CRTSⅢ型板式无砟轨道的现状与发展.doc

CRTS型板式无砟轨道的现状与发展 西南交通大学 王其昌 （2010-08）1引言 1.1 研发目的 中国铁道土木界科学地把握了高速铁路无砟轨道构建的基本规律即线下工程基础稳固、轨道工程高精度化。并已据此成功地构建了具有世界一流水平的CRTS型、型板式和双块式无砟轨道。 为了适应中国铁路“走出去”战略的需要，必需提升中国无砟轨道技术的自主创新打造中国无砟轨道的自身品牌。为此，在总结我国既有无砟轨道研究与应用经验的基础上，结合无砟轨道技术再创新研究成果，研发并铺设了具有完全自主知识产权的CRTS型板式无砟轨道。 1.2 自主创新 CRTS型板式无砟轨道是对既有无砟轨道的优化与集成其主要创新点是:改变了板式轨道的限位方式、扩展了板下填充层材料、优化了轨道板结构、改善了轨道弹性及完善了设计理论体系等方面。 1）板下填充层材料 型板式轨道通过轨道板板下两排U形筋，将内设钢筋网片的自密实混凝土与轨道板可靠连接成复合结构，结构整体性好，可以控制轨道板离缝、翘曲和板下填充层开裂；自密实混凝土与CAM填充层相比较，其工艺简单、性能稳定、耐久性好、成本低廉。 2）板式轨道限位方式 型板式轨道采用板下U形筋自密实混凝土底座凹槽的限位方式，彻底取消了型板的凸台、型板的端刺限位方式。同时也取消了作为板下填充层材料用的CA砂浆。从而，可简化施工工艺，减少环境污染，降低工程投资。 3）轨道弹性 轨道板改原用无挡肩板为有挡肩板，配套弹性不分开式扣件，有利于降低轨道刚度，提高轨道弹性。 1.3 中国模式 CRTS型板式无砟轨道已在成灌铁路成功铺设，迄今运营状态良好。武汉城市圈城轨铁路已确定铺设再经优化、完善后的CRTS型板式无砟轨道。同时，铁道部已批复在盘营客专、沈丹客专铁路上推广使用。 我们有理由相信，通过建设及运营实践的不断考核与检验，最终必将形成中国板式无砟轨道模式。2成灌与武汉城轨铁路型板式轨道结构 2.1 结构组成 CRTS型板式无砟轨道是由钢轨、弹性不分开式扣件、预制有挡肩轨道板、自密实混凝土填充层、中间隔离层和钢筋混凝土底座或支承层等部分组成。 2.2 轨道结构的异同 1）成灌市域与武汉城轨铁路所用 CRTS型板式无砟轨道的典型横断面和结构组成分别如图 2.1 和表 2.1 所示。 图 2.1 III 型板板式轨道典型横断面图 表 2.1 III 型板板式轨道结构组成 结构组成 单位 成灌市域铁路 武汉城轨铁路 沈丹盘营客专 类型 U71MnK 60 U71MnK 60 U71MnK 60 钢 定尺长 m 100 100 100 轨 高度 mm 176 176 176 类型 WJ-8C WJ-8B WJ-8B 扣 高度 mm 38 38 38 件 间距 mm 687 687 630 承轨槽厚 mm 38 38 38 轨 长度 mm 5350 5350 5600 道 宽度 mm 2500 2500 2500 板 厚度 mm 190 190 210 材料 自密实混凝土 自密实混凝土 自密实混凝土 填 厚度 mm 100 90 100 充 宽度 mm 2700 2700 2500 层 长度 mm 同轨道板长 同轨道板长 同轨道板长 厚度 mm 138（桥）、162（隧） 240（路）、190（桥隧） 280（路） 、180（桥隧） 底 宽度 mm 2700（桥） 3100（路） 、2900（桥隧） 3100（路） 、2900（桥隧） 座 路基连续或 4 块板长， 桥上 路隧 23 块板，桥上 1 块 长度 mm 1 块轨道板长 1 块板长，隧道 24 块板长 板长 厚度 mm 238（路）支承层 宽度 mm 3100（路） 限位方式 板下 U 形筋底座凹槽或凸台 板下 U 形筋底座凹槽 板下 U 形筋底座凹槽 桥上无连接 板间连接方式 路桥隧板间无连接 路桥隧板间无连接 路基上用预应力钢棒 路基 mm 780 772 842 结构 桥梁 mm 680 722 742 高度 隧道 mm 780 722 742 2）由图 2.1 和表 2.1 不难看出，两者板式轨道结构的主要不同点是在路基上而在桥梁上和隧道内则完全相同。 