高速铁路轨道结构课件

1、1 高速铁路的轨道结构高速铁路的轨道结构 一、高速铁路轨道结构应具备的主要性能及国外主要高速铁路的轨道结构型式 (一) 高速铁路轨道结构应具备的主要性能 1. 高平顺性 2. 高可靠性、长寿命 3. 高稳定性 (二) 国外主要高速铁路轨道结构的基本型式 1. 有碴轨道结构 2. 无碴轨道 二、高速铁路轨道的设计荷载 三、有碴轨道结构 (一) 钢轨 1. 钢轨尺寸允许偏差及平直度要求 2. 钢轨的化学成份 3. 钢轨的力学性能 4. 钢轨重量和断面 5. 钢轨焊接接头平、直度 (二) 混凝土轨枕 (三) 扣件 1. 国外高速铁路扣件型式及其主要参数 2. 京沪高速铁路扣件的基本设计参数 3. 我

2、国铁路既有弹性扣件的基本性能 2 (四) 道床 1. 国外主要高速铁路的道床结构 2. 京沪高速铁路的道床结构 3. 碎石道床道碴材料 4. 碎石道床底碴材料 5. 有碴桥上的道床厚度 二、无碴轨道结构 (一) 无碴轨道结构的特点及其使用条件 (二) 无碴轨道在国外高速铁路上的应用 (三) 我国高速铁路的无碴轨道结构 1. 长枕埋入式无碴轨道 2. 板式无碴轨道 3. 弹性支承块式无碴轨道 (四) 我国高速铁路无碴轨道结构的扣件 (五) 轨道过渡段 1. 过渡段长度的确定 2. 技术处理措施 3 1.1.高速铁路轨道结构应具备的主要性能高速铁路轨道结构应具备的主要性能 及国外主要高速铁路的轨道

3、结构型式及国外主要高速铁路的轨道结构型式 1.11.1高速铁路轨道结构应具备的主要性能高速铁路轨道结构应具备的主要性能 1.1.11.1.1高平顺性高平顺性 (1)(1) 提高钢轨的平直性、轨面的平顺性及钢提高钢轨的平直性、轨面的平顺性及钢 轨焊接接头的平直性。轨焊接接头的平直性。 (2) (2) 避免由于轨道结构的连续性、均一性遭避免由于轨道结构的连续性、均一性遭 到破坏而引起的中、长波不平顺。到破坏而引起的中、长波不平顺。 (3) (3) 提高轨道弹性的均匀性。防止由于路基、提高轨道弹性的均匀性。防止由于路基、 道床、轨下胶垫弹性不匀所引起的长波不平顺。道床、轨下胶垫弹性不匀所引起的长波不

4、平顺。 4 1.1.21.1.2高可靠性，长寿命高可靠性，长寿命 (1)(1) 高可靠性主要是指轨道结构保持平顺性，维高可靠性主要是指轨道结构保持平顺性，维 持线路正常运营的能力。持线路正常运营的能力。 (2)(2) 长寿命，指的是轨道结构有较长的维修和大长寿命，指的是轨道结构有较长的维修和大 修周期。修周期。 1.1.31.1.3高稳定性高稳定性 (1)(1) 采用跨区间无缝线路是提高轨道结构的连续采用跨区间无缝线路是提高轨道结构的连续 性，均匀性的重大举措。而无缝道岔直基本轨的温性，均匀性的重大举措。而无缝道岔直基本轨的温 度附加力会使道岔区成为无缝线路稳定性的控制点。度附加力会使道岔区成

5、为无缝线路稳定性的控制点。 (2)(2) 高速列车的高频冲击和振动，会使轨道结构高速列车的高频冲击和振动，会使轨道结构 的纵、横向阻力，即轨道自身保持稳定的能力降低，的纵、横向阻力，即轨道自身保持稳定的能力降低， (3)(3)而高速列车的蛇行和横向振动又会使作用到轨而高速列车的蛇行和横向振动又会使作用到轨 道上的横向荷载加大。道上的横向荷载加大。 5 1.21.2国外主要高速铁路轨道结构的基本形式国外主要高速铁路轨道结构的基本形式 1.2.11.2.1有碴轨道结构有碴轨道结构 (1)(1)日本东海道新干线大部分线路为有碴轨道结构。最初采用日本东海道新干线大部分线路为有碴轨道结构。最初采用 50

6、kg/m50kg/m焊接长钢轨，每公里焊接长钢轨，每公里17201720根预应力混凝土轨枕，道床碎石及根预应力混凝土轨枕，道床碎石及 底碴层总厚底碴层总厚50cm50cm，碴肩宽，碴肩宽50mm50mm。120120双弹性扣件，扣压力双弹性扣件，扣压力6kN6kN，轨下，轨下 胶垫胶垫606090kN/mm90kN/mm。东海道新干线于。东海道新干线于19731973年开始有计划地以年开始有计划地以60kg/m60kg/m焊焊 接长钢轨更换原有的接长钢轨更换原有的50kg/m50kg/m钢轨，以重型轨枕更换原有轻型轨枕。钢轨，以重型轨枕更换原有轻型轨枕。 (2)(2)法国法国TGVTGV线路采

