客运专线无碴轨道设计与施工技术

高速客运专线无碴轨道的设计与施工技术,前言国外无碴轨道应用现状国内无碴轨道发展概况无碴轨道设计技术要求无碴轨道施工技术要点6. 结束语,高速客运专线轨道结构从总体上可分为两类：一类是以碎石道床、轨枕为基础的有碴轨道，另一类是以混凝土或沥青混合料为基础的无碴轨道，实践表明，两种轨道结构均可保证高速列车的安全运营。但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、铁路的特点合理选用，以取得最佳的技术经济效益。,1. 前 言,无碴轨道的定义,无碴轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒体道碴道床而组成的轨道结构型式。,无碴轨道的特点（一）,轨道稳定性好，线路养护维修工作量显著减少，从而减小对列车运营的干扰，线路利用率高；轨道几何形位能持久保持，提高列车运行的安全性；平顺性及刚度均匀性好；耐久性好，服务期长；避免优质道碴的使用及环境破坏，无高速运行时的道碴飞溅；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。,轨道必须建于坚实、稳定、不变形或有限变形的基础上，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；初期投资相对较大；振动、噪声相对较大。,无碴轨道的特点（二）,无碴轨道线路的修复,无碴轨道线路的减振措施,无碴轨道线路的降噪措施,适于无碴轨道铺设的范围,基础变形相对较小、维修作业困难的长大桥梁、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、道岔区段；优质道碴短缺、人工费用高的地区。,自上世纪60年代中期开始，世界各国铁路相继开展各类无碴轨道结构的研究，一些国家已把无碴轨道作为高速铁路的主要结构型式全面推广应用。在高速铁路上推广应用无碴轨道的国家和地区主要是日本、德国、荷兰、意大利、韩国、我国台湾省等。,2. 国外无碴轨道的应用现状,无碴轨道结构型式的分类,2.1 日本新干线板式轨道 （普通A型、框架型、减振G型等）2.2 德国高速铁路无碴轨道 （Rheda型、Zublin型、Bogl型等）2.3 其它国家和地区的无碴轨道,2.1 日本新干线板式轨道,从60年代开始试验研究，目前其累计铺设里程已达2700多km（其中新干线约1600多km），为世界上铺设无碴轨道最多的国家 。板式轨道最初铺设在隧道内，以后逐渐扩大到桥梁和路基上。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 。,日本新干线无碴轨道所占比例,东海道新干线(东京新大阪）,山阳新干线(新大阪冈山）,山阳新干线(冈山博多）,东北新干线(东京盛冈）,上越新干线(大宫新泻）,北陆新干线(高崎长野）,板式轨道的结构组成,板式轨道由钢轨、扣件、预制轨道板、CA砂浆调整层、混凝土底座、轨道板间的凸形挡台等组成。 日本板式轨道在研发过程中，曾提出多种结构设计方案，如A型、M型、L型和RA型等，目前日本板式轨道的标准结构型式： 普通A型（平板式） RC 或 PRC 型 框架式 RC型 减振G型 PRC 型,普通A型板式轨道（RC、PRC）,最初为普通混凝土结构，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的轨道板，防止开裂和冻胀。