客运专线单元板式轨道设计和施工技术.ppt

客运专线单元板式无砟轨道设计与施工技术 1 国外单元板式轨道研究与应用概况我国单元板式轨道系统的前期研究单元板式无砟轨道系统的设计混凝土轨道板制造的主要技术要求单元板式无砟轨道的施工技术与质量控制要点 2 一 前言 高速铁路轨道结构从总体上可分为两类 以碎石道床 轨枕为基础的有砟轨道 以混凝土或沥青混合料为基础的无砟轨道 实践表明 两种轨道结构均可保证线路的高平顺性 稳定性和高速列车的安全运营 由于两类轨道结构在技术经济性方面的差异 各国均根据自己的国情路情合理选用 以取得最佳的技术经济效益 随着列车速度的不断提高 有砟轨道结构面临严峻的挑战 道砟粉化及道床累积变形的速率加快 必须采取一系列轨道结构强化措施 诸如 铺设重型轨枕 优质道砟 弹性扣件 无缝线路 优化道床尺寸 铺设砟下胶垫 枕下胶垫等 需要频繁的养护维修作业来满足高速铁路对线路的高平顺性 稳定性的要求 一 前言 自上世纪60年代开始 世界上很多国家在强化有砟轨道的同时 相继研发了以 高平顺性 和 少维修 为主要目标的多种型式无砟轨道结构 通过技术 经济性的不断完善 无砟轨道结构在高速客运专线上的推广应用范围愈来愈广 日本 德国 韩国 我国台湾等后期修建的客运专线铁路无砟轨道所占比例均在90 以上 一 前言 线路平顺性高 钢轨支点支承均匀性好 提高旅客乘坐舒适性 消除了道床的累积变形 显著减少维修工作量和维修装备 延长维修周期 从而可大幅节省维修费用 耐久性好 服务期长 设计使用寿命60年 提供更高 更稳定的线路纵 横向阻力 保证无缝线路在恶劣气候 紧急制动条件下的稳定性 在确保列车运行安全和舒适性的前提下 困难地段的选线设计参数有可能放宽 有利于适应地形选线 并可减少工程量 避免了高速铁路特级道砟资源的要求 道床整洁美观 避免高速条件下的道砟飞溅问题 自重轻 可减轻桥梁二期恒载 结构高度低 可减小隧道开挖断面 无砟轨道的主要优点 轨道结构本身的初期工程投资要大于有砟轨道 轨道必须建于坚实 稳定 不变形或有限变形的基础上 无砟轨道的高低调整能力有限 主要通过扣件系统 一旦下部基础残余变形超出扣件调整范围或导致轨道结构裂损 修复和整治困难 道床面相对平滑 轮轨产生的辐射噪声相对较大 无砟轨道同样具有结构设计特点所带来的一些不足 几十年来 世界铁路技术人员针对这些不足 在无砟轨道设计 制造 施工等各个环节在不懈地努力克服 适于无砟轨道铺设的范围 基础变形相对较小的桥梁 隧道区段地质条件好 基础坚实 工后沉降易于有效控制的路基区段特殊减振区段优质道砟短缺 人工费用高的地区 目前我国客运专线采用的无砟轨道结构型式 无砟轨道结构型式 预制板式 现浇混凝土式 单元板式 纵连板式 双块式 轨枕埋入式 新广州站工程 京津城际 武广 郑西客专 岔区 日本为世界上铺设无砟轨道最多的国家 其无砟轨道结构型式主要为单元板式 从1965年开始试验研究 目前累计铺设里程已达2700多km 其中新干线约1600多km 日本板式轨道的是从隧道 桥梁上开始的 以后逐渐扩大路基区段 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 二 国外单元板式轨道的研究与应用概况 日本新干线无砟轨道所占比例 2 1单元板式轨道的结构组成与设计特点2 2单元板式轨道结构型式的发展历程2 3北陆新干线板式轨道施工录像2 4轨道板制造过程录像2 5单元板式轨道的优缺点分析 2 1板式轨道的结构组成与设计特点 