（道路与铁道工程专业论文）板式轨道道岔板的优化设计.pdf

摘要 摘要 根据 十一五 规划和 中长期铁路网规划 我国正在有计划地修建高速 铁路和客运专线 由于无砟轨道具有轨道平顺性 稳定性和耐久性好 少维修 等优点 在高速铁路和客运专线上广泛应用 其中板式轨道已成为国外高速铁 路运用较为成熟的一种轨道结构型式 在各种线路条件中 道岔无论在结构上还是几何上都是轨道设备的薄弱环 节 因此 板式轨道与道岔的结合 特别是随着高架结构无砟轨道的采用 高 架桥上板式轨道与道岔的设计就显得尤为重要 在这种背景要求下 本文对板 式轨道道岔板的设计进行研究和优化 本文在调查分析国内外客运专线板式轨道结构的基础上 研究了高速铁路 道岔的结构尺寸 提出板式轨道道岔板的设计理念 板式轨道道岔板的结构 高速道岔用轨道板的结构特点 对板式轨道的道岔板进行优化设计 并通过实 例验证道岔板设计的合理性 论文主要内容是 1 国内使用的板式轨道的结构 研究了秦沈线和遂渝线板式轨道技术特 点 提出了无砟轨道的轨道板的整体设计要求 2 板式轨道道岔的结构设计 根据高速铁路对线路的要求和道岔自身结 构特点 对道岔的结构进行合理选型 以适合列车高速通过道岔的要求 3 道岔用轨道板的设计 提出道岔板的设计原则 设计要素和设计注意 事项 最后 采用论文提出的板式轨道道岔板的设计思路 对合武铁路金寨站到 发线响洪甸大桥桥上道岔进行了优化设计 取得了良好的效果 关键词 高速铁路 客运专线 板式轨道 道岔 道岔板 a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ee l e v e n t hf i v e y e a r sp r o je c ta n dt h ep l a nf o rm i d d l ea n dl o n g p e r i o dr a i l w a yn e t h i g hs p e e dr a i l w a ya n dd e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n ea r eb e c o n s t r u c t e di no u rc o u n t r y a m o n gt h et e c h n o l o g y a p p l i e di n t h e s ep r o j e c t s b a l l a s t l e s st r a c kw a sa p p l i e dw i d e l yb e c a u s ei tc a np r o v i d eg o o dt r a c kc o n d i t i o n s w h i c ha r es m o o t h s t e a d ya n dl o n gl i f et i m ea n dl e s sm a i n t e n a n c e a m o n gm a n y k i n do fb a l l a s t l e s st r a c k s l a bt r a c kh a sm a t u r e di no v e r s e a s o nt h eo t h e rh a n d t u r n o u ti so n eo ft h ew e a k e s ts e c t i o nf o rt h et r a c kn o to n l y f r o ms t r u c t u r eb u ta l s of r o mg e o m e t r y s o i ft u r n o u tw a sa p p l i e dw i t hs l a bt r a c k e s p e c i a l l yw i t hv i a d u c ts l a bt r a c k t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e mi sc o m p l e x i ti s i m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ed e s i g no ft u r n o u ts l a bi nh i g hs p e e dc o n d i t i o n t h e r e f o r e t h ed e s i g no ft u r n o u ts l a bw a sa n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n o nt h eb a s i so fc o m p a r et h es t r u c t u r eo fb o t ho v e r s e a sa n dd o m e s t i cs l a bt r a c k s t r u c t u r eg e o m e t r yo ft u r n o u tf o rh i g h s p e e dr a i l w a yw a sr e s e a r c h e d t h ed e s i g n t h e o r y s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r