对工程投资影响主要体现在桥梁梁部、基础以及涵洞部分。（1）设计采用ZH（Z=1.2）活载需对桩基础、扩大基础重新检算，基础类型选取直线6度地震区、直线8度地震区、曲线6度地震区、曲线8度地震区进行检算，初步检算结果如下:①直线6度地震区桩基础工程数量增加12.5%～20%，最小配筋面积不变;②直线8度地震区桩基础工程数量增加5.3%～13.3%，最小配筋面积有增有减，总体来看基本保持不变;③曲线6度地震区桩基础工程数量增加8.5%～16.7%，最小配筋面积不变;④曲线8度地震区桩基础工程数量增加8.3%～17.5%，最小配筋面积有增有减，总体来看基本保持不变。随着桩基础工程数量的增加，桩基根数也发生变化，承台的工程数量也随之增加。经计算，桥梁基础按ZH（Z=1.2）活载设计，较普通荷载桩基础工程量综合增加约12%，费用增加17219.8万元。（2）梁部与初步设计采用的2101梁型相比，梁高增高10cm，混凝土增加5%左右，普通钢筋增加10%左右，钢绞线增加10%左右。经计算，梁部因考虑ZH（Z=1.2）活载引起工程投资增加13971.4万元。（3）支座采用重载梁ZH活载时，不大于设计采用支座容许承载力，桥梁支座型号无变化;桥墩、桥台在30t轴重设计荷载条件下工程数量变化不大。（4）两种活载对涵洞盖板的压力随涵洞板顶填土高的增加而减小，板顶填土高为12m时，板顶的竖向压力差值为1.58%，差别已不大。经计算，板顶填土高小于12m的涵洞需要增加盖板圬工10%～15%，费用增加1189.4万元。3.3轨道3.3.1钢轨对钢轨轨型的影响主要是指对其断面尺寸的影响，即钢轨截面对水平轴的惯性矩J的影响及中性轴距轨底的距离H对轨道受力与变形的影响。钢轨重量增加对轨道受力与变形均可予以改善，经计算，如果把60kg/m钢轨换为75kg/m钢轨，则钢轨弯曲应力降低15.4%。更换重型钢轨可全面改善轨道的受力与变形状况，因此重载铁路大都采用重型钢轨。此外，根据我国《铁路轨道设计规范》，对于年通过总重大于5000万t的线路，应采用75kg/m轨。推荐重车线采用75kg/mU75V轨，这一变化增加工程投资9473万元。目前铁道部针对重载铁路有砟轨道地段的轨枕及扣件正在进行研究，由此对投资带来的影响还不能确定。3.3.2道床（1）有砟道床。对于重载线路，由于轴重、行车密度增加，将使道床的工作环境发生严重恶化：道床粉化、板结情况严重，道床积累残余下沉速率提高，而道床厚度的选择直接关系到养护维修工作量。目前国内尚无30t大轴重重载铁路运输的工程实践，结合不同道碴厚度对应不同基床结构的技术经济比选结论，建议土质路基铺设级配碎石地段采用单层道床，道砟厚度50cm；硬质岩石路堑、隧道内道床厚度为35cm；桥上枕下道床厚度为35cm。由此增加工程投资446万元。（2）无砟道床。道床板：采用纵向连续结构，宽度为2800mm，厚度为260mm，C40混凝土；扣件：暂按刚度50kN/mm考虑；列车荷载：30t轴重；动力系数：目前对于重载铁路没有进行相关实验，对动力系数的取值仍需进一步研究，此次计算暂取2.0；温度荷载：洞口道床板整体温度变化取35℃，洞内道床板整体温度变化取15℃。混凝土收缩按降温10℃加以考虑。在重载铁路工况下，无砟轨道长期承受大轴重列车疲劳荷载，宜将道床板厚度适当加厚，以提高道床板抗弯刚度，因此道床板按加厚300mm设计。由此增加工程投资1386万元。（3）道岔。结合区间线路由60kg/m轨调整为75kg/m轨，道岔型号也相应进行匹配调整，由此增加投资1727万元。3.4隧道我国铁路隧道运营一定时间后，部分隧道底部出现铺底开裂、破损、下陷，向两侧外挤，以及翻浆、冒泥等病害现象。