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    論高速鐵路沉降變形評估的戰略意義

    2013-01-09 21:58  來源:巖土網  閱讀:5505
    高速鐵路是現代化鐵路的重要標志,集中體現了當代高新技術的發展成果,代表著當今世界鐵路的發展方向。鐵路發展滯后已經成為國民經濟進一步發展的"瓶頸"。提高鐵路行車速度,建設高速鐵路,以適應國民經濟的迅猛發展,滿足人民對快速出行的需求勢在必行。

          高速鐵路是現代化鐵路的重要標志,集中體現了當代高新技術的發展成果,代表著當今世界鐵路的發展方向。在中國,鐵路承擔著絕大部分關系國計民生的運輸任務,隨著社會經濟的發展和人民生活水平的日益提高,民眾對運輸的需求質量也不斷提高,鐵路發展滯后已經成為國民經濟進一步發展的"瓶頸"。提高鐵路行車速度,建設高速鐵路,以適應國民經濟的迅猛發展,滿足人民對快速出行的需求勢在必行。

    高速鐵路沉降

         國務院批準的《中長期鐵路網規劃》描繪了中國鐵路發展的宏偉藍圖。到2010年,中國鐵路網營業里程將發展到9萬km以上,其中客運專線7 000 km,基本形成以京哈、京滬、京廣、杭甬福廈深、青太、徐蘭、寧漢蓉、滬昆"四縱四橫"高速鐵路網,以及長三角、珠三角環渤海地區和其他城市密集地區的城際鐵路系統。到2020年,中國鐵路營運里程達到12萬km以上,其中,高速鐵路營運里程達到1.6萬km以上。

          高速鐵路,特別是時速在300 km以上鐵路的出現,對中國傳統的鐵路設計、施工、檢測、養護維修提出了新的挑戰,在許多方面深化和改變了傳統的觀念和思想。相對于普通鐵路,高速鐵路更強調列車運行的平順性和舒適性。高速鐵路是由性質迥異的構筑物(橋、隧、涵、路基等)和軌道構成的,它們相互作用、相互依存、相互補充、共同構成剛度均勻的線路結構。為保證高速列車安全、平穩、舒適運行,控制沿線路方向縱向構筑物的差異沉降是線路設計的一個關鍵環節。

         在高速條件下,線路受到較高頻率的動荷載作用。列車運行速度越高,動力響應越大,對軌道的傷損也越大,路基的變形也越大,而軌道的傷損和路基的變形又會導致更大程度的列車運行不平穩,產生更大的動力作用。如果路基和軌道在列車運行荷載下的空間位置和軌面狀況不能保持穩定,則勢必造成惡性循環,最后導致線路結構徹底失效。

         線路結構的失效來自兩種可能:一是鋼軌在高頻動荷載作用下發生軌頭磨耗、空間位置移位以及疲勞折斷;二是路基變形過大,傳遞至軌道引起線路位置的空間不平順,導致高速列車運行時產生過大的動力響應,造成變形和動力響應的惡性循環。第一種失效狀態是否產生主要取決于鋼軌動應力的大小。在列車質量和運行速度一定的情況下,減小鋼軌動應力的途徑是使軌排具有一定的彈性,從而將車輪動荷載擴散到車輪作用點相鄰的數個鋼軌扣件范圍內,以避免過高的局部鋼軌應力。相應技術措施是在鋼軌下面放置具有特定彈性性能的墊板,使軌排具有適當的彈性系數。第二種失效狀態是否產生主要取決于線下結構的變形穩定性,即在列車荷載作用下不產生過大的變形,且盡可能減小殘余變形。從減小殘余變形的角度考慮,要求減小線下結構的彈性。由于線下結構的變形不可避免,故應力保線下結構變形的均勻性。 

         可見,高速鐵路對線路結構的變形性能具有較高的要求,彈性太小會導致第一種失效狀態,彈性太大又可能引起第二種失效狀態,而線路結構本身由鋼軌、連接件、軌下基礎、道床和路基或橋梁等組成,各部分具有各自的變形特性,如何對各部分的力學參數進行綜合優化設計,使其總體變形性能達到高速鐵路對線路結構的變形性能要求,是一個需要深入研究的課題。

