第4章 无砟轨道1.ppt

第四章无碴 砟 轨道 本章要求 了解无砟轨道的发展历史 掌握无砟轨道的特点 类型 掌握无砟轨道结构组成 重点 无砟轨道特点及其结构组成难点 无砟轨道结构组成 有砟轨道 弹性减振 排水及方便维理养护等特点 铺设方便 造价低 容易维修等优点 各国普通铁路轨道的主要结构型式V 振动 道床变形 尤其高速时 维修工作量 轨道不平顺 不均匀变形 高速列车的舒适和安全性 列车风 维修不便 长大隧道及城市地铁 第一节概述 客专及高速要求 高平顺性 高稳定性 少维修无砟轨道特点 优点 良好的轨道稳定性 连续性和平顺性 良好的结构耐久性和少维修性能 工务养护 维修设施减少 免除高速行车条件下有碴轨道的道碴飞溅 可减轻桥梁二期恒载 降低隧道净空 减少客运专线对优质特级道碴的需求缺点 无碴轨道弹性较差 建设期总投资相对较大 下部基础与轨道部分 一旦基础变形下沉 修复困难 对地震和环境的适应性差 无砟轨道类型 1 整体道床轨道支承块式整体道床整体浇注式整体道床弹性整体道床等2 弹性支承轨道短轨枕式长轨枕式3 长枕埋入式轨道普通钢筋长枕埋入式预应力钢筋长枕埋入式4 双块式轨枕 Rheda2000 Z BLIN 5 板式轨道普通钢筋混凝土板式轨道预应力钢筋混凝土板式轨道 日本板式 A型板 框架板式 博格板式 防振板式轨道浮置板轨道 无砟轨道按结构形式可分为整体结构式和直接支承式 路基上无砟轨道一般由基础防冻层 支承层 承载层 放水系统 轨道扣件系统以及其他附属设施共同构成 桥梁和隧道中的无砟轨道直接在结构的混凝土层上铺设 基础变形要求 长大隧道 特大桥上及地铁等具有坚实基础的地段得到应用土质路基基础经处理后满足要求时可铺设 如日本和德国减振降噪要求 防振板式轨道和浮置板轨道 德国 为适应高速行车的需要 德国铁路一直致力于无碴轨道的研发与试铺 初期采用板式 1959年 隧道内首次试铺 1967年 厄尔达车站及班堡 福尔海区间等地铺设了多处板式 中期采用长枕埋入式 1972年在拉达车站上试铺了雷达型长枕埋入式无碴轨道 经试用表明 该无碴轨道维修量小 运营效果良好 因此确定为以后发展的主型轨道 雷达轨道经过数次结构上的修改与完善 发展出了适合于隧道内 桥上及土质路基上的各种雷达轨道系列 埋入的轨枕也从早期的三孔预应力钢筋混凝土轨枕发展至四孔 五孔钢筋预应力混凝土轨枕 现在采用双块式轨枕 发展至雷达HST和雷达2000型的双头轨枕 并以雷达2000型轨道作为主型无碴轨道 正在新建的柏林 汉诺威和法兰克福 科隆两条高速铁路上铺设无碴轨道的长度分别为70 和100 我国 早在1934年和1939年 我国就在东北牡图线北老岭隧道和沈丹线福晋岭隧道内铺设了长木枕和短木枕式混凝土整体道床轨道 从1958年开始至1980年 在成昆线 北京地铁 皖赣线的隧道和许多车站上研发试铺了大量的整体道床轨道 普通钢筋混凝土板式轨道 整体道岔 宽轨枕 框架式轨枕及纵向轨枕轨道等多种结构型式 也曾在土质路基上铺设过整体床 但运营表明不成功后拆除 这期间确定了我国无碴轨道的主要型式为整体道床 并且建议了隧道内整体道床的定型图 进入20世纪90年代 为适应我国铁路客运专线和高速运输的需要 经过对国外无碴轨道技术的引进和消化 又在隧道内和特大桥上铺设了长枕埋入式轨道 板式轨道和弹性支承轨道 取得了较好的效果 此外 在地铁的高减振地段 还积极引进和采用了浮置板轨道 目前我国无碴轨道的计算理论 设计方法 结构数选择 施工方法以及运营中可能出现的病害的防治等方面 都还存在一定的技术问题 尤其值得一提的是 我国铁路无碴轨道尚需要经过一段时间的研究 试铺和推广应用 总结出适合于我国铁路的无碴轨道结构型式和主型无碴轨道 