（道路与铁道工程专业论文）高速铁路板式无砟轨道破损分析及工务修程修制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前我国正在进行数条高速铁路客运专线建设，这些客运专线建成后， 必须对其中的无砟轨道进行保养、维护，使其能够正常发挥作用。板式无砟 轨道是我国无砟轨道中常用的结构形式之一，设计施工技术都较为成熟，在 我国秦沈客运专线、遂渝线铺设了试验段。在这样的背景下，本文对两条铁 路的无砟轨道试验段在数年的运营中所出现的轨道结构病害以及养护维修经 验进行总结归类、分析梳理。主要包括以下内容： 根据秦沈客运专线板式轨道运营以来所出现的问题，结合遂渝线无砟轨 道试验段现场调查的情况，对单元板式轨道和纵连板式轨道结构损伤类型进 行了总结，分析了板式无砟轨道结构损伤的主要特征和规律，同时对主体结 构破损产生的原因进行分析。 针对板式轨道c a 砂浆层与轨道板之间、c a 砂浆层内部存在空气或间隙 这一普遍现象进行分析。建立了有限元模型，应用有限元软件内嵌的随机函 数产生伪随机数序来选择单元，控制的生死单元的个数，进行常态下轨道板 与c a 砂浆层之间不同接触面积的轨道结构受力分析。 以对板式轨道c a 砂浆破损进行修复，完全凿除c a 砂浆层进行换填时 的纵联板式轨道为模型，应用有限元软件分析混凝土或树脂材料作为支承块 时轨道板的受力和变形，对轨道支护所采用的材料及个数给出合理建议。 对板式轨道的检查项目、标准和周期，以及c a 砂浆层换填修补流程进 行了梳理；分析侧向挡块各种破损产生原因，提出对破损修复方法。 梳理我国高速铁路客运专线的综合维修组织结构以及工务修程修制，从 客运专线轨道检测、轨道不平顺管理与评价、养路机械的配备、钢轨的伤损 与管理、无缝线路及无缝道岔的养护、综合维修天窗的设置等6 个方面来概 括了客运专线的工务管理工作。 关键词：客运专线；板式轨道；乳化沥青砂浆；养护维修 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，o u rc o u n t r yi sb e i n gc o n d u c t e di ns e v e r a lh i g h s p e e dp a s s e n g e r r a i ll i n ec o n s t r u c t i o n s ，a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h ep a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e s ( p d l ) ，m u s tb ew o r k i n gw i t ht h eb a l l a s t l e s st r a c kf o ru p k e e p ，m a i n t e n a n c e ，a n dt o e n a b l et h e mt of u n c t i o np r o p e r l y s l a bb a l l a s t l e s st r a c ki so n eo ft h ec o m m o n l y u s e df o r m so ft h eb a l l a s t l e s st r a c ki no u rc o u n t r y , t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y i sm o r e m a t u r e ，h a v ep a v e d t h e t e s t i n g l i n e i n t h e q i n h u a n g d a o s h e n y a n gp d la n ds u i n i n g c h o n g q i n gr a i l w a y i n t h i sc o n t e x t , w o r k i n go na n a l y s i s a n dc l a s s i f i c a t i o nw i t ht h et r a c ks t r u c t u r ed i s e a s ea n d m a i n t e n a n c ee x p e r i e n c ei nt h i sp a p e r , w h i c ha r i s i n gf r o mb a l l a s t l e s st r a c kt e s t i n g l i n eo ft w or a i l w a y si naf e wy e a r so fo p e r a t i o n s ，i sv e r yi m p o r t a n t t h ep a p e rw i l l m a i n l yc o n s i s to f t h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： b a s e do nt h es i t ei n v e s t i g a t i o ni nt h eb a l l a s t l e s st r a c kt e s