so ft u r n o u ts l a bf o rh i g hs p e e dr a i l w a ya n dd e d i c a t e d p a s s e n g e rl i n ew e r ep r e s e n t e di no r d e rt oo p t i m i z et h ed e s i g no ft u m o u ts l a b a n d t h ed e s i g nm e t h o dw a s a p p l i e di nap r a c t i c a lp r o j e c t t h em a i nc o n t e n ta r ef o l l o w s 1 t h es t r u c t u r eo fs l a bt r a c ka p p l y i n gi nd o m e s t i cr a i l w a y t h et e c h n o l o g y c h a r a c t e r so fs l a bt r a c ki nq i n g h u a n g d a o s h e n y a n gl i n ea n dc h o n g q i n s u il i n ew e r e r e s e a r c h e d t h ew h o l ed e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rb a l l a s t e l e s st r a c kw e r ep r e s e n t e d 2 s t r u c t u r ed e s i g nf o rs l a bt r a c k a c c o r d i n gw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o rh i g h s p e e dr a i l w a ya n dc h a r a c t e r so ft u r n o u t r a t i o n a lt y p eo ft u r n o u ts t r u c t u r ea n d c o m p o n e n t sw e r ec h o s e 3 t u r n o u ts l a bd e s i g n t h ed e s i g np r i n c i p l e d e s i g nf a c t o r sa n ds oo nf o r t u r n o u ts l a bw e r ep r e s e n t e d f i n a l l y u s i n gt h ed e s i g nm e t h o dp r e s e n t e df r o mt h i sd i s s e r t 撕o n t h et u m o u t s l a bo nh o n g d i a nb r i d g ei nh e f e i w u h a nl i n ew a s d e s i g no p t i m a l l y i i a b s t r a c t k e yw o r d s h i g hs p e e dr a i l w a y d e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e s l a bt r a c k t u m o u t t u r n o u ts l a b i i i 学位论文版权使用授权书 本入完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规 定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影 印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版 在不以赢利为目的的前提下 学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 年月 日 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在年解密后适用 本授权书 指导教师签名 学位论文作者签名 年月 e t年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 签名 年月 日 第l 章引言 1 1 概述 第1 章引言 经济的快速发展和人民生活水平的大幅度提高 带动着铁路运量的增长和 运输质量的提高 提高列车速度 增加列车轴重 加大列车运行密度 是铁路 运输发展的必然途径 目前公路交通在环境污染严重 事故迭起 道路堵塞 用地紧张和石油资源危机的冲击下 其发展受到一定限制 高速铁路以其运能 大 能耗低 速度高 安全好 污染小 占地少的独特优势崭露头角 在经济 发达的国家现代化运输方式中倍受青睐 为了解决既有线通过能力紧张状况 有效地提高铁路客货列车旅行速度 增强铁路参与市场竞争的能力 根据 十一五 规划和 中长期铁路网规划 我国正在有计划地修建高速铁路和客运专线 客运专线是以客运为主的快速铁路 时速为2 0 0 至3 5 