隧道内支承块空吊对钢轨竖向位移影响

隧道内支承块空吊对钢轨竖向位移影响 隧道内支承块空吊对钢轨竖向位移影响

陈代秀1，王根平1，李成辉1，陈 江2

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；2.昆明铁路局，昆明 650500)

摘 要：为研究隧道内列车荷载下弹性支承块空吊对钢轨竖向位移的影响，基于银洞坡和定水坝隧道现场实测数据，建立考虑支承块空吊的力学模型，分析连续1～3块支承块空吊情况下钢轨竖向位移的超限情况。实测和研究结果表明：隧道内实测的空吊位置和量值具有不确定性特征，空吊现象引起的钢轨竖向位移有超过安全指标的情况；单块支承块空吊值在10 mm以下，钢轨竖向位移不出现超限情况，当连续2块或连续3块支承块空吊量大于3 mm时，钢轨竖向位移出现超限情况，对于隧道内复杂的支承块空吊病害，建议控制空吊量在3 mm以内，同时应尽量避免连续空吊情况。

关键词：弹性支承块式轨道；支承块空吊；钢轨竖向位移；铁路隧道

黔桂线为原黔桂铁路扩能改造工程，由于施工期间轨道结构质量缺陷和线路开通运营后长期自然环境、列车荷载等因素影响，隧道内弹性支承块式无砟轨道空吊病害现象较为严重。支承块空吊病害为轨道结构动态不平顺，其主要表现为支承块、块下胶垫、橡胶套靴三者间存在的间隙和橡胶套靴底部与道床之间存在的间隙。

隧道内出现支承块空吊病害后，在列车荷载的作用下，钢轨的竖向位移将增大，若位移超出规定位移限值，不利于轨道几何形位的保持和行车平顺性，需及时养护维修；此外，超限的钢轨竖向位移带动支承块连续拍打块下胶垫、橡胶套靴和整体道床，加速支承块周围的混凝土整体道床破损，降低轨道结构的使用寿命，影响隧道内行车的安全性及舒适性。因此，研究支承块空吊对钢轨竖向位移的影响是十分必要的。

目前，针对轨道结构空吊病害，国内外已有很多专家从不同角度开展了大量的研究。Ishida[12]开展了轨枕空吊对轨道部件伤损和沉降的影响，发现空吊病害大大降低了钢轨焊缝的使用寿命；Jabbar、Nielsen、Grassie[13-15]等建立了空吊轨枕的轨道结构模型，分析了轨枕空吊时列车速度增加对轨道结构动力响应的影响。国内学者张国栋[10]研究了双块式无砟轨道轨枕空吊对道床板的影响，分析损坏情况，为轨道结构养护维修提供参考；蔡理平[11]建立了动力学分析模型，对有砟轨道桥梁轨枕不同空吊轨枕数量及分布情况产生的系统响应进行了比对分析。邹春华[8]基于弹性点支承理论模型，引入路基不均匀沉降非线性边界条件，提出一种路基不均匀沉降引起轨枕临界空吊的计算方法。弹性支承块的空吊现象是一种常见的病害，但对既有隧道内弹性支承块式无砟轨道的空吊对钢轨竖向位移的影响研究较少。

以黔桂线银洞坡和定水坝隧道内的支承块空吊病害为研究背景，根据现场调研情况建立了针对隧道内空吊现象的轨道力学模型，分析列车荷载作用下支承块空吊对钢轨竖向位移的影响，并进一步分析了连续1～3块支承块空吊情况下钢轨竖向位移的超限情况，由钢轨安全限值提出了支承块空吊的限值，表明了防治的必要性。

1 隧道内支承块空吊量现场调研

黔桂线的银洞坡和定水坝隧道内弹性支承块式无砟轨道在开通运营2年后出现了严重的弹性支承块空吊现象，轨道结构几何形位恶化加剧，影响列车运行的安全性。

隧道内支承块空吊存在2种形式，图1(a)为隧道现场调研所得橡胶套靴与整体道床分离，图1(b)为其详细示意图；图2(a)为隧道现场调研所得支承块与橡胶套靴分离，图2(b)为其详细示意。

图1 套靴与整体道床间空吊

图2 支承块与橡胶套靴分离空吊

为进一步分析隧道内支承块空吊情况，现场采用SIR-20型地质雷达对隧道内118 m长的地段内弹性支承块式空吊情况进行测量。左右两侧各测量200块轨下支承块，并对测量结果做进一步统计。根据检测结果发现，隧道内支承块空吊病害具有支承块空吊位置和空吊值不确定的特点。

现场调研结果如图3所示，所测量的400块支承块仅有13块未出现空吊病害，其余的96.75%的支承块均出现空吊病害，且出现了连续空吊的情况。这表明线路中的支承块空吊病害较为普遍；支承块的空吊量在0～10 mm范围内，且90.75%的支承块空吊量集中在1～4 mm，约6%的支承块空吊量在5～10 mm范围内。