,桥上板式轨道（含伸缩调节器区段）,框架式板式轨道,为节省板式轨道的建设成本，减小轨道板的翘曲，在标准A型轨道板的基础上，研制出框架式轨道板，并推广应用。,预制的框架式轨道板,框架式板式轨道的应用,隧道内,露天区间,日本板式轨道在土质路基上的应用,板式轨道在土质路基的应用从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。,土质路基上板式轨道,减振G型板式轨道,为使高速列车运行满足社会环保对振动、噪声的要求，在特殊要求区段铺设减振型板式轨道。,减振G型轨道板底橡胶垫层的厂内粘贴,减振G型板式轨道在车站高架桥上的应用,橡胶垫层,CA砂浆,2.2 德国高速铁路无碴轨道,德铁无碴轨道从理论分析、室内试验、运营线上短区段试铺到目前大规模铺设经过近40年的发展历程。尽管由于初期技术不成熟，造价相对较高而引起了较多的批评，但随着高速线有碴轨道道碴磨损速率加快，维修工作量增大，以及无碴轨道技术的逐渐成熟、区段试铺无碴轨道的良好效果，自上世纪90年代后，决定在时速250km/h以上的新建高速线全面推广应用无碴轨道结构。,2.2.1 德铁高速线无碴轨道的应用,柏林汉诺威：Rheda Classic、 Zublin 、 FFC、ATD、BTD型科隆法兰克福：Rheda Classic、Zublin、Rheda Berlin型纽伦堡英戈城：Rheda2000、Bgl型,2.2.2 德铁无碴轨道的结构型式,德国无碴轨道结构型式繁多，基于统一的设计基本要求，立足于企业开发研制。尽管德铁的无碴轨道结构型式多种多样，但对扣件系统、下部结构物（土质路基、桥梁和隧道）的技术要求都是统一的。 任何无碴轨道新结构在纳入德铁路网之前，必须获得德铁技术委员会（EBA）的批准。 EBA认证试验室综合评价有限长度的试铺5年的运营考验。,德铁无碴轨道扣件系统（Vossloh 300型）,调高量：4 / +26mm调距量：16mm节点刚度：22.5 kN/mm,德铁通过运营考验的无碴轨道结构,RhedaZublinBerlinATDGetracBgl,（1）Rheda系列无碴轨道,因1972年在德铁Rheda车站铺设而得名；轨道结构组成：钢轨、300型扣件、道床板（含预制混凝土轨枕或双块式轨枕）、槽形板（可选） 等；德国Pfleiderer公司1999年开发出无槽形板的Rheda2000系统；德国正在建设中的纽伦堡英戈城的高速线上使用了Rheda2000系统。,Rheda型无碴轨道的发展历程,普通Rheda型无碴轨道横断面,（韩国高速铁路三座隧道内应用了这种结构型式）,桥上普通Rheda型无碴轨道横断面,桥上普通Rheda型无碴轨道,土质路基上普通Rheda型无碴轨道,道岔区无碴轨道,伸缩调节器区段无碴轨道,Rheda-2000型的主要特点,用钢筋桁架组成的双块式轨枕取代了普通Rheda型中的预应力轨枕，减少了新、老混凝土的结合面，提高了结构的整体性；轨道建筑高度降低（650 473mm），降低工程造价。,Rheda-2000型横断面,Rheda-2000型的轨道排架,Rheda-2000型无碴轨道,软基上的Rheda2000型无碴轨道（荷兰高速铁路）,桥上无碴轨道横断面（台湾高速铁路）,（2）Zblin 型无碴轨道,主要特点： 双块式轨枕； 采用特殊施工设备，用固定架替代钢轨支撑架，将轨排振入预先浇筑的混凝土中。,Zublin型无碴轨道施工（一）,Zublin型无碴轨道施工（二）,Zublin型无碴轨道施工（三）,隧道内的 Zblin型无碴轨道,桥上 Zblin型无碴轨道,（3）BGL（博格）型板式轨道,钢轨、300型扣件； 轨道板（64502550200mm )； （横向先张预应力，纵向非预应力） 乳化沥青水泥砂浆调整层； 混凝土底座（长桥上设）。