7、用线路采用UIC60 900AUIC60 900A自然硬度自然硬度( (非淬火非淬火) )钢轨，跨区钢轨，跨区 间无缝线路、间无缝线路、U41U41型双块式混凝土轨枕、型双块式混凝土轨枕、(1667(1667根根/km)/km)，NabalNabal扣件、扣件、 扣压力扣压力11kN11kN，轨下弹性垫层厚，轨下弹性垫层厚9mm9mm、静刚度为、静刚度为72.65kN/mm72.65kN/mm，加强型道，加强型道 床断面、肩宽床断面、肩宽60cm60cm、碴肩堆高、碴肩堆高10cm10cm、边坡、边坡1:1.51:1.5，厚度东南线，厚度东南线 50cm(50cm(面碴面碴3030，底碴，底碴

8、20)20)，大西洋线，大西洋线55cm(55cm(面碴面碴35cm35cm，底碴，底碴20cm)20cm)，道，道 碴粒级碴粒级252555mm55mm，硬质碎石道碴。，硬质碎石道碴。 (3)(3)德国德国ICEICE线路采用线路采用UIC60UIC60、900A900A自然硬度自然硬度( (非淬火非淬火) )钢轨，跨区钢轨，跨区 间无缝线路。间无缝线路。B70B70混凝土轨枕，长度混凝土轨枕，长度2.6m2.6m，按枕间距，按枕间距60cm(166760cm(1667根根/km)/km) 铺设。铺设。型弹条扣件、扣压力型弹条扣件、扣压力11kN11kN、弹程、弹程14mm14mm，轨下胶垫

9、厚，轨下胶垫厚6mm6mm，静，静 刚度为刚度为505070kN/mm70kN/mm，碎石道床肩宽，碎石道床肩宽50cm50cm，边坡，边坡1:1.51:1.5，厚度为碎石，厚度为碎石 层层30cm30cm，底碴，底碴( (路基保护层路基保护层) )层层151530cm30cm。 6 1.2.21.2.2无碴轨道无碴轨道 日本山阳、东北、上越等新干线的无碴轨道形式日本山阳、东北、上越等新干线的无碴轨道形式 为板式轨道。为板式轨道。 德国科隆到法兰克福高速铁路上的无碴轨道结构德国科隆到法兰克福高速铁路上的无碴轨道结构 主要有：主要有： RhedaRheda型，是将预应力混凝土轨枕浇注在填充混凝型

10、，是将预应力混凝土轨枕浇注在填充混凝 土中，并支承在钢筋混凝土道床上。土中，并支承在钢筋混凝土道床上。 ZblinZblin型，采用双块式轨枕取代型，采用双块式轨枕取代RhedaRheda型的预应型的预应 力混凝土轨枕，其余的结构组成与力混凝土轨枕，其余的结构组成与RhedaRheda型基本相同。型基本相同。 ATDATD型型 双块式轨枕直接置于沥青混凝土道床上，双块式轨枕直接置于沥青混凝土道床上， 并在枕底与道床之间灌注弹性粘结材料，使两者联结并在枕底与道床之间灌注弹性粘结材料，使两者联结 成整体。成整体。 国外主要高速铁路轨道结构概况见表国外主要高速铁路轨道结构概况见表1.2.11.2.1

11、。 7 表1.2.1 国外主要高速铁路轨道结构概况 国别 铁路 项目 日 本法国德 国 意大 利 东海道山阳东北上越北陆东南大西洋 曼海姆 斯图加特 汉诺威 维尔茨堡 科降 法兰克福 罗 马 佛罗 伦萨 路基 面宽 10.70m 11.60 (11.0) 11.6 12.30 13.613.6 13.5 13.7 13.5 13.7 12.0 13.0 11.0 0 轨道 有碴 54% 有碴12% 无碴板式 50% 有碴 5%无碴板式 90% 有碴 1%无碴板式 92% 无碴 板式 有碴有碴有碴有碴 无碴 Rhcdz型 Zbn型等 有碴 钢轨506060606060UIC60UIC60 UCI

12、 60 轨枕2.4m混凝土枕1700根/km 双块式混 凝土枕2.3m 1667根/km 2.6m混凝土枕1667根/km 2.6m 混凝 土枕 道床 面碴30cm 底碴30cm 面碴30cm 底碴20cm 面碴30cm 35cm 底碴20cm 20cm 碎石面碴层30cm 底碴(路基保护层1530cm) 面碴 35c m 扣件 120双弹性扣件，扣压力6kN，垫板厚10mm， 静刚度90kN60kN/mm Nabal弹性扣件 扣压力11kN，9mm 厚橡胶垫静刚 度72kN/mm 弹条扣件扣压力11kN 6mm厚橡胶垫， 静刚度7080kN/mm 道岔可动心轨道岔可动心轨道岔可动心轨道岔 8