成灌路基上轨道板为纵连板板间用预应力钢棒或普通锁扣连接支承在素混凝土支承层上； 桥梁上和隧道内轨道板为单元板板间无连接 支承在钢筋混凝土底座上。 武汉路基、桥梁和隧道的轨道板均为单元板，板间无连接又均支承在钢筋混凝土底座上。这有利于工程的标准化施工管理。3型板式轨道主要技术特征 3.1 钢轨与扣件 3.1.1 钢轨 U71Mn（K）60kg/m 定尺长 100m 无孔新轨。 3.1.2 扣件 1）扣件类型为 WJ-8 型有挡肩弹条扣件，有利于降低轨道刚度，提高轨道弹性。成灌是 8C 武汉是 8B，区别仅在于有无无级填充垫板。 2）调整范围： 高低 -4mm26mm； 轨距 10mm。 3）弹性垫板静刚度 C静233 kN/mm； 动刚度 C动3010kN/mm； 动静刚度比 1.5。 4）扣件阻力：常阻力扣件钢轨纵向阻力9kN； 小阻力扣件钢轨纵向阻力为 4kN。 5）扣件结构高度：38 mm。 3.2 型轨道板 3.2.1 轨道板结构 1） 轨道板为有挡肩、双向后张法预应力钢筋混凝土结构，混凝土强度等级 C60，按 60 年使用寿命设计。 2）板上设置承轨槽，承轨面设置 1:40 轨底坡，配套有挡肩扣件，可采用低刚度钢轨扣件。 3）为适应城轨轨道交通小半径曲线地段铺设的需要，可视具体情况，考虑是否采用二维可调模板方法制造型板，以调整承轨槽的空间位置。 4）板下设置两排 U 形连接钢筋，通过与内设钢筋网片的自密实混凝土紧密联结，形成复合板结构，以期防止轨道板离缝或自密实混凝土裂缝的出现。 3.2.2 轨道板长度 1）轨道板长度自然是越长越重，安放后越稳定，越有利于提高工效，但受到预制、运输的限制，以及考虑到基础一旦变形起道整修的困难和曲线地段铺设等问题，又不宜过长，一般以 57m 左右为限。 2）若轨道板较长，又铺设在小半径曲线地段时，有可能会遇到轨道板空间位置如何合理调整的问题。 3）此外 板长还应考虑主型梁梁型和连续梁梁跨长度的配板需要，以及尚须考虑配置扣件间距的要求，同时应力求板长标准化，尽量减少异形板的类型。 4）现行轨道板标准长度，I 型板长 4962mm 扣件间距 629mm，板长 4856 mm 的扣件间距为 617 mm；II 型板长 6450mm 扣件间距650mm； 型板长 5350mm，扣件间距 687 mm。 5） 型板较 I 型板每公里少铺 15 块，扣件少用 240 组，有利于提高轨道板制造和铺设的工效，节省工程成本。 3.2.3 板间有无连接问题 1）根据视钢轨和轨道板为弹性地基上梁板弯曲变形模式的计算结果可知，如果轨道板足够长，则板端和板中的钢轨挠度差将会很小，并且车轮载荷通过时相邻板两端的错位也较小，为此没有必要把轨道板连接起来。这是考虑在实用中不必担心板端会有过大的冲击作用。 2）目前现状是：I 型板式轨道在路桥隧地段均为单元板，板间无连接；II 型板式轨道在路桥隧地段均为纵连板，板间有连接；而 型板式轨道，成灌市域铁路在桥隧地段为单元板，板间无连接，路基地段为纵连板，板间有连接；武汉城轨铁路已定在路桥隧地段均采用单元板，板间无连接。 3）至于板间是连接还是不连接问题，各有利弊，各有所得，两者皆行。一般说，纵连板式轨道整体性好，构建复杂，费用较高，维修较差；而单元板式轨道受力明确，结构简单，施工方便，维修较易。 3.2.4 梁上配板 板缝一般为 70100mm。 1）I 型板： 32m 梁 549622368567032600mm； 24m 梁 5485648024600mm。 2）II 型板：连续配板，板间需连接，形成纵连板。 3） 型板： 32m 梁 65350510032600mm，梁缝处扣件间距为 641 mm； 24m 梁 5485648024600mm，梁缝处扣件间距为 637mm。 3.3 自密实混凝土 3.3.1 主要功能 1）板下填充层作为板式轨道系统的重要组成部件，它位于轨道板与混凝土底座之间，其主要功能可以归纳为填充调整 承力传力。 