,BGL板式轨道的组成（二）,级配碎石层(防冻层)水硬性胶结层CA砂浆层Bogl轨道板伸缩缝承轨台支撑螺栓孔CA砂浆灌注孔连接钢筋,长桥（L25m）上的BGL轨道板(非预应力结构、无伸缩缝）,长桥（L25m）上的BGL板式轨道,BGL型板式轨道的优点,由于线路设计与轨道板承轨台设计相结合，轨道板铺设完成后的轨道状态调整工作量少，轨道铺设精度高。 轨道板可与高弹性的Vossloh扣件相匹配，轨道弹性好； 现场混凝土灌注工作量少，施工速度较快； 轨道可修复性较好。,BGL型板式轨道的缺点,桥上与路基上BGL轨道板的结构型式不统一，轨道板在线路上的位置固定，通用性较差。轨道板需要在工厂进行机械加工，成本较高；道岔区BGL型板式轨道仍在研制开发阶段。,BGL轨道板的厂内制造,轨道板横向施加预应力(先张法) 纵向为普通钢筋。,轨道板承轨台部分的数控机床打磨,由于轨道板在线路上的位置是固定的。对于曲线上的轨道板的正矢、缓和曲线上的超高变化，需要在轨道板制造过程中通过数控机床对承轨台进行高精度的磨削。,磨削后的轨道板承轨台,路基上BGL板式轨道的主要施工工序,a）防冻层（渗透率10-5m/s10-4m/s，EV2120N/mm2）b）水硬性胶结层（HGT）（厚度300mm）c）轨道板铺设d）轨道板精确定位e）CA砂浆灌注f）封填窄接缝g）板间连接h）封填宽接缝i）长钢轨铺设,（a）防冻层,（b）HGT层（30cm）,（c）轨道板铺设,（d）轨道板精确定位,（e）板底填充CA砂浆,（f）板间窄接缝封填,（g）板间连接,（h）封填宽接缝,（i）长钢轨铺设,（j） 轨道竣工,（4）ATD与GETRAC型无碴轨道,ATD型,GETRAC型,由于德国全境的地质条件较好，德铁最开始主要针对土质路基和隧道区段的无碴轨道开展研究，以后逐步扩大到预应力混凝土桥上，为全区间推广应用无碴轨道创造了条件。 对于不同的无碴轨道结构，其下部基础的要求都是统一的。相应的规范： 桥梁：DS804 ；路基：DS836；隧道：DS853,2.2.3 德铁无碴轨道对下部基础的要求,路基工后沉降要求,长期运营中的路基残余变形量必须小于等于扣件的调高量减去5mm（为列车荷载产生变形所留出的余量）；如在长度大于20m的线路范围产生较均匀的轨道下沉，则路基残余变形量影响达到第项的2倍；路基的下沉能按竖曲线R0.4v2（v为线路的设计速度）进行圆顺； 如路基残余变形量大于扣件调高量减去余量的4倍或变形量无法进行圆顺的路基上不能铺设无碴轨道。 对于使路基产生不可预测的残余变形区段、地下水位高出钢轨顶面以下1.5m的路基区段均不应铺设无碴轨道。,路基结构要求,路基结构采用自下至上刚度逐步提高的多层支承系统，包括：钢筋混凝土（BTS）/沥青混凝土支承层（ATS）、水硬性材料胶结层（HGT）及防冻层（FSS）等，各层的变形模量（Ev2）和压实系数（Dpr）均有明确的规定。,隧道： 在岩层断裂、基础不稳定及地下水涌流的隧道内，原则上不宜铺设无碴轨道。桥梁： 控制预应力混凝土桥梁的徐变上拱、梁端转角及两相邻梁跨间的横向和竖向相对位移等。,梁端转角对轨道状态的影响,I,v,压应力 拉应力,2.3 其它国家和地区无碴轨道,（1）弹性支承块式无碴轨道自瑞士国有铁路1966年首次采用以来，在很多国家得到应用，如：英吉利海峡隧道、丹麦、葡萄牙、比利时等； 在有减振降噪要求的区段得到广泛应用，如城市地铁等。 我国秦岭隧道（18.4km）、广州、深圳地铁、武汉、津滨轻轨等采用了这种结构型式。