13、 2.2.高速铁路轨道的设计荷载高速铁路轨道的设计荷载 列车轴重是轨道结构设计的基本参数。列车轴重是轨道结构设计的基本参数。 随着列车速度的提高，由于轮轨动力效应所随着列车速度的提高，由于轮轨动力效应所 引起的动力附加荷载更大。因此，积极减小引起的动力附加荷载更大。因此，积极减小 列车轴重，降低轮轨动力效应，已成为世界列车轴重，降低轮轨动力效应，已成为世界 各国高速铁路共同的趋势。各国高速铁路共同的趋势。 欧洲铁路根据实测资料，得出了几种典欧洲铁路根据实测资料，得出了几种典 型机车车辆在不同速度范围内动轮重随速度型机车车辆在不同速度范围内动轮重随速度 的变化趋势，如图的变化趋势，如图2.0.1

14、2.0.1所示。所示。 9 表表2.0.1 高速铁路的列车轴重和动力附加系数高速铁路的列车轴重和动力附加系数 国 别 铁路 名称 设计 最高 速度 (km/h) 轴重(t)轮径(mm) 动力附加系数注 机车 (动车) 车辆(从车) 机车 (动车) 车辆 (从车) 法国 TGV东 南线 TGV大 西洋线 270 300 16.3 17.0 16 16 920 920 920 920 绞接 式车 辆 德国ICE 200 250 21 19 13.5 13.5 1030 1030 920 920 0.45(120km/h) 0.75(250km/h) 1.00(300km/h) 四轴 车 意大利 E

15、TR450 ETR500 250 275 18 18 12 12 1100 1100 890 890 四轴 车 联合国欧洲 铁路经委会 (ECE)欧洲 铁路干线协 议 (AGC) B1客运 专线 B2客货共线 300 250 17 22.5 (200km/h) 17 16 客车16 货车 100km/h22.5 120km/h20 140km/h18 日本 0系 100系 300系 210 260 300 16 15 14 15 12 910 910 860 910 910 860 四轴 车 中国 京沪 高速 列车 中速 列车 300 200 19.5 23 14 16 1050840 0.1

16、50.22 (80160km/h) 0.320.41 (160210km/h) 0.751.00 (210km/h) 四轴 车 10 图图2.0.1 2.0.1 典型机车车辆在不同速度范围内动轮重的实测值典型机车车辆在不同速度范围内动轮重的实测值 欧洲铁路根据实测资料，得出几种典型机车车辆欧洲铁路根据实测资料，得出几种典型机车车辆 在不同速度范围内动轮重随速度的变化趋势如图在不同速度范围内动轮重随速度的变化趋势如图 2.0.12.0.1所示。所示。 11 3.13.1钢轨钢轨 3.1.13.1.1钢轨尺寸允许偏差及平直度要求钢轨尺寸允许偏差及平直度要求 表表3.1.13.1.1同时列出了我国京

17、沪高速铁路技术同时列出了我国京沪高速铁路技术 条件条件( (以下称京沪技术条件以下称京沪技术条件) )，国外高速铁路，国外高速铁路 UIC860(UIC860(国际铁路联盟国际铁路联盟860)860)、JISE1011(JISE1011(日本工业日本工业 标准标准1101-1993)1101-1993)、TGV(TGV(法国高速铁路法国高速铁路) )、EN(EN(欧洲欧洲 标准协会标准协会) )及及GB2585(GB2585(国标国标2585)2585)和和TB/T2344(TB/T2344(部标部标 2344)2344)各项标准所规定的钢轨尺寸允许偏差。各项标准所规定的钢轨尺寸允许偏差。 3

18、.3.有碴轨道结构有碴轨道结构 12 表表3.1.1 3.1.1 世界主要高速铁路钢轨尺寸允许偏差世界主要高速铁路钢轨尺寸允许偏差(mm) (mm) 项 目 京沪技术 条件 UIC860JISE1101TGVEN(A)EN(B)GB2585TB/T2344 钢轨高度0.60.6 +1.0 -0.5 0.50.60.6 +0.8 -0.5 0.5 轨头宽度0.50.5 +0.8 -0.5 0.50.50.50.50.5 踏面轮廓 +0.6 -0.3 +0.6 -0.3 0.6 轨腰厚度 +1.0 -0.5 +1.0 -0.5 +1.0 -0.5 +1.0 -0.5 +1.0 -0.5 +1.0

19、-0.5 +1.0 -0.5 +1.0 -0.5 鱼尾板支承表面0.35 +1.0 -0.5 间隙 外 +1.0 -0.5 0.350.35腰高腰高 鱼尾板安装高度0.60.6内0.60.60.60.50.5 轨底宽度1.0 +1.0 -0.5 0.80.81.01.0 +1.0 -2.0 1.0 -2.0 轨底边缘厚度 +0.75 -0.5 +0.75 -0.5 0.75 -0.5 轨底平整度凹陷0.3 不平0.4 凹陷0.3凹陷0.3凸出0.5凸出0.5 断面不对称1.21.5头对底偏移0.51.51.21.2 头0.5 底1.0 头0.5 底1.0 距轨底边缘 20mm处厚度 0.5 端