钢轨扣件 含充填式垫板 预制轨道板水泥沥青砂浆调整层混凝土底座凸形挡台及周围填充树脂 结构组成 明确的层状体系设计 方便维修 可修复性强传力明确水平荷载 凸形挡台垂向荷载 轨道板 底座轨道板工厂预制 道床结构现场拼装施工 施工效率高轨道板下可设置弹性层 减轻对环境的影响 设计特点 2 2板式轨道结构型式的发展历程 日本单元板式轨道主要由铁道综合研究所集中研发 从60年代中期开始总共建立了20多处近30多公里的试验段 曾提出多种轨道结构设计方案 如A型 M型 L型和RA型等 开展了大量的室内 运营线上动力测试和长期观测的试验研究工作 并在试验结果的基础上 不断地改进完善结构设计参数和技术条件 目前日本新干线板式轨道的标准结构型式 A型 平板式 RC或PRC型AF型 框架式 RC或PRC型减振G型 1 普通A型板式轨道 RC PRC 最初为普通混凝土 RC 平板结构 为应用于东北 上越新干线的寒冷地区 后来又研制出双向预应力结构 PRC 的轨道板 以防止轨道板混凝土开裂和冻胀 2 框架 AF 型轨道板 适于温暖地区采用 钢轨扣件 含充填式垫板 预制轨道板 凸形挡台及周围填充树脂 水泥沥青砂浆调整层 袋装灌注 现浇钢筋混凝土底座 框架 AF 型轨道板的主要优点 降低轨道板的制造成本 减少CA砂浆的灌注量 减小由于日温差引起的轨道板翘曲 自重减小约15 20 不仅减小了二期恒载 同时改善了轨道板的铺设 维修更换的条件 有利降低无砟轨道线路的噪声 由于隔断了轨道板表面的部分水膜连通 在一定程度上可提高道床的漏泄电阻 框架式轨道板在露天区间应用时的中部排水问题 排水处理除在轨道板端部预留排水通道外 应根据线路纵坡 超高情况具体设计 检查确保排水通畅 严寒地区使用 轨道板中空部位积雪 框架板的主要缺点 普通混凝土框架型 RC 轨道板的厂内制造 预应力混凝土框架型 PRC 轨道板的厂内制造 3 减振G型板式轨道 为解决新干线的振动噪声问题 日本从70年代后期开始 在日野土木研究所 东北新干线上的 小山试验线 北上地区 古河地区的高架桥上分别试铺了20多种型式的减振性板式轨道结构 减振A型 减振H型 测试其减振效果 在进行技术 经济分析后 最终将减振G型板式轨道作为标准型式在减振降噪区段推广铺设 板底橡胶及泡沫聚乙烯垫层的厂内粘贴 减振G型板式轨道在车站高架桥上的应用 桥上A型 PRC 板式轨道 含伸缩调节器区段 4 日本板式轨道的应用 桥上和隧道内框架式板式轨道 隧道内 桥上 日本板式轨道在土质路基上的应用 日本在土质路基上板式轨道在的研究与应用相对较晚 从80年代开始研究 90年代初开始试铺北陆新干线应用前 确定路基沉降目标值为30mm 在铺设60m试验段后 观测下沉6 2mm 1993年在北陆新干线铺设了10 8km 占土质路基上的的1 4在软弱路基上慎用 路基上单元板式轨道 2 3日本北陆新干线板式轨道施工录像 2 4日本新干线轨道板制造过程录像 2 5单元板式轨道结构的优缺点 三 我国单元板式无砟轨道系统的前期研究 我国铁路单元无砟轨道结构的研究始于上世纪90年代 经历了以下几个阶段 1995 1999高速铁路单元板式轨道结构的前期理论研究与室内试验 2004 2005遂渝线无砟轨道试验段单元板式轨道的成区段铺设 1999 2004秦沈桥上 赣龙隧道内单元板式轨道的小规模试铺 2005国外无砟轨道先进技术的系统引进 2006 客运专线无砟轨道技术再创新 在国家 九五 计划项目中 开始针对京沪高速铁路的前期研究 