0 k r r f f h 建设客运专线 实现客货分线运输 能够大幅度提高铁路运输能力 缓解既有线运能紧张的局 面 同时还可以满足大经济区 大城市的增量运输的需求 腾出既有线用来发 展货物重载运输 适应日益增长的运输需要 由于我国铁路网规模宏大 具有线网的统一性 调度的集中性 天窗 的 短时性 与既有线的兼容性等显著特征 因此 客运专线对线下工程 特别是 轨道结构提出了很高的要求 如何保持客运专线轨道几何状态 如何延长轨道 的维修周期 减少维修费用 如何缩短 天窗 时间减少对运营的干扰 成为客 运专线轨道研究课题之一 根据国外高速铁路的实践情况和我国客运专线的特 点 目前建设的各条客运专线多采用无砟轨道结构 与有砟轨道相比 无砟轨 道具有轨道平顺性 稳定性和耐久性好 少维修等优点 世界各国铁路在基础 坚固的隧道内 高架结构和桥梁以及高速铁路上都成功地发展了无砟轨道结构 用混凝土板体基础取代传统轨道中的轨枕和道床 板体基础下是由聚合物或水 泥沥青混合物灌注的特制垫层 这样 轨下基础既有足够的强度和稳定性 又 有一定的弹性 残余变形的积累很小 轨道结构得以加强 实现了轨道少维修 的目的 第1 章引言 无砟轨道的型式有板式轨道 双块式无砟轨道 轨枕埋入式无砟轨道等 其中板式轨道已成为国外高速铁路运用较为成熟的一种轨道结构型式 3 这种 轨道结构是将预制轨道板通过灌筑c a 砂浆调整层 铺设在现场灌筑的钢筋混凝 土底座或混凝土支承层上 其中轨道板多为预制钢筋混凝土板或预应力钢筋混 凝土板 随着客运专线无砟轨道的应用推广 板式轨道越来越多得应用到正线线路 上来 在直线线路 曲线线路 道岔等线路条件中 道岔无论在结构上还是几 何上都是轨道设备的薄弱环节 因此 板式轨道与道岔的结合 特别是随着高 架结构无砟轨道的采用 高架桥上板式轨道与道岔的设计就显得尤为重要 如 果板式轨道与道岔设计处理不当 就会成为实现客运专线运输的限制因素 因 此 在这种背景要求下 对板式轨道道岔板的设计进行研究 探讨和优化是值 得开展的 1 2 研究背景 建设客运专线 实行客货分线运输 是当今世界铁路发展的方向 在繁忙 干线建设客运专线 也是我国铁路适应国民经济和社会发展需要 加快实现现 代化的必然选择 1 2 1 客运专线建设概况 1 已建客运专线 秦沈客运专线起自于河北省秦皇岛市的秦皇岛站 止于沈阳市的沈阳北站 线路全长4 0 5 公里 如图1 1 所示 该线是一条以客运为主的双线电气化快速 铁路 开通伊始的列车速度即可达到1 6 0 公里 小时以上 设计速度2 0 0 公里 小时 基础设施预留提速至2 5 0 公里 d 时 甚至更高 的条件 秦沈客运专线是中国铁路的里程碑式的建筑 是中国自己研究 设计 施 工的时速2 0 0 公里的第一条快速铁路客运专线 它的建设和投入运营 带动了 我国铁路综合技术水平的大幅度提高 进一步加快了我国铁路客运高速化的进 程 第1 章引言 图1 1 秦沈客运专线概况图 2 规划客运专线 国家发展与改革委员会2 0 0 4 年3 月1 7 日以发改交运 2 0 0 4 1 发布了国务院 审议通过的铁道部上报的 中长期铁路规划 的通知 通知指出 为适应全面建设小康社会的目标要求 铁路网要扩大规模 完 善结构 提高质量 快速扩充运输能力 迅速提高装备水平 到2 0 2 0 年 全国 铁路营业里程达到1 0 万公里 主要繁忙干线实现客货分线 复线率和电气化率 均达到5 0 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 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 铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统 到2 0 2 0 年建设客运专线约1 2 万公里 新建客运专线1 0 0 0 0 公里 新建城际客运系统 2 0 0 0 公里 客货混跑快速线路约2 万公里 总规模达到3 万公里的客运网络 客车速度目标值达到每小时2 0 0 公里及以上 如图1 2 所示 第1 章引言 雾 1 鬻鬻缀缓缀鬟鬻鬻茹 图1 2 中长期铁路网规划图 御 旗 四纵 客运专线 1 京沪 北京 上海客运专线 1 3 0 0 k m 贯通京津至长江三角洲东部沿海 经济发达地区 2 京广 北京一武汉一广州一深圳客运专线 2 2 3 0 k m 连接华北和华南地 区 3 京哈 北京 沈阳一哈尔滨 大连 客运专线 1 8 6 0 k m 连接东北和关内 地区 4 沪甬深 杭州一宁波 福州一深圳客运专线 1 6 0 0 k m 连接长江 珠江 三角洲和东南沿海地区 四横 客运专线 1 陇海 徐州一郑州一兰州客运专线 1 4 0 0 k m 连接西北和华东地区 2 浙赣 杭州一南昌一长沙客运专线 8 8 0 k m 连接华中和华东地区 3 青太 青岛一石家庄一太原客运专线 7 7 0 k m 连接华北和华东地区 4 沪汉蓉 南京一武汉一重庆 成都客运专线 1 9 0 0 k m 连接西南和华 东地区 三个城际客运系统 藏 一 第1 章引言 环渤海地区 长江三角洲地区 珠江三角洲地区城际客运系统 覆盖区域 内主要城镇 3 在建及批准立项的主要客运专线 武广客运专线 璧豉援甏 威薯锄廪雾 导阳爹y 移 潮潭辫 一 篇阳缓 该 魏麓 耋黧黪荽j 燕藏韶美 荔妒 篱0 蔑魄麓 佛山觋爨嬲 