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1、时速160 km以下双层集装箱运输铁路有砟轨道隧道内轮廓研究 ? 时速160 km以下双层集装箱运输铁路有砟轨道隧道内轮廓研究 时速160 km以下双层集装箱运输铁路有砟轨道隧道内轮廓研究 韩现民1，陈时玉1，马涛2 (1.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄050043；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063) 摘要：目前运营时速160 km以下(双箱运输)有砟轨道隧道内轮廓难以满足大型养护机械(特别是大型清筛机)作业空间需求，通过对新建时速160 km以下电气化铁路(双箱运输)有砟轨道隧道的建筑限界、接触网悬挂方式及布置、大型养护机械空间需求、轨道结构形式、侧沟及电缆槽设置等内
2、轮廓影响因素进行综合分析，确定单双线铁路有砟轨道隧道内轮廓控制性尺寸、拟定内轮廓方案，通过对各型内轮廓方案的结构安全性、经济性及施工便利性比较，给出推荐方案，为通用图编制和纳入规范奠定基础。 关键词：时速160 km以下铁路；铁路隧道；双层集装箱运输；大机养护；隧道内轮廓 目前时速160 km以下铁路隧道内轮廓主要沿用20世纪70、80年代的研究成果。随着电气化铁路普及和高效大型养护机械应用，原有隧道内轮廓尺寸出现了一定的局限性，难以满足新技术、新设备的需求。 原铁道部于2012年7月30日下发的铁道部关于明确时速120 km及以下铁路隧道设计要求的通知(铁建设2012159号)要求“新建时速
3、120 km及以下铁路采用有砟轨道时，隧道内轮廓设计应满足大型养路机械作业要求”。 关于铁路隧道内轮廓空间尺寸研究，散见于少量公开发表成果。日本土木工程手册隧道1对隧道断面形状制定作出了原则性规定：“为适应隧道的用途，铁路隧道要符合建筑限界并预留必要的限界以外的富余量”，“对铁路隧道，在铁路车辆限界之外还设有建筑限界，要求在建筑限界外再留1015 cm的富余量，用来设计隧道的净断面”。周心培2在对双线电气化铁路隧道内轮廓优化研究中指出，内轮廓要满足力学、整体性能之外，还应利于提高施工效率；李煜川等3针对时速120 km及以下铁路单线隧道，分析了大型清筛机作业空间要求，依据断面大小、结构受力特征
4、进行了内轮廓型式的比选；马志富4针对隧道内大型养护机械从加宽隧道断面道砟槽宽度、铺设无砟轨道入手，提出了加大隧道断面标准；赵勇，江胜林等5，6从结构受力、沟槽布置等方面对客运专线隧道内轮廓尺寸进行了优化分析；刘超群7从结构受力、空气动力学等方面对磁悬浮铁路隧道内净空进行了优化。 双层集装箱运输形式作为铁路货物运输的主要发展方向，因其运输效率高、成本低而受到青睐8，9。随着我国铁路建设规模的发展，对时速160 km以下铁路隧道开展全面深化研究就显得日益重要且紧迫，而对于作为铁路隧道设计基础的隧道内轮廓制定也就首当其冲。 1考虑大机养护下时速160 km以下铁路隧道内轮廓影响因素 影响双箱运输、有
5、砟轨道隧道内轮廓尺寸和形状的主要因素有隧道建筑限界、接触网悬挂方式及布置、大型养护机械作业空间要求、轨道结构形式及布置、水沟电缆槽布置，并考虑结构安全性、经济性及施工便捷性等。 1.1双箱运输条件下隧道建筑限界 时速160 km以下客货共线铁路双层集装箱隧道建筑限界(电力牵引段)参见铁路技术管理规程10，如图1所示。其中接触网弹性悬挂结构高度y在时速160 km以下时取700 mm。 图1双层集装箱运输桥隧建筑限界(单位：mm) 1.2接触网悬挂方式及布置 目前时速160 km以下电气化铁路采用全补偿链型悬挂，单线隧道内多采用弓形腕臂安装方式，双线隧道内多采用三角腕臂安装方式。开行双层集装箱列