,弹性支承块式无碴轨道,弹性支承块由混凝土支承块、橡胶套靴、块下橡胶垫板组成。 轨下胶垫与块下胶垫的双层弹性实现特殊减振要求； 在高速线上无应用。,（2）英国采用的PACT型无碴轨道；（3）韩国汉城釜山高速铁路一期工程的3座隧道和光明车站采用了普通Rheda型无碴轨道；（4）台湾台北高雄高速铁路区间采用板式轨道，站内及两端300m区段采用Rheda2000型无碴轨道。,3. 国内无碴轨道的发展概况,3.1 上世纪80年代前的应用概况50年代末1984年，累计铺设各种型式的整体道床300多km；85年95年无碴轨道的研究基本中断。结构型式以混凝土支承块式为主，其它型式有：短木枕式、整体灌注式、板式轨道等。应用范围：主要在隧道内、站场、城市地铁，而在桥上、路基上铺设较少，铁路桥上无碴轨道采用的结构型式为无碴无枕结构，如：九江长江大桥的引桥；,隧道内支承块式整体道床,九江长江大桥引桥无碴轨道结构,3.295年以来新型无碴轨道的研究与发展,（1）无碴轨道结构的选型原则在高速列车长期动荷载作用下，轨道结构应保持安全、可靠的几何状态，并具有足够的承载强度贮备以及与桥梁、隧道结构相当的使用耐久性；轨道结构具有较好的弹性，以提高乘坐舒适性，减缓轮轨间的冲击作用；结构简单，便于组织快速施工和安装，便于配套设备和机械的应用，施工进度应符合铺轨要求，对于混凝土道床的局部损坏应考虑有修复的可能性；,在无碴轨道的基础确保坚实稳定的情况下，需考虑因施工误差、曲线超高变化，以及预应力混凝土桥梁徐变上拱等因素引起的轨面标高的改变，其配套的扣件设计应考虑有足够的调整量和可行的调整方法；与有碴轨道相比，无碴轨道结构的造价应控制在2倍以内，由于无碴轨道可大幅度降低维修费用，其综合经济效益可被接受，从而有推广应用的价值。,（2）三种无碴轨道结构型式,借鉴国外高速铁路成熟的无碴轨道结构型式，结合我国既有的技术基础，初步提出了三种新型无碴轨道结构型式，并开展了室内实尺模型的静载与疲劳试验： 板式轨道（类似日本板式轨道） 长枕埋入式（类似普通Rheda型） 弹性支承块式,板式无碴轨道实尺模型（1998年铺设）,长枕埋入式实尺模型（1998年铺设）,弹性支承块式无碴轨道（1998年铺设）,在理论研究与室内模型试验的的基础上，最终选定在国外高速铁路上应用较为成熟的长枕埋入式和板式无碴轨道结构，并分别在秦沈客运专线综合试验段的沙河、狗河以及双何特大桥上铺设。 为完善两种无碴轨道的施工工艺，在赣龙枫树排隧道、渝怀线鱼嘴2号隧道内分别试铺了板式和长枕埋入式无碴轨道。,（3） 新型无碴轨道结构的试铺,赣龙线板式轨道,秦沈线狗河桥板式轨道,秦沈线沙河桥长枕埋入式,秦沈线双何桥板式轨道,（4）前期制订的无碴轨道设计与施工技术文件,秦沈线桥上无碴轨道设计技术条件 秦沈线桥上无碴轨道施工技术条件 秦沈线桥上无碴轨道工程施工技术细则 秦沈线桥上无碴轨道工程质量检验评定标准 赣龙线枫树排隧道内板式轨道设计与施工技术条件 渝怀线鱼嘴2号隧道内长枕埋入式无碴轨道设计与施工技术条件,（5） 我国在无碴轨道方面的主要研究成果,（1）无碴轨道的结构设计，包括：普通A型板式轨道、长枕埋入式无碴轨道。（2）两种无碴轨道部件的设计以及制造与验收技术条件的制订；（3）桥上和隧道内无碴轨道工程施工技术细则与质量检验评定标准的制订；（4）小跨度简支箱梁（32m以下）的变形限值以及设计与施工方面的控制措施；（5）与无碴轨道相关的隧道设计技术要求；（6）无碴与有碴轨道间过渡段的主要技术要求；（7）无碴轨道结构的动力测试与长期观测技术。