裁弱蕊园淄嚣趸掰 北趣武戊布滠日站 趁经谨甲岳阳 长沙 滟嚣 挠俐 街昭 擀 州 船蓑 湍堪位i l j 等市 由到广州有 新广蜊站 全长 9 9 5 公里 橙资一9 3 0 亿元 工期 凹f l 苹 芷线菸考j i f 梁 8 6 2 瘥约4 1 0 公里 占线路驹长的4 j 2 图1 3 武广客运专线概况 2 0 0 4 年7 月2 1r 国务院批准武广铁路客运专线项目建议书 1 0 月3 同 铁道部批准成立武广铁路客运专线公司筹备组 承担建设管理责任 1 2 月3 日 国务院批准可行性研究报道 2 0 0 5 年6 月2 3 日 武广铁路客运专线有限责任公司宣告成立 负责建设 和经营武广铁路客运专线 令人瞩目的武广铁路客运专线正式破土动工 该专 线北起武汉市的滠口站 南至广州市的新广州站 是我国铁路目前开工建设的 线路里程最长 技术标准最高 投资最多的客运专线 无砟轨道技术将首次应 用到武广铁路客运专线 武广客运专线正线全长9 9 5 公里 设计时速高达3 5 0 公里 共有8 9 8 座桥 梁和隧道 其长度占专线总长近6 成 其中桥梁6 6 2 座 总长4 1 0 公罩 占总 长4 1 2 如图1 3 所示 第1 章引言 京沪高速铁路 京沪高速铁路是我国庞大客运网络中的一条客运干线 将连接京哈 青太 陇海 沪汉蓉 沪甬深及浙赣等客运专线 同时在以上客运专线成型以前 连 接了既有京秦 京山 石德 胶济 陇海 宁芜 沪杭等2 5 条干支线铁路 存 在着约4 0 的跨线客流 京沪高速铁路设计暂行规定 中规定设计速度为高速列车3 5 0 k m h 中 速列车3 5 0 k m h 及以上 线路平 纵断面及基础设施的设计标准应满足最高行 车速度3 5 0 k m h 的要求 1 2 2 无砟轨道的发展 世界各国铁路部门都致力于研究各种少维修 高质量的新型轨道结构 其 中轨下部件主要有宽枕 板式轨道 铺装轨道 纵向轨枕等等 道床主要有各 种形式的沥青道床 整体道床和钢筋混凝土基础无砟道床等 板式轨道是其中 的一大分支 由预制的钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土轨道板 轨下基础以及 板与基础之间的缓冲挚层构成 无砟轨道结构因具有稳定性好 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 第1 章引言 等优点 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 在 京沪高速铁路设计暂行规定 国际咨询中 日本 德国咨询公司明确 表示设计时速达3 5 0 k m 的高速铁路采用无砟轨道结构较有砟轨道更具优越性 法国咨询公司对无砟轨道也未提出反对意见 但各国均突出强调轨下基础的稳 定是铺设无砟轨道的基本条件 1 国外无砟轨道的应用 1 日本无砟轨道 早在2 0 世纪6 0 年代中期 日本就开始了无砟轨道的研究与试验 并逐步 推广应用 2 0 世纪7 0 年代建造的山阳新干线 冈山以东1 6 4 k m 的线路 修建 了8 k m 的无砟轨道 占线路全长的5 冈山以西修建了2 7 3 k m 的无砟轨道 占线路全长的6 9 东北新干线无砟轨道占线路全长的8 2 上越新干线无砟 轨道占线路全长的9 1 目前 日本不仅在桥梁 隧道中铺设无砟轨道 而且 在路基上也全面推广使用 2 德国无砟轨道 德国铁路无砟轨道的研究首先解决了土质路基铺设的技术问题 然后逐步 推广到隧道和桥梁上 从而为全区间铺设无砟轨道创造了有利条件 德国铁路 根据其咨询公司对现行的有砟轨道和无砟轨道的综合技术经济比较得出的建 议 决定在所有隧道 道岔区 制动区间以及3 0 0 k m h 的高速线上均采用无砟 轨道 在室内试验和现场大量铺设试验段进行试验验证的基础上 目前德铁累 计铺设无砟轨道3 6 0 k m 含8 0 多组道岔区 其中规模铺设的线路包括 科隆 一法兰克福 3 0 0 k m p n 2 0 0 2 年开通 柏林一汉诺威 2 5 0 k m h 1 9 9 8 年开通 纽伦堡一英戈尔施塔特 在建中 3 法国无砟轨道 法国是以有砟轨道为代表的高速铁路国家 一直以有砟轨道能够以2 7 0 3 0 0 k m h 运营而感到骄傲 但后来发现早期建造的东南线 大西洋线 道砟粉 化严重 使轨道几何尺寸难于保持 维修周期缩短 维修费用大大增加 甚至 第1 章引言 影响正常的运营 结果使用不到1 0 年不得不全面大修 更换道砟 为此 法铁 开始了无砟轨道的研究与试验 在新建的地中海线 选择隧道里铺设了4 8 k m 双块式无砟轨道进行试验 还准备在东部高速线4 0 5 0 k m 的一个区间修建无 砟轨道 2 各国无砟轨道的结构特点 1 日本无轨道结构特点 日本定型的无砟轨道包括适用于高架桥和隧道的a 型 框架型轨道板 适 用于土质路基上的r a 型轨道板和特殊减振区段用的防振g 型轨道板 构成了 适用于不同使用范围的轨道板系列 新干线轨道板如图1 5 所示 图1 5 新干线板式轨道 最初的轨道板为普通钢筋混凝土结构 为适应东北 上越新干线寒冷地区 以及减振区段的性能要求 后来又研制出双向预应力结构的轨道板 以防止混 凝土裂纹的发生与扩展 2 0 世纪7 0 年代后期 新干线环境机构负责部门根据日本环境污染控制中 央委员会 c c e p 关于控制由于工厂 