在建客货共线铁路隧道内无砟改有砟轨道方案研究
文章编号：1009—4539(2021)增1-0263-05
在建客货共线铁路隧道内无砟改有砟
轨道方案研究
龚小平1谭玉玲2姜铭3
(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600；2.北京交通运输职业学院北京102600；
3.金台铁路有限责任公司浙江台州318000)
摘要：国铁客货共线铁路长大隧道內空间有限，存在通风、作业、照明困难等问题，工作环境较为恶劣"为减少后期养护维修工作量，降低养护维修对运营的干扰，长大隧道內轨道设计时一般采用无砟轨道"但是，在现场建设施工过程中，由于地质条件、施工工期、投资等因素，可能需要将隧道內无砟轨道变更成有砟轨道"本文基于有砟轨道和无砟轨道特点，对比有砟和无砟地段轨道和隧道结构组成，分析无砟轨道改有砟轨道的影响因素、可行性及各种实施方案，可供铁路设计和施工参考"
关键词：长大隧道有砟轨道无砟轨道无砟改有砟方案比选
中图分类号：U213.2；U25文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1009-4539.2021.S1.064
Research on the Scheme of Changing Ballastless Track to Ballasted Track in the Tunnel of Mixed Passenger and Freight Railway Under Construction
GONG Xiaoping1,TAN Yuling2,JIANG Ming3
(1-China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.Ltd.,Beijing102600,China；
2-Beijing Vocational Colleye of Transportation,Beijing102600,China；3-Jintai Railway Co.Ltd.-Taizhou Zhejiang318000,China)
Abstract:The space in the long tunnel of the mixed passenger and freight railway it limited,which it difficult ta ventilate, work and Xluminate and so on,and the working environment is reWCvely bad.In ordev ta reduce the maintenance workload in lateo period as well as the interference of maintenance on operation,track is usuaCy designed as baCasthss track in long tunnel.Howevea in the process of on-site construction,due ta geoWcical conditions,construction period,investment and otheatactoas,itmaIbenece s aaItochangethebaaste s taack intobaasted taack.Based on thechaaacteaisticsot baCastless track and baCasted track,this papea compares the structure composition of track and tunnel at baCasted track and baCastWss track area,analyzes the influencing factors and feasibility as well as various impWmenta/on schemes of changing baCastWss track ta baCasted track,which can provide reference for railway design and construction.