20、面垂直度0.60.60.50.60.60.61.01.0 螺栓孔 直径 30 0.50.5 0.5 300.70.7 0.70.71.01.0 螺栓孔 位置 30 0.50.5 0.5 300.70.7 0.70.71.01.0 13 表表3.1.2 3.1.2 世界主要高速铁路钢轨平、直度规定世界主要高速铁路钢轨平、直度规定(mm/m) (mm/m) 部位项 目 京沪技术 条件 UIC860JISE1101TGVEN(A)EN(B)GB2585 TB/T2 34 轨端 垂直平直度(向 上) 0.4/2 0.3/1 0.7/1.51.7/1.5 0.4/2 0.3/1 0.4/2 0.3/1

21、0.5/1.50.8/10.5/1 (向下)0.2/2000.2/20.2/20.2/1.50.2/10.2/1 水平平直度 0.5/2 0.4/1 0.7/1.50.5/1.5 0.5/2 0.4/1 0.6/2 0.4/1 0.7/1.50.8/10.5/1 轨身 垂直平直度 0.3/3 0.2/1 0.3/3 0.2/1 0.3/3 0.2/1 0.4/3 0.3/1 水平平直度0.45/1.5 0.45/1.50.45/1.50.6/1.5 重叠 部位 垂直平直度0.3/2 0.3/20.4/1.5 水平平直度0.6/2 0.6/20.6/1.5 全长 上弯曲和下弯 曲 5mm 10/

22、105mm5mm5mm 0.50.5 侧弯曲R1500m 10/10R1000mR1500m R 1500m 端部扭曲0.455/10.4/1 0.455/10.455/1 全长扭曲2.5mm 1.0mm 2.5mm2.5mm0.10.1 表表3.1.2 3.1.2 列出了上述各项标准对钢轨平直度所作出的规定列出了上述各项标准对钢轨平直度所作出的规定 14 表表3.1.2 3.1.2 钢轨的化学成分钢轨的化学成分 表表3.1.33.1.3列出了京沪技术条件及国外有关标列出了京沪技术条件及国外有关标 准中对化学成分的规定准中对化学成分的规定 表表3.1.3 3.1.3 世界主要高速铁路钢轨化学成

23、分世界主要高速铁路钢轨化学成分(%) (%) 项 目CSiMnPSALH(ppm)O(ppm) 京沪 技术 条件 0.650.750.100.500.801.300.025 0.008 0.025 0.004 2.5(液) 1.5(固) 20 (液固) U71Mn0.650.770.150.350.100.150.040.04 UIC860 900A0.600.800.100.500.801.300.0400.040 TGV0.600.800.100.500.801.300.0350.0300.004 E N 规定 (液)0.620.800.150.580.701.200.0250.0250.

24、004 2.5 或 2.5 20 或 20 (固)0.600.820.130.600.651.250.0300.0300.004 JISE11010.630.750.150.300.701.100.0300.025 15 表表3.1.43.1.4列出了对残留元素上限值的规定。列出了对残留元素上限值的规定。 表表3.1.4 3.1.4 钢轨残留元素上限钢轨残留元素上限(%) (%) 项 目CrMoNiCuSnSbTiNbVCu+10Sn Cr+Mo+ Ni+Cu+V 京沪 技术条件 0.150.020.100.150.0400.0200.0250.010.030.350.35 TGV平均值 偏差

25、 0.028 0.010 0.004 0.002 0.036 0.005 0.026 0.010 0.011 0.007 微量微量微量微量 0.35 EN0.150.020.100.150.040.020.0250.010.030.350.35 16 3.1.33.1.3钢轨的力学性能钢轨的力学性能 除了传统的力学指标抗拉强度b，延伸率5和踏面硬度之外， 高速铁路还对钢轨的疲劳强度、断裂韧性，裂纹扩展速率、残余应 力、落锤性能等提出了要求。京沪技术条件中有关力学性能的规定 见表3.1.5。表中的各项指标值大体是参照UIC900A和EN标准制订的。 表3.1.5 钢轨的力学指标 参 数 b(MP

26、a)5(%)硬度(HB) 疲劳寿命(次) (r=-1,应变幅 1350) KIC(MPam1/2) da/dn(m/GC) 残余应 力(MPa) 落锤 (lt,高 9.1m) K(MPam1/2) 10 13.5 最小值平均值 指 标 880102603005106262917552501次 17 日本新干线、法国日本新干线、法国TGVTGV和德国和德国ICEICE高速铁路所采用的高速铁路所采用的 钢轨均为钢轨均为60kg/m60kg/m级。我国级。我国60kg/m60kg/m钢轨在国内主要干线上钢轨在国内主要干线上 已铺设已铺设5 5万多公里。三种万多公里。三种60kg/m60kg/m钢轨的

27、断面尺寸及主要参钢轨的断面尺寸及主要参 数如图数如图3.1.1a,b,c3.1.1a,b,c表表3.1.63.1.6所示。国外高速铁路钢轨重量所示。国外高速铁路钢轨重量 都为都为60kg/m60kg/m级，故在我国高速铁路上采用级，故在我国高速铁路上采用60kg/m60kg/m级钢轨级钢轨 也顺理成章。也顺理成章。 a.UIC60kg/m轨 b.中国60kg/m轨 c.日本60kg/m轨 图3.1.1 60kg/m钢轨断面 18 表3.1.6 三种钢轨断面主要参数 轨型UCI日本60CHN60 轨高(mm)172174176 底宽(mm)150145150 头高(mm)514948.5 底高(

