高速铁路无碴轨道概况及科研情况介绍

高速铁路无碴轨道概况及我国无碴轨道前期科研工作,铁道科学研究院2003.8.6,1、前言2、国外高速铁路无碴轨道概况3、国内无碴轨道概况4、我国新型无碴轨道结构的前期科研成果5、结束语,与有碴轨道相比，无碴轨道具有的特点：轨道稳定性好，线路养护维修工作量显著减少；耐久性好，轨道几何形位能持久保持，服务期长；平顺性及刚度均匀性好；可减轻桥梁二期恒载，降低隧道净空；初期投资相对较大；一旦基础变形下沉，修复困难；在桥梁、隧道等维修作业困难、维修作业频繁的道岔区、减振降噪与环境要求高的区段、优质道碴短缺的地区适于铺设。,自上世纪60年代开始，世界各国铁路相继开展了以整体式或固化道床取代散粒体道碴的各类无碴轨道结构的研究。在高速铁路上推广应用无碴轨道的国家和地区主要是日本、德国、韩国、我国台湾省等。,2.国外高速铁路无碴轨道概况,2.1国外高速铁路无碴轨道的结构型式板式轨道（Slab）长枕埋入式（Rheda）弹性支承块式（LowVibrationtrack）PACT型（整体灌注）（PavedConcreteTrack）其它型式（意大利IPA、法国VSB等）,（1）日本新干线板式轨道,从60年代开始试验研究，为世界上铺设无碴轨道最多的国家，其累计铺设里程已达2700多km。板式轨道最初铺设在隧道内，以后逐渐扩大到桥梁和路基上。山阳、东北、上越、北陆、九州等新干线全部桥、隧及部分路基区段均铺设了板式轨道。列入标准的结构型式包括：A型、框架型、防振G型、RA型等。,日本新干线轨道结构类型,东海道新干线(东京新大阪）,山阳新干线(新大阪冈山）,山阳新干线(冈山博多）,东北新干线(东京盛冈）,上越新干线(大宫新泻）,北陆新干线(高崎长野）,100,95,5,69,31,10,82,8,4,91,5,15,85,普通A型板式轨道（RC、PC）,桥上板式轨道（伸缩调节器区段）,土质路基上板式轨道(RA型),框架式轨道板,隧道内框架式板式轨道,防振G型轨道板,防振G型轨道板底橡胶垫层的粘贴,防振G型板式轨道横断面,防振G型轨道板底橡胶垫层的布置,防振G型板式轨道（车站）,防振G型板式轨道,日本防振G型板式轨道的试验结果,防振G型板式轨道的安全性不成问题；在减振效果方面，比普通板式轨道要减小5dB左右；在降噪方面，防振G型使结构物的噪音降低45dB；与早期的防振A型相比，降低造价，轨道板的横向应力分布更为均匀。,板式轨道的施工流程,混凝土底座及凸形挡台的施工,板式轨道混凝土灌注作业完成,临时轨道的铺设,临时轨道的铺设,轨道板的吊装、运输、铺设,轨道板的吊装、运输、铺设,轨道板的吊装、运输、铺设,轨道板的状态调整,CA砂浆的灌注,钢轨铺设,钢轨焊接,轨道状态的精细调整,（2）德国高速铁路Rheda型无碴轨道,德国铁路Rheda系、Zblin系等五种无碴轨道已批准可正式使用，并在新建300km/h的高速线上全面推广，铺设总长度达360km（柏林汉诺威190km）。德国铁路无碴轨道则首先解决了在土质路基上铺设的技术问题，然后在隧道、桥梁上推广使用。其基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类。Rheda型轨道为钢筋混凝土底座上的结构型式之一。,普通Rheda型无碴轨道横断面,普通Rheda型桥上无碴轨道横断面,土质路基上的无碴轨道,土质路基上的无碴轨道,土质路基上的无碴轨道,土质路基上的无碴轨道,桥上无碴轨道,道岔区无碴轨道,道岔区无碴轨道,道岔区无碴轨道,伸缩调节器区段无碴轨道,伸缩调节器区段无碴轨道,Zblin型,Zblin型（隧道内）,Zblin型（桥上）,Zblin型（施工机械）,Rheda-2000型,Rheda-2000型的主要特点,用钢桁架组成的支承块取代轨枕，减少了新、老混凝土的结合面，提高了结构的整体性；轨道建筑高度降低，降低线路和结构物的造价。