6、车的线路，接触线距轨面的最低高度取6 330 mm。 1.3隧道大机养护空间要求 大型养路机械具有效率高，作业后线路质量均衡、稳定等优点。目前铁路路基、桥梁地段广泛采用大型养路机械对有砟轨道进行养护维修。但大型养护机械中的清筛机受既有隧道内轮廓制约而无法在隧道内使用。 隧道常用450系列(中型)、650系列(大型)全断面道砟清筛机技术参数见表1。 表1QS-450型、QS-650型全断面道砟清筛机主要技术参数序号项目名称QS-450型全断面道砟清筛机QS-650型全断面道砟清筛机1适用环境限界符合GB146.1-83标准轨距铁路机车车辆限界2轨距/mm14353主要技术参数清筛及抛砟作业效率/
7、(m3/h)4506504外形尺寸(长宽高)/mm249383300465029510316046505作业走行速度/(m/h)050008006主要作业机构技术参数挖掘宽度/mm3900、4200、4400、道内35004000、4300、47007挖掘深度/mm轨面以下600850轨面以下10008空间要求水沟侧壁至线路中线距离/cm185220 根据相关要求及调研情况，大型清筛机在隧道内的作业空间要求为：线路中线至隧道水沟侧壁水平净距不小于2 200 mm；轨枕底道砟厚度不宜小于350 mm。 1.4轨道结构形式及布置 时速160 km以下客货共线铁路隧道内有砟轨道钢轨一般采用高为176
8、 mm的60 kg/m无螺栓孔新钢轨；轨枕一般采用2.6 m长a型有挡肩混凝土轨枕，隧道线路中心线至水沟、电缆槽边缘距离不小于150 cm；道床采用一级碎石道砟，隧道地段为单层道床，道床厚度为350 mm。 因此隧道内有砟轨道的轨道结构高度按766 mm控制，考虑大型清筛机作业空间要求，宽度按单线4 400 mm、双线8 400 mm控制。 1.5侧沟及电缆槽 侧沟置于靠隧道中线侧、电缆槽置于外侧可减少仰拱深度及工程量，有利于墙脚结构受力。电缆槽净尺寸按20 cm(高)24 cm(宽)设计，侧沟净尺寸按高56 cm(高)30 cm(宽)设计，有砟轨道靠近线路中心线侧沟壁加厚，设计为20 cm厚
9、(单侧构造配筋)。 综上，接触线距轨面的最低高度取6 330 mm，有砟轨道内轨顶面至道床底面高度按照766 mm进行设计，单线有砟轨道两侧沟之间宽度按4 400 mm控制，双线为8 400 mm。 2双箱运输、有砟轨道隧道内轮廓拟定 为寻找结构受力合理、工程经济性较优的隧道内轮廓型式，对双箱运输、有砟轨道的单双线隧道各拟定了两种内轮廓断面型式，通过对隧道结构安全性、经济性及施工便利性等进行综合比较，以获取最优的隧道内轮廓型式。 依据双层集装箱隧道建筑限界(电力牵引段)、接触网高度、大型清筛机作业空间需求及轨道布设情况，单线有砟轨道(双箱)隧道内轮廓拟定了两种型式，如图2、图3所示。其中A型内
10、轮廓为五心圆，轨面以上面积40.83 m2、总面积50.30 m2；B型内轮廓为七心圆，轨面以上面积43.33 m2、总面积52.97 m2。 图2单线有砟隧道A型内轮廓(单位：cm) 图3单线有砟轨道隧道B型内轮廓(单位：cm) 双线有砟轨道(双箱)隧道内轮廓拟定了两种型式，如图4、图5所示。其中A型内轮廓为三心圆，轨面以上面积76.76 m2、总面积94.09 m2；B型内轮廓为五心圆，轨面以上面积78.60 m2、总面积96.84 m2。 图4双线有砟轨道隧道A型内轮廓(单位：cm) 图5双线有砟轨道隧道B型内轮廓(单位：cm) 3双箱运输、有砟轨道隧道内轮廓比选 3.1各型内轮廓型式结
11、构安全性比较 各型内轮廓型式隧道衬砌结构安全性依照铁路隧道设计规范(TB 100032005)10的破损阶段法进行检算，力学模型为二维“荷载-结构”模型，检算所采用的围岩荷载为松散压力，荷载选取主要依据规范中4.3.1条，围岩力学参数参考规范中3.2.8条选取。支护参数参照原铁道部经济规划研究院2008年发布的设计时速160 km/h隧道衬砌类型选取，并据此计算松散荷载。 单双线有砟轨道隧道各型内轮廓型式下衬砌结构安全性计算结果见表2。对于单双线有砟轨道隧道，综合考虑各种衬砌类型，各型内轮廓型式下隧道二衬结构安全性皆满足规范要求，安全性排序皆为BA，但差别不大。 3.2各型内轮廓型式经济性比较
