兰武线乌鞘岭特长隧道整体道床结构形式的确定

兰武线乌鞘岭特长隧道整体道床构造形式的拟定袁庸瑄铁道第一勘察设计院线路运送处 兰州 邮编：730000举世瞩目的乌鞘岭特长隧道已于2月动工建设了，目前各项施工正在有序的进行之中，并将于10月通车运营。为适应乌鞘岭特殊的地质环境，保证隧道内道床的稳定，运营期的行车安全以及减少养护维修，选择合理的道床构造和轨道形式将起到至关重要的意义。1概述1.1 线路概况乌鞘岭特长隧道位于既有兰新线兰武段打柴沟车站和龙沟车站之间，隧道长0m，设计为两座单线隧道，左线：DK163+135DK183+185；右线：YDK163+140YDK183+190。除隧道出口段线路位于半径为1200m曲线上，右、左线缓和曲线伸入隧道68.79m及127.29m外，隧道其他地段均位于直线上，线间距为40m。两座隧道线路纵坡相似，重要为11单面下坡，右线隧道较左线隧道高0.560.72m。隧道进口位于天祝藏族自治县打柴沟镇赵家庄附近，地形开阔。其中进口右线轨面设计高程2662 .82m。出口位于古浪县龙沟乡的砂沟台，地形较狭窄，右线轨面设计高程2446.79m。隧道洞身最大埋深1100m左右。1.2 地质概况 本区整体属于祁连山东北部中高山区，隧道进口以南为庄浪河河谷区，出口以北为古浪河河谷区，隧道通过乌鞘岭毛毛山中高山区，根据山体相对高度，进一步划分为乌鞘岭南坡梁状丘陵区、乌鞘岭中高山区和乌鞘岭北坡低高山区三个次级地貌单元。 1.2.1 乌鞘岭南坡低高山及梁状丘陵区：位于F4断层(DK169+985)以南，地形起伏不大，自然坡度1525，海拔高程3000m左右，相对高差200400m。地表多有土层覆盖，其间支沟发育，由东到西重要发育石板沟、上雨岭沟、下雨岭沟、芨芨沟及干扎子沟等次级沟谷。1.2.2 乌鞘岭中高山区：位于F4(DK169+985)和F7(DK177+610)断层之间，海拔高程在3500m左右，毛毛山最高峰为4070m。该区地势较高，相对高差较大，自然坡度 3550，地表广覆腐植土，阴坡小灌木发育。1.2.3 乌鞘岭北坡低高山区：位于F7(DK177+610)断层以北，地形起伏不大，自然坡度 1530，海拔高程2800m左右，相对高差200400m。地表多有土层覆盖，其间沟谷发育，重要支沟有大洪沟、窄洪沟、金家直沟、大沙沟、天井沟及直沟等。F7断层(DK177+610)位于毛毛山岭北山前，地貌反映明显，延伸长度约174Km。断层走向北西西向，倾向南，倾角70，前期为逆断层，后期体现为左旋逆走滑断层。断层物质重要由断层泥砾及碎裂岩构成，松散破碎，风化严重，破碎带出露宽度400800m，局部不小于1000m，隧道于DK177+050DK177+835通过该断层，通过长度785m。区域地震资料显示全新世以来该断层仍有活动迹象，该断层测区一带全新世平均水平滑动速率为2.082.50mm/a,平均垂直滑动速率为0.060.027mm/a，历史上曾发生过5次古地震事件，具有准周期性，复发周期为18，最大震级为7.5级左右。1.3 隧道设计1.3.1 隧道方案 左、右线隧道均采用钻爆法施工。由于按老式的钻爆法施工，施工周期将较长，周期为5.5年。考虑到缩短施工周期，在施工图设计中采用“长隧短打”方针，除左线隧道进出端采用平行导坑，整个隧道共采用13座斜井、2座竖井的施工措施。采用该施工措施后，其施工周期为2.5年。