建设施工和道路交通引起的振动和噪声 的严格要求 提出了新干线振动控制措施 第1 章引言 采取措施控制振动源和干扰 特别是加速度振动噪声超过7 0 d b 的地区 对于铁路经过医院或学校的区段应特殊考虑 为解决新干线的噪声振动问题 实现高速铁路发展与社会环保兼容的目的 日本从2 0 世纪7 0 年代后期开始 在日野土木研究所 东北新干线上的t t j 山试 验线 北上地区 古河地区的高架桥上分别试铺了2 0 多种型式的减振型板式 轨道结构 减振a 型 减振h 型 观测其噪声振动效果 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 2 德国无砟轨道结构特点 德铁 高校研究所以及工业界自2 0 世纪7 0 年代一直进行无砟轨道的研究 曾试铺过十余种无砟轨道结构 目前正式批准的无砟轨道结构型式有6 种 包 括 b 6 哲型 r h e d a 型 z u b l i n 型 a t d g e t r a c 和b e r l i n 型 无砟轨道结构 设计的基本要求包括以下几个方面 利用轨下垫层 弹性扣件及枕下弹性垫层等部件 提供轨道结构合理的 弹性和减振性能 要求在2 0 t 静轴重作用下 钢轨有1 5 r a m 的下沉量 为此 无砟轨道结构轨下垫层的刚度为2 0 2 5 k n m m 无砟轨道本身及轨下基础在长期运营条件下 其残余变形 能为扣件调 高所调整 满足环保及运营使用的要求 在环保方面 应考虑线路两侧的减振 降 噪 绿化 在使用方面 应考虑抗油污 抗紫外线老化 防火等 方便的轨道结构检查和合适的轨道维修条件 满足通信信号设施的安装要求 德铁无砟轨道下部基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类 r h e d a 型无砟轨 道作为钢筋混凝土底座上的结构型式之一 在德铁铺设的3 6 0 k i n 无砟轨道中 r h e d a 型约占一半以上 最近开发的r h e d a 2 0 0 0 型轨道已投入商业应用 图1 6 如应用在纽伦堡 英弋尔施塔特 荷兰 我国台湾高速铁路的道岔区上 其结构特点是 由两根 桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原r h e d a 型中的整体轨枕 取消了原 结构中的槽形板 统一了隧道 桥梁和路基上的结构型式 同时 轨道的建筑 高度从原来的6 5 0 r a m 降低为4 7 2 m m r h e d a 2 0 0 0 型中的特殊双块式轨枕只保 留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土 其余为桁架式的钢筋骨架 使之与 现场灌筑混凝土的新 老界面减至最少 有利于提高施工质量和结构的整体性 第1 章引言 建筑高度的下降 对降低轨道本身和线路的造价都是有利的 将无砟轨道的造 价降到有砟轨道的1 3 1 4 倍是德铁力争的目标 科隆 法兰克福采用的是 r h e d a 型无砟轨道 图1 6r h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道 博格板式无砟轨道是德铁应用的另一种无砟轨道型式 见图1 7 在纽伦 堡一英戈施塔特新线建设中铺设了7 0 k m 该线设计最高速度3 3 0 k m h 涉及到 路基 桥梁和隧道 线路最小曲线半径为3 7 0 0 m 图1 7 博格板式无砟轨道 第1 章引言 博格板式无砟轨道由大板 灌浆层和挡台组成 其结构高度4 7 4 m m 大板 长6 4 5 m 宽2 5 5 m 厚0 2 0 m 灌浆层厚3 c m 挡台为长方形 设置于板的两 侧 板与板的连接处 大板为工厂预制 运输到现场安装铺设 在路基上铺设 其下部基础由水硬性材料支承层和防冻层组成 水硬性材料支承层具有刚度过 渡的作用 厚3 0 c m 防冻层由级配碎石组成 防止冻胀引起路基变形 防冻层 e v2 1 2 0 n m m 2 3 我国无砟轨道发展概况 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 初期 曾试铺过支承块式 短枕式 整体灌筑式及沥青道床等 正式推广应用的仅有 支撑块式整体道床 在成昆线 京原线 京通线 南疆线等长度超过l k m 的隧 道内铺设 累计达3 0 0 k m 1 9 9 5 年以后 随着京沪高速铁路可行性研究的推进 无砟轨道在我国重新 得以关注 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 弹性支撑块式和大板式 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 并在相关工程中应用 在秦岭i 线隧道中铺设了1 8 4 k m 的弹性支撑块式无砟轨道 在秦沈客运专线中 沙河桥铺设了6 9 2 m 长枕埋入 式无砟轨道 狗河桥和双何桥分别铺设了7 4 1 m 7 4 0 m 板式无砟轨道 图1 8 1 9 同时 提出了秦沈线无砟轨道设计技术条件 施工技术细则和无砟轨道 工程质量检验评定标准 为高速铁路铺设无砟轨道创造了一定条件 图1 8 狗河桥板式无砟轨道 第1 章引言 1 2 3 高速铁路道岔 图1 9 双何桥板式无砟轨道 高速道岔是高速铁路必不可少的线路设备 