Key words:Wng tunnel；baCasted track；baCastless track；changing baCastless track ta blasted track；scheme comparison
1前言
有砟轨道和无砟轨道是我国铁路轨道的两种基本结构形式。为节省投资，客货共线铁路以铺设有砟轨道为主[1]'有砟轨道线路养护维修需采用大型养路机械。长隧道内工作面小、通风不畅、照明条件差，大机进入隧道进行轨道起道、道床捣固等作业，产生的烟尘使得隧道内工作环境恶劣；另外，铁路维修天窗时间短，不便于长大隧道内养护维修[2]'从降低养护维修工作量考虑，长隧道内适合铺设养护维修量少的无砟轨道。
但是，长隧道内轨道设计采用有砟或无砟轨道并
收稿日期：2021-04-03
基金项目：中国铁建股份有限公司科技研究项目（13-C63）
作者简介：龚小平（1988—），男，湖北天门人，高级工程师，主要从事轨道设计方面的工作；E-mail:gongxiaoping@t5z-cn
龚小平，等：在建客货共线铁路隧道内无砟改有砟轨道方案研究
不绝对。在铁路建设中和运营后仍存在有祚改铺无
祚或无祚改铺有祚的可能性。本文对在建客货共线
铁路隧道内无祚改铺有祚轨道的方案进行研究。
2有砟和无砟轨道的特点
22有砟轨道
有祚轨道弹性好，减振降噪效果好%几何状态较易调整，维修方便；建设周期短；造价较低。但道床易粉化，线路状态不易保持，养护维修工作量大。有祚轨道对基础沉降要求较小，各种地质条件均能铺设。有祚轨道地段隧道净空应考虑大型养路机械要求。2.2无砟轨道
无祚轨道稳定性好；耐久性较强，使用寿命长；自重轻，整洁美观；平顺性高，轨道状态可以长期保持，养护维修工作量小；综合经济效益明显。但初期建设成本高；建设工期长；轨道高程调整能力有限，运营期间主要靠扣件进行调整，因而线下基础稳定是铺设无祚轨道的前提条件。无祚轨道养护维修不需要采用大型养路机械，隧道净空不必考虑其要求。
从减少隧道内养护维修工作量、提高线路平顺性等方面综合考虑，在长度大于1km隧道内宜采用无祚轨道，一般普速客货共线铁路采用弹性支承块式无祚轨道〔1_3*o
2.3隧道内有砟轨道和无砟轨道对比
2.32结构对比
(1)有祚轨道
有祚轨道由钢轨、弹条％型扣件、&a型混凝土枕、有祚道床(厚350或300mm)组成，一般国铁I级铁路轨道结构高度为766mm，国铁％级铁路为716mm，如图1所示。后文有祚轨道仅针对国铁I级铁路进行说明。
图1隧道内有砟轨道结构(时速120/160km)
(2)无祚轨道
隧道内弹性支承块式无祚轨道由钢轨、弹条0型扣件、混凝土支承块、块下橡胶垫板、橡胶套靴、道床板等组成，轨道结构高度600mm，如图2和图3所示。
隧适仰拱回填层
图2时速120km隧道内无砟轨道结构(单位:mm)时速160km隧道内无砟轨道结构(单位:mm)
图3
2.2.2技术特点对比
(1)轨面标高调整能力不同。有祚轨道可通过道祚进行调整，调整能力较强，约-50〜500mm，对基础沉降适应性强；无祚轨道仅能通过扣件调整，调整量为0〜20mm，调整能力较弱，对基础沉降的适应性差)4一5*。
(2)结构断面不同。有祚、无祚轨道结构宽度、高度不同，对大机养护要求不同，使得有祚、无祚轨道对隧道净空要求不同。对于设计速度120k^h客货共线铁路，有祚、无祚隧道断面差异很大，主要表现在水沟侧壁之间间距不同，有祚隧道为4.4m，无祚隧道为3m o对于设计速度160kmh客货共线铁路，轨面以上部分有祚、无祚隧道断面基本相同，侧沟间距均为4.4m；但是受轨道结构高度不同影响，轨面以下部分隧道基底、衬砌、排水沟等尺寸有所差别。
(3)投资不同。有祚轨道约250万/铺轨公里，无祚轨道约480万/铺轨公里。
(4"施工进度不同。有祚轨道施工快，单线隧道约0.7kmd；无祚轨道施工慢，单线隧道约90md)6*o 3无砟改有砟轨道影响因素分析
(1)工程地质条件影响
长大隧道内埋深较大，若施工过程中发现软岩高地应力、断层等，这类问题引起的隧道变形具有流变特性、变形历程较长，且具有滞后性、复杂性、不确定
龚小平，等：在建客货共线铁路隧道内无砟改有砟轨道方案研究