,3.3客运专线无碴轨道规模铺设应解决的关键技术,（1）无碴轨道桥梁变形控制及处理措施（2）无碴轨道对土质路基结构及相应技术要求（3）道岔区无碴轨道（4）施工成套设备和机具的研制（5）与客运专线信号系统的适应性 以上关键技术目前我国正结合“遂渝无碴轨道综合试验段”的建设开展技术攻关。,4. 无碴轨道的设计技术要求,4.1 线路与轨道的一般要求4.2 桥涵主要技术要求4.3 隧道主要技术要求4.4 路基主要技术要求4.5 无碴轨道与有碴轨道过渡段技术要求4.6 轨道电路的技术要求,4.1 线路与轨道的一般要求,曲线超高应根据曲线半径与该区段列车运行速度确定。无碴轨道线路应设置性能良好的防排水系统。无碴轨道线路与信号系统技术要求应相匹配。轨道部件的性能应满足相关技术条件的要求。钢轨支点间距650mm。道床混凝土结构设计使用年限应不小于60年。轨道结构设计应考虑减振降噪要求。,无碴轨道的铺设精度（静态）要求,4.2 桥涵主要技术要求,（1) 无碴轨道底座浇筑前，底座范围内的桥面标高偏差不应超过0/30 mm。（2） 预应力混凝土梁的徐变上拱值应严格限制，无碴轨道的铺设应在梁体终张拉完成60天后进行，无碴轨道铺设后梁体产生的残余徐变上拱值不应大于10mm（或L/5000）。（3）梁缝两侧的钢轨支点横向和竖向相对位移不应超过1mm。墩台顶应设横向限位装置控制横向位移。,桥涵主要技术要求（二）,（4）由于梁端转角导致轨道板上抬的稳定安全系数不应小于1.3。接缝两侧产生的扣件附加上拔力和弹性垫板附加压应力不应超过规定的限值。（5）无碴轨道施工完成后，墩台均匀沉降量不得超过20mm，相邻墩台沉降量之差不应超过5mm；涵洞的沉降量不得超过20mm。 （6）桥梁宜采用可调高支座。墩台顶和梁端应预留顶梁条件。,桥涵主要技术要求（三）,（7）铺设无碴轨道的桥面应设置性能良好的防、排水系统，确保排水顺畅。,4.3 隧道主要技术要求,（1）隧道衬砌应采用曲墙、仰拱结构。（2）隧道仰拱必须设置在稳定的基础上，并保证与下部围岩密贴。当隧道围岩基底承载力达不到0.3MPa或预计发生沉降变形时，应对基底采取加固措施。（3）隧道仰拱基底不得有积水。必要时采取注浆或其它措施治理，防止隧底基础软化或水土颗粒流失。,隧道主要技术要求（二）,（4） 仰拱回填层厚度不小于30cm，混凝土强度等级不低于C20。（5）隧道应设双侧水沟，并确保排水系统通畅。,4.4 路基主要技术要求,（1）地基地质复杂、工后沉降难以准确预测和地下水位高出路基面以下1.5m的路基区段不应铺设无碴轨道。（2）地质勘察 地质勘察工作应能准确查明地基地质条件和填料工程性质，提供评价地基和路基结构物的变形状态必要的地质资料； 沿线路布置地质勘察横断面，间距不大于50m，在过渡段或复杂地段应适当加密并进行纵断面勘察。勘察横断面上的地质点不应少于3个。,路基技术要求（二）,（3）沉降控制 路基的工后沉降不应大于30mm，不均匀沉降不应大于20mm/20m。路桥、路隧等过渡段差异沉降不得大于5mm。 对路基沉降应进行系统的观测与分析评估，观测断面纵向间距2050m，地形地质条件变化较大地段和过渡段适当加密。在路基完成或施加预压荷载后应有至少6个月的观测和调整期，分析评估沉降稳定并且工后沉降满足要求时方可铺设无碴轨道。,路基技术要求（三）,（4）基床结构 路基基床由表层和底层组成。 基床表层为级配碎石或级配砂砾石，基床表层和混凝土支承层的总厚度应大于0.7m； 基床底层2.3m，其填料应为A、B组粗粒土。 基床表层与基床底层应满足压实标准要求。