t i n g1 i n eo ft h e q i n h u a n g d a o - s h e n y a n gp d la n ds u i n i n g c h o n g q i n gr a i l w a y , s u m m a r i z et h e t r a c ks t r u c t u r ed a m a g et y p e so ft h eu n i ts l a bb a l l a s t l e s st r a c ka n dt h el o n g i t u d i n a l c o n n e c t e db a l l a s t l e s st r a c k , a n a l y z i n gt h er u l e sa n dt h em a i nf e a t u r e so ft h et r a c k s t r u c t u r ed a m a g ea sw e l la ss u m m a r i z i n gt h ec a u s e so ft h ed a m a g e b a s e do na p h e n o m e n o no fe x i s t i n ga i ro rs p a c ei nt h ec e m e n ta s p h a l tm o r t a r m i x t u r er a t i o ( c a m ) a n db e t w e e nt h et r a c ks l a ba n dc a m ，e s t a b l i s h e daf i n i t e e l e m e n tm o d e l a p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef u n c t i o n st o g e n e r a t e p s e u d o r a n d o ms e q u e n c eo fr a n d o mn u m b e r st o s e l e c tt h eu n i t ，t oc o n t r o lt h e n u m b e ro fu n i t so fa c t i v a t i o na n dn o n a c t i v a t i o n ，a n da n a l y z i n gt h et r a c ks t r u c t u r e m e c h a n i c a ls t a t eo fv a r i a b l ec o n t a c ta r e ab e t w e e nt h eg a c ks l a ba n dc a m b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，c o m p l e t e l yc h i s e lb r o k e nc a mt of i l li n n e wc a mm a t e r i a l ，o ft h el o n g i t u d i n a lc o n n e c t e db a l l a s t l e s st r a c k , w h i c h a p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fc o n c r e t eo rr e s i nm a t e r i a la sa b e a r i n gb l o c k s w h e nt h et r a c ks l a bf o r c ea n dd e f o r m a t i o n p u t t i n gf o r w a r d r e a s o n a b l ep r o p o s a l sw h i c ha n dh o wm u c hb e a r i n gb l o c k s s o r to u tt h ei n s p e c t i o np r o j e c t s ，s t a n d a r d s ，c y c l e s ，a n dc a mr e p a i rp r o c e s s o ft h es l a bt r a c k a n a l y z i n gt h ec a u s e so fav a r i e t yo fs i d eb l o c k sd a m a g e ，a n d p r o p o s e dr e p a i rm e t h o d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s o r to u tc o m p r e h e n s i v em a i n t e n a n c eo r g a n i z a t i o ns t r u c t u r ea n dt r a c k m a i n t e n a n c es y s t e m ，s u m m a r i z et h ew o r ko fm a i n t e n a n c eo fw a