28、mm)31.530.130.5 腰厚(mm)16.516.516.5 IX(cm4)305530903214 Wx头(cm3)335.5321.2339.4 WX庭(cm3)377.4397.2396.0 轨重(kg/m)60.3460.860.64 19 进行断面设计通常考虑的因素是： 轨重影响钢轨的垂向抗弯刚度及抗横向倾覆稳定 轨底宽影响钢轨的抗横向倾覆稳定性 头高影响金属分配比及轨头的磨耗限值 底高影响金属分配比及底部的强度 腰厚影响轨腰部分的强度及腐蚀限值 轨头、轨腰及轨腰、轨底的连接圆弧将影响其局部应力及接头夹板的 接触面。 UIC60轨和我国60kg/m钢轨的轨顶弧线是很近似的，都

29、是五段式 13-80-300-80-13弧线，只是各段弧线的长度略有差异，中国60kg/m轨 中心R=300mm圆弧的宽度为20mm，R=80mm连接圆弧的宽度为15.33mm， 整个轨顶弧线宽度为69.36mm，而UIC60轨的相应尺寸为21mm、15.5mm 和70.6mm，轨头侧面斜度均为1:20。 可以认为，对轮轨几何接触、轮轨动力、轮轨磨耗最具影响的轨 头形式尺寸而言，UIC60轨和中国的60kg/m轨没有实质性的差异。 20 3.1.53.1.5钢轨焊接接头平、直度钢轨焊接接头平、直度 表3.1.6列出了世界主要高速铁路焊接接头的平、 直度标准。 表3.1.6 高速铁路焊接接头平、

30、直度标准 部 位项 目京沪技术条件TGV日本新干线TB/T1632-91 顶 面 接触焊 +0.2/1m -0/1m +0.2/1m -0/1m +0.3/1m -0/1m +0.3/1m -0/1m 铝热焊 气压焊 +0.2/1m -0/1m +0.2/1m -0/1m +0.3/1m -0/1m +0.5/1m -0/1m 内 侧 工作面 接触焊 +0.2/1m -0/1m +0.2/1m -0/1m +0.3/1m -0/1m +0.3/1m -0/1m 铝热焊 气压焊 0.3/1m0.3/1m0.3/1m0.5/1m 21 3.23.2混凝土轨枕混凝土轨枕 国外高速铁路混凝土轨枕的结构

31、型式及适用速度范围列於表3.2.1。 表3.2.1 国外主要高速铁路混凝土轨枕的结构型式及适用速度范围 国别 轨枕 型式 轨枕 型号 长度 (mm) 轨下截面 尺寸 中间截面 尺寸枕底 面积 (cm2) 重量 (kg) 预应力筋 列车最 高速度 (km/h) 高度 (mm) 底宽 (mm) 高度 (mm) 底宽 (mm) 根数 重量 (kg) 日 本 整体 式 3T24001902831752306430260 16 2.9 3 6.00 210 以下 3H2400220310.51952507040325 20 2.9 3 7.50 210 270 4H2400220310.51952507

32、0403254139.98 德 国 整体 式 B70W2600210300175220593030449.76.42 250 B90W2600210320180240668033049.76.42 B752800240330200290756038049.76.42 法 国 双块 式 U312245220290 块 长 6803944218-160 U4124152202908404872248-300 22 我国铁路目前生产的混凝土轨枕系列的主要设计参数列於表3.2.2。 表3.2.2 各类轨枕的主要设计参数 轨枕类型 枕 各弦61、弦69、筋69 弦79、S-1 弦81、筋81 S-2.J

33、-2 M-3(a)、(b) C-3(a)、(b) 轨枕长度(mm)250025002600 截面别轨下中间轨下中间轨下中间 高度(mm)201175201165230185 表面宽度(mm)165155165161170200 底面宽度(mm)275250275250300280 轨枕重量(kg)250251320、340 轨枕底面积(cm2)658865887720 端头面积(cm2)490490590 预应力筋配置 363.0 4d8.2 443.0 4d10.0 165.0 8(7.57.8) 107.0 预应力筋用量(kg)5.16.27.858.0 初始张拉力(kN)26732742

34、3 设计承载弯矩(kNm)11.9-8.013.3-10.519.05-17.30 抗裂弯矩(kNm)17.7-11.919.3-14.027.9022.50 扣件类型 70型扣板式 弹条型 弹条型 (a)型-弹条型 (b)型-弹条型 23 根据试验和分析，型、型混凝土枕的适用条 件如表3.2.3所示。 表3.2.3 、型枕适用条件 轨 型轨道类型 设计轴重 (t) 枕上压力 (kN) 承载弯矩(kNm) 轨下截面中间截面 一般轨道2310812.40-9.61 重载轨道2515018.00 +7.20 -14.00 24 京沪高速铁路参京沪高速铁路参ICEICE的机车荷载的机车荷载( (轴重