1.3.2 隧道建筑限界、旅客列车的最高行车速度(1) 隧道建筑限界：采用“隧限-2A”(2) 旅客列车的最高行车速度：160km/h(3) 根据高海拔地区电气化隧道接触网悬挂空气绝缘的规定以及通行双层集装箱高度规定，隧道净高应不低于7.225m。1.3.3 隧道基本内轮廓隧道基本内轮廓考虑如下因素拟定() 轨下满足整体道床、双侧水沟及电缆槽的布置。() 净空高度满足本地区电气化隧道接触网悬挂空气绝缘距离的规定以及通行双层集装箱高度规定。() 隧道内轮廓设计为马蹄形。1.3.4 衬砌支护设计(1) 隧道洞口段衬砌按国防和抗震设防规定进行检算，采用喷锚支护，钢筋混凝土衬砌构造。(2) 隧道一般地段采用复合式衬砌，初期支护以喷、锚、网为主，二次衬砌为模筑混凝土衬砌。断层破碎带结合抗震设防规定进行检算，采用钢筋混凝土衬砌构造。(3)、隧道衬砌构造及初期支护原则级及以上围岩地段采用曲墙有仰拱衬砌。级围岩铺底厚20cm。级围岩地段全断面设钢架，间距按3榀/2m（出口下穿既有线段榀m）设立，拱部设超前支护。级围岩地段拱墙设钢架，间距按1榀/m，拱部设超前支护。（4）特殊地段衬砌F7活动性断层地段：衬砌支护采用喷、锚、网、钢架联合支护形式，并辅以超前锚杆注水泥水玻璃浆液；二次衬砌根据预测F7断层的百年位移状况，衬砌净空应预留变形后线路调正量，较基本内轮廓加高5cm设计，加宽50cm，采用钢筋混凝土衬砌构造。本段衬砌(含仰拱、整体道床)按15m设立一道变形缝，变形缝采用柔性构造。2国内铁路新型轨道形式的发展状况近几年来，随着国内铁路技术政策的变化，铁路朝着高速、重载的方向发展已成为重要趋势。而新型轨道构造和道床形式成为支撑此发展的重要因素。国内无碴轨道现铺设成熟的有弹性支承块式、长枕埋入式和板式无碴轨道三种类型。2.1 弹性支承块式无碴轨道弹性支承块式无碴轨道重要应用于隧道内，已在西康线秦岭特长隧道线，宁西线东秦岭隧道，桃花铺隧道和摩沟岭隧道中使用。总计铺设长度达74.4km。弹性支承块式无碴轨道来源于英国，采用两块独立的混凝土支承块，块下加设弹性垫层，支承块的下部和周边加设橡胶靴套，当支承块的高下、水平和轨距调节完毕后，就地灌注道床混凝土将支承块连同橡胶靴套包裹起来而构成弹性支承块式无碴轨道。弹性支承块式无碴轨道由60kg/m钢轨、弹性扣件、弹性支承块、混凝土道床板、隔离层及混凝土底座构成，隧道内不设混凝土底座。弹性支承块式无碴轨道（单位：mm）160 kg/m钢轨；2钢筋混凝土支承块；3块下胶垫；4橡胶靴套；5混凝土道床；6混凝土底座弹性 确 平纵断面布置图（单位：mm） 2.2 长枕埋入式无碴轨道长枕埋入式无碴轨道铺设于秦沈客运专线沙河特大桥，沙河特大桥为双线26-24.0m梁桥，无碴轨道铺设长度为642.33m。长轨枕埋入式无碴轨道来源于德国，重要是由整体式混凝土枕和现场灌注的混凝土道床构成。它涉及钢轨及其扣件、穿孔混凝土枕、混凝土道床和混凝土底座。长枕埋入式无碴轨道由60kg/m钢轨、弹性分开式扣件、WCK型轨枕、混凝土道床板、隔离层及混凝土底座构成，隧道内不设混凝土底座。隧道内长轨枕埋入式无碴轨道（单位：mm）160 kg/m钢轨；2穿孔混凝土枕；3混凝土道床长轨枕埋入式无碴轨道平纵断面图（单位：mm）2.3 板式无碴轨道秦沈客运专线狗河特大桥铺设了板式无碴轨道,狗河特大桥为双线28-24.0m梁桥，无碴轨道铺设长度为691.71m。