图3 隧道内118 m地段支承块空吊量值

2 支承块空吊-轨道结构计算模型

2.1 力学模型

本文只研究轨道结构在列车垂向荷载作用下的力学特性，考虑隧道内弹性支承块式轨道结构出现空吊病害后的受力特点，建立考虑有支承块空吊情况的力学模型，如图4所示。建立了5跨共计30 m长道床板模型，其中钢轨按60 kg/m参数选取，采用梁单元模拟；扣件采用线弹性弹簧阻尼单元模拟；支承块采用实体单元模拟，顶面面积0.65 m×0.35 m，厚0.019 m，埋深0.0145 m；混凝土整体道床亦按照实际尺寸采用实体单元模拟；整体道床下部结构基础采用弹簧单元模拟，取其组合刚度为下部结构刚度串联值，模型中只考虑其垂向刚度。

图4 支承块空吊情况下弹性支承块式无砟轨道力学模型示意

无荷载作用时道床不提供阻力，有荷载作用时支承块底部与下部道床接触传力，采用非线性弹簧单元模拟弹性支承块下部的套靴和胶垫，其刚度取两者刚度的串联值。非线性弹簧是一种刚度随位移变化的弹簧，初始位置处力与位移均为零，在空吊范围内力几乎可以忽略，支承块向下位移超出空吊量值时，其刚度值为胶垫和橡胶套靴的组合刚度值。通过定义这种力与位移关系曲线，赋予空吊非线性弹簧单元的属性。图5为空吊量N(N为1，2，3，…，10 mm)时力与位移关系曲线。

图5 支承块空吊非线性弹簧曲线

为简化计算过程，模型忽略整体道床下沉、空吊区域内有积水等情况，只分析空吊对轨道结构的垂向变形产生的影响。

2.2 模型参数

隧道内弹性支承块式轨道结构各部分计算参数如表1所示。

2.3 评价指标

根据国内外研究成果和规范 [5-7]，为了长期有效保持轨道结构的几何形位，减少养护维修的工作量，对于设计速度为200 km/h的弹性支承块式无砟轨道而言，钢轨的竖向位移应保持在4 mm以内。故选取钢轨竖向位移作为分析空吊的危害性的指标。

表1 隧道内弹性支承块式轨道结构各部分计算参数

材料弹性模量/Pa密度/(kg/m3)泊松比弹簧刚度/(N/m)钢轨2.059×10110.3支承块3.45×10102.5×1030.2整体道床3.25×10102.5×1030.2扣件5×107支承块下胶垫、套靴1.2×108

3 隧道内支承块空吊计算

3.1 隧道内实测空吊量影响分析

结合图3隧道实测地段内弹性支承块式轨道空吊情况，选取编号为50～99号支承块的空吊量值进行分析。近似根据C80货车的轴距、车辆定距等参数，施加计算荷载为1.925×102 kN的轮对力分别作用于57/67/70/74/77/87/90/95/97号支承块位置处，分析左右两侧钢轨的竖向位移。

图6所示为隧道内左侧轨下50～99号支承块空吊处钢轨的竖向位移。由图6可知，在轮对荷载作用下，多处支承块对应的钢轨竖向位移超出安全指标规定的4 mm限值。左侧74号支承块空吊量为10 mm，荷载作用下钢轨竖向位移为7.2084 mm；因其两侧支承块空吊量远小于10 mm，受荷载作用后钢轨和支承块竖向位移较小，一定程度上对中间位置处钢轨起到了支承作用，故钢轨竖向位移小于支承块空吊量。55号支承块空吊量超过4 mm，但荷载作用下空吊引起的钢轨竖向位移未超过4 mm；77号支承块空吊量未超过4 mm，空吊引起的钢轨竖向位移超出安全指标规定的4 mm。因此，荷载作用下钢轨竖向位移与支承块空吊量值不同，空吊量小于4 mm时，钢轨竖向位移不一定符合安全限值。

图6 隧道内左侧50～99号支承块空吊处钢轨竖向位移

图7 隧道内右侧50～99号支承块空吊处钢轨竖向位移

图7所示为隧道内右侧轨下50～99号支承块空吊处钢轨的竖向位移。由图7可知，右侧钢轨轨下支承块空吊量均较小，多数小于2 mm，荷载作用下钢轨竖向位移3.737 8 mm，未超出位移安全限值。所施加的多组荷载作用点处支承块空吊量值恰好均为2 mm，但各个支承块对应的钢轨竖向位移值却不相同，这说明荷载作用下钢轨竖向位移还与其相邻位置处支承块空吊量值有关。

3.2 空吊对钢轨竖向位移影响分析

为进一步分析空吊对钢轨竖向位移的影响，在模型中间位置处施加荷载作用，对单侧单个位置处(假设为74号支承块)空吊，连续2块(73，74号支承块)空吊以及连续3块(73～75号支承块)空吊但其他位置无空吊情况下钢轨竖向位移的超限情况进行了分析。