35、轴重19.5t)19.5t)，设，设 计出三种轨枕方案如表计出三种轨枕方案如表3.253.25 表表3.2.5 3.2.5 三种高速铁路轨枕设计方案及三种高速铁路轨枕设计方案及型枕对比型枕对比 高 速 方 案 轨下截面 (mm) 中间截面 (mm) 轨枕重量 (kg) 轨下截面 中间截面 M(kNm) 高度底宽高度底宽 122030018028031018.20-15.93 222030017528030918.14-16.28 321530017528030418.60-14.59 23030018528032019.50-17.16 可以看出，京沪高速铁路所需的轨枕承载能力略低于 型枕，故

36、按所需承载能力所设计的三种高速铁路轨枕其 高度约比型枕低10mm，重量约轻10kg，使考虑到型枕 在我国已大量生产、使用，及生产成本，使用经验考虑。 建议我国高速铁路有碴轨道结构采用型混凝土轨枕。 25 3.3扣件 3.3.1国外高速铁路扣件型式及其主要参数 表3.3.1 国外主要高速铁路扣件 国名线路扣件型式 扣压 力 (kN) 胶 垫 扣压弹性件 弹程 (mm) 厚(mm) 静刚度 (kN/mm) 日本 东海道 山阳 120双重 弹性 6106090/ 法国TGVNabal119708.19.1 德国 曼海姆斯图 加特 HM116(5070)14 英国/潘得罗1110305012 26 3

37、.3.23.3.2京沪高速铁路扣件的基本设计参数京沪高速铁路扣件的基本设计参数 制订京沪高速铁路扣件的主要设计参数如下： 初始扣压力10kN 扣压弹性件弹程10mm 胶垫静刚度80kN/mm 每公里线路两股钢轨间的电阻4 我国铁路既有的弹条扣件、轨下橡胶垫板的型号、 主要设计性能及配套使用情况分别如表3.3.2，3.3.3。 27 表3.3.2 弹条扣件的型或及主要设计性能 项目单位 扣压力 弹程 最大横向力(疲劳荷载) kN mm kN 9 8 60 10 10 70 11 13 70 弹条 直径 材质 抗拉强度 屈服强度 mm MPa MPa 13 60Si2Mn 1300 1200 13

38、 60Si2Va 1900 1700 20 60Si2Mn 1300 1200 轨距调整量 调高量 mm mm -8，+12 (-8，+16) 10 +8,-12 10 +4,-8 0 注：括号内值为50kg/m钢轨。 28 表3.3.3 轨下胶垫的型号、静刚度及配套使用性能 轨枕型号弹条扣件型号 轨下橡胶垫板 使用范围 型号静刚度kN/mm 型 型有挡肩 型 型 60-10-1755-80R600m的曲线及直线地段 60-12-1740-60钢轨接头枕 60-12-1190-115R600m的曲线地段 型无挡肩型60-10-1755-80R350m的曲线及直线地段 注：垫板型号中三组数字顺次

39、表示：钢轨类型、垫板厚度和垫板上下表面沟槽数之和。 29 3.43.4道床道床 3.4.13.4.1国外主要高速铁路的道床结构国外主要高速铁路的道床结构 日本东海道新干线及其它新干线，法国日本东海道新干线及其它新干线，法国TGVTGV线路，线路， 德国德国ICEICE高速线路，西班牙高速铁路的线路断面图分别高速线路，西班牙高速铁路的线路断面图分别 示於图示於图3.4.13.4.13.4.63.4.6。 10700 车辆限界 8003400800 车辆限界 单位：mm 800 500800 252 或 500 2350 或 240 0 1850 或 1800 2350 或 2400 525 或

40、500 800 1000 通 路 3% 300 200 道碴层 底碴层 100 通 路 4200 3400 3% 图图3.4.1 3.4.1 日本东海道新干日本东海道新干 线线路断面线线路断面 车辆限界车体间距 车辆限界 混凝土轨枕 1100800 3400 800 800 1100 500 2400 1000 2400 5001100 1000 4300 道碴层底碴层 10 0 300 300 图图3.4.2 3.4.2 日本其它新干线日本其它新干线 线路断面线路断面 30 b 道床面碴；f 路基表层； qc 道床底碴层； a1，a2土工纤维织物隔离层； g 干净砂/砾层； ft用水硬性砂浆

41、处理过的路基表层； s 细砂隔离层； r1，r3,r4换土的路基表层 图3.4.3 法国TGV线路不同路基条件下的线路断面 b qc g S a f 31 图图3.4.4 3.4.4 德国德国ICEICE新线线新线线 路断面路断面 2350 1050 2600 500 150(300) 1:20 1:20 13700 2 =6850 UIC60钢轨 B170轨枕 道碴 路基保护层 防冻层 路基 300 700 路堑 路堤 4% 堑 4% 堑 路堤13.30 路堑12.76 图图3.4.5 3.4.5 西班牙高速铁西班牙高速铁 路线路断面路线路断面 32 图图3.4.6 3.4.6 日本单层道床

