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 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 2012 159 号 要求 新建时速 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 10 15 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 1 QS 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 m3 h 4506504 外形尺寸 长 宽 高 mm24938 3300 465029510 3160 46505 作业走行速度 m h 0 5000 8006 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 600 850 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 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 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 10003 2005 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 B A 但差别不大 3 2 各型内轮廓型式经济性比较 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 a a a b a b 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 6974 49 63 268 9 4 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 1 9B53 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 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 作业空间需 求及轨道布置形式 拟定了满足于大型养护机械作业要求的 电气化铁路单双线有砟轨道 双箱运输 隧道内轮廓控制性尺 寸 接触线距轨面的最低高度取 6 330 mm 轨道结构高度按 766 mm 控制 左右两侧沟之间间距单线隧道按 4 400 mm 控 制 双线按 8 400 mm 控制 2 通过对拟定单双线有砟轨道 双箱 隧道内轮廓型式进行结构安全性 经济性及施工便利 性综合比较 确定了适用于大型养护机械作业的电气化铁路 单双线有砟 双箱 隧道内轮廓型式 3 文中得到的内轮廓 型式适用于新建时速 160 km 以下单双线铁路有砟轨道隧道 直线段 对其在曲线段适用性需根据不同行车速度和曲线半 径下外轨超高值和线路偏移值进行校核 参考文献 1 浜建介 编 日本土木工程手册 隧道 M 叶家骏 译 北京 中 国铁道出版社 1984 2 周心培 对双线电气化铁路隧道曲 墙衬砌内轮廓的商榷 J 铁道标准设计 1986 3 30 31 3 李煜川 李现宾 时速 120 km 及以下满足大机养护作业要求 的铁路单线隧道内轮廓探讨 J 铁道标准设计 2013 7 75 77 4 马志富 杨毅秋 改善时速 160 km 以下铁路隧道养护维 修条件的应对措施初步研究 J 铁道标准设计 2012 1 66 69 5 赵勇 倪光斌 等 客运专线隧道衬砌断面优化的研究 J 铁道标准设计 2005 12 1 3 6 江胜林 客运专线隧道断面 方案研究和优化设计 J 铁道工程学报 2006 8 68 72 7 刘超群 彭红君 磁悬浮铁路隧道净空面积及内轮廓的研究 J 现代隧道技术 2011 4 39 43 8 刘竹梵 京沪双层集装箱 班列运输的研究与分析 J 中国铁路 2011 11 9 11 9 张 勇 我国铁路集装箱运输的现状与发展对策 J 铁路货运 2005 4 14 18 10 中国铁路总公司 TG 01 2014 铁路技术 管理规程 普速铁路部分 S 北京 中国铁道出版社 2014 11 中华人民共和国铁道部 TB10003 2005 铁路隧道设计规 范 S 北京 中国铁道出版社 2005 收稿日期 2015 11 03 修回日期 2015 11 12 基金项目 中国铁路总公司科技研发 计划 J2014C007 河北省自然科学基金 E2013210119 作 者简介 韩现民 1970 男 副教授 博士 主要从事隧道工 程方面研究 E mail hanxianmin22 文章编号 1004 2954 2016 06 0071 04 中图分类号 U452 2 6 文献标 识码 A DOI 10 13238 j issn 1004 2954 2016 06 015 Research on Inner Contour of Ballast Track Railway Tunnel for Double deck Container Transport at Speed below 160km h HAN Xian min1 CHEN Shi yu1 MA Tao2 1 Shijiazhuang Tiedao University Civil Engineering College Shijiazhuang 050043 China 2 China Railway Siyuan Survey and Design Group Co Ltd Wuhan 430063 China Abstract At present the inner contour of ballasted track double deck container transport railway tunnel with speed below 160km h could hardly meet the requirements for maintenance by heavy machinery especially large railway ballast clean