,路基技术要求（四）,（5）其它要求 对性质复杂和分布不均的松软土地基宜采用挖除换填、桩网结构或其它有效控制沉降的处理措施。 半挖半填及陡坡路基应采取措施保证横向刚度和变形的均匀性。,4.5 无碴/有碴轨道过渡段技术要求,由于无碴轨道与有碴轨道之间的竖向刚度不同、桥台与台后路基工后沉降的差异，为了保证列车运行安全性、减小列车通过时引起的振动、提高乘坐舒适性，在衔接处须设置一定长度的过渡段。,（1）过渡段一般要求,结构物与轨道结构的过渡点应相互错开，不应设在同一断面上；过渡段区域不得有联合接头和绝缘接头，并应尽量避免厂焊接头。,（2）线路上部结构采取的过渡措施,在过渡段有碴轨道一侧，增大轨道的竖向刚度。 通过设置25m长60kg/m辅助轨（有碴轨道20m，无碴轨道5m）增大轨排的抗弯模量来增加轨道的刚度。 在过渡段无碴轨道一侧，减小轨道的竖向刚度。 在与有碴轨道相邻的第一跨无碴轨道梁上，在道床板与底座之间设置微孔橡胶弹性垫层。 通过轨下胶垫刚度、轨枕类型及板下胶垫刚度的变化实现轨道整体刚度的平顺过渡,过渡段设置辅助轨（长枕埋入式）,过渡段设置辅助轨（板式轨道）,（3）线路下部结构采取的过渡措施,无碴轨道的下部基础从过渡点开始向有碴轨道延伸至少15m； 自过渡点开始向无碴轨道25m范围，下部基础应预埋与上部轨道结构的连接钢筋。,4.6 轨道电路的技术要求,（1）无碴轨道线路的道床漏泄电阻和钢轨阻抗应满足轨道电路传输长度的要求；（2）无碴轨道线路的道床漏泄电阻不得低于2.0km；钢轨阻抗的电感偏差不得大于5%，交流有效电阻偏差不得大于15；（3）轨道板单元应通过相应的电务性能试验。,无碴轨道的施工技术要点5.1 板式轨道的施工,混凝土底座凸形挡台预制轨道板CA砂浆调整层扣件系统,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 CA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）基础工程验收及基础表面处理,梁体预留连接钢筋,（2）底座与凸形挡台的混凝土施工,底座在梁面或隧道仰拱回填层上构筑；厚度不得小于100mm；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；沿线路方向每隔5m设一横向伸缩缝 。,底座的混凝土灌筑作业,底座混凝土的灌筑与养生,凸形挡台的功能,凸形挡台作为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 ；其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。,梁体中部的圆形挡台,梁端的半圆形挡台,混凝土灌筑完成后的底座与凸形挡台,（3）双向预应力混凝土轨道板的制造与运输,采用部分预应力混凝土结构；配筋对称于截面中心；C60级混凝土；标准板尺寸：49302400190mm端部缺口半径300mm,轨道板的厂内制造,* 轨道板的制造参照“板式轨道混凝土轨道板技术条件”执行。,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,（4）临时轨道的铺设,（5）轨道板的吊装、运输、铺设与状态调整,（6）CA砂浆灌注,CA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，是一种具有混凝土的刚性和沥青的弹性的半刚性体。 设计厚度50mm，施工允许偏差40100mm之间。施工适宜温度：530。 CA砂浆的施工参照“板式轨道CA砂