性等特点，会引起隧道底鼓，造成无祚道床板上拱，目前的理论及工程经验尚难以准确判断且难以完全解决。而无祚轨道对基础标咼精度要求极咼，一旦在运营期间隧道基底继续变形，导致道床板上拱，超过无祚轨道高程调整能力，造成线路的不平顺程度增大，会严重影响线路运营，且整治难度和代价极大。此条件下，可将无祚轨道改为有祚轨道⑺'
（2）地下水影响
地下水发育时，隧道基底变形缝处可能常年渗水。若水害治理效果不能持久保持，无祚轨道底部和隧道基底之间有积水或后期进水，在列车荷载反复作用下，可能导致无祚轨道和隧道基底脱空并发生翻浆冒泥现象，影响列车运营效率甚至危及行车安全。此条件下，可将无祚轨道改为有祚轨道。
（3）施工工期因素
隧道内无祚轨道施工进度慢，且无祚轨道施工前隧道需要经过3个月的沉降评估［8*，单线铁路有祚轨道施工效率是无祚轨道的近10倍。若项目工期紧张，可将无祚轨道改为有祚轨道。
（4）线形条件影响
隧道内采用无祚轨道，而隧道外采用有祚轨道，隧道洞口存在有祚无祚过渡段，这是线路的薄弱地段。由于存在刚度差，在长期列车荷载作用下，容易导致轨道几何形位不良，进而加剧车体振动甚至影响行车安全，工务部门往往需要花费大量时间去养护。若过渡段位于缓和曲线、竖曲线地段，不利因素叠加会加大养护维修工作量，此时可将无祚轨道向
隧道内缩进，以避免过渡段位于该地段，致使隧道洞口处无祚改有祚轨道。
（5）投资影响
隧道内无祚轨道的投资是有祚轨道近2倍，为节省工程投资，可将无祚改为有祚轨道。
4无砟标准隧道内改铺有砟轨道可行性分析
43设计速度120km/h铁路
对于设计速度120kmh铁路，有祚、无祚隧道断面差异较大，对比见图4'隧道按无祚标准施工后，无祚改有祚轨道存在的问题如下:（1）水沟侧壁之间间距3m，若重新铺设有祚轨道，道床顶面宽度最多3m，不满足规范碎石道床顶面宽度3.4m要求，因而需将道床两侧的水沟局部凿除后加盖水沟盖板，对侧沟影响大；（2）重新铺设碎石道床，道祚厚度仅为184mm，不满足规范最小道祚厚度350mm的要求，应相应凿除基底仰拱填充层或底板，凿除厚度166mm，以满足道祚厚度要求，但是面临侧沟过水断面不足，存在侧沟内地下水渗入有祚轨道底面的风险;（3）隧道净空无法满足线路采用大机养护要求，有祚轨道只能进行人工养护。总体上，大范围地段无祚改铺有祚轨道几乎不可行，局部地段改铺有祚轨道可以采用上述“改造
图4时速120km有砟和无砟标准
隧道断面对比（单位:cm）
4.3设计速度160km/h铁路
对于设计时速160km铁路，有祚、无祚隧道断面差异较小。以某国铁客货共线单线铁路为例，经对比分析（见图5），轨面以上基本一致，主要区别在于轨面以下：衬砌结构有祚较无祚加深约10cm；侧沟深度有祚较无祚深22cm；仰拱填充厚度有祚较无祚薄6cm。在原设计无祚轨道地段施作有祚轨道，侧沟排水断面将会由原设计的30cmx26cm（宽x高）降至30cm x4cm（宽x高），排水能力大大降低；同时，有祚、无祚隧道基底标高不同，有祚轨道低166mm。总体上，存在无祚改铺有祚轨道的可行性。
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隧道/线路中线
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中国铁建和中铁的区别图5时速160km有砟和无砟标准
隧道断面对比（单位:cm）
5无砟改有砟轨道方案
设计过程中，设计方案调整方便。但项目进入施工阶段，方案调整受到制约。下面结合隧道和轨
龚小平，等：在建客货共线铁路隧道内无砟改有砟轨道方案研究
道工程的施工^10*，探讨设计速度160kmh铁路隧道施工过程中无砟改有砟轨道的设计施工方案'
(1)调整隧道断面
隧道尚未施工，对无砟隧道断面进行调整，调整为有砟隧道断面进行施工。
(2)调整轨面标高
按照原无砟隧道衬砌和基底断面进行施工，将轨面标高调高166mm，以满足铺设有砟轨道时道床厚度要求。若隧道设计时，隧道净空富余量较小，受限界和接触网影响，实际能调整的轨面标高有限。
(3)调整基底标咼
轨面标高不动，将基底标高下降166mm，但需要对侧沟进行调整，原设计基底表面排水通道取消，重新施作排水管。由于过水断面不足，需大幅降低侧沟底面标高。但降低侧沟底面标高受侧沟底到仰拱距离以及施工复杂程度限制。
(4)调整基底标高与调整轨面标高相结合
适当降低基底标高并调高轨面标高，以达到总的调整量166mm，并适当降低侧沟标高。