,（3）LVT型（低振动轨道）,弹性支承块式无碴轨道自瑞士国有铁路1966年首次采用以来，在很多国家得到应用，如：英吉利海峡隧道、丹麦、葡萄牙、比利时等；在有减振降噪要求的区段得到广泛应用，如城市地铁等；我国长达18.4km的秦岭隧道、广州、深圳地铁、武汉、津滨轻轨等采用了这种结构型式。,LVT型轨道横断面,LVT型（低振动轨道）,（4）PACT型（英国）（采用滑模摊铺机施工）,2.2无碴轨道的经济性,可长期保持轨道的良好状态，实现线路少维修。日本板式轨道的初期造价基本上控制在有碴轨道的2倍以内，大规模应用后，其造价明显下降，约为有碴轨道的1.31.5倍。而维修费用明显减少。据统计，山阳新干线16年的平均维修费用为有碴轨道的18%，东北新干线9年的平均维修费用为有碴轨道的33%。,据德铁的资料，有碴轨道的造价为800DM/m，沥青混凝土底座上无碴轨道为1000DM/m，混凝土底座上Rheda型等轨道为1400DM/m，无碴轨道的造价为有碴轨道的1.31.7倍。德铁高速铁路有碴轨道的年维修费用约为3000DM/km，无碴轨道则很少。,3.国内无碴轨道概况,50年代末1984年，累计铺设各种型式的整体道床300多km；结构型式以混凝土支承块式为主，其它：短木枕式、整体灌注式、板式轨道等。应用范围：主要在隧道内、站场、城市地铁，而在桥上铺设较少，铁路桥上无碴轨道采用的结构型式为无碴无枕结构，如：九江长江大桥的引桥；,95年以来发展的新型无碴轨道,板式轨道秦沈线狗河、双何特大桥；赣龙线枫树排隧道（年内施工）长枕埋入式秦沈沙河特大桥；渝怀线鱼嘴二号隧道。弹性支承块式秦岭隧道（2001年开通运营）,4.我国新型无碴轨道结构前期研究成果,结构型式的提出与设计参数的确定室内模型试验，考察结构性能技术标准制定、现场试验段的运营考验改进完善、全区间推广应用,95年以来无碴轨道的系列课题,高速铁路无碴轨道结构设计参数的研究秦岭特长隧弹性整体轨道结构及施工工艺和机具的研究高速铁路高架桥上无碴轨道关键技术的试验研究秦沈客运专线桥上无碴轨道设计技术条件的研究与编制秦沈客运专线桥上无碴轨道施工技术条件的研究与编制秦沈客运专线桥上无碴轨道综合试验研究渝怀线隧道内长枕埋入式无碴轨道的试验研究,秦沈客运专线双何曲线桥上板式轨道的试验研究高速铁路桥上减振型无碴轨道关键技术的试验研究赣龙铁路隧道内板式无碴轨道的试验研究高速铁路桥上无碴轨道成套设备的研制高速铁路隧道内无碴轨道的试验研究土质路基上无碴轨道的前期研究高速铁路路桥过渡段轨道刚度合理匹配的试验研究,4.1高速铁路无碴轨道结构的选型原则,（1）在高速列车长期动荷载作用下，轨道结构应保持安全、可靠的几何状态，并具有足够的承载强度贮备以及与桥梁、隧道结构相当的使用耐久性；（2）轨道结构具有较好的弹性，以改善高速客运列车旅客的乘坐舒适性，减缓轮轨间的冲击作用，减轻钢轨的磨耗；（3）结构简单，便于组织快速施工和安装，便于配套设备和机械的应用，施工进度应符合铺轨要求，对于混凝土道床的局部损坏应考虑有修复的可能性；,（）在无碴轨道的基础确保坚实稳定的情况下，需考虑因施工误差、曲线超高变化，以及预应力混凝土桥梁徐变上拱等因素引起的轨面标高的改变，其配套的扣件设计应考虑有足够的调整量和可行的调整方法；（5）与有碴轨道相比，无碴轨道结构的造价应控制在2倍以内，由于无碴轨道可大幅度降低维修费用，其综合经济效益可被接受，从而有推广应用的价值。,三种无碴轨道结构型式,借鉴国外高速铁路成熟的无碴轨道结构型式，结合我国既有的技术基础，初步提出了适合我国高速铁路的三种无碴轨道结构型式：板式轨道长枕埋入式弹性支承块式,室内无碴轨道实尺模型（板式）,长枕埋入式实尺模型疲劳试验,弹性支承块式无碴轨道实尺模型,模型轨道的落轴试验,室内模型试验的主要结论,（1）结构强度在单点最大荷载250KN作用过程下，道床板的表面应变成线性增长；疲劳试验前后，应变值未发生变化，三种结构的强度满足设计要求；从枕上压力的测试结果看，弹性支承块式钢轨支点压力的分配较其它两种均匀；从荷载作用下的钢轨位移看，弹性支承块式最大，长枕埋入式最小。