yb r a n c ho fp d l ， a s p e c t sf r o mt h et r a c kd e t e c t i o no fp d l ，t h em a n a g e m e n ta n de v a l u a t i o no ft r a c k i r r e g u l a r i t y , c o m p r e h e n s i v et r a c km a i n t e n a n c ee q u i p m e n t ，r a i lf a i l u r e sa n dr a i l m a n a g e m e n t ，t h em a i n t e n a n c eo fc o n t i n u o u s l yw e l d e dr a i lt r a c ka n dw e l d e d t u r n o u t ，c o m p r e h e n s i v em a i n t e n a n c et i m es c h e d u l e ，e t c k e yw o r d s ：p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ；s l a bb a l l a s t l e s st r a c k ；c e m e n ta s p h a l t m o r t a r m i x t u r er a t i o ；t r a c km a i n t e n a n c e 西南交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密 2 不保 年解密后适用本授权书； 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 日期： 如吵。j 三、i 严 设膨 、裂 名口 一p 导期 西南交通大学四南父迫大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文的主要创新内容如下： 1 、针对板式轨道c a 砂浆层与轨道板之间、c a 砂浆层内部存在空气或 间隙这一普遍现象进行分析。验证了有限元软件内嵌随机函数产生的伪随机 数序和生死单元与有限元分析模型的契合性；建立了有限元模型，应用有限 元软件内嵌的随机函数产生伪随机数序来选择单元，控制的生死单元的个数， 进行常态下轨道板与c a 砂浆层之间不同接触面积的情况( 非特定某种现象) 轨道结构的受力分析。 2 、针对板式轨道c a 砂浆破损进行修复时，所采用清除破损砂浆层、加 塞混凝土块或者树脂支承块，再灌注修补材料的方法，应用有限元软件建立 模型；以纵联板式轨道完全凿除板下c a 砂浆进行修补的轨道结构为研究对 象，分析支护材料和支护方法对轨道受力的影响，对轨道支护所采用的材料 及个数给出合理建议。 日期： 学位论文作者虢f 旗 年| 二旯* b 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早珀。下匕 高速是铁路现代化的重要标志，建设高速铁路是复杂的系统工程。自 1 9 6 4 年日本东海道新干线开通以来，高速铁路体现出全天候、运能大、时间 省、安全好、能耗低、污染轻、占地少、成本低、投资省和经济效益高等综 合优势。截至2 0 0 6 年5 月，新建高速铁路长度达到7 0 6 7 公里，世界上开通 运营的高速铁路网络延伸到1 4 个国家，总长度达到1 6 7 9 9 公里。拥有高速铁 路的国家主要有德国、日本、法国、西班牙、意大利、比利时、英国、韩国 等8 个国家，其中德国、日本、法国高速铁路里程已分别达到9 1 7 、2 3 0 0 、 1 5 8 0 余公里；正在修建高速铁路的有1 0 个国家和地区，累计约为3 2 7 9 公里； 同时，国外铁路既有线通过改造达到时速2 0 0 公里及以上的营业里程有2 万 余公里。 从1 9 9 7 年4 月中国铁路实施第一次大面积提速起，到2 0 0 7 年4 月我国 铁路经过了6 次大面积提速，已经形成了既有线提速时速2 0 0 公里 - 2 5 0 公 里的技术标准体系，最高时速达到2 5 0 公里，这是既有线提速的世界先进水 平。京哈、京沪、京广、陇海和兰新等1 8 条线路，旅客列车最高运行时速达 到1 2 0 公里及以上的线路延展里程共计2 4 万公里，其中时速1 6 0 公里及其 以上的线路延展里程1 6 万公里，时速2 0 0 公里及其以上的线路延展里程6 2 2 7 公里；时速2 5 0 公里的线路延展里程达到1 0 1 9 公里。动车组开行在环渤海、 长三角、珠三角城市群和华东、中南、西北、东北地区的重点城市间，形成 以北京、上海为中心的快速客运网络，主要城市间的旅行时间大幅度压缩， 实现了客运快速、货运重载、列车高密度、双层集装箱运行等共线运输，取 得了良好的社会效益和显著的经济效益。 1 1 我国高速铁路发展规划 为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客 运通道，规划“四纵四横”等客运专线以及经济发达和人口稠密地区城际客 运系统，覆盖区域内主要城镇。