长大隧道内施工复杂，且可能存在多个工作面同时施工，以上工程措施应结合施工进度、工期、施组、现场地质情况、
变更程序等因素综合考虑。
6无砟改有砟轨道实施方案比选
62隧道尚未施工
直接进行变更设计，调整隧道断面，按有砟隧道断面进行施工。
6.2隧道已按无砟轨道标准部分施工
6.2.1已施工地段
(1)调整基底标高，对侧沟进行改造。优点：未施工地段有砟轨道基底标高和轨面标高能够和已施工地段顺接。缺点：需对已施工隧道轨下基底结构进行部分破除；侧沟改造工作量大。
(2)调整轨面高程。优点：不需对隧道基底进行改造，不影响侧沟排水。缺点：隧道净空减小，影响限界和接触网；由于存在未施工地段，应考虑坡度调整和废弃工程的潜在影响。该方案对未施工地段的方案调整及施工带来困难。
62222未施工地段
(1)继续按原衬砌结构施工，但基底和侧沟标高按有砟标准施工。优点：隧道衬砌结构无需调整，保持连续性。缺点：若
洞内多个工作面施工，不同水沟高度来回变化，需结合已施工地段排水改造考虑不同水沟高度的顺接排水；受衬砌位置影响，侧沟可能无法施工到要求标高；受已施工地段影响，过水断面较基底顶面高，水沟标高施工不到位时可能使侧沟内地下水渗入有砟轨道底面。
(2)按有砟断面变更调整施工。优点：隧道内排水得到保证。缺点：若洞内多个工作面施工，不同类型水沟来回变化，水沟顺接非常困难；衬砌结构顺接困难。
未施工地段的改造方案选择应结合已施工地段的改造方案进行确定。
6.2隧道全部施工完毕
(1)调整基底标咼，对水沟进行改造。优点：有效过水断面得到解决，有利于地下水排出，水沟顺接。缺点：需对隧道基底结构进行部分破除，重新施工，投资大；侧沟改造工作量大；若地下水较大，过水断面较基底顶面高，存在侧沟内地下水渗入有砟道床的风险。
(2)调整轨面高程。优点：水沟结构统一且顺接，地下水渗入有砟道床风险小；不需对隧道基底和侧沟进行改造。缺点：隧道净空减小，影响限界和接触网。
(3)调整基底标高与调整轨面标高相结合，降低侧沟底面标高。优点：该方案结合了调整基底标高和轨面标高的优点，既减少了对轨下基底结构的拆除工程量，又降低了对限界的影响，且减少了侧沟改造工作量。缺点：无法避免对水沟进行
改造。
7总结
长大隧道内隧道基础稳定，为降低铁路运营期间隧道内养护维修工作量，一般采用无砟轨道。但是在铁路建设过程中，遇到软岩高地应力、地下水渗出、施工工期受限等特殊情况，可能需要将隧道内无砟轨道变更成有砟轨道。本文分析了客货共线铁路隧道内有砟、无砟轨道的特点，基于有砟、无砟轨道地段不同的隧道结构，研究无砟标准隧道施工过程中隧道内无砟轨道变更成有砟轨道的各种改造方案，供铁路设计和建设参考。
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(上接第222页)
4现场施工稳定性分析
三台阶临时横撑法施工过程中为确保隧道稳定性，现场进行了严格的施工管理和监控量测，因数据庞多，仅选取典型监测断面D1K188+554的位移时程曲线进行分析说明(见图8)o
图8D1K188+554断面位移时程曲线
从图8可以看出，隧道开挖后拱顶发生沉降，测线S1(S2、S3向隧道内收敛。拱顶沉降最终值为5.3mm,S1测线最终收敛值为6-0mm,S2测线最终收敛值为4.7mm,S3测线最终收敛值6为6.1mm。最大位移发生在S3测线处，为6mm左右的水平
收敛，这与数值仿真得到的最大水平收敛值3.5mm 较为接近，远低于隧道安全控制基准，能够满足施工安全性要求。
5结论
本文依托大瑞铁路大寨田隧道实际情况，采用数值仿真结合现场监控量测手段进行三台阶临时横撑法在隧道洞口浅埋段的适应性分析，得到主要结论如下：
(1)数值模拟得到隧道开挖后位移最大值不超
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过3.5mm，初期支护结构最大主压应力不超过2MPa，均能满足施工安全性要求。
(2)现场监测得到断面最大位移为6mm左右，远低于隧道安全控制基准。
综上所述，三台阶临时横撑法能够满足大寨田隧道洞口浅埋段施工安全性要求，适用性良好，可为类似工程提供经验参考。
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