开展了单元板式轨道无砟轨道结构设计参数的研究 1998年在铁科院试验室内建立单元板式无砟轨道实尺模型 进行静载和疲劳试验 验证设计方法和设计参数 1995 1999高速铁路单元板式轨道结构的前期理论研究与室内试验 单元板式 在秦沈线狗河 直线 双何 曲线 特大桥上 赣龙线枫树排隧道试铺了单元板式无砟轨道 针对试验段无砟轨道工程 研究制订了设计 制造 施工技术条件和验收标准 并进行了实车运行试验 1999 2004秦沈桥上 赣龙隧道内单元板式轨道的小规模试铺 秦沈狗河桥 赣龙线隧道内 秦沈双何桥 在遂渝线路基 桥梁 隧道内成区段铺设了自主研发的单元板式无砟轨道结构 首次研发了普通混凝土框架板 预应力混凝土框架板 首次在路基上铺设了单元板式轨道结构 进行了动车组和货车运行试验 2004 2005遂渝线无砟轨道试验段单元板式轨道的成区段铺设 路基上单元板式 隧道内单元板式 铁科院环行线路基上单元板式 2005年底在铁科院环行试验线路基上铺设了单元板式轨道 铺设了双向预应力平板 双向预应力框架板 普通混凝土框架板经过25t轴重 120km h货车8000万吨通过总重的运行试验 与先进国家相比 我国针对高速铁路 客运专线无砟轨道的试验研究起步相对较晚 为满足我国客运专线的建设需要 2005年铁道部全面引进了国外无砟轨道先进技术 针对新广州站工程的建设 系统引进了日本新干线单元板式轨道的设计 制造 施工 检测和养护维修等成套技术 2005国外无砟轨道先进技术的系统引进 2006客运专线无砟轨道技术再创新 由于国情 路情的不同 单元板式无砟轨道引进技术在客运专线应用过程中存在一些适应性问题 突出表现在 我国幅员辽阔 地质条件复杂 气候条件差异大 无砟轨道与不同环境条件的适应性 无砟轨道与我国客运专线ZPW2000无绝缘轨道电路的适应性 无砟轨道工程材料 水泥 钢材 乳化沥青水泥砂浆及其它多种特殊材料等 的技术标准与我国国标 客运专线铁路相关标准的差异性 无砟轨道施工方法 施工装备 物流组织与我国客运专线具体条件的适应性 为此 我国铁路在前期研究成果和消化吸收无砟轨道引进技术的基础上 针对我国国情和客运专线具体条件 自2006年底开始开展无砟轨道技术再创新工作 对无砟轨道关键技术进行全面创新 无砟轨道设计理论和设计方法无砟轨道结构设计工程材料 水泥沥青砂浆 树脂等 站后接口 轨道电路 综合接地等 制造 施工装备及工艺经济性分析质量管理信息系统维修技术等研究成果近期在武汉综合试验段投入工程实施铺设长度约20km 我国台湾高速铁路 台北 高雄 单元板式轨道的应用 正线全长345km 其中86 6 采用引进的日本单元板式轨道结构 8 5 采用Rheda2000型 3 8 采用弹性支承块式 LVT 减振轨道 1 为有砟轨道 0 1 为直接支承式 位于温暖地区 采用普通混凝土 RC 框架式轨道板 四 单元板式无砟轨道系统的设计 41 4 1设计原则与总体设计方案4 2桥上 路基和隧道内单元板式轨道结构设计4 3板式轨道 有砟轨道过渡段设计 4 1设计原则与总体设计方案 设计基于 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范 按容许应力法设计结构设计使用寿命为60年采用弹性地基上 梁 板 理论进行结构设计结构设计考虑客运专线高频谐振式轨道电路与综合接地的相关要求结构设计 原材料应考虑抗冻性和耐久性要求 设计原则 单元板式轨道的总体设计方案 1 轨道板采用后张双向预应力混凝土轨道板 