42、日本单层道床 中的基床表层中的基床表层 图图3.4.7 3.4.7 强化路盘结构强化路盘结构 日本新干线高速铁路采用的单层道日本新干线高速铁路采用的单层道 床结构及强化路盘床结构及强化路盘 33 3.4.23.4.2京沪高速铁路的道床结构京沪高速铁路的道床结构 京沪高速铁路的道床断面如图3.4.8所示。 图图3.4.9(a) 3.4.9(a) 京沪高速铁路双线京沪高速铁路双线 路堑路堑( (硬质岩石硬质岩石) )标准横断面图标准横断面图 图图3.4.8 3.4.8 道床断面图道床断面图 图图3.4.9(b) 3.4.9(b) 京沪高速铁路双京沪高速铁路双 线路堤标准横断面图线路堤标准横断面图

43、34 我国于我国于19901990年重新制订年重新制订TB/T2140-90TB/T2140-90铁路铁路 碎石道碴碎石道碴标准。标准中将道碴质量划分为一级标准。标准中将道碴质量划分为一级 和二级，并规定在特重型、重型轨道地段，应优和二级，并规定在特重型、重型轨道地段，应优 先采用一级道碴。世界各国道碴标准中通用的洛先采用一级道碴。世界各国道碴标准中通用的洛 杉矶磨耗率杉矶磨耗率LAALAA相比，我国一级道碴相比，我国一级道碴LAALAA27%27%， 法国普通铁路及法国普通铁路及TGVTGV东南线东南线LAALAA20%20%，TGVTGV北线北线 LAALAA17%17%、TGVTGV新建

44、线新建线LAALAA16%16%。我国。我国“暂规暂规” 规定的适用於京沪高速铁路特级碎石道碴材质标规定的适用於京沪高速铁路特级碎石道碴材质标 准见表准见表3.4.13.4.1。 35 3.4.3 3.4.3 碎石道床道碴材料碎石道床道碴材料 表表3.4.1 3.4.1 特级碎石道碴标准特级碎石道碴标准 性 能 等 级 指 标 参 数 特 级 道 碴 1.抗磨耗、抗冲击性能 1)洛杉矶磨耗率LAA% 2)标准集料冲击韧度IP 3)石料耐磨硬度系数K干磨 20 100 18 2.抗压碎性能 1)标准集料压碎率CA% 2)道碴集料压碎率CB% CA8 CB18 3渗水性能 1) 渗透系数Pm10-

45、6cm/s 2)石粉试模件抗压强度MPa 3)石粉液限LL% 4)石粉塑限PL% Pm4.5 0.4 LL20 PL11 4.抗大气腐蚀破坏硫酸钠溶液浸泡损失率% 10 5.稳定性能 1)密度g/cm3 2)容重g/cm3 2.55 2.50 6.软弱颗粒饱水单轴抗压强度MPa 20 36 3.4.43.4.4碎石道床底碴材料碎石道床底碴材料 铁路设计铁路设计暂规暂规中规定，用路基基床表层中规定，用路基基床表层 替代道床底碴层。当基床表层材料采用级配碎石替代道床底碴层。当基床表层材料采用级配碎石 时，其材质、粒径级配应满足我国时，其材质、粒径级配应满足我国TB/T2897TB/T2897铁铁

46、路碎石道床底碴路碎石道床底碴的各项要求。的各项要求。 底碴材料的粒径级配应符合表底碴材料的粒径级配应符合表3.4.23.4.2的规定，的规定， 且且0.5mm0.5mm筛以下的细集料中通过筛以下的细集料中通过0.075mm0.075mm筛的颗粒筛的颗粒 含量应小于等于含量应小于等于66%66%，底碴材料的粒径级配与碎，底碴材料的粒径级配与碎 石道碴层及路基基床表层石道碴层及路基基床表层( (即底碴层以下的填料即底碴层以下的填料 层层) )粒径级配的匹配关系示于图粒径级配的匹配关系示于图3.4.103.4.10。 37 表表3.4.2 3.4.2 铁路碎石道床底碴粒径级配标准铁路碎石道床底碴粒径

47、级配标准 方孔筛 边长(mm) 0.0750.10.51.77.1162545 过筛质量 百分率% 0701173213464175679182100100 图图3.4.10 3.4.10 道碴、底碴、基床表层材料粒径级配的合理匹配关系道碴、底碴、基床表层材料粒径级配的合理匹配关系 38 3.4.53.4.5有碴桥上的道床厚度有碴桥上的道床厚度 常速线路上有碴桥上的道床厚度大都小於土路基常速线路上有碴桥上的道床厚度大都小於土路基 上的道床厚度。因为这时道床的主要功能是扩散轨枕上的道床厚度。因为这时道床的主要功能是扩散轨枕 荷载，确定道床厚度的控制因素是路基支承表面的允荷载，确定道床厚度的控制因

48、素是路基支承表面的允 许压应力，而混凝土桥面的允许压应力远远高於土路许压应力，而混凝土桥面的允许压应力远远高於土路 基表面。基表面。 高速铁路有碴桥上道床的主要功能是增加轨道弹高速铁路有碴桥上道床的主要功能是增加轨道弹 性，隔振、除噪、延续道碴的破碎和粉化。扩散轨枕性，隔振、除噪、延续道碴的破碎和粉化。扩散轨枕 荷载不再是决定道床厚度的控制因素，故桥上的道床荷载不再是决定道床厚度的控制因素，故桥上的道床 厚度都大于路基上的道床厚度。厚度都大于路基上的道床厚度。 39 德国高速铁路有碴桥轨道断面如图德国高速铁路有碴桥轨道断面如图3.4.113.4.11 电 杆 位 置 电 杆 位 置 直线上 曲