第二节整体道床整体道床是世界范围内普通铁路和地铁上采用得最多的无碴轨道结构型式 在坚硬岩石基础 隧道抑拱及混凝土桥面上 布设道床内的钢筋网 将钢轨 扣件连同预制支承块定位后 现场浇筑混凝土道床 优点 结构简单 整体性好 施工方便等缺点 基础要求较高 轨道弹性和高低 水平调整只能依靠扣件完成 且一旦出现病害难以整治和修复等 分类 依据支承块的不同 混凝土支承块式短木枕式无支承块式 一 混凝土支承块式整体道床支承块是在工厂预制的钢筋混凝土块体 混凝土强度等级为C40 50 尺寸约为500mm 200mm 200mm上小下大的梯形断面 每块约40 50kg 支承块上的承轨槽根据所采用的扣件类型进行设计 为了使支承块与道床混凝土能紧密联结 支承块底面伸出钢筋 块底面呈人字坡状 混凝土道床厚度约为300 400mm 宽度约2 4m 每隔6 25m 洞口 或12 5m 隧道中部 设伸缩缝 道床一般采用C30级混凝土 道床内钢筋按构造和工程经验布设 通常在道床底部按220mm间距双向布设 14钢筋或按200mm间距双向布设 10钢筋 每公里用约22 24吨钢筋 图1 1 2隧道内的砼支承块式整体道床 根据排水沟设置的位置不同 支承块式无碴轨道又可分为中心水沟式 单侧沟式和双侧沟式 中心水沟支承块式整体道床 坚实基岩隧道内支承块式整体道床 各国简介日本 发展无碴轨道较早 较快的国家 1923年在室兰线伏古别隧道风铺设了混凝土整体道床轨道 之后至1960年代 日本无碴轨道主要是在隧道内铺设短木枕和混凝土支承块式整体道床 为适应高速铁路对少维修轨道的需要 自1960年代起 日本研发了A型板式无碴轨道 并成功也应用于山阳 东北 上越等新干线上 且东北 上越新干线上板式轨道占线路延长的90 以上 日本较早在土质路基上试铺无碴无碴轨道 设计有专门应用于土质路基的RA型板式轨道 此外 日本还研发了具有较好减振降噪性能的D C E型系列防振板式轨道 为配合板式轨道的应用 日本还专门研制了直接型系列无碴轨道专用扣件 隧道抑拱上支承块式整体道床 二 其它结构型式的整体道床1 短木枕式整体道床中心水沟短木枕式整体道床用短木枕代替钢筋混凝土支承块 如图4 4所示 短木枕尺寸约为600 160 220mm 将短木枕埋在道床内 设中心水沟 因为短木枕在使用一定年限之后 需要更换 道床断面采用中心水沟式便于短木枕的更换 道床多为素混凝土 2 塑料短枕式整体道床短轨枕采用塑料材质制作 四周及底部还设有橡胶套 具有良好的减振和绝缘性能 国内也曾对这种道床进行过研究 但因造价昂贵 未能实施 奥地利等地铁铺有这种轨道 3 无枕式无碴轨道无枕式整体道床亦称整体灌注式轨道 如图4 5所示 道床混凝土强度等级为C30 施工时自下而上进行 不架设钢轨 而用施工机具把联结扣件的玻璃钢套管按设计位置预埋在道床内 上面做成承轨台 然后再安装钢轨和扣件 整体灌筑式轨道全部为现浇混凝土 整体性强 但施工方法繁琐 机具复杂 进度慢 承轨台抹面精度不易保证 很难达到设计要求 香港和美国旧金山 加拿大 马来西亚等地铁也铺设了无枕式整体道床 4 弹性整体道床在整体道床与结构底座间铺设一层30mm左右厚的弹性绝缘材料与塑料油膏混合物或橡胶沥青混凝土 有的铺设旧轮胎 这种轨道减振效果显著 但造价很高 成都客站上已铺设该种轨道 整体道床与底座间铺设50mm厚的拆线废旧轮胎制成的颗粒 第三节板式无碴轨道板式轨道是在现浇混凝土基础上以乳化沥青砂浆 CA砂浆 层支承预制轨道板的无碴轨道结构型式 日本无碴轨道始终以板式轨道为主 有较为成功的研发及应用经验 除隧道内 桥上等坚实基础上 路基上也使用了板式轨道 德国无碴轨道开发初期也曾经应用 板式轨道结构简单 施工方便 特有的CA砂浆层可提供一定的轨道弹性 