在世界各国高速铁路的发展过 程中 先后出现了法国的2 0 3 3 4 6 6 4 德国的1 8 5 2 6 5 4 2 同 本的1 6 1 8 美国的2 0 2 4 对称 以及前苏联的1 8 2 2 等大号码道 岔 从而将道岔容许过分速度直向提高到1 6 0 2 0 0 2 5 0k m h 而侧向提高到 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0k m h 的水平 国外高速铁路j 下线采用的道岔全部为单开道岔 为适应高速运行的要求 国外大于1 8 号的道俞线型普遍采用缓和曲线 例如法国的u i c 6 0 轨0 0 1 5 4 t 9 0 0 2 1 8 瑞士的u i c 5 4 e 轨1 2 5 和俄罗斯的p 6 5 轨1 1 2 2 道翁分别采用三次 抛物线和螺旋线 道岔的平面设置 轨距无论直股还是侧股轨道 均与区问轨 道一致 德国高速铁路在有砟轨道和无砟轨道上采用相同的道岔结构 如图1 1 0 和 图1 1 1 其主要结构特征如下 高速道分的尖轨采用整根a t 轨 z u l 6 0 加工制造 尖轨尖端采用藏尖结 构 藏尖深度均为3 m m 在尖轨尖端附近采用了轨距加宽1 5 m m 的处理技术 目的是改善尖轨范围内的动力不平顺 减少蛇行摆动 加厚尖轨从而延长使用 寿命 尖轨跟端成型段长度为6 0 0 m m 采用带滚轮减摩滑床板 如图1 1 2 所示 第1 章引言 图1 1 0 高速铁路有砟轨道上的道岔 图1 1 1 而速铁路尢砟轨道上的道岔 图1 1 2 德国高速道岔滑床板系统 1 3 第1 章引言 辙叉结构用u i c 6 0 钢轨制作翼轨 辙叉的心轨尖端为整体结构 心轨前部 采用与钢轨同一材质的钢坯经机械d n y 的三角块 后部拼焊长短心轨 辙叉跟 端下部为很长的大挚板 心轨 心轨 翼轨 心轨间长大间隔铁通过螺栓与大垫 板联接 同时还有横向螺栓联接 如图1 1 3 所示 j 篓j 鬟溺雾夔 鬈 蓄鹾霾麓蓝 图1 1 3 德国高速道岔辙叉结构 我国铁路在成功建成第一条准高速铁路的基础上 1 9 9 6 年我国铁路干线开 始了提速改造 繁忙干线客车速度从目前的8 0 1 0 0k m h 提高到1 4 0 1 6 0 k m h 货车提高到8 0 9 0k m h 同时 对目标速度为2 5 0 3 0 0k m h 的高速客 运专线的研究也已进入最后阶段 6 0 k g m 钢轨1 2 提速道岔已在干线上大量铺 设 6 0 k g m 钢轨1 8 高速道岔和3 0 高速道岔也已试铺 取得了非常满意的 效果 如道岔轨型采用国产6 0 k g m 钢轨 用于进站停车岔位的道俞选用1 8 号 用于高速 1 6 0 k m h 侧向通过的道翁 导曲线线型为三次抛物线 高速侧向通 过的道岔号数将根据侧向通过速度 导曲线线型 列车过岔舒适度要求等因素 确定 并根据线间距及两反向曲线间的直线插入段长度要求进行校验 道翁区无砟轨道结构与相应的道岔结构在我国研究应用很少 过去只是在 一些站场附近的路段上铺设过一些混凝土短枕式的道岔区无砟轨道 速度和运 量都很低 在我国许多城市的地铁和轻轨交通中 铺设了大量的道岔区无砟轨 道结构 主要是在基础较好的隧道内和桥梁上应用 而且速度不高 轴重较轻 运量不大 在高速客运的条件下 还没有实践经验 蠢 第1 章引言 因此 高速铁路道岔的特殊性也给板式轨道道岔板的设计提出了新的要求 1 3 研究内容 随着我国客运专线建设的开展和无砟轨道的应用 对无砟轨道的轨道板特 别是道岔板的优化设计就显得越来越重要 良好的道岔板设计 可以保证客运 专线列车高速 平稳的运行 保证无砟轨道的良好状态和较长的使用寿命 保 持无缝线路 无缝道翁的稳定性 这对高架桥上道岔尤为重要 因此 本文就是在调查分析国内外客运专线板式轨道结构的基础上 研究 高速铁路道岔的结构尺寸 提出板式轨道道岔板的设计理念 板式轨道道岔板 的结构 高速道岔用轨道板的结构以及桥上板式轨道及无缝道岔的特点 从而 对板式轨道的道岔板进行优化设计 并通过实例验证道岔板设计的合理性 论 文主要内容是 1 国内使用的板式轨道的结构 2 板式轨道道岔的结构设计 3 道岔用轨道板的设计 1 4 研究方法 本论文的研究方法是在调研国内外板式轨道 高速道岔及道岔板研究和应 用成果的基础上 根据实际应用案例 对板式轨道的道岔板的设计进行优化 从而提出合适高速铁路和客运专线板式轨道的道岔板的设计 1 5 研究意义 综上所述 客运专线体现出的速度快 运量大 效能高 安全性的优势 离不开良好的轨下基础的支持 而包括板式轨道在内的无砟轨道正是提供这个 支持的明智选择 因此 对无砟轨道的轨道板的设计就尤为重要 此外 高速 铁路道岔是高速铁路的薄弱环节 直接影响到行车的安全性和效率 实现道岔 的良好性能 就必须对道岔板进行优化设计 当前我国正大规模进行客运专线的建设 这种情况下本论文对板式轨道的 第1 章引言 道岔板进行优化设计的研究 具有一定的前瞻性 有助于更好的消化理解国外 板式轨道道岔板设计的先进理论 总结我国板式轨道道岔板的设计成果和使用 经验 对今后我国进行板式轨道道岔板的设计具有理论指导和实践意义 1 6 本章小结 随着我国客运专线的建设逐步开展 无砟轨道逐渐的投入应用 对轨道关 键部件的道岔所用的轨道板的设计 是实现列车高速运行 保证道岔的良好性 能 延长轨道板和无砟轨道的使用寿命 