关于乌鞘岭隧道弹性整体轨道

关于乌鞘岭隧道弹性整体轨道设计速度目标值提升为200km/h的评判报告汇报人：畅德师汇报主要内容一、概况二、弹性整体轨道结构研究试验情况三、适应时速200公里客货共线的轨道结构技术条件分析四、适应时速200公里轨道施工技术条件分析五、有关建议一、概况1．乌鞘岭隧道弹性整体轨道概况乌鞘岭隧道全长20.5km，为左右两个单线隧道。洞内采用弹性支承块式整体道床,60kg/m钢轨无缝线路。原初步设计和施工图阶段设计速度目标值为160km/h,各轨道部件及轨道强度均按此目标值进行设计试验。目前,右线隧道两端道床施工已完成约3km。2．国内外应用概况弹性支承块结构的基本形式在国外也称“低振动轨道(LVT)”,最早于1966年铺设于瑞士Boetberg隧道中,至今已有38年的运营经验。1993年6月开通运营的英法海峡隧道铺设了这种结构,该隧道设计最高行车速度200km/h。之后,这种结构在业界被广泛铺设运用。英法海峡隧道虽然设计速度为200km/h,但实际运营速度为160km/h的记录,因此,目前只能从理论上来说应该能达到200km/h速度。国内自从秦岭特长隧道首次研究铺设该结构至今，在短短的6年内通车隧道7处，里程达到了74.4km（不包括城市轨道交通使用数量）；正在设计和正在施工隧道6处，里程约88km，该结构受到运营单位的肯定和好评。为适应兰武线最高行车速度160km/h的要求，在原秦岭长隧道弹性整体轨道结构基础上进行了构件的改进和加强,并进行了分析检算,认为乌鞘岭隧道铺设的标准可以达到160km/h速度。二、弹性整体轨道结构研究试验情况1．秦岭隧道研究概况秦岭隧道全长18.456km，是我国目前最长的运营铁路山岭隧道。隧道修建之初，考虑特长隧道内环境黑暗潮湿、狭窄，如采用传统有碴轨道，隧道内的养护维修作业将十分困难，新铺轨道通车后需花费大量人力进行整道，1～2年内洞内难以达到设计车速。在运营期间，当道碴几何状态恶化时，也必须靠人工清筛换碴并反复调整轨道的几何状态，这种维修的频率在繁忙干线上为5年左右出现一次，在维修期间，列车不能正常运营，洞内将难以达到设计车速且不能保证行车安全。要彻底解决以上技术问题，隧道内必须采用技术先进，结构合理，施工快捷，运营少维修或免维修的新型无碴轨道结构。另外，当轨道结构部件发生个别损坏时，可更换，易修复。经反复论证，最终选定套靴式弹性支承块式整体轨道进行突破性研究，铁道部以重点科技开发项目立项对“弹性整体轨道结构及施工工艺和机具的研究”课题（合同编号：95G48－Q）进行全面研究试验。该课题经轨道动力学分析计算、部件设计试制、室内力学试验、宝天线白清隧道铺设试验、施工工艺及机具研究试制、西康线大瓢沟隧道工艺机具工业性试验、结构部件改进及施工图设计，最终成功地铺设于秦岭隧道中。Ⅰ线隧道于2001年1月开通后，洞内车速就达到了120km/h。2．秦岭Ⅰ线隧道存在问题及其改进秦岭Ⅰ线隧道整体轨道铺设运营之初，发生的问题有：⑴道床：在现场浇注道床砼时，个别地点道床砼面位置高度超线，使个别支承块内侧上翼缘在列车运营中剪切掉块，其原因是砼道床抹面位置偏上，限制了支承块在列车通过时的弹性位移所致。⑵采用氯丁胶生产的套靴产品存在低温变硬现象。⑶个别预埋铁座断裂损坏，当时，现场利用抬道法予以更换，经全面分析补充试验发现其原因是：①铸造质量存在离散性，离散性大小与生产厂家、生产设备、工艺水平密切相关；②铁件强度存在薄弱点；③工地组装扣件时，螺栓扭矩过大，如要求的螺栓扭矩为120Nm即可达到弹条下颌三点接触，而实际扭矩个别达到300Nm。当时，课题组针对以上问题进行了全面分析和改进，之后在2002年3月开通运营的Ⅱ线隧道内，轨道结构则无任何损坏及维修。该结构得到郑州铁路局运营部门的肯定和赞赏。