设计荷载作用下 混凝土容许出现拉应力 不容许开裂 在我国客运专线32 6m主型梁的基础上 确定了轨道板的标准长度4962mm 扣件的节点间距629mm 板间间隔70mm 适应严寒地区耐久性要求 轨道板厚度200mm 板面设承轨台 台高20mm 总高度220mm 严寒地区单元板式轨道的总体设计方案 2 配套扣件 含充填式垫板 采用无挡肩的弹性分开式扣件 刚度20 30kN mm 3 凸形挡台在混凝土底座上设置凸形挡台 实现轨道板的纵 横向限位 凸形挡台分圆形和半圆形 梁端 半径为260mm 高度取为250mm 按每单元板的间隔设置 凸形挡台与轨道板间 40mm 填充树脂 4 板底水泥沥青砂浆填充层设计厚度50mm 5 根据不同的线下基础 路 桥隧 混凝土底座实现标准化设计 桥上单元板式轨道 4 2桥上 路基和隧道内单元板式轨道结构设计 轨道板 双向预应力混凝土平板 C60 绝缘处理外形尺寸 4962 3685 2400 200mm 32m梁 4856 2400 200mm 24m梁 混凝土底座 宽度2800mm 厚度200mm C40 底座设置超高 在凸形挡台位置 底座设置横向伸缩缝 底座钢筋不做绝缘处理 试验验证 线下工程接口 梁体预埋与底座钢筋的连接套管三向排水 底座范围外设防水层 保护层 桥上横断面示意图 路基上单元板式轨道 4 2桥上 路基和隧道内单元板式轨道结构设计 轨道板 双向预应力混凝土平板 C60 绝缘处理外形尺寸 4962 2400 200mm混凝土底座 宽度3000mm 厚度300mm C40 底座设置超高 在基床表层上构筑 每隔4 5个轨道板 在凸形挡台位置 底座设置横向伸缩缝 底座钢筋不做绝缘处理 试验验证 排水方式正在研究中 线间设集水井 底座埋横向排水管 路基上横断面示意图 隧道内单元板式轨道 4 2桥上 路基和隧道内单元板式轨道结构设计 轨道板 双向预应力混凝土平板 C60 绝缘处理外形尺寸 4962 2400 200mm混凝土底座 宽度2800mm 厚度200mm C40 底座设置超高 在隧底回填层上构筑 每隔4 5个轨道板 在凸形挡台位置 底座设置横向伸缩缝 底座钢筋不做绝缘处理 试验验证 排水方式 线间排水 隧道内横断面示意图 4 3板式轨道 有砟轨道过渡段设计 无砟侧5块板单元采用减振型轨道板 板底粘贴弹性垫层 有砟侧30m采用过渡段轨枕 配套采用过渡段扣件基本轨内侧设置2根辅助轨 25m 60kg m轨 无砟区段5m 有砟区段20m 过渡处10m有砟道床采用道砟胶全部粘结 中间10m采用道砟胶部分粘结 另10m不粘结 单元板式轨道 有砟轨道过渡段 五 混凝土轨道板制造的主要技术要求 54 5 1混凝土轨道板的结构型式 预应力平板 普通混凝土框架板 预应力框架板 标准板的尺寸 4962 2400 200mm 实现扣件节点均匀布置 后张双向预应力 钢棒 体系 横向普通钢筋采用环氧树脂涂层钢筋绝缘处理 轨道板内设置了综合接地端子 质量要求和检验标准依据 单元板式轨道混凝土轨道板技术条件 后张双向预应力混凝土平板制造主要技术要求 范围规范性引用文件技术要求试验方法检验规则标识与制造技术证明书存放 运输和装卸质保期附录A 轨道板制造技术证明附录B 绝缘性能试验方法 5 2原材料主要技术要求 采用强度等级不低于42 5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥粗骨料二级级配山碎石 粒径为5 20mm 粒径5 