2 0 0 8 年1 0 月3 1 日国家批准正式颁布实施我 国“中长期铁路网调整规划 ( 调整版) 。新规划【1 】提出进一步扩大路网规模， 完善布局结构，提高运输质量，体现原规划快速扩充运输能力、迅速提高装 备水平的要求。根据新调整的方案，2 0 2 0 年全国铁路营业里程将达到1 2 万 公里以上，其中客运专线达到1 6 万公里以上，电化率达到6 0 。主要繁忙 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 干线实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的 铁路网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接 近国际先进水平。这次调整后的规划不再规定客运专线一定要达到很高的速 度目标值，而是根据实际建设决定。 截止2 0 0 9 年9 月底我国的高速铁路里程达到1 1 0 0 公里左右，包括京津 城际铁路( 平均运营速度约2 3 0 公里4 , 时) ，甬台温客运专线( 平均运营速 度约2 2 5 公里d , 时) 和秦沈客运专线、温福客运专线( 平均运营速度约2 0 0 公里小时) 。在建和即将兴建的高速铁路客运专线和城际铁路里程己达1 7 万公里，目前已开工建设的有京石、武广、郑西、合武、合宁、甬台温、温 福、福厦、广深港、广珠、京秦、宁杭、杭甬、长吉、九昌、哈大、胶济、 海南东环等客运专线项目，当中有以客运为主的行驶快速旅客列车的新建高 速铁路线路，也有以客货混运为主的新建或改建的高速铁路线路。 1 2 高速铁路轨道概述 1 2 1 高速铁路对轨道结构的要求 高速铁路的行车特点是高速度、高密度和小编组【2 】，为实现列车的高安 全性和高乘坐舒适性，轨道结构必须具备高平顺性和高稳定性。高平顺性是 乘坐舒适性的保证，其核心在于持久保持轨道结构的良好几何状态，要求轨 道结构能提供合理的外形、几何尺寸、良好的内在质量、高精度的养护维修 质量，以保证列车运营的高舒适性和高安全性；高稳定性是轨道在高速运营 条件下保持高平顺性与均衡弹性、维持部件有效性与完整性的能力，其内涵 是少维修或免维修。 1 2 2 轨道结构的类型及对比 由目前世界上高速铁路的运营情况可知，高速铁路轨道结构主要有两种 类型：有砟轨道与无砟轨道。从实践经验来看，两种轨道都可以运行时速 3 0 0 k m 的高速列车p j 。 有砟轨道作为传统的轨道结构型式，具有弹性良好、造价低廉、更换与 养护维修方便、吸噪性好等优点，在国内外高速铁路都有不少应用，如日本 的山阳新干线和法国的高速铁路部分或全部采用有砟轨道，列车速度可达到 3 0 0 k m h 以上。有砟轨道在高速度与高密度列车荷载的反复作用下，参与变 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 形累积很块，且沿线路方向的变形积累和轨道刚度分布不均匀。道砟颗粒易 挤压破碎、磨损，加上雨水的侵蚀，容易造成路基的翻浆冒泥和道床板结， 丧失弹性，造成更大的动力荷载，轨道破损加剧，形成恶性循环，维修周期 缩短，影响线路运营；高速运行时还会由于空气动力的作用使道砟飞溅起来， 对行车及附近建筑造成危害。此外，在长大隧道及城市地铁中，因为维修不 方便，不宜采用变形快、维修量大的有砟轨道。积极开发“少维修轨道已 成为高速铁路研究和发展的必然趋势。 无砟轨道是以整体性较好的沥青或者混凝土承载层代替散体的道砟，从 根本上消除了产生轨道下沉变形的道砟层，轨道变形小且变形积累缓慢，有 利于高速行车及铺设无缝线路，适合高速铁路高平顺、少维修的要求，可大 大减少养护维修工作量、降低作业强度和改善作业条件，日常养护维修工作 量仅为有砟轨道的1 0 左右，尤其适合高速及客运专线不允许利用行车间隔 上道作业的运营条件。 无砟轨道结构具有稳定性好、轨道几何尺寸保持持久、维修工作量少、 耐久性好，桥梁二期恒载小，可降低隧道净空减少开挖面积，综合经济效益 高等优点，此外，无砟轨道上的无缝线路不易胀轨跑道及高速行车时不会有 石砟飞溅起来造成伤害。在国外客运专线上获得了越来越广泛的应用，其铺 设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区。无砟轨道结构在客运专线 上的大量铺设已成为世界各国高速铁路发展趋势。 1 3 国内外无砟轨道研究和使用情况 从1 9 世纪6 0 年代开始，德国、日本、英国、意大利等国家陆续开始对 无砟轨道进行研究。经过4 0 多年的发展，无砟轨道经历了数量上由少到多、 技术上由浅到深、品种上由单一到多种、铺设范围上由个别地段到全线铺设 的发展历程。在这个发展过程中，无砟轨道逐步形成两大技术体系，即日本 的柔性充填层板式无砟轨道结构和德国刚性基础整体式无砟轨道结构。两大 技术体系基本发展成熟，其标志是：在高速铁路上得到大范围推广应用，具 有速度3 0 0 k m h 及其以上的高速铁路实际运营经验；结构统一，形成了标准 结构设计；技术经济上具有综合优势。 目前高速铁路比较发达的国家大都采用无砟轨道作为主要的轨道结构型 式，具有代表性的主要有德国的r h e d a 、z u b l i n 、b 6 9 l 无砟轨道以及日本的 板式轨道等【4 ，5 j 。