在施工过程和病害整治中可方便调整轨道板的高低位置 具有较好的可维修性 对基础的适应能力较强 一 普通钢筋混凝土板式轨道山阳新干线和既有窄轨铁路上采用普通钢筋泥凝土板 轨道板尺寸约为4120mm 2400mm 195mm 采用C50级混凝土 板内双层双向配置普通钢筋 板上预留CA砂浆注入孔 将板定位后 从注入孔注入CA砂浆 轨道板的基础在隧道抑拱混凝土上用C20级素混凝土浇筑 在基础上设截面500mm 500mm钢筋混凝土方柱 限制轨道板的纵横向位移 二 预应力钢筋混凝土板式轨道1 日本A型轨道板 SlabTrack 为适应高速行车的需要及解决无碴轨道维修中的困难 日本国铁于1971年成立了 板式轨道研究会 通过研究 提出了板式轨道必须满足的四个基本条件 建筑费在普通有碴轨道的两倍以内 具有与普通有碴轨道同样的弹性和足够的强度 施工方法比较简便 铺板施工日进度能达到200m以上 一旦轨道出现病害 可以进行修整 轨道板尺寸约为4950mm 2340mm 200mm 轨下截面板的厚度为160mm 采用C50级混凝土 板内双层双向配置部分预应力钢筋 板上预留CA砂浆注入孔 将板定位后 从注入孔注入CA砂浆 轨道板的基础是在抑供或桥面上用C30级钢筋混凝土浇筑的底座 乳化沥青水泥砂浆 CA砂浆 垫层在混凝土基础与轨道板之间 厚度 50mm作用 使轨道具有足够的强度和一定的弹性 施工中误差调整 运营过程中 如基础发生不均匀沉降 可采用补充灌注砂浆的办法进行整治 原料组成 水泥 沥青乳剂 细砂 膨胀剂和速凝剂 凸形挡台与底座板联结 配筋作用 承受列车的纵横向力 2 我国的板式轨道秦沈客运专线狗河特大桥上铺设了板式无碴轨道 板式轨道横断面 板式轨道平面布置 板式轨道侧面布置 秦沈客运专线狗河特大桥上铺设了板式无碴轨道板式轨道主要由60kg m钢轨 WJ 2型扣件 预制轨道板 CA砂浆层 钢筋混凝土底座组成 24m梁跨内每线布置5块轨道板 板间间隙除梁端外均为70mm 根据使用要求的不同 轨道板分为A B C三种类型 A型轨道板的长度为4 930m B型和C型轨道板的长度为4 765m 宽度均为2 4m 厚度均为190mm 其中 A型轨道板用于梁跨中部 B型轨道板用于梁跨两端 C型轨道板用于过渡段无碴轨道设置50kg m辅助轨处 底座采用C40钢筋混凝土 厚度约为250mm 双层双向配筋 通过梁体预埋钢筋与梁联为一体 底座上设圆柱形凸形挡台 半径为250mm 高度为250mm 底座沿线路方向上每隔5m左右设一构造伸缩缝 宽度为2cm 用沥青板填充 伸缩缝与凸形挡台错开布置 底座与轨道板之间设厚度约为50mm的CA砂浆调整层 在与桥头路基相邻的一跨梁上 轨道板与底座之间设置12mm微孔橡胶弹性垫层 3 框架式板式轨道 特点 轻量化 施工性 低成本化 缓和温度应力 日本新干线框架式板式轨道 台湾高速铁路桥上框架式板式轨道 4 博格板式轨道B gl 路基上博格板式轨道结构组成路基上博格无碴轨道由Vossloh300型弹性扣件 预制轨道板 砂浆调整层及水硬性材料支承层等部分组成 二 轨道板 承轨槽用数控机床打磨的博格板 连接轨道板 图1 2 17梁缝处设置长3m 厚度50mm的硬泡沫塑料板 结构组成隧道内博格无碴轨道由Vossloh300型弹性扣件 预制轨道板 砂浆调整层及水硬性材料支承层等部分组成 三 其它结构型的板式轨道1 RA型板式轨道RA型轨道板是为在土质路基上使用而设计的轨道板 如图所示 考虑到土质路基沉降变形较大 板的结构型式和基础处理是重点 轨道板的结构与A型轨道板类似 沥青混凝土底座与轨道板之间仍采用约50mm厚的CA砂浆层垫 CA砂浆调节层的厚度视施工质量而定 最小为40mm 