韩现民，陈时玉，马　涛

(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)



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

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Ⅲa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

注：1.单线Ⅱa、Ⅲa、Ⅳa、Ⅳb及双线Ⅱa、Ⅲa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Ⅴa、Ⅴb及双线Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa、Ⅴb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

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：①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；②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：①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；②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

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@163.com。

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 cleaning machine). In this paper，the main factors that influence inner contour of railway tunnel，such as building limit，overhead catenary system and layout，space requirement for heavy machinery，track structure，arrangement of ditch and cable trench are comprehensively analyzed to determine the controlling dimensions of single and double track railway tunnel and some alternative schemes are proposed. By comparison of structure safety，economical efficiency and construction feasibilities related to each type of the inner contour schemes，reasonable schemes are recommended，which may pay the way for general drawings and specifications．

Key words：Railway of 160 km/h and bellow; Railway tunnel; Double-deck container transport; Heavy maintenance machinery; Inner contour of tunnel