此外，意大利、法国、奥地利、荷兰、瑞士等国均根据自己 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 国家铁路特点选择无砟轨道的结构型式，在铁路上有不同程度的应用。 1 4 板式无砟轨道发展和使用 板式无砟轨道是将预制好的轨道板直接“放置”在混凝土底座上，通过 轨道板与底座间充填沥青混凝土材料调整轨道板，确保铺设精度。板式无砟 轨道以预制轨道板为核心。轨道板结构型式、抵抗纵横向作用力方式和高性 能的调整层材料是板式轨道关键技术。典型的板式轨道结构是日本新干线板 式轨道和德国b o g l 板式轨道。其中，新干线板式轨道的调整层常被看作弹性 层，尽管其对轨道整体弹性贡献非常小。调整层的弹性特点允许轨道板与底 座互为独立。b s g l 板式轨道的调整层则为半刚性材料，从而可以将轨道板与 底座视为机械链接，形成整体结构。另外6 b b p o r r 型和i p a 型板式轨道也 在奥地利、德国和意大利进行了试验和铺设。 1 4 1 日本板式无砟轨道 日本是发展无砟轨道较早、较快的国家，它发展无砟轨道采取有组织的 统一研发推广模式，并且始终围绕各种类型的板式轨道展开。2 0 世纪6 0 年 代中期，日本开始了板式无砟轨道结构系统的理论研究和试验，由轨道、材 料、建筑物、土工、物理和有机化学研究人员共同构成“新型轨道结构的研 究”技术课题组。考虑到预制轨道板精度容易保持，又可在板下设置可用于 调整的缓冲垫层以及方便施工与维修，日本新干线最终选择了板式轨道【6 j ， 当前板式轨道已成为日本新干线无砟轨道的主要结构型式。 日本受本土地形地貌的限制，新干线桥隧工程占全线的比例非常大1 7 j ， 适合板式轨道的铺设应用。普通a 型板式轨道即铺设于桥上或者隧道内，随 着北陆等新干线的建设，设计了混凝土路基( 底座) ，普通a 型板式轨道可 延伸铺设至路基上1 8 , 9 1 ，从而使土质路基上板式轨道有了较大发展，北陆新干 线上铺设了1 1k m 多，占全线土质路基的1 4 。东北、上越新干线板式轨道分 别占全线延长公里的9 0 和9 3 1 0 , 1 1 j 。 后来，日本又发展了框架型轨道板。框架型轨道板主要有以下优点：可 减小因温度变化而引起的板的翘曲，减少c a 砂浆损坏，降低维修工作量； 减少板的体积和自重及c a 砂浆的用量，降低生产成本和运费，获得更好的 经济性；改善施工性能，板下c a 砂浆充填质量更加均匀i l2 | 。图1 1 为两种 日本板式轨道结构，由钢轨、扣件、轨道板、c a 砂浆与混凝土底座等组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 此外，为适应东北、上越新干线寒冷气候条件的要求，研制了双向预应 力结构的轨道板，防止混凝土裂纹的发生和发展。新干线预应力轨道板生产 工艺为后张法，可确保预应力作用范围，特别是保证轨道板端部的应力水平。 ( a ) 普通a 型板式轨道结构( b ) a f 框架型板式轨道 图1 - 1 日本板式轨道结构型式( 钢筋混凝土、预应力混凝土轨道板) 1 、轨道板由工厂预制，可以保证制造质量和精度；轨道施工工序相对较 简单，容易保证高质量、高精度和施工进度。 2 、底座作为板式轨道的基础，曲线超高也需在底座上实现，路基上底座 板的设计应能适应下部基础变形的影响。 3 、底座上每隔一定间距设置的凸形挡台，用来固定轨道板的纵横向位置， 同时又可以作为板式轨道铺设和整正时的基准点。 4 、在轨道板与混凝土底座之间填充的乳化水泥沥青砂浆垫层( c a 砂浆) ， 其目的主要在于施工调整，使下部基础施工误差不影响上部结构，并可提供 一定的弹性，一旦损坏可方便地进行维修。为适应严寒地区的推广应用，研 制了抗冻害的c a 砂浆，施工时采用袋装c a 砂浆。 1 4 2 德国b s g l 板式无砟轨道 b 6 9 l 板式轨道【l3 】的前身是1 9 7 7 年铺设在德国卡尔斯费尔德达豪试验 段的一种预制板式轨道。其结构组成类似于日本新干线板式轨道，吸收了轨 枕埋入式无砟轨道整体性好和板式轨道制作和施工方便的优点，进行了包括 预应力、结构尺寸、纵向连接等方面的优化改进，采用数控磨床加工预制轨 道板上的承轨部位，以高性能水泥沥青砂浆作为板下填充层。 博格板式无砟轨道系统和构造见图1 2 。其层次结构依次为：级配碎石 构成的防冻层( f s s ) 、3 0 0 m m 厚的水硬性混凝土支承层( h g t ) 、3 0 m m 厚 的沥青水泥砂浆层( b z m ) 、2 0 0 m m 厚的轨道板，v o s s l o h 3 0 0 扣件，u i c 6 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 钢轨，标准轨道板长65 m 纵向连 接钢筋 水硬性支承层 防冻层 图1 2b b g l 板式轨道结构 b s g l 轨道板为横向预应力轨道板，为控制轨道板裂纹不通过扣件锚固点， 板上每个枕间( 6 5 c m ) 设横向预裂纹，铺设完成后通过连接锁件将轨道板纵 向连接，轨道板横向设预应力，即使轨道板在假缝处完全开裂，也不会影响 其承载性能，可靠性较高。水硬性支承层和轨道板间通过特制水泥沥青砂浆 ( b z m ) 填充，轨道整体性好，纵横向阻力大，无需设置凸形挡台等限位装 置。 