最大为l00mm 为方便在基础沉降过大进行CA砂浆填充等维修工作 轨道板做成小板 每块板上设4 6组扣件 基础处理时 在路基面上铺设300mm厚的砾石层 之上用200mm厚的沥青混凝土层代替普通钢筋混凝土 作为轨道板的基础 2 防振板式轨道日本铁路在研究防止噪音和减轻振动的轨道型式方面做了大量研究 试制了C D和E型三种防振轨道板轨道 C型防振板式轨道采用普通钢筋混凝土轨道板 表面呈凹凸形 轨道板最厚处320mm 最薄处170mm 板重是日本A型板的1 4倍 约7 7t 板下铺有一层厚度为25mm的橡胶垫层 其下设有一厚度为40mm的CA砂浆层 具有明显地减轻振动的效果 D型防振轨道板 在预应力钢筋混凝土轨道板底面涂以一层环氧树脂 而后撒上尿烷树脂和热融性胶质粉末的混合物 经过辗压后 形成厚度为25mm并与板粘合为一体的弹性垫层 该弹性垫层的弹性系数为A型板下CA砂浆层的1 3 E型防振板式轨道由板和隔振部件组成 出工厂后运至现场组成框架式结构 该轨道型式施工和更换方便 中间空隙还可放入石碴起消音作用 3 浮置板轨道浮置板轨道又称质量 弹簧系统 其原理是在上部结构与基础间插入一个由大质量板和低刚度支座组成的固有频率很低的谐振器 防止由钢轨传来的振动进入基础 与有碴轨道比较 减振效果可达15 20dB 适用于减振要求很高的地段 这种轨道已于德国 美国 新加坡及我国广州和香港等城市地铁中广泛采用 浮置板通过橡胶支座支承在混凝土基础上 浮置板与两侧边墙间也设有橡胶垫 浮置板为C30级普通钢筋混凝土结构 有现浇和预制两类 广州地铁一号线 浮置板3000mm 2300mm 476mm 板重约5 6t 每块浮置板由4个橡胶支座支承 广州地铁二号线 浮置板5950mm 2300mm 476mm 板重约11t 每块浮置板由10个刚度为15kN mm的橡胶支座支承 因浮置板较重 施工需有较大吊装机具 施工精度难以保证 更换底部橡胶支座较困难 大修时需中断地铁正常运营 造价也很高 根据新加坡地铁使用经验 发现浮置板轨道对隧道外减振 减噪效果很好 但地铁车厢内振动和噪声较大 个别情况超过了环保标准 4 英国PACT轨道 PavedConcreteTrack PACT型轨道是将钢轨通过弹性垫层直接铺设在轨道板上 钢轨连续支承在轨道板上的由橡胶制成的长带式垫层上 主要特点 以连续铺设成无接缝的钢筋混凝土板作为钢轨支承结构物 钢轨直接支承在连续铺放在混凝土板上的橡胶垫层上 轨道采用 潘得罗尔 型扣件 铺设时 先铺38cm的混凝土层 其上放置长度为2 5 6 1m的钢筋网 并把它焊接成200m长 然后连续灌注混凝土 第四节长枕埋入式无碴轨道长枕埋入式无碴轨道是将木枕 普通钢筋混凝土枕 预应力钢筋混凝土枕或其它形式的轨枕埋入现浇的钢筋混凝土道床板中形成的无碴轨道 特点 结构简单 施工方便 整体性好不足 轨道弹性和高低 水平的调整都仅仅是依靠扣件完成 轨道出现病害时较难整治 对基础的适应性较差 一 长木枕埋入式无碴轨道1956年 我国曾在吉沈线某隧道内铺设了长木枕埋入式无碴轨道 如图4 12所示 采用2 5m长的标准木枕 道钉扣件 将木枕埋入素混凝土道床中 为方便更换木枕 采用中心水沟式混凝土道床 长木枕埋入式轨道具有较好的稳定性 且施工简便 维修也比较容易 但木枕的使用寿命较短 与混凝土道床间的联接不牢 容易出现枕木与混凝土间的脱离 松动等病害 影响轨道的整体性 因此使用得较少 长木枕埋入式无碴轨道 二 普通钢筋混凝土长枕埋入式无碴轨道将长度约为2 1m的普通钢筋混凝土轨枕埋入钢筋混凝土道床内 设侧向排水沟 如图4 15所示 一般长轨枕要预留圆孔 让道床内纵向钢筋穿过 加强轨枕与道床的联结 使道床更坚固 