,支点压力分配及钢轨位移,（2）落轴试验结果,4.2三种无碴轨道结构组成及结构特点（1）板式轨道,结构组成轨道板(PC或RC）CA砂浆弹性调整层凸形挡台（圆形、半圆形）混凝土底座,结构特点稳定可靠、外表美观、耐久性较好；混凝土施工量少，施工进度快；结构高度低、自重轻；可修复性强；专业性强，初期投资较大。,板式轨道（狗河、双何）,混凝土底座及凸形挡台预制轨道板CA砂浆调整层扣件系统,混凝土底座及凸形挡台,底座结构按梁体产生此挠度换算得出的弯曲力矩设计；底座与凸形挡台均通过预埋钢筋与梁体相连；曲线超高在底座上设置；沿线路方向每隔5m设一横向伸缩缝。,凸形挡台的功能,凸形挡台作为板式轨道结构中的重要组成部分，设置于混凝土底座两端的中部，用以限制轨道板的纵、横向移动；其直接承受由钢轨传递到轨下基础的纵向力和横向力，包括：梁轨间相互作用产生的纵向力、温度变化引起的轨道板伸缩力、轨道的横向抗力、起动与制动力、轮轨间的横向作用力等；凸形挡台外形在梁跨的端部为半圆形，在梁跨中部均为圆形，其半径为250mm，高度为250mm。,双向预应力混凝土轨道板,采用部分预应力混凝土结构；配筋对称于截面中心；C60级混凝土；标准板尺寸：4.932.40.19m端部缺口半径300mm,CA砂浆调整层,CA砂浆由水泥、乳化沥青、细骨料（砂）、混合料、水、铝粉、各种外加剂等多种原材料组成，其作为板式轨道混凝土底座与轨道板间的弹性调整层，是一种具有混凝土的刚性和沥青的弹性的半刚性体。我国对板式轨道CA砂浆开展了为期3年的科研攻关工作，针对性地提出了CA砂浆的性能指标及试验方法，研制出的CA砂浆各项性能指标达到或接近国外同类产品的质量水平。,（2）长枕埋入式,结构设计特点结构耐久、可靠；制造、施工简单；初期投资相对小；现场混凝土施工量大；可修复性不足。,结构组成穿孔轨枕混凝土道床板隔离层(或弹性垫层)混凝土底座,长枕埋入式无碴轨道（沙河）,混凝土底座道床板（现浇）穿孔轨枕扣件系统,混凝土底座,底座与梁体预埋钢筋连接成整体；在底座两端的中部设置了限位凹槽；底座与上部道床板之间设隔离层或弹性垫层；C40级混凝土。,混凝土道床板,道床板由横向穿孔轨枕与C40填充混凝土组成；24m梁跨内每线设置6块道床板；道床板顶面设2的人字坡。,横向穿孔轨枕,与道床板成为整体，共同承载；穿孔轨枕的设计必须满足道床板的横向上侧设计弯矩的要求；长度2.5m；,（3）弹性支承块式,结构组成弹性支承块(支承块、橡胶套靴、块下橡胶垫板）混凝土道床板隔离层混凝土底座,结构设计特点稳定可靠，减振性能好；制造、施工简单；现场混凝土施工量大；初期投资较大；可修复性较强。,三种无碴轨道结构的综合对比分析,（）结构整体性能稳定性、平顺性、刚度均匀性、耐久性好，可显著减少维修工作量。每延米重量均小于有碴轨道，相比无碴轨道结构：以板式轨道最轻，长枕埋入式较大，弹性支承块式介于两者之间。整体刚度：长枕埋入式较大，弹性支承块式较小，板式轨道介于两者之间。,（2）制造和施工,长枕埋入式和弹性支承块式采用“由上至下”施工，混凝土预制件分别为穿孔轨枕和混凝土支承块。道床表面宜设置横向排水坡；与梁缝的配合比较灵活；线路的超高顺坡、曲线圆顺度等易于控制；现场混凝土施工量大，施工进度受限制；外表美观程度不如板式轨道；特殊减振及过渡段区段，实现减振有一定困难；施工过程中需用高精度的工具轨。,板式轨道采用“由下至上”施工，其混凝土预制件为轨道板（RC或PRC）。现场混凝土施工量少，施工机械化程度高，施工进度快；道床外表美观；精细调整过程中，充填式垫板的应用，使钢轨支承的均匀性得到保证；易于实现下部基础的减振；与不同跨度桥梁的配合，需要配合使用不同长度的轨道板；曲线区段铺设，对扣件系统高低、方向的调整要求高；轨道的耐久性要求高质量的CA砂浆做保证；板式轨道的制造、运输和施工的专业性强。