至目前已对主要部件及有关技术条件进行了二次改进和修订，改进主要内容及修订情况如下：第一次修订是针对科研阶段发现的问题所进行的改进，适用于国铁25t轴重、客货混运时速120公里的线路，改进后形成了《弹性整体轨道部件通用图》（壹线3025图）及相应配套的技术条件，改进修订的主要内容为：⑴将支承块上翼缘凸出尺寸由原12mm缩小为9mm，并加强道床抹面平整度；⑵套靴全部采用三元乙丙胶制造；⑶预埋铁座：①设计尺寸进行了局部改进，使预埋铁座轴向拉伸强度由原60KN提高至100KN以上，试验强度达到140KN-160KN。从而能以较大的强度储备克服很小的质量离散性。②材料由QT400-18改为QT450-10，提高了材料强度且简化了铸造工艺，有利于生产过程的质量控制。③增加了制造设备技术条件，限定铸造工艺必须采用电感应炉熔炼，不准直接采用冲天炉，使铸造质量离散性降低到最小。④增加预埋座工作轴向拉伸强度试验和金相组织检验内容，限定球化级别不得大于3级；⑤在铺轨施工技术条件中要求安装扣件弹条达到三点接触的同时，限定螺母扭力距不超过150N·M.第二次改进在第一次改进的壹线3025图基础上进行，改进后的轨道部件适用于新建时速160公里客货共线铁路。改进后的图号为：壹线（04）3025。改进的主要内容如下：⑴C50支承块：通过调整受力钢筋，使块下开裂检验荷载由65kN提高至75kN。另外，帽上尺寸调整，使制造时容易脱模。⑵橡胶套靴及块下橡胶垫板：调整有关物理机械性能指标，使其进一步趋向合理。⑶预埋铁座及轨距挡板：调整预埋铁座上肢厚度，使横向抵抗力不小于120kN，轴向拉伸强度不小于140kN。轨距挡板尺寸作相应调整。⑷弹条：增加弹条表面用JM型防锈漆处理措施。⑸T型螺栓及盖型螺母：增加M24T型螺栓及盖型螺母表面镀锌钝化或多元共渗防腐处理。本技术条件与壹线（04）3025“弹性整体轨道部件结构通用图”及壹线（04）3025A“弹性整体轨道部件安装图”配合使用。三、适应时速200公里客货共线的轨道结构技术条件分析1．支承块强度分析根据《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》3．1．6条规定：设计动轮载采用300kN。经本次计算：取轨下静刚度60kN/mm及轮载采用300kN最不利条件，得出枕上压力：120kN，支承块最大弯矩：9kN.m。乌鞘岭已生产的支承块经有关抗裂强度试验结果为：≥11kN.m。说明乌鞘岭支承块抗裂强度可满足要求。2．预埋铁座强度及抗拔力分析按车轮作用在钢轨上的横向力70kN、竖向静轮载125kN最不利组合检算，预埋铁座抗拔力＝弹条扣压力×2＋19.6kN＝10kN×2＋19.6kN＝39.6kN。即单个预埋铁座最大抗拔力约为40kN。试验表明在列车通过时扣件螺拴附加上拔力测值均很小，最大值为l.2kN,在原有螺母扭矩基础上螺拴轴向力增加了6％。目前铁座拉伸检验强度大于140kN，可满足要求，但埋入支承块后开裂抗拔力仍需补充试验。3．轨道横向稳定性分析由上表换算的橡胶套靴侧面总静刚度值为：190—240（kN/mm）,按最大横向力70kN计算的支承块最大横向位移为：0.37—0.29（mm）。由此可知支承块横向稳定性是可靠的。试样静刚度值（kN/mm）试样尺寸块下大胶垫75－105橡胶垫板橡胶套靴120－150140×185mm（从套靴小侧面取样）⑴套靴的侧向静刚度⑵秦岭隧道弹性整体道床试验情况秦岭隧道弹性整体道床试验时，对灌筑好的无碴轨道模型，在混凝土强度达到设计强度后进行静载及疲劳振动试验。所有试验都是在铁科院线路试验室PBE一500kN液压疲劳机上进行的。试验的图式如右图所示。油压千斤顶向下的总荷载为P，加力架向下成450向钢轨加荷，这样每个测点所受的水平力和竖向力均为P／2。疲劳试验的目的，主要是检验在疲劳试验后轨道几何状态（两股钢轨轨距及支承块之间的距离)的变化，各部件的损伤情况，疲劳试验的最大荷载Pmax＝120kN，最小Pmin＝20kN，试验结果见表1。由表1可见，在规定荷载作用下，经过200万次荷载循环后，轨距的最大变化为2mm，符合有关技术标准要求；支承块的距离变化为1mm，到400万次已几乎无变化。