乃至发挥客运专线效率的关键 本论 文在这种背景下 对板式轨道的道岔板进行优化设计的研究 本章根据文献综述 总结了论文开展的背景情况 讨论了我国客运专线建 设情况 国内外无砟轨道的成果和经验 高速铁路道岔的特点和要求 在此基 础上 提出了本论文的研究内容 阐述了论文的研究方法和意义 第2 章板式轨道的结构 第2 章板式轨道的结构 2 1 我国秦沈客运专线板式无砟轨道 2 1 1 秦沈客运专线板式轨道铺设背景 秦沈客运专线的建设意义和作用特殊 它的修建是为了解决我国进出关交 通运输能力不足的问题 秦沈客运专线通车后 可以承担起全部直通旅客运输 任务 而既有的沈山铁路只承担货物运输和地方客流 由此改变进出关客货运 输能力不足对国民经济发展的瓶颈制约作用 推动东北地区和环渤海经济区的 国民经济持续的发展 其次 秦沈客运专线在全国路网中的地位非常重要 近期可以利用京秦线 富余能力和已经形成的快速线路 进一步缩短京沈间旅行时间 形成北京至沈 阳的快速通道 远期可以沟通京沪高速铁路和哈大铁路的联系 构成我国东部 地区铁路高速客运网 选择客运专线的模式 既解决了进出关运输能力的不足 又为下世纪建设我国铁路高速客运网迈出了坚实的一步 由于秦沈客运专线的意义和作用特殊 因此其技术标准很高 无论是设计 理论和设计手段 施工方法及工艺 还是其运营管理模式等等 都有着许多不 同于普通铁路之处 尤其是在设计 研究过程中 设计者们围绕着高速铁路的 技术特点 做了许多有益的探索 根据 九五 国家重点科技攻关项目 高速铁路无砟轨道预应力混凝土箱 形简支梁徐变上供的限制与控制 及部控科研项目 高速铁路高架桥上无砟轨 道关键技术的实验研究 参照我国今年轨道工程实践经验和日本铁路轨道有关 技术标准 提出了秦沈客运专线狗河特大桥和双何特大桥上板式无砟轨道结构 设计方案 2 1 2 秦沈客运专线上的板式无砟轨道 我国也曾于1 9 8 1 年在皖赣线溶口隧道试铺过板式轨道 迄今运用情况良好 现在经过研究又提出了可用于高速铁路高架桥和隧道内的板式轨道 第2 章板式轨道的结构 这种新型板式轨道是用混凝土轨道板和水泥沥青砂浆替换以前有砟轨道的 轨枕和道砟 一般是铺设在具有坚固基础的隧道内和高架桥上 将在工厂精心 制作的预制钢筋混凝土板运至铺设现场 轨道板的高低和方向等经过调整后 再向下灌注作为缓冲材料用的水泥沥青砂浆 c a 砂浆 通过c a 砂浆垫层来 全面支承轨道板的整个底面 当由地基和结构物的变形或沉陷而引起板式轨道 的变形时 可用千斤顶等工具将轨道抬起 在轨道板与c a 砂浆垫层之间再次灌 注填充材料作较大的调整 因而 板式轨道是一种具有坚固 耐久 平稳 变 形小 少维修的无砟轨道 适用在高架桥和隧道等结构等应用 秦沈客运专线板式无砟轨道实验工点选在狗河特大桥 d k 6 3 3 4 6 1 5 和双 何特大桥 d k 2 0 2 3 1 4 6 4 进行 其中狗河特大桥位于高速综合实验段内 大桥均 采用简支无砟整孔箱梁 梁长为2 4 m 或3 2 m 两种 桥上采用预制轨道板 乳化 沥青水泥砂浆垫层及混凝土基础底座 过渡段路基部分采用有砟轨道 道砟为 一级碎石道砟 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 i i 型弹条扣件 钢轨刚度 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 狗河特大桥全长7 4 0 m 位于直线上 纵断面坡度为 3 5 和 1 2 桥上设 变坡点 坡度代数差为8 5 两坡度之间采用竖向圆曲线型 半径为2 0 0 0 0 m 连接过渡 秦沈客运专线狗河特大桥和双何特大桥采用的板式无砟轨道是我国铁路迄 今技术层次最高 最具有创新意义的轨道结构形式之一 其尺寸如图2 1 所示 板式轨道断面图 单位 l n l l l 第2 章板式轨道的结构 板式轨道平面布置图 单位 m m i 轨遣援 2 c a 砂浆屡 卜挹蟹土基床 4 撬凝 凸形挡台 2 1 3 板式轨道结构组成 图2 1 秦沈客运专线板式轨道尺寸 1 钢轨 6 0 k g m 非淬火 焊接长钢轨 2 扣件 除应满足一般扣件应具备的性能以外 还要有较强的调整轨道几何形位的 能力 以及减小轮轨系统的动力作用和减振降噪 提供必要的良好弹性 如图2 所示是我国铁道部专业设计院设计的板式轨道用钢轨扣件 这是一 种带有铁垫板的分开式扣件 铁垫板与轨道板的联结采用预埋铁座 上设t 型 螺栓 能够承受较大的横向力作用 在铁垫板下加垫不同厚度的调高垫片用以 调整钢轨的高低 同时列车荷载经过铁挚板后再传递到轨道板上 由于增大了 轨道板的接触面积 改善了轨道板的受力状态 为满足调整轨距的需要 可采 用倒换轨距挡板来实现 第2 章板式轨道的结构 缓 9 m 缓 p l t 型螺检 川母 卜平毽蕊 删条 潮缘轨 题块 6 尸调高垫板 7 叫l 下胶夔 8 预埋铰座 卜挡板块 i 嘲垫板 蜀高垫片 图2 2 板式轨道用钢轨扣件 3 轨道板 板式轨道可按弹性地基叠合梁或弹性地基板理论进行设计计算 轨道板结 构依据设计荷载弯矩采用双层双向配筋 轨道板外形尺寸采用4 9 3 0 m m x 2 4 0 0 m m 1 9 0 m m 每一标准长度2 5 m 的钢轨配置5 块轨道板 板间留有7 0 m m 的调整和伸缩缝 每块板上布置9 个扣件节点 间距为5 5 6 m m 在轨道板的两 端的留有半径为3 