当轴重增大、运量提高后这种现象将更为明显。目前，铁路隧道设计对隧道铺底结构的计算及其受力状态也缺乏足够认识，多数认为铺底是一种受压结构，在进行隧道铺底病害整治时就一味加厚铺底混凝土的厚度。而实际调查研究发现，即使铺底混凝土厚度达到1.0m以上仍会出现铺底破裂、一侧明显下沉的现象。实际上，由于施工条件等因素的影响，隧道基底结构与基岩不可能很好地粘结共同变形。在大轴重、大运量的情况下，在列车动载及水的共同作用下，基底结构与基岩之间产生空洞，此时，隧道铺底结构的受力状态有所改变，其所承受的弯矩和剪力将大增，并最终导致铺底结构的开裂破坏，从而产生基底翻浆冒泥等病害。因此，对于重载铁路而言，采用何种隧道基底结构需要予以特别研究。山西中南部铁路隧道断面采用标准隧限－2B断面，仰拱矢跨比1/10.5（按规范要求双线隧道仰拱矢跨比宜为1/10～1/12）满足规范要求。隧道仰拱填充厚度126cm，隧道断面结构形式受力能满足30t轴重下结构承载力要求。重载条件下基底岩土的动力学效应对隧道底部结构受力状态影响显著。软弱围岩（尤其是土质围岩），在列车动载作用下，其物理力学性质将发生变化，加之排水不畅，岩土的物性指标和承载力将明显降低，这是引起隧道基底结构开裂、下沉以及翻浆冒泥的主要原因。因此，系统研究基底围岩在列车动载作用下的力学效应，寻找适当的处理措施和解决方法，对重载铁路而言意义重大。该线隧道区主要地层是湿陷性黄土、具弱－中膨胀性的黏土、砂岩、泥岩（或砂泥岩互层）、灰岩、粗（细）圆砾土等。针对重载设计活载由“中－活载”调整为30轴重活载的设计标准变化，隧道结构设计原则拟采用以下工程措施。（1）无砟轨道地段结合轨道板加厚，隧道断面扩挖。（2）拟针对高等级（Ⅱ级自重及以上）湿陷性黄土，洞内外均采用灰土挤密桩（或柱捶冲扩桩）（注：中活载设计中只对洞外高等级湿陷性地段采用灰土换填或灰土挤密桩）消除湿陷性;对低等级湿陷性黄土采用基底换填消除湿陷性。（3）对于富水段落的砂质、泥岩地层（或其他土质地层）应加强基底处理措施，如应采用钻孔桩或其他桩基形式，以提高围岩及基底承载力至少达到250kPa。（4）对于桥隧相连地段，考虑列车动载作用，建议桥梁与隧道做成分离式结构，以避免因静、动载受力模式不同，对结构产生不利影响。由此增加工程投资2000万元。3.5采用30t轴重荷载设计投资增加统计该项目荷载调整影响投资情况见表1。山西中南部铁路通道瓦塘至洪洞段落工程静态投资237亿元，由表1可知，采用重载设计标准（Z=1.2），工程投资增加6.36亿元，增幅2.68%。3.6需要说明的问题（1）山西中南部铁路通道作为路内首条按重载标准进行建设的重载铁路通道，桥梁活载标准按ZH（Z=1.2）活载设计，鉴于目前国内尚无相关的成熟设计规范可供执行，建议在此项目的基础上开展一系列有关重载铁路建设的仿真、测试及试验，以期总结一套重载铁路建设技术经验。经初步梳理，开展这些研究需要费用为2000万元。（2）目前铁道部针对重载铁路有砟轨道地段的轨枕、扣配件及道岔正在进行研究，对铁路投资影响尚不确定。（3）上述措施是为了满足30t轴重车辆运行的需要，若近期不开行30t轴重列车，钢轨道岔等加强措施可暂缓实施。4结论中国铁路依靠科技进步和技术创新，不断完善和提高铁路技术装备水平，改变了铁路传统产业的形象，使铁路跻身于现代化产业行列。在客运高速化的同时，货运重载以其运能大、效率高、成本低的优势而备受关注。山西中南部铁路通道瓦塘至洪洞段落按重载设计标准设计，工程投资较原设计237亿元增加6.36亿元，增幅2.68%。用不多的投资增加，取得巨大的经济效益，值得进一步推广使用。