10mm碎石与粒径10 20mm质量之比宜为 40 5 60 5 细度模数范围为2 5 3 0 硬质洁净的天然中粗河砂 外加剂应掺加高效减水剂等外加剂 预应力筋采用低松弛 无粘结预应力钢棒 其抗拉强度不低于1420MPa非预应力钢筋a 级热轧带肋钢筋性能应符合GB1499的规定b 环氧树脂涂层钢筋的技术要求应符合JG3042的规定c 螺旋筋采用低碳钢冷拔钢丝 性能应符合GB T343的规定预埋塑料套管应满足无砟轨道扣件技术条件的相关要求 5 3制造工艺主要技术要求 模板的制造容许公差为轨道板成品容许公差的1 2轨道板内钢筋位置的容许偏差 3 制造工艺主要技术要求 轨道板混凝土胶凝材料用量应不超过480kg m3混凝土灌筑前 确认钢筋骨架的绝缘电阻应不小于2M 混凝土拌和物入模温度应控制在10 30 轨道板采用蒸气养生 分为静置 升温 恒温 降温四个阶段混凝土脱模强度不应低于40MPa混凝土强度和弹性模量达到设计值的85 方可施加预应力 并填写张拉记录表横向预应力筋采用单端张拉 纵向预应力钢筋应两端张拉 张拉锚固后 严禁采用电弧或气割切断预应力筋 3 制造工艺主要技术要求 封锚砂浆采用42 5级水泥 筛除5mm以上颗粒的细骨料和能提高砂浆韧性和抗渗性能的掺和料 聚合物等配制 水泥用量不宜小于800kg m3轨道板的存放应垂直立放 并采取防倾倒措施 相邻轨道板用木块或橡胶垫块隔离 临时平放时 堆放层数不超过4层轨道板装卸时应利用轨道板上的起吊装置水平吊起每块轨道板应填写 制造质量证明书 存档 5 4轨道板质量检验 轨道板应按批检验 同样原材料和生产工艺制成的500块轨道板为一批 批量不足500块按500块计轨道板检验分型式检验和日常检验型式检验项目 原材料报告 轨道板外形尺寸和外观质量 混凝土碱含量 混凝土氯离子含量 混凝土抗压强度 混凝土弹性模量 混凝土抗冻性 混凝土氯离子渗透性 预埋套管抗拔力以及轨道板绝缘性能轨道板外形尺寸和外观质量的抽检数量为10块 预埋套管抗拔力从外形外观质量抽检的轨道板中抽取3块 从轨道板上各抽取一个套管进行试验轨道板绝缘性能试验的抽检数量为3块 轨道板双向施加预应力 减振型板式轨道板底橡胶垫层的厂内粘贴 锚穴封端 轨道板存放 轨道板接地端子 轨道板水中养生 六 单元板式轨道的施工技术与质量控制要点 64 6 1单元板式无砟轨道与线下工程的接口6 2单元板式轨道施工工序及质量控制要点6 3无砟轨道与站后工程的接口 6 1单元板式无砟轨道与线下工程的接口 1 线下结构物的高程控制与预埋件设置 2 防排水系统 1 线下结构物的高程控制与预埋件设置 施工过程中应根据相关规定控制好路基基床表层 桥梁支承垫石 隧底回填层的顶面高程 并尽可能按负偏差控制 以确保无砟轨道结构高度在允许偏差范围 在无砟轨道施工前 应严格按设计要求检查验收各种预埋件的位置 规格和数量 如 梁体预埋套管或预埋连接钢筋 梁端伸缩装置预埋件等 桥上单元板式轨道三向排水 底座范围外设防水层 保护层隧道内线间中心排水严寒地区路基区段的排水方式 线间设集水井 或底座内埋设横向排水管 正在研究中 路基面设沥青混凝土防水层 2 防排水系统 6 2单元板式轨道的施工工序与质量控制要点 混凝土底座凸形挡台预制轨道板水泥沥青砂浆调整层扣件系统 单元板式轨道的主要施工工序 下部基础验交 基标测设 底座与凸形挡台的钢筋布置与混凝土施工 临时轨道铺设 轨道板的吊装 运输 铺设与状态调整 水泥沥青砂浆灌注 凸形挡台周围树脂灌注 长钢轨铺设与焊接 