12、 内轮廓型式的经济性评价，可选取内轮廓断面面积、内轮廓周长等主要指标以及内轮廓高度、宽度等辅助指标来进行比较。内轮廓断面面积可用来核算隧道每延米内轮廓内部土石方量；内轮廓周长可用于评价同等衬砌厚度条件下二衬混凝土用量大小。 从表3可知，对于单双线有砟轨道(双箱)隧道，A型内轮廓型式与B型内轮廓型式在经济性方面差别较大，B种内轮廓型式经济性明显优于A种内轮廓型式。 表2单双线有砟轨道(双箱)隧道各型内轮廓型式下二衬结构安全性比较内轮廓型式aaabab单线有砟隧道双线有砟隧道A76.20/64.54/5.32/3.714.72/3.642.96/0.182.01/0.20B70.22/24.697
13、4.49/63.268.94/4.634.94/4.535.21/0.102.32/0.19KB-KA-5.98/9.95/3.62/0.920.22/0.892.16/-0.080.31/-0.01A54.87/9.4042.04/7.2818.33/0.1010.22/0.146.79/0.163.67/0.19B53.55/43.57/21.20/11.57/8.26/4.16/KB-KA-1.32/1.53/2.87/1.35/1.47/0.49/ 注：1.单线a、a、a、b及双线a、a下的“a/b”，a为混凝土最小抗压安全系数，b为混凝土最小抗裂安全系数，“”表示不需检算； 2.单线
14、a、b及双线a、b、a、b下的“a/b”，a为钢筋混凝土最小安全系数，b为混凝土最大裂缝宽度，mm，“”表示不需检算。 表3单双线有砟轨道(双箱)隧道各型内轮廓型式经济性比较内轮廓型式内轮廓总面积/m2轨面以上有效面积/m2内轮廓周长/m内轮廓高度/m内轮廓宽度/m单线有砟轨道隧道双线有砟轨道隧道A50.3040.8326.289.386.39B52.9743.3326.759.496.80B-A2.672.500.470.110.41A94.0976.7634.8110.5010.94B96.8478.6035.1710.6611.26B-A2.751.840.360.160.32 3.3施
15、工便利性的定性比较 支护结构施工便利性可根据内轮廓型式的不同从施工放样、钢筋及钢架制安方面进行分析。施工放样方面主要比对内轮廓拱墙圆曲线段数及连接型式；衬砌钢筋及拱架制作安装方面主要根据内轮廓圆弧段数评价钢筋及拱架制作和安装复杂程度。 单线有砟轨道隧道：从施工放样方面来看，A型内轮廓型式拱墙为五心圆形式，施工放样较简单；B型内轮廓型式拱墙为七心圆形式，圆弧段数多，施工放样较复杂；从衬砌钢筋及拱架制作安装方面来看，五心圆形式的A型内轮廓下钢筋及拱架制作和安装较简单；B型内轮廓采用七心圆型式，圆弧段数且曲率变化多，钢筋及拱架制作和安装复杂。 双线有砟轨道隧道：从施工放样方面来看，A型内轮廓型式拱墙
16、为五心圆形式，施工放样较简单；B型内轮廓型式拱墙为七心圆形式，圆弧段数多，施工放样较复杂；从衬砌钢筋及拱架制作安装方面来看，五心圆形式的A型内轮廓下钢筋及拱架制作和安装较简单；B型内轮廓采用七心圆型式，圆弧段数且曲率变化多，钢筋及拱架制作和安装相对复杂。 3.4内轮廓型式综合评定 综上，双箱运输条件下，单、双线有砟轨道隧道各型内轮廓型式的衬砌结构安全性、经济性及施工便利性综合比较见表4。本着“安全第一、经济优先、兼顾施工效率”的原则，在满足结构安全性前提下，皆推荐使用A内轮廓方案。 表4单双线有砟轨道(双箱)隧道内轮廓综合评价内轮廓型式结构安全性经济性施工便利性推荐方案单线有砟轨道隧道双线有砟轨道隧道A较安全优较简单B安全中较复杂A较安全优较简单B安全中较复杂AA 4结论 (1)根据双层集装箱运输隧道建筑限界、受电弓包络线高度要求、大型养护设备(清筛机)作
