重载铁路隧道内无砟轨道结构选型研究

摘要

我国现有重载铁路大多采用有砟轨道结构。在长大隧道内，有砟轨道结构病害严重，且养护维修难度很大。另一方面，相对于无砟轨道，有砟轨道需要更大的隧道净空，增加了隧道建设的成本。为克服上述缺陷，需研究在重载铁路长大隧道内推广使用无砟轨道结构的一系列问题。本文的主要研究工作和结论分为以下几个方面：
　　(1)建立了重载铁路无砟轨道静、动力学计算模型
　　利用有限元软件ABAQUS建立了细致的重载铁路无砟轨道纵横垂向空间耦合模型，该模型采用实体单元建模，能准确模拟无砟轨道的空间静力学特性。
　　利用有限元软件ABAQUS建立了重载车辆一轨道一隧道耦合动力学模型。一方面，细化了货车车体结构，建立了包含摇枕、侧架等结构的“三大件”式转向架模型。另一方面，将隧道结构纳入到重载动力分析的耦合系统之中，建立了包含仰拱回填层、仰拱、拱墙、喷射混凝土层、以及部分围岩结构的隧道结构模型。通过计算结果与实测资料的对比，验证了该计算方法的可靠性，为重载隧道内无砟轨道动力学分析提供了一种有效的途径。
　　(2)从静、动力学的角度对重载隧道内无砟轨道结构进行了分析和比选
　　分别针对CRTSⅠ型板式无砟轨道、CRTSⅠ型双块式无砟轨道、弹性支承块式无砟轨道、弹性长枕式无砟轨道四种轨道结构型式，进行了较为系统的静、动力学分析。通过分析认为：①不推荐使用CRTSⅠ型板式无砟轨道，因为在隧道洞口处，其结构纵向位移较大，轨道板易在温度梯度荷载作用下产生较大的翘曲变形，底座板在轨道板板缝处易于产生较大的局部应力，凸台所受到的剪切应力比较大，且经济性一般，施工作业面大；②不推荐使用CRTSⅠ型双块式无砟轨道，因为其轨枕-道床结合面薄弱，结合面处容易产生剪切破坏；③推荐采用弹性长枕式无砟轨道，因为其动力学性能较好，在动载作用下，其振动加速度较小，扣件反力较小，保持轨距的能力较好，且不易在轨枕及道床内产生过大的动应力。④弹性支承块式无砟轨道也可用于重载隧道中，但需注意对于轨枕横向位移和轨距的控制。
　　(3)讨论了弹性长枕式无砟轨道设计参数的合理取值问题
　　对弹性长枕式无砟轨道中扣件刚度和橡胶套靴弹性模量等设计参数的合理取值问题进行了探讨。通过分析，建议重载中应适当提高无砟轨道扣件刚度，或考虑采用弹条Ⅱ型、弹条Ⅲ型等有砟轨道扣件。套靴弹性模量宜取为40MPa-60MPa。