         隨著列車運行速度不斷提高,有砟軌道的道砟粉化及道床累積變形的速率隨之加快,必須通過軌道結構強化及頻繁的養護維修工作來滿足高速鐵路對線路高平順性、高穩定性的要求。與有砟軌道相比,無砟軌道具有軌道穩定性、剛度均勻性和耐久性好、平順性高、維修工作量顯著減少的突出特點。因此,自20世紀60年代初,世界各國相繼開展以整體式或固化道床替代散粒體道砟的各類無砟軌道結構的系統研究,一些國家已把無砟軌道作為高速鐵路的主要軌道結構形式全面推廣。在高速鐵路上應用無砟軌道,以日本、德國最為廣泛。日本新干線無砟軌道最初一般鋪設在基礎堅固的隧道內、高架結構和橋梁上,后來逐漸擴大到土質路基上,而德國高速鐵路無砟軌道則首先解決了在土質路基上鋪設的技術問題,逐步推廣到隧道和橋梁上。

         無砟軌道正是以其穩定性好、耐久性強、剛度均勻、維修工作量少等綜合優勢,在德國、日本等一些發達國家的高速鐵路中得到了廣泛的應用。為了實現中國鐵路的跨越式發展,快速提升中國鐵路的技術裝備水平,無砟軌道在中國高速鐵路建設中也得到了大力的推廣和應用,國內新建的高速鐵路大多采用無砟軌道的形式。

         相對于有砟軌道,無砟軌道對結構的剛度、基礎的沉降更加敏感。無砟軌道的永久變形只能通過調整扣件來恢復軌道的幾何形狀。但扣件的調整量非常有限,只能依靠嚴格限制線下工程的沉降量來解決。因此,高速鐵路無砟軌道的鋪設與運營,對路基、橋涵、隧道等線下工程的工后沉降要求嚴格、標準高,一般要求工后沉降不超過15mm。

         雖然設計中對土質路基、橋梁墩臺基礎等均進行了沉降變形計算,并采取了相應的設計措施,但影響沉降計算的因素較多,目前的沉降計算精度不足以達到控制無砟軌道工后沉降的要求。因此,在工程設計階段應對變形測量進行規劃、設計,施工時建立線下構筑物變形監測網,對線下構筑物進行變形觀測,以及對沉降觀測數據進行系統的綜合分析與評估,以驗證和調整設計參數與措施,使路基、橋涵、隧道等線下工程達到規定變形控制要求;通過分析、推算得出最終沉降量和工后沉降,合理確定無砟軌道開始鋪設時間,確保高速鐵路無砟軌道結構鋪設的質量。

         高速鐵路無砟軌道工后沉降分析評估是高速鐵路建設新近提出的一項技術要求,國內對此尚無成熟的經驗,因此,對高速鐵路沉降變形觀測與評估方法進行研究十分必要,從而建立一個科學、系統的沉降變形觀測與評估系統,對路基、橋涵、隧道、過渡段等地段在鋪設軌道前的沉降變形觀測的數據進行分析,推斷基礎工程是否滿足鋪設軌道的條件。

        總之,沉降變形觀測與評估是確保高速鐵路軌道結構鋪設質量的關鍵環節,且隨著高速鐵路建設進程的推進,高速鐵路建設對沉降變形觀測與評估的需求將越來越多,要求越來越高,做好沉降評估工作對于高速鐵路的健康發展具有重大意義。

         P.S.:中國科學院武漢巖土力學研究所陳善雄課題組首次提出了高鐵沉降評估的具體方法,并自主研發了相關評估軟件,已應用于武廣高鐵等客運專線。筆者有幸參與了多條客運專線的沉降評估研究,在這里先作一些簡要的介紹,稍后我將陸續為大家介紹一些關于高鐵沉降評估方面的心得體會。這里為大家推薦一本陳善雄研究員寫的書。

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    我有話說

    全部評論(1)

    • hanshanzhizi發表于 07月25日 17:53這家伙很懶,沒有個性簽名!
    • 謝謝樓主分享,學習了。
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    楊蘭強

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    碩士
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