与日本板式轨道相比，b 坛1 轨道板的主要特点在于其承轨部位依靠湿凝 土的机加工保证精度，在保证钢轨、扣件等加工精度的前提下，轨道板一经 施工完成即可保证轨道的最终精度，无需日本板式轨道充填式垫板的二次调 整过程。b o g l 轨道板之间通过连接锁件的连接，最大限度的减少了轨道板自 由端数目，对于改善填充砂浆和轨道板受力状态有很大好处，可采用弹性模 量相对较高的b z m 填充砂浆。此外，b 8 9 t 轨道板和日本板式轨道抵抗横向 作用力的方式不同，前者采用板阔螺杆联结或板下凹槽，后者粟用凸型挡台 联结方式。 2 0 0 0 年德国联邦铁路管理局( e b a ) 颁发了“b 6 9 t 系统”无砟轨道的普 通许可证：设计速度3 3 0 k m h 、2 0 0 6 年5 月投入运营的纽伦堡一英格施塔特 线铺设了3 5 双线公里b 坛1 轨道。为加快施工进度、减小梁轨相互作用，b e g l 在京津客运专线上将框架桥上轨道板连续铺设的结构方案推广应用到长桥 上，即在底座板与桥梁之间设置滑动层i l “。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 4 36 b b p o r r 板式轨道 奥地利开发的6 b b p o r r 板式轨道l l t ，轨道板尺寸为51 6 m 24 m ( 0 1 6 02 4 ) m ，开有2 个矩形孔，尺寸为o9 1 m x 0 6 4 m ，以便丁二填充砂浆 和传递水平力，如图1 - 3 所示。 轨道板底部有一层3 m m 厚的聚亚安酯一水泥弹性隔离层( 其参数c 取 值0 5 n m m 。) ，矩形孔四周也有一层6 m m 厚的该种材料隔离层。填充砂浆的 同时，在矩形孔处制作出一个锥形锚块，以抵抗上拔力的作用。 在标准设计中，这是一个质量一弹簧系统，每延米重量为1 吨，具有减 震的优点。从1 9 8 9 年至今，已铺设6 6 6 4 8k m 。 图1 - 36 b b p o r r 型扳式轨道 14 4 i p a 板式轨道 意大利的i p a 板式轨道 i m 与新干线整体板式轨道相似，轨道板尺寸为 41 5 m 2 5 n i x 01 8 m ，砂浆层厚度5 c m 。轨道板两端各有一个半圆柱，以插进 混凝土底座预留孔中( 有别于日本板式轨道的凸形挡台) 。 自1 9 8 4 年以来，意大利铁路铺设了该种轨道达9 80 6 k m ，其中，在罗马 佛罗伦萨高速铁路隧道和桥梁上铺设5k m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 5 我国板式无砟轨道的发展 我国无砟轨道的研究起于2 0 世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同步，但 由于理论基础薄弱、工程实践少等原因，没有形成成熟的结构型式。进入9 0 年代中期以来，我国铁路先后实施了六次大面积提速调图，无砟轨道也随着 京沪高速铁路可行性研究的推进，受到了更多的关注。 在“九五”国家科技攻关专题“高速铁路无砟轨道设计参数的研究中， 提出了适用于高速铁路桥梁、隧道中的三种无砟轨道型式长枕埋入式、弹性 支承块式和板式无砟轨道结构【1 7 , 1 8 及其设计参数，随后完成了对三种结构型 式实尺模型的各种性能试验和铺设，取得了成功的经验。2 0 0 6 年，铁道部专 家对世界各国无砟轨道型式进行分析研究，选用了单元板式无砟轨道结构 ( c r t si ) 和双块式无砟轨道结构( c r t si i ) 作为我国现阶段发展无砟轨 道的主要型式。 1 、较早期无砟轨道试验段 我国板式轨道早在2 0 世纪7 0 年代就开始研究c a 砂浆技术，1 9 8 1 年在 皖赣线溶口隧道铺设了板式轨道试验段，使用情况良好。1 9 9 9 年完成“秦沈 客运专线桥上无砟轨道设计、施工技术条件 的研究与编制，提出了无砟轨 道工程质量检验评定标准。在秦沈客运专线选定了狗河特大桥( 铺设7 4 1 m ) 和双河特大桥( 铺设7 4 0 m ) 作为板式轨道的试铺段，研究了适应于寒冷地区 使用的c a 砂浆1 1 9 , 2 0 。2 0 0 3 年在赣龙线枫树排隧道( 铺轨1 4 2 0 m ) 铺设的板 式轨道试验段。 2 、遂渝线无砟轨道试验段和京津城际高速铁路 为了研发具有自主知识产权的无砟轨道成套技术，积累成段铺设无砟轨 道的经验，2 0 0 4 年铁道部决定在遂渝线建设无砟轨道试验段，对板式轨道、 双块式轨道、纵连板式轨道以及岔区长枕埋入式无砟轨道进行试验研究1 2 ， 详见第2 章。 我国首条工程实践、运营实践的高速铁路京津城际客运专线已于 2 0 0 8 年8 月1 日正式开通运营，在此之前的京津城际铁路动车组开行试验中， 进行试验的设计时速3 0 0 公里国产动车组创造了近3 7 0 的新纪录。 京津城际客运专线【2 2 】选用c r t si i 型板式无砟轨道技术，构建了以列车 荷载、温度影响和基础变形为主线，充分考虑裂纹控制与耐久性( 使用寿命 6 0 年) 、刚度控制与动力特性等控制条件统一的无砟轨道技术理论体系及关 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 键参数，形成了轨道几何计算、轨道板布板及预制件结构设计、不同地段轨 道系统的力学计算及结构设计、不同轨道系统间过渡段设计等技术。