在疲劳荷载作用下支承块的振幅为1mm左右。说明弹性整体轨道结构的稳定性很好。荷载Pmax＝120kN，Pmin＝20kN加荷次数（×104）0.1200400轨距(mm)南1435△＝01437△＝21437△＝2北1437△＝01437△＝01437△＝0支承块距离(mm)南914△＝0915△＝1915△＝1北912△＝0912△＝0912△＝0注：支承块在Pmax作用下上下振幅约1mm，支承块在内侧与套靴分开最大约1mm。表14．轨道竖向稳定性分析取轨下静刚度30kN/mm及轮载采用300kN最不利条件及轮载125kN，静刚度40kN/mm，分别对轨道竖向变形进行检算，结果见表2序号轮位（m）轮载300kN，静刚度30kN/mm时的钢轨位移（mm）轮载125kN，静刚度40kN/mm时的钢轨位移（mm）1-5.13＋0.0059＋-0.0022-4.56－0.0024＋0.00143-3.99－0.0302－0.00424-3.42－0.0832－0.01915-2.85－0.1392－0.04096-2.28－0.1066－0.04537-1.71＋0.2083＋0.03368-1.14＋1.0483＋0.29679-0.57＋2.4131＋0.774100.00＋3.3669＋1.1306110.57＋2.4131＋0.774121.14＋1.0483＋0.2967131.71＋0.2083＋0.0336142.28－0.1066－0.0453152.85－0.1392－0.0409163.42－0.0832－0.0191173.99－0.0302－0.0042184.56－0.0024＋0.0014195.13＋0.0059＋0.002表2-6-4-20246-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.5YAxisTitleXAxisTitleB-6-4-20246-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2YAxisTitleXAxisTitleB300kN与125kN轮载作用下钢轨变形图由上图及表2可见，最不利情况下钢轨下沉最大值为：3.3669mm，最大上升值为：0.1392mm。正常情况下钢轨下沉值为：1.1306mm，上升值为：－0.0453mm。由此分析：支承块不能从道床中拔出，轨道竖向稳定性无可担忧。5．乌鞘岭隧道内整体道床板强度乌鞘岭隧道内整体道床板设计采用312.5kN垂向动荷载,100kN横向荷载，Ⅳ类围岩抗力系数KⅣ=500MPa/m进行检算，采用双层框架配筋，C40混凝土结构，强度完全满足时速200公里客货共线需要。乌鞘岭隧道弹性整体道床横断面图6．对结构的结论性意见从以上分析，认为目前乌鞘岭对弹性整体道床部件及道床板强度可结构满足时速200公里客货共线需要。建议保持既有设计不作改变，但对支承块预埋铁座抗拔力等有关进行试验确认。四、适应时速200公里轨道施工技术条件分析乌鞘岭弹性整体轨道有关平顺性标准是现场施工技术关键，现行有关标准对比见下表3，表4：无碴轨道静态平顺度（mm）表3项目高低轨向水平轨距V=160km/h444±2V=200km/h222＋1，－2测量弦长10m―――无碴轨道动态平顺度（mm）表4以上静态平顺度标准即为施工验收标准，若乌鞘岭隧道整体轨道提高至200km/h车速，建议现场施工加强施工标桩测设精度，必要时按道床两侧设置施工标桩；并全面检查轨道排架悬挂精度，精心施工。项目高低轨向水平轨距V=160km/h545＋5，－2V=200km/h444＋4，－2五、存在问题及有关建议对目前弹性支承块结构如要进一步将行车速度提高到200km/h，建议补充进行如下试验工作:在200km/h车速情况下对道床结构进行动力学仿真计算，对结构各部位动力学响应作出评判，进一步确认有关部件受力状态、