图8为74号支承块位置处空吊即连续一块空吊时各个位置处钢轨的竖向位移情况。由图8可知，无空吊发生时钢轨竖向位移最大值为1.7 mm；出现空吊后，随着支承块空吊量的增加，钢轨竖向最大位移先增加后趋于稳定。支承块空吊量为3～10 mm时，钢轨竖向最大位移值均稳定于2.84 mm，未超出位移安全指标。荷载作用下，空吊引起66～82号支承块处钢轨出现竖向位移。

图8 连续1块空吊(74号支承块)处钢轨竖向位移

图9 连续2块空吊(73，74号支承块)处钢轨竖向位移

图9为73、74号支承块位置处空吊即连续2块空吊时各个位置处钢轨的竖向位移情况。由图9可知，出现空吊后，随着支承块空吊量的增加，钢轨竖向最大位移先增加后趋于稳定。支承块空吊量为1～3 mm时，钢轨竖向位移未超过位移安全限值；支承块空吊量大于3 mm时，超过位移安全限值，钢轨竖向最大位移值稳定于4.425 2 mm。荷载作用下64～83号支承块处钢轨出现竖向位移，连续2块空吊影响其两侧约20块支承块范围。

图10为73～75号支承块位置处空吊即连续3块空吊时各个位置处钢轨的竖向位移情况。由图10可知，钢轨位移随支承块空吊量增加呈逐渐增大的趋势，当空吊量为3 mm时，空吊处钢轨位移超限；连续3块支承块空吊10 mm时钢轨位移为8.0259 mm。荷载作用下63～85号支承块处钢轨出现竖向位移。

图10 连续3块空吊(73～75号支承块)处钢轨竖向位移

单个位置空吊，钢轨竖向位移不宜超出安全指标；连续2块支承块空吊，空吊量超过3 mm时钢轨位移超出安全指标；连续3块支承块空吊，空吊量超过3 mm时钢轨位移超出安全指标且钢轨最大竖向位移达到8 mm以上。由于隧道内支承块空吊情况复杂，建议控制支承块空吊量在3 mm以内。

4 结论

本文基于现场支承块空吊病害的调查情况，建立支承块空吊的基础力学模型，分析列车荷载作用下隧道内支承块空吊对钢轨竖向位移的影响，并选择单侧连续1～3块支承块空吊情况下钢轨竖向位移的超限情况进行分析，得出了以下结论。

(1)隧道内支承块空吊病害的空吊位置和空吊值具有不确定的特点，且90.75%的支承块空吊量集中在1～4 mm。

(2)对银洞坡和定水坝隧道内实测空吊情况分析，部分地段钢轨竖向位移超过安全指标规定的4 mm值；最大位移高达7.394 8 mm，严重超限，已经影响到行车安全性，需整治。

(3)荷载作用下钢轨竖向位移与支承块空吊量值不同；钢轨竖向位移跟与其对应的支承块空吊量及支承块相邻位置处空吊量值均有关。

(4)支承块空吊病害，特别是连续空吊和空吊量较大时，对钢轨的竖向位移影响较大，连续3块支承块空吊，空吊量超过3 mm时钢轨位移超出安全指标。对隧道内支承块空吊病害，建议控制空吊量3 mm以内，同时应避免连续空吊情况。

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The Effect of Suspended Bearing Block inside Tunnel on Rail Vertical Displacement

CHEN Dai-xiu1， WANG Gen-ping1， LI Cheng-hui1， CHEN Jiang2

(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.Kunming Railway Administration， Kunming650500， China)

Abstract：In order to understand the effect of the suspended bearing block in tunnel on rail vertical displacement due to train load inside the tunnel， the mechanical model for suspended bearing block is established based on measured data from Yindongpo tunnel and Dingshuiba tunnel to analyze the vertical displacement over limit of the rail with 1 to 3 bearing blocks suspended continuously. The results show that the positions and values of suspended bearing blocks are uncertain inside the tunnel and the rail vertical displacement caused by suspended bearing block exceeds the limit; when the suspension of only one position is less than 10mm， the limit of vertical displacement of the rail is not exceeded， when the values of two or three consecutive positions are more than 3mm， the limit of vertical displacement of the rail is exceeded. Thus， the paper recommends that the value of bearing block suspension is controlled within 3 mm in the complex tunnel condition， and consecutive bearing block suspension should be avoided as much as possible.

Key words：Elastic supporting block track; Suspended bearing block; Rail vertical displacement; Railway tunnel

文章编号：1004-2954(2017)04-0059-05

收稿日期：2016-07-20；

修回日期：2016-07-27

基金项目：国家自然科学基金(51278431)

作者简介：陈代秀(1993—)，女，硕士研究生，从事轨道结构研究工作。

通讯作者：王根平(1990—)，男，硕士研究生，从事轨道结构研究工作，E-mail：[email protected]。

中图分类号：U211.3

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.014