,（3）线路维修,板式轨道和弹性支承块式无碴轨道的可修复性强，长枕埋入式稍差。长枕埋入式和弹性支承块式无碴轨道的维修工作主要是扣件涂油。板式轨道的维修除扣件涂油外，在线路纵向力较大区段，凸形挡台周围CA砂浆的修补。,（4）初期投资,轨道结构型式、制造成本、铺设长度、施工机具设备及施工工效等。从秦沈客运专线桥上两种无碴轨道结构试铺段看，由于铺设里程较短，施工设备机具未定型。施工工效低。经济性很难估算。相比而言，板式轨道的初期投资要大于长枕埋入式。规模铺设后的成本都应该明显下降。弹性支承块式由于有较多的橡胶材料，其初期投资介于板式轨道和长枕埋入式之间。,4.3秦沈线无碴轨道综合试验主要结论（1)轨道,三座特大桥上铺设的两种无碴轨道结构的强度、稳定性均满足设计要求，具有一定的安全贮备；轨道动力参数随列车速度的提高变化不大。轮轨垂直力平均值的动载系数在1.11.2之间，其动力附加作用较小，线路的平顺性较好。无碴轨道区段轨检车的检测结果也验证了这一点；地面和动力试验车的脱轨系数和轮重减载率的实测结果均远小于列车运行安全控制标准；,列车以最高速度通过无碴轨道区段的车体横向、垂向稳定性指标均小于2.75，在“良”的范围以上，其运行舒适性较好；从钢轨支点压力的测试结果看，个别地段钢轨支承存在一定的不均匀性。轨道精细调整过程中，无碴轨道充填式垫板的应用是必要的。同时加快施工设备和机具的定型和标准化作业。,（2)无碴轨道桥梁,24m预应力混凝土箱梁的徐变上拱初期发展快，后期明显减缓，60%75%的变形发生在架梁之前；沙河、石河二号、狗河特大桥箱梁的上拱度自轨道铺设至观测结束，其平均值较小，分别为3.6mm、5.4mm、4.7mm，均小于设计值（10mm）。中铁工总对32m箱梁上拱度的观测值也满足设计要求；,适当增大梁体刚度、严格控制施工质量、尽可能延长无碴轨道施工与箱梁张拉完毕的时间间隔，箱梁的徐变上拱是可以控制的。无碴轨道桥梁的动力性能试验结果表明，其动挠度、梁体竖向和横向振动加速度等性能指标均满足相应规范和技术条件的要求。,（3)过渡段,尽管过渡段的上部和下部结构均采取了相应的处理措施，无碴和有碴轨道钢轨动态位移和刚度上仍存在一定差异，路桥过渡段需要作进一步的深入研究。过渡段无碴轨道轨道板下橡胶垫层的设置对两种轨道间的平顺过渡、减缓轨道垂向动态位移突变、降低下部基础的振动有一定效果；过渡段搭板的设置对减小过渡段路基变形和振动、提高动态平顺性起到较好的效果。,4.4高速铁路无碴轨道的研究进展,4.4.1无碴轨道各部件技术条件的编制4.4.2无碴轨道部件的试制及室内性能试验4.4.3下一阶段的进度安排,4.4.1无碴轨道各部件技术条件的编制,高速铁路板式轨道混凝土轨道板技术条件高速铁路桥上无碴轨道扣件技术条件高速铁路隧道内无碴轨道扣件技术条件高速铁路板式轨道SPR-1型填充树脂技术条件高速铁路板式轨道充填式垫板技术条件高速铁路板式轨道板下橡胶垫层技术条件高速铁路板式轨道水泥沥青（CA）砂浆技术条件高速铁路长枕埋入式无碴轨道穿孔轨枕技术条件高速铁路弹性支承块式无碴轨道混凝土支承块技术条件高速铁路弹性支承块式无碴轨道橡胶套靴技术条件高速铁路弹性支承块式无碴轨道块下胶垫技术条件,4.4.2无碴轨道主要部件的试制和性能试验,（1）板式轨道乳剂及CA砂浆研制,A乳剂的性能指标及检测结果,CA砂浆的性能指标及检测结果,CA砂浆注入袋的研制,考虑提高砂浆的耐久性，方便施工，注入袋的选材、试验工作基本完成。使用注入袋的优点：施工方便，节省模板及人工费用；纵坡和超高区段，简化施工，可一次灌注；省略轨道板侧面多余的CA砂浆的修整工作；注入袋为砂浆的补强材料，提高了砂浆的耐久性。,（2）凸形挡台周围填充树脂的研制,为提高板式轨道的耐久性，减小维修工作量，国内研制成功相应的树脂材料，其性能与国外同类产品相当（如表、表）。将在赣龙线隧道内板式轨道上应用。,混合液的性能指标,固化物的性能指标,室内性能试验,轨道