施工中 具有工程量小、定位精度高、平顺性好、美观、取消伸缩调节器等多项优点。 1 5 论文选题背景及主要工作 1 5 1 本文的选题背景 根据我国中长期铁路规划，至2 0 1 0 年建设客运专线5 0 0 0 公里，至2 0 2 0 年建设客运专线1 5 万公里以上，客车速度目标值达到2 0 0 k m h 及以上，包 括“四纵”、“四横”以及三个城际客运系统，我国高速铁路客运专线将广泛 采用无砟轨道结构。 秦沈客运专线无砟轨道试验段、遂渝线无砟轨道试验段正是为了研发具 有自主知识产权的无砟轨道成套技术，积累成段铺设无砟轨道的经验。目前 我国正在进行数条高速铁路客运专线建设，这些客运专线建成后，将对其中 的无砟轨道进行保养、维护，使其能够正常发挥作用。 板式无砟轨道是常见的无砟轨道类型之一，设计施工技术都较为成熟， 在我国秦沈客专、遂渝线铺设了试验段。它也是我国无砟轨道中常用的结构 形式之一。在这样的背景下，对两条无碴轨道试验段在数年的运营中所出现 的轨道结构病害以及养护维修经验进行总结归类、分析梳理有很重要的意义， 以便为今后板式无砟轨道设计、施工、养护维修提供参考。 1 5 2 国内无砟轨道病害研究现状 我国早期研究板式无砟轨道大多限于轨道板的受力的分析研究，对板式 轨道凸形挡台以及树脂层病害进行有限元分析研究的例子较少。 西南交通大学赵伟【2 3 】建立板式轨道实体模型，分析温度荷载和制动力荷 载作用以及不同弹性模量树脂填充材料，轨道板、凸形挡台的受力情况；对 c a 砂浆和凸台周围树脂填充材料的破损进行了初步分析。 西南交通大学林红松【2 4 】在对遂渝线无砟轨道试验段现场调查的基础上， 将单元板、双块式和纵联板式轨道主体结构损伤进行分类，并对其中的裂纹 伤损产生原因进行了分析，初步建立基于断裂力学的无砟轨道空间有限元分 析方法，建立了含裂纹的无砟轨道空间有限元分析模型，系统分析了列车静、 动荷载、温度荷载作用下含裂纹无砟轨道的受力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 5 3 本文的主要工作 1 、在现场调查的基础上，对秦沈客运专线板式无砟轨道、遂渝线板式无 砟轨道试验段轨道结构损伤类型进行分析，总结轨道主体结构损伤的主要特 征和规律，并对主要损伤现象产生的原因进行分析。( 第二章) 2 、对板式无砟轨道c a 砂浆层支承不完全支承现象进行研究。作为弹性 垫层的c a 砂浆层与轨道板之间不完全接触，分析此种情况下轨道板、c a 砂 浆、凸形挡台及树脂填充材料的受力，比较分析砂浆填充不满的比例对轨道 结构受力的影响。( 第三章第三节) 3 、针对板式轨道c a 砂浆破损进行修复时，所采用清除破损砂浆层、加 塞混凝土块或者树脂支承块，再灌注修补材料的方法，应用有限元软件建立 模型；以纵联板式轨道完全凿除板下c a 砂浆进行修补的轨道结构为研究对 象，分析支护材料和支护方法对轨道受力的影响。( 第三章第四节) 4 、对板式轨道的检查项目、标准和周期，以及c a 砂浆层换填修补流程 进行梳理；分析侧向挡块各种破损产生原因，汇总对破损的修复方法。( 第四 章) 5 、介绍国外高速铁路客运专线修程修制的成功经验，根据我国客运专线 的特点及其对综合维修的要求，对我国现行的客运专线工务养护维修制度进 行梳理。从客运专线轨道检测、轨道不平顺管理与评价、养路机械的配备、 钢轨的伤损与管理、无缝线路及无缝道岔的养护、综合维修天窗的设置等6 个方面来概括客运专线的工务管理工作。( 第五章) 西南交通大学硕士研究生学位论文第l1 页 第二章板式无砟轨道结构损伤类型及原因分析 受施工不良、列车动荷载、雨雪侵蚀、环境温度等多种作用的影响，无 砟轨道不可避免的会产生各种病害、损坏，如轨道板的开裂、轨道板或底座 与c a 砂浆层脱离、钢筋锈蚀等。对试验段无砟轨道所出现的问题进行分析、 归类，找出其主要特征，对无砟轨道的养护维修、无砟轨道优化设计等有重 要作用。因此，有必要在现场调查的基础上，对无砟轨道结构损伤类型进行 分析，总结其主要特征和规律。 2 1 板式无砟轨道试验段及其存在问题 2 1 1 秦沈客运专线 秦沈客运专线【2 5 , 2 6 f q 秦皇岛过山海关经绥中、锦州、新民至沈阳，全长 约4 0 5 公里。其中山海关至绥中北段长6 6 8 公里，完全采用高速铁路标准， 开展运行2 0 0 , - - , 3 0 0 公里d , 时列车的综合试验段，为以后修建京沪高速铁路 和其他客运专线积累经验。在2 0 0 2 年1 1 月山海关至绥中北综合试验段第三 次综合实验中，“中华之星 电力动车组最高时速达到3 2 1 5 公里，随后以 2 0 0 - - 2 5 0 公里的时速进行了山海关至沈阳的全程拉通试验，获得了完全成 功。 多项轨道新技术在该线建设中首次得到了应用，主要包括：新线一次铺 设跨区间无缝线路、铺设1 8 号和3 8 号无缝道岔，在桥上试铺了两种类型的 无砟轨道【2 6 。 2 1 1 1 秦沈客运专线板式无砟轨道结构 图2 1 秦沈线板式轨道结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 1 为秦沈客运专线单元板式无砟轨道的横断面设计 2 6 , 4 卅，结构组成 主要包括钢轨、扣件系统、轨道板、水泥沥青砂浆调整层( c a 砂浆层) 、混 凝土底座，凸形挡台及周边树脂填充材料。 