2）填充调整: 全面均匀地支承轨道板 消除轨道板与底座之间的间隙；便于调整轨道高低，提高施工效率和下部基础变形时的可维护性。 3）承力传力: 承受由轨道板传来的垂向力和纵横向水平力，并把它传递给底座和限位装置；分散列车荷载作用。 3.3.2 板下填充层材料现状 1） I 型板采用低弹性模量 200300 Mpa 的乳化沥青水泥砂浆CAM填充层材料，雷同日本的 CAM； 2） II 型板采用高弹性模量 700010000 Mpa 的乳化沥青水泥砂浆CAM填充层材料，雷同德国的 BZM； 3） 型板采用弹模高至 20000 Mpa 以上的自密实混凝土填充层材料，属于自主研发并已成功应用的一种新型板下填充层材料。 4）运营实践表明，无论是采用低弹模或高弹模或甚高弹模材料，均可作为板下填充层材料。 5）因此，从板下填充层的功能来看，将乳化沥青水泥砂浆改用自密实混凝土是可行的。 3.3.3 为什么要采用自密实混凝土？ 1）板下砂浆垫层不起弹性作用 计算分析 以上三种类型砂浆填充层，同作为轨道板的填充支承作用，其弹性模量为何相去甚远？表 3.3.1 给出了三种砂浆垫层弹性模量对轨下基础刚度影响的计算结果。 表 3.3.1 三种不同砂浆垫层弹性模量时轨下基础刚度的计算结果 砂浆垫层 换算垫层 轨下垫板 轨下基础 弹性模量 备 注 刚度（kN/mm） 刚度（kN/mm） 刚度（kN/mm） （MPa） 低弹模 CAM 200 3000 60/30 58.8/29.7 类同日本 CAM 高弹模 BZM 7000 10500 60/30 60.0/30.0 类同德国 BZM 20000 300000 60/30 60.0/30.0 自密实混凝土 由表 3.3.1 计算结果可知，砂浆垫层弹性模量无论是 200 MPa、7000 MPa 还是 20000MPa，对轨下基础刚度都没有根本影响。换句话说，砂浆垫层难以给板式轨道系统提供弹性作用。 实践表明即使 CAM 填充层的弹性模量相差 100 倍其轨道整体刚度也仅差 3 kN/mm 微乎其微。设计 CAM 填充层的压缩变形为0.074 mm 实测 CAM 填充层的动位移为 0.070.1 mm 可见 变形很小 起不到缓冲作用。 真正在板式轨道系统中起弹性作用的是，扣件组成中弹性垫板刚度的大小。当弹性垫板刚度从 60 kN/mm 降至 30 kN/mm 时，无论砂浆垫层弹性模量如何，轨下基础弹性几乎提高 1 倍。可见， WJ-7型和 WJ-8 型扣件规定其弹性垫板刚度指标为 2030 kN/mm，是符合板式轨道对其整体弹性要求的。 2）如何提高板下填充层质量水平？ 板式轨道设计使用寿命为 60 年，这对于轨道板和底座来说问题不大，而对于处在其间的填充层的寿命能不能达到 60 年，确实是一大疑问。如果达不到 60 年使用寿命，势必会存在修补或更换的问题，经常修补或更换填充层是很麻烦的，不可思议的。 就板下填充层而言，所谓寿命主要是指其耐久性，而耐久性又主要体现在填充层砂浆的干燥收缩性、耐水性和耐候性等方面。砂浆填充层的干燥收缩是不可避免的，一般是水灰比越大，收缩也越大。 CA 砂浆对温度非常敏感，为防止夏天凝胶，冬天粘度增大，必须严格管理其可使用时间及流动性。现场作业实践表明，CA 砂浆质量难以控制。 此外，还有一个涉及到诸如材料、拌合、注入、工艺、设备和环保等多方面的投入问题，特别是大量使用时的成本低廉性问题。 因此，当前选择自密实混凝土作为一种新型板下填充层材料是明智的。为能在薄平板的轨道板下面高效形成均匀的填充层，仍然必须严格管理其流动性，确保板下填充层的灌注质量。 3.3.4 自密实混凝土技术要求 1）自密实混凝土是由水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、外加剂、膨胀剂和水等经配制而成。 2）自密实混凝土的参考配合比（kg/m3）为： 水泥 400、矿粉 200、砂 845、碎石 719、水 185、减水剂 6.6、膨胀剂 36、保水剂 0.24 和增粘剂 3。 