板式轨道已成为国外高速铁路运用较成熟的一种轨道构造型式，日本新干线已原则定型广泛推广使用。国内也曾于1981年在皖赣线溶口隧道试铺过板式轨道，迄今运用状况良好。 板式轨道是由预制的混凝土轨道板、乳化水泥沥青砂浆调节层和混凝土基床构成。板式无碴轨道由60kg/m钢轨、弹性扣件、轨道板、CA砂浆、混凝土凸形挡台及混凝土底座等部分构成，轨道板缝应与梁缝、混凝土底座伸缩缝一致。板式轨道断面图（单位：mm）160 kg/m钢轨；2轨道板；3水泥沥青砂浆层；4混凝土基床由于三种道床构造不同,其特点也各不相似。从承轨点分析，弹性支承块式属于离散型，而轨道板式属于集合型，预埋长枕式介于两者之间。各类轨道相似点都在于先做道床后铺钢轨，且承轨台位置一致，故承轨台是无碴轨道铺设机的定位基准。不同点尚有：承轨点在钢轨纵向的距离不同；弹性支承块式和预埋长枕式底部及周边需要灌注混凝土，而轨道板式底部灌注CA砂浆。以上三种道床形式具有的道床几何断面稳定，易于保持，运营期间减少养护维修周期和强度等特点，使三种道床形式越来越多地运用于国内高速铁路的特殊工点中。但在施工过程中，均具有构造新颖，外形美观，维修量少和各部尺寸严谨，质量原则高，施工难度大的特点。由于道床构造不同，故采用的施工措施也不同。弹性支承块式无碴轨道采平面布置图（单位：mm）1 轨道板；2CA砂浆层；3混凝土基床；4混凝土凸形挡台 2用组合轨道排架等专用机械施工。轨道板式无碴轨道铺设在桥梁上，尚属试铺阶段。施工措施采用汽车吊铺设轨道板。秦沈客运专线沙河特大桥采用如下施工工艺：桥面状态检查测量放线 桥面解决底座钢筋绑扎支立底座模板底座混凝土灌注底座混凝土养护铺设隔离层或弹性垫层道床板下层钢筋绑扎轨枕吊装安装钢轨及扣件架设轨排支撑托架轨排检测、调节道床板上层钢筋绑扎、立模质量检测WCK轨枕横向孔注浆轨枕涂刷界面剂道床板混凝土灌注混凝土养护钢轨及支承托架拆卸。此外在施工过程中也可以采用目前国内较先进的多用无碴轨道铺设机组，铺设机由自行式铺装机，定位模架和等效轨道排架构成。自行式铺装机和定位模架为通用型，等效轨道排架依三种无碴轨道类型分为弹性支承块型，轨道板型和预埋长枕型，以适应不同无碴轨道的施工。鉴于以上多种道床的特点及不同的施工工艺，在具体工程中的使用段落也各不相似。3乌鞘岭特长隧道道床形式的选择兰新铁路兰武段增建第二线工程，新建乌鞘岭（双线）隧道长20.05km，在该线长大隧道地段，修建工期短，线路运营后车速快，隧道内最高旅客列车行车速度为160Km/h,近期通过列车对数58对/日，设计运量2315万吨/年。因此，长大隧道内轨道的维修将十分困难。3.1 初步设计道床形式的选择根据本隧道的特点，在初步设计中选择的道床形式为弹性支撑块式整体道床。钢轨采用60Kg/mBNbRE高强耐磨钢轨，一次铺设超长无缝线路。远期预留特重型轨道75Kg/m钢轨条件。道床采用套靴式弹性支承块整体道床构造，支承块每公里铺设1760对。整体道床过渡段设在两端洞口外，采用碎石道床，铺设III-A型混凝土枕，过渡段内设混凝土道碴槽。扣件采用预埋铁座式弹性可调扣件。采用的弹性支承块整体道床构造是根据95G48-Q弹性整体道床构造及施工工艺和机具的研究科研合同研究的新型构造。现场浇铸的道床混凝土的最小厚度为35.8cm。3.2 施工图设计道床形式选择的研讨本来对于乌鞘岭特长隧道，完整采用弹性整体道床应当算是最佳方案。通过采用弹性整体道床，可以保证整个隧道道床形式的完整性，减少运营期道床的养护维修工作量。