稳定和整洁美观 这种道床适用于软土地基隧道 它可采用轨排法施工 进度快 施工精度亦容易保证 上海和新加坡地铁铺设了这种道床 使用效果良好 普通钢筋混凝土长枕埋入式无碴轨道 三 德国雷达 Rheda 型混凝土长枕埋入式轨道1 Rheda传统型无砟轨道1972年联邦德国铁路在雷达车站修建了长枕埋入式无碴轨道试验段 如图4 16所示 先在路基面上铺设一层厚15cm的水泥混合土 其上铺设20cm厚的聚苯乙烯泡沫泥凝土层 起保温和承重作用 在该层上方灌筑厚度为l4cm的连续配筋式混凝土板 B70S型预应力钢筋混凝土轨枕铺设在该板上 轨枕和混凝土板之间留有3cm的间隙供调整用 轨枕盒中设有三个预先埋在混凝土板上的环形箍筋 轨枕上预留三个孔 使铁杆穿过轨枕和环形箍筋 轨枕间和枕下部分填充C25级混凝土 德国传统的Rheda型轨道 德国RhedaSengeberg型轨道 2 RhedaSengeberg型无砟轨道 将轨枕上的预留孔由传统型的3个孔改为4个孔的Sengeberg型 如图4 17 或最后定型的5个孔拉达轨道 图4 18 轨枕改为B301型预应力钢筋混凝土枕 取消了预埋在混凝土板上的环形箍筋 在轨道板内增设加强钢筋 连续配筋式混凝土板和轨枕间混凝土同时灌筑 德国路基上的雷达轨道 四 我国预应力钢筋混凝土长枕埋入式无碴轨道秦沈客运专线沙河特大桥上 我国首次采用预应力钢筋混凝土长枕埋入式无碴轨道 无碴轨道由钢筋混凝土底座 防水隔离层 钢筋混凝土道床板 预应力钢筋混凝土轨枕 60kg m钢轨及WJ 2型扣件组成 钢筋混凝底座为宽3100mm 厚约250mm 长约4000mm的现浇C40级钢筋混凝土 道床板为宽3100mm 厚300mm 长约4000mm的现浇C40级钢筋混凝土 道床板与底座之间 设厚度为1 2mm的防水卷材作为防水隔离层 与桥头路基相邻的一跨梁上 作为桥上无碴轨道与桥头路基上有碴轨道的过渡段措施 在防水隔离层下设置12mm厚的橡胶垫层 底座通过梁体预埋连接钢筋与梁体相连 道床板上设凸出方柱 楔于底座两端1000 700 130mm的凹槽内 对道床板的纵横向位移加以限制 确保道床板的稳定性 底座凹槽的侧立面设置7mm厚的普通橡胶缓冲垫层 平面布置图 侧面布置图 横断面图 秦沈线桥上长枕埋入式无碴轨道 图1 1 4隧道内长轨枕埋入式混凝土道床轨道 单位 mm 图1 1 5高架桥上长轨枕埋入式混凝土道床轨道 单位 mm 秦沈线桥上长枕埋入式无碴轨道 第五节双块式无砟轨道 一 德国雷达柏林 RhedaBerlinHST 型无碴轨道二 德国雷达2000 Rheda2000 型无碴轨道三 德国旭普林 Z BLIN 型无碴轨道 德国RhedaBerlinHST型轨道 二 德国雷达2000型无碴轨道目前雷达系列轨道已发展为雷达2000型无碴轨道 由于预制的钢筋混凝土长枕与现浇道床板的混凝土之间的联接不良 常在联接处出现裂纹等病害 因此 拄达2000型不再采用预制的预应力钢筋混凝土枕 轨枕中段由钢筋框架组成 将两个支承块连接成为一个整体 形如双块状 而后将钢筋框架连同支承块现场浇筑到道床板内 雷达2000型轨道具有钢筋用量少 轨道高度低 以及运输和施工方便等特点 可以在整段铁路线上连续铺设无碴轨道 正在新建的柏林 汉诺威和法兰克福 科隆两条高速铁路上铺设无碴轨道的长度分别为70 和100 均采用拉达2000型无碴轨道 三 德国旭普林 Z BLIN 型无碴轨道它类似Rheda轨道 是在新灌注的混凝土道床层上用特殊施工机械施加振动 以使轨枕被安置在所规定的位置上 机械化施工性能虽优 但当超高超过150mm时 会引起施工困难 从1977 1996年 Z BLIN无碴轨道已铺设总延长18km 第六节弹性支承