3）在自密实混凝土填充层内，配置 HRB33512 钢筋网片，以便与带有 U 形筋的轨道板紧密连结，同时也可起到控制自密实混凝土裂缝的生成与扩展。 4）自密实混凝土强度等级为 C40。 5）自密实混凝土要求具有高流动度、不离析、填充均匀性和稳定性的性能，浇筑时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实的混凝土其自由收缩率应小于万分之三。 6）自密实混凝土的自密实性能包括流动性、抗离析性和填充性。可采用坍落扩展度试验、V 漏斗试验（或 T50 试验）和 U 型箱试验进行检测其性能指标应符合表 3.3.2 的要求。 表 3.3.2 自密实混凝土性能指标 检测项目 指标要求 U 型箱试验填充高度（mm） 320 以上（隔栅型障碍 1 型） 坍落扩展度 （mm） 70050 T50（s） 520 V 漏斗通过时间（s） 1025 3.3.5 实践经验值得注意 1）采用自密实混凝土作为板式轨道板下填充层材料，工装简单，作业方便、质量易控、成本低廉。 2）自密实混凝土需要有较大的流动性能，塌落扩展度宜控制在710730mm 左右为宜，最低不能低于 680mm，否则将会影响混凝土的可灌性。 3）为要确保灌注硬化后的混凝土结构内部密实、均匀，又不分层、不离析、不泌水，在配合比调试拌合过程中，应添加一定量的外掺料来提高混凝土的性能。 4）为改善自密实混凝土的和易性能，应掺入较大量的矿物掺合料，以降低混凝土水化热；同时掺入一定量的混凝土膨胀剂，以补偿混凝土收缩，防止混凝土开裂。 5）自密实混凝土用水量不宜过高，在保证自密实混凝土的流动性能前提下，应尽量降低水胶比，所以应采用聚羧酸系列高效减水剂；而且由于板式轨道施工线路较长，必须确保混凝土的可工作时间，混凝土从搅拌、运输到灌注都必须要有良好的工作性能。 6）采用自密实混凝土灌注形成的板下填充层，对精调后的轨道板位置、标高精度影响较小，影响误差在允许范围内。 7）硬化后的自密实混凝土层与轨道板接触面，有可能会产生微小、均匀分布的气孔，但不会影响混凝土与轨道板的粘结效果，对板式无砟轨道结构的使用和耐久性能影响较小。 8）在灌注硬化后的混凝土与轨道板的四周接触界面处，由于新老混凝土的收缩速率不一致，有可能产生收缩裂缝。因此，施工中应加强养护，并采用防水处理，避免产生危害。 3.4 底座 3.4.1 底座外形尺寸 1）成灌市域铁路 桥上厚度 138mm，宽度 2700mm，长度对应 1 块轨道板长； 2）武汉城市圈铁路 路基上厚度 240 mm，宽度 3100mm ，长度连续或对应 4 块轨道板长； 桥梁上厚度 190mm，宽度 2900mm，长度对应 1 块轨道板长； 隧道内厚度 190mm，宽度 2900 mm，长度对应 2-4 块轨道板长。 3.4.2 底座结构 1）底座配筋采用 HRB335、HPB235 热轧钢筋，混凝土强度等级C40，使用年限应不低于 60 年。 2）底座通过梁面预埋钢筋与梁联结在一起。 3）在底座顶面和自密实混凝土之间设置 4mm 的土工布，以起到隔离作用，为运营维护提供方便。 3.4.3 底座凹槽尺寸 1）对应于每块轨道板板下的底座两端，各设置一个凹槽。 2）凹槽尺寸：成灌市域为 600400mm，深度同底座厚度；武汉城市圈则为 1000700mm，深度为 100mm。 3）此外，在凹槽四周设有 10mm 厚的复合弹性橡胶垫层，底部设置隔离层，槽中配有钢筋。 3.5 素混凝土支承层 1）成灌线路基地段铺设支承层，采用水硬性混凝土支承层，宽度 3100mm，厚度 238mm，沿线路纵向连续铺设。 2）支承层在板缝处设置一道横向伸缩假缝，缝深 80mm，宽10mm，在假缝处铺设 0.26m 长 4mm 厚防水土工布，假缝必须在支承层初凝时施工完成。支承层施工完成后应进行拉毛处理。 3）支承层材料分为水硬性混合料和低塑性水泥混凝土，其性能应满足表 3.5.1 的要求。为提高支承层抗弯及抗裂等性能，无砟轨道支承层应优先采用水硬性混合料，为减小用水量，水硬性