0 0 m m 的缺口 以与设置在混凝土基床上的凸形挡台嵌合 用 以阻止轨道板的纵横向移动 此外 为满足板式轨道施工的要求 在轨道板上还设有定位螺母 起吊螺 母 砂浆注入孔等功能 4 水泥沥青砂浆填充层 泥沥青砂浆是由乳化沥青 水泥 砂 水及外加剂经拌合而成的混合物 作为轨道板的全面支承的垫层 应具有足够的强度和必要的弹性以及施工的可 毋 厂l l 磊一 第2 章板式轨道的结构 行性和保养的可维修性 c a 砂浆的厚度采用5 0 m m 其抗压强度为1 5 2 5 m p a 弹性模量为2 0 0 6 0 0 m p a 流动度为1 6 2 6 s 可工作时间为3 0 m i n 含气量为8 1 2 材料分 离度 2 0 0 0m 按照这一规定 如果道岔设置在 伸缩缝上 则要求梁端转角必须控制在o 3 之内 4 2 2 道岔区无缝线路 道岔区的无缝线路应满足如下要求 1 道岔设计应满足跨区间无缝线路的允许温降和允许温升要求 各联结件 应牢固 耐久 可靠 2 无缝道岔尖轨尖端与基本轨 左右两股尖轨的相对位移以及可动心轨尖 端与翼轨的相对位移应分别满足道岔结构及转辙机械性能的要求 3 当正线道俞区中两个及以上无缝道岔连接时 应研究附加纵向力的分布 及叠加情况 并按规范的要求检算允许温降和允许温升 4 无缝道翁的设计锁定轨温应与两端区间无缝线路的设计锁定轨温一致 4 3 板式道岔的设计 第4 章板式轨道道岔板的优化设计 4 3 1 板式道岔的结构 板式道岔的设计图可大致分为一般图 尖轨组装图 辙叉组装图 其它部 件产品详细图 以下叙述主要产品的结构 1 一般线型 板式道岔线型和普通有砟轨道相同 考虑到道岔产品在有砟轨道上的互换 性 将有砟轨道所用产品按照板式轨道的要求进行修正 1 8 单开道岔如图4 2 所示 图4 21 8 单开道岔的线型 单独扣紧钢轨的道岔垫板使用普遍使用的直结8 型扣件 简化其结构 对于两根钢轨同时扣紧的道岔垫板 由于钢轨间隔 滑床板长度种类很多 要考虑调节垫板 h m p 的制作及施工的作业性 2 尖轨 尖轨结构如图4 3 所示 矿 l 剔 蓄图 豳赢同缓窟 嘲圆盈露囫 赫且鲤墅一腻固蝴镬憩孽一丽黧囊篓獬 奢箐琶爵西洋1 西幽攀鹳回窀阳醐幽黝鼍螂幽魁刨国回翻必藿 d 懿两托晶 镣l 魁囝匾lb 缀翰且 溉缀吼镦碰d 蛔点嵫蓉霹墅翰鲢鳃 a 尖轨全图 第4 章板式轨道道岔板的优化设计 b 断面a a c 断面b b 图4 3 尖轨的构造 基本轨及尖轨的形状尺寸和有砟轨道完全相同 只是连接板 粘着检查器 的螺栓孔位置不同 另外转动棒根数 安装位置参考有砟轨道 转动棒及控制 棒等产品和有砟轨道不同 3 辙叉 辙叉可分为两大类 可动心轨辙叉 能实现一t l 轨的转换 去除钢轨有害 空间 仍存在有害空间的固定辙叉 1 9 7 8 年9 月日本铁路对新干线轨道结构标准化规程进行了修订 对正线侧 行车速度在7 0 k m h 以下的区间 容许使用固定辙叉 但速度在7 0 1 1 0 k m h 之 间的区间 正线辙叉前后接头要焊接起来 可动心轨辙叉在有砟轨道上已有1 0 多年的使用经验 是用高锰刚铸造 由 于辙叉和垫板一部分是整体铸造 因此在每组道岔钢轨扣件数量不同的情况下 为了保证辙叉稳定 必须考虑辙叉在什么地方都能固定在道岔板上 因此把以 往有砟轨道上所用的扣件转换到无砟轨道上是行不通的 需重新进行设计 辙叉本体和现有有砟轨道相同 如图4 4 所示 但下部挚板的相当大的部分 是不同的 辙叉的前半部分和以往的有砟轨道相同 扣件位置没有变化 但这 个转换装置安装的范围 若高架桥的接缝不存在的话 则轨道板及扣件也无需 变更 第4 章板式轨道道岔板的优化设计 图4 4 可动心轨道岔的辙义构造 在固定辙叉中有锰钢 锻造和焊接三种 固定锰钢辙叉和普通钢轨材质不同 前后端的接头不能焊接 只能用于正 线侧行车速度在7 0 k m h 以下的区间 形状如图4 5 所示 图4 5 固定辙叉的形状 锻造辙叉是利用钢轨同样材质制作的 和前后普通钢轨的焊接性能良好 产量也很大 但对特殊道岔无法制作 可焊接辙又是将钢轨加工和焊接一体化 前后端接头焊接和一般钢轨焊接 相同 4 护轨 护轨的基本构造和有砟轨道相同 是h 型 只是扣件需修正 护轨范围内有高架桥接缝存在的时候 由于钢轨扣件位置的变化 若护轨 上螺栓孔位置不变化 则失去互换性 考虑到将来护轨的可变更性 考虑在现 场加工螺栓孔的方法 5 横压承受装置 在板式道岔的钢轨扣件装置中 将垫板固定在道岔板上的是横压承受装置 如图4 6 所示 使用钢轨底座 利用螺帽和垫板连为一体 在挚板两侧使其密着 的横压承受装置下面放入绝缘板 第4 章板式轨道道岔板的优化设计 图4 6 横压承受装置 t 型螺帽用3 5 0 0 转矩 利用横压装置 绝缘板 道岔板的摩擦力承受列车 的横向力 另外在垫板主体下放入轨道板 调节垫板 横压承受装置和垫板的扣紧工 具通过线圈弹簧用螺帽扣紧 实现弹性连紧 6 调节垫板 h m p 板式道岔上所用的调节垫板是电热调节型 h m p 4 3 2 道岔用轨道板的结构 1 板的形状 尺寸 一般板式轨道在高架桥或路基混凝土上设计一个凸形挡台 在板式轨道和 凸台之间注入水泥沥青砂浆 c a m 防止由于水平方向作用力而引起的位移 但对道岔板设计半圆形的凸台是非常困难的 为此如前所述 在道岔板下 第4 章板式轨道道岔板的优化设计 面和路基混凝土上面分别设深度为3 0 r