1 、钢轨采用6 0 k g m 非淬火、焊接长钢轨： 2 、桥上采用预制轨道板、乳化沥青水泥砂浆垫崖及混凝土基础底座；过 渡段路基部分采用有砟轨道，道砟为一级碎石道砟； 3 、钢轨扣件：桥上无砟轨道采用小阻力弹性扣件i i 型弹条，过渡段路基 上采用i 型弹条扣件： 4 、轨道刚度：桥上为4 0 6 0 k n m m ，路基为5 0 8 0 k n m m ：全线采用 一次性铺设跨区间无缝线路。 21 12 秦沈客运专线单元板式无砟轨道运营中存在问题 秦沈客运专线沙河、狗河和双河大桥上首次铺设了长枕埋入式和板式无 砟轨道，但由于两种新型无砟轨道结构在我国首次铺设，施工方法、施工机 具、设备等都未能达到标准化程度，导致个别地段的轨道铺设精度不高，运 营后产生了一系列的问题。单元板式轨道存在的问题较多，主要包括c a 砂 浆破损较为严重、凸形挡台周围的橡胶板挤出、扣件螺栓拔出等几种情况。 1 、c a 砂浆破损 存在裂缝、剥离和碎裂三种伤损类型，典型的碎裂和剥离如图2 - 2 、2 - 3 所示。这些情况有多方面原因：在首次铺设阶段，技术认知水平有差距，对 c a 砂浆的原材料控制不够严格，特别是其中的乳化沥青、细骨料等，导致 施工完成后以砂浆分层严重；乳化沥青制造和c a 砂浆旌工设备简陋，工艺 处于摸索阶段：c a 砂浆施工时已接近冬季，施工温度较低。 图2 - 2 c a 砂浆剥离 图2 - 3c a 砂浆层边际碎裂 2 、凸形挡台周围的橡胶板挤出 秦沈线凸形挡台周围的设计方案采用的是橡胶板，这一特点是借鉴了日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 本早期的工程实践经验，在运营过程中同样出现了凸形挡台周围的橡胶板被 挤出的现象。故而之后的板式无砟轨道设计、施工均采用树脂材料填充。 2 1 2 遂渝线无砟轨道试验段 为了研发具有自主知识产权的无砟轨道成套技术，积累成段铺设无砟轨 道的经验，2 0 0 4 年铁道部决定在遂渝线建设无砟轨道试验段，对板式轨道、 双块式轨道、纵连板式轨道以及岔区长枕埋入式无砟轨道进行试验研究。遂 渝线无砟轨道试验段位于重庆市境内，是重庆枢纽工程的重要组成部分。试 验段起于桐子林隧道出口，止于蒋家大桥，全长1 3 1 5 7 k m 。 试验段内板式轨道有平板、框架和减振型板式轨道以及纵联板式轨道结 构，分别铺设于路基、桥梁和隧道中。其中，预应力平板主要用于寒冷地区， 框架板主要用于温暖地区，实际应用中可根据不同地区气候环境条件进行选 型。图2 4 为路基上单元板式无砟轨道的横断面设计。 2 1 2 1 遂渝线单元板式无砟轨道结构 图2 - 4 路基上单元板式无砟轨道横断面图( m m ) 具体轨道结构参数如下【2 7 】： 1 、扣件 常采用w j 7 型无挡肩弹性分开式扣件。扣件刚度3 5 , - - 一5 0 k n m m 。路基 和隧道内扣件支点间距6 2 5 m m ，桥上为6 1 7 m m 、5 7 0 m m 。扣件支点间距可 根据轨道板长度和位置确定，满足 3 m m ；肩部侧面磨损2 m m ；螺栓安装部 位是否磨损或腐蚀，丧失锁定功能；重量是否因腐蚀而减少1 5 以上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 5 、轨下垫板：是否破裂、磨损；是否变形，丧失功能；材质是否老化， 有明显变化。 6 、绝缘、涂装层：是否因磨损、腐蚀或变质等而可能导致绝缘功能下降。 4 1 3 板式轨道c a 砂浆及凸台周围填充材料修补范围及等级 修补范围：当距轨道板边缘部的距离以及未修补范围不足l m 时，要进 行连续修补。修凿宽度以损伤深度+ 1 0m m 左右为标准。 修补等级如表4 2 所示，修补等级图示位置如图4 1 。 表4 2c a 砂浆及凸台周闹填充材料维修等级表 项目状态a 级：引起注意b 级：按计划修补c 级：迅速修补 缺损s 2 0 m m2 0 5 0 m m5 0 - 1 0 0m m 芝1 0 0i t l m c a 砂浆 与上板间隙t 1 m m 1 1 5m m1 5 2 m m 之2m m 凸形挡台周边缺损h 2 0 m m 1 0 3 0 m m3 0 5 0 m m 5 0 m m 填充材料间隙t 2 m m 2 3m m 3 5m m5m m - ，r 轨八 厂 修凿宽度 霸 ib t 修凿亥 a + 1 c m 人 1 l c + l e m d a 丁 c - p ( a ) c a 砂浆层有限范围破损情况 度 ( b ) c a 砂浆层连续破损情况 图4 1 板式轨道c a 砂浆维修等级位置示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 4 2 板式无砟轨道砂浆换填修补 对板下砂浆层进行整治、修补，目前比较成熟的方案是采用环氧树脂砂 浆。这种砂浆具有强度高、固化周期短、施工进度快，可根据不同气温条件 的变化，调节可使用期与固化速度，方便施工等工艺特点，是较为理想的修 复沥青砂浆和混凝土的材料。 4 2 1 环氧树脂砂浆材料介绍 在修复板下砂浆层时，要考虑不中断行车运营，桥上无法采用大型器械， 冬季气温低、干燥，夏季炎热、湿度