轨道状态的精细调整 充填式垫板施工 1 梁体预埋件的检查验收 预埋件的位置 长度 数量及状态等质量检查 2 底座与凸形挡台的混凝土施工 底座为钢筋混凝土结构 在梁面 隧道仰拱回填层 路基基床表层上构筑 厚度不得小于100mm 高程允许偏差 3 10mm底座与凸形挡台均通过梁体预埋钢筋与桥梁相连曲线超高在底座上设置沿线路方向 底座每隔一定长度横向伸缩缝 底座允许偏差 高程 3 10mm中线 3mm宽度 10mm 凸形挡台的功能及允许偏差 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 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 凸形挡台外形在梁端部为半圆形 在梁体中部均为圆形 其半径为260mm 高度为250mm 允许偏差 中线 3mm中心距 5mm直径 3mm半径 2mm 施工完成后的底座与凸形挡台 4 临时轨道的铺设 5 轨道板的吊装 运输 铺设与状态调整 轨道板铺设允许偏差 中线 2mm与两端凸形挡台的间隙差 5mm高程 1mm 6 板底水泥沥青砂浆的灌注 水泥沥青砂浆由水泥 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 其质量的好坏直接影响板式轨道的耐久性影响砂浆质量的因素除了材料本身外 还包括 灌注设备的性能 施工工艺 施工温度的严格控制等 施工适宜温度 5 30 设计厚度50mm 施工允许偏差40 100mm之间CA砂浆的施工质量控制依据 CRTS 型板式轨道水泥沥青砂浆技术条件 水泥沥青砂浆施工方法 模筑法 袋装灌注法 CA砂浆灌注袋依据 CRTS 型板式轨道水泥沥青砂浆灌注袋技术条件 水泥沥青砂浆灌注前的现场质量检测项目 流动度可工作时间含气量温度 CA砂浆灌筑完成 1天后 强度大于0 1MPa 拆除轨道板支承螺栓7天后 强度大于0 7MPa 板上可进行施工作业28天后 强度大于1 8MPa 达到设计强度要求 7 凸形挡台周围树脂的灌注 袋装灌注 施工适宜温度 5 30 灌注前检查凸形挡台与轨道板的缝隙不小于30mm 标准设计40mm 填充树脂低于轨道板顶面5 10mm 质量要求和检验依据 CRTS 型板式轨道凸形挡台填充树脂技术条件 8 长钢轨铺设与焊接 9 轨道状态的精细调整 充填式垫板施工 施工工艺 质量要求和检验依据 CRTS 型板式轨道充填式垫板技术条件 竣工后的板式轨道 日本新干线轨道竣工验收标准 轨距 1mm水平 1mm高低 2mm 10m波长 轨向 2mm 10m波长 6 3无砟轨道与站后工程的接口 无砟轨道与站后工程的接口涉及到以下三个方面 1 无砟轨道与ZPW2000谐振式轨道电路的相互适应 2 无砟轨道与综合接地 3 信号系统的设备安装 1 无砟轨道与ZPW2000谐振式轨道电路的相互适应 无砟轨道对于轨道电路电气参数的影响 主要是由于轨道结构内部钢筋网和钢轨间的电流互感作用 导致钢轨有效电阻R增大 钢轨电感L减小 从而制约了谐振式轨道电路在无砟轨道应用环境下的技术传输长度 6 3无砟轨道与站后工程的接口 a 对钢轨以下一定高度范围内的道床纵 横向钢筋节点进行绝缘处理 减少轨道电路的传输衰耗b 改进无砟轨道的扣件系统的绝缘性能 提高无砟轨道的道床漏泄电阻 大于3 km c 优化配置ZPW 2000制式轨道电路 使之更加适应无砟轨道的使用环境 要解决无砟轨道与ZPW 2000谐振式无绝缘轨道电路的适应性