此外该道床形式已经成功地运用于西安安康线秦岭特长隧道，西安南京线东秦岭隧道、桃花铺隧道、磨沟岭等隧道，施工经验也较成熟。但是考虑到乌鞘岭特长隧道穿越F7活动断层（DK177+050-DK177+835及YDK177+050-YDK177+835）的特殊性，隧道专业在设计过程中，已在衬砌形式上进行了相应的加强，对较小强度的地层活动具有相应的缓和作用。如果该段采用弹性整体道床，在地层活动时横向或纵向力将对整体道床产生剪切作用，将完全破坏道床的整体性，整个线路必须中断运营，维修周期将很长，严重影响亚欧大路桥的畅通。况且隧道内工作面较小，抢修工作将很缓慢。针对以上状况，该段应当选择一种道床变化小，维修工作较易进行的合理道床形式，须对F7活动断层范畴进行多种道床形式的比选。3.3 碎石道床一方面，该段采用碎石道床是最经济合理且易操作的形式。碎石道床可以较容易的变化道床变形后的位移量，操作也较容易，抢修期施工周期较短，且工程费用也较经济。局限性之处是：由于隧道内的碎石道床断面形式难以较长时间保证完整，道床容易被污染。由于工作面较小，洞内通风较差，使轨道的扒碴、清筛、养护作业较为困难。由于特长隧道内其她地段均铺设弹性支承块式整体道床，而F7断层位置大概为于隧道的中部，且段落长度约有800m,该段落若铺碎石道碴，对运营阶段的道床养护维修将导致困难。故本次设计在该段落不考虑碎石道床方案。3.4 宽枕碎石道床宽枕碎石道床在国内已有成熟的设计、运营经验。宽枕增大了轨枕与碎石道床的接触面积，减缓了道碴应力，有助于延长道碴使用寿命。宽枕为密铺，枕间预留2cm的缝隙，缝隙及轨枕两侧外露的道碴顶面可用沥青砂封堵，这样可使道床整洁，免受污染。当运营远期宽枕下的道碴粉化，使轨道几何状态恶化，轨道的抬道垫碴养护较为困难。此外，目前铁路技术原则中已经逐渐裁减了隧道内铺设有碴宽枕轨道，本次设计断层范畴拟不采用此道床形式。 3.5 板式道床 虽然板式道床目前普遍运用于桥上整体道床，由于其特点，适合伙为特长隧道活动断层段落的道床形式。当轨下基本活动变形后，可补充灌注CA砂浆垫层予以整平，能较好的适应F7活动断层。拟采用的轨道板为C50钢筋混凝土，外形尺寸为24055（110）18cm。此规格的轨道板由于其体积较小，适合运用于特长隧道这样施工环境受限制的条件下。该板式道床构造由于不同于常规的大板构造，为小板构造。 F7断层范畴CA砂浆铺装轨道断面示意图轨道板采用双向部分预应力混凝土构造；轨道板缺口的侧立面粘贴厚度为10mm的橡胶弹性垫层，弹性垫层的表面粘贴1mm的不锈钢板；轨道板上设立有扣件预埋套管、定位螺栓、起吊螺母以及CA砂浆注入孔。4结论 鉴于以上状况，考虑到乌鞘岭特长隧道的特殊状况，以及运营状况下的安全。采用合理的轨道类型十分必要。虽然目前高速铁路上采用的无碴道床类型诸多，但像乌鞘岭特长隧道这样及施工、长度、地质为一体的复杂工点并不诸多。虽然在一种隧道内采用了两种不同形式的道床，施工期会对整个施工组织略有不便，可由于其较可以适应乌鞘岭特长隧道F7活动断层的特性，使该道床形式成为合理方案。由施工技术来讲，难易限度与支承块式道床接近；由工程费用来讲，其费用较支承块式道床省。相信通过隧道专业对F7断层工程的特殊解决；道床采用特殊构造的解决后，乌鞘岭特长隧道在应对较小规模的地质灾害时，将可以起到一定作用，并对运营期的抢修提供了较合理的技术条件。