49、线上 轨顶面 图图3.4.11 3.4.11 德国高速铁路有碴桥轨道断面德国高速铁路有碴桥轨道断面 40 法国法国TGVTGV线路有碴桥轨道断面如图线路有碴桥轨道断面如图3.4.12 3.4.12 35cm 10cm 道碴层35cm 度碴层10cm 防水层 图图3.4.12 3.4.12 法国法国TGVTGV线路有碴桥轨道断面线路有碴桥轨道断面 41 日本高速铁路有碴桥轨道断面如图日本高速铁路有碴桥轨道断面如图3.4.133.4.13所示所示 图图3.4.13 3.4.13 日本高速铁路有碴桥轨道断面日本高速铁路有碴桥轨道断面 42 京沪高速铁路将采用在道碴层与桥面之间铺设橡胶京沪高速铁路将采

50、用在道碴层与桥面之间铺设橡胶 垫层的方案，其轨道断面图如图垫层的方案，其轨道断面图如图3.4.143.4.14。枕下道碴。枕下道碴 层与橡胶层的总厚度为层与橡胶层的总厚度为35cm35cm。橡胶层的材料、结构。橡胶层的材料、结构 及参数待研究确定。及参数待研究确定。 150 185 线线 路路 分分 界界 线线 设接触网锚固处 悬臂板局部加固 声屏障 有接触网立柱 无接触网立柱 挡碴墙 接触网支柱 防水层及保护层 道碴层 碴下胶垫 图图3.4.14 3.4.14 京沪高速铁路有碴桥轨道断面京沪高速铁路有碴桥轨道断面 43 3.4.6 3.4.6 道床状态道床状态 “ “京沪高速铁路设计暂行规定

51、京沪高速铁路设计暂行规定”（上册）（上册） 规定：线路开通前，道床密度不得小于规定：线路开通前，道床密度不得小于1.75g1.75g cmcm3 3, ,支承刚度不得小于支承刚度不得小于120KN120KNmm,mm,纵向阻力纵向阻力 不得小于不得小于14KN/14KN/枕，横向阻力不得小于枕，横向阻力不得小于12KN/12KN/枕。枕。 以满足新线铺设跨区间无缝线路的要求及新建以满足新线铺设跨区间无缝线路的要求及新建 铁路按设计速度开通的要求。铁路按设计速度开通的要求。 44 4.4.无碴轨道结构无碴轨道结构 4.14.1无碴轨道结构的特点及其使用条件无碴轨道结构的特点及其使用条件 采用混凝

52、土、沥青混合料等整体基础取代散粒体采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒体 碎石道床的轨道结构统称为无碴轨道。其优点是：碎石道床的轨道结构统称为无碴轨道。其优点是： 1.1.消除了由于散粒体道碴的破碎、粉化，道床消除了由于散粒体道碴的破碎、粉化，道床 的形变而导致轨道几何形态恶化和日益增加的轨道的形变而导致轨道几何形态恶化和日益增加的轨道 维修工作量。维修工作量。 2.2.整体化的轨下基础给轨道提供了更为强大的整体化的轨下基础给轨道提供了更为强大的 纵、横向阻力，提高了轨道的稳定性。纵、横向阻力，提高了轨道的稳定性。 在刚性的整体混凝土底座上，安装厂制的橡胶在刚性的整体混凝土底座上，安装厂制

53、的橡胶 垫板，橡胶靴套或现场浇注的垫板，橡胶靴套或现场浇注的CACA砂浆垫层等弹性元砂浆垫层等弹性元 件提供的轨道弹性，比在土路基上的碎石道床提供件提供的轨道弹性，比在土路基上的碎石道床提供 的轨道弹性更具均匀性。的轨道弹性更具均匀性。 45 其缺点是：其缺点是： 1.1. 散粒体碎右道床可通过起、拨、捣作业，方便散粒体碎右道床可通过起、拨、捣作业，方便 地对轨道几何形态的变化进行整治和修理。而无碴整地对轨道几何形态的变化进行整治和修理。而无碴整 体道床，只能利用扣件的有限调节量调整轨道几何尺体道床，只能利用扣件的有限调节量调整轨道几何尺 寸的变化，因此，无碴轨道结构建成之后的永久变形寸的变化

54、，因此，无碴轨道结构建成之后的永久变形 受到严格的限制。受到严格的限制。 2.2.无碴轨道为刚性基础，其轨道整体弹性差。列无碴轨道为刚性基础，其轨道整体弹性差。列 车运行时其环境振动，噪声及轨道振动强烈。车运行时其环境振动，噪声及轨道振动强烈。 3.3.无碴轨道的基础一旦出现变形或破坏，其整治无碴轨道的基础一旦出现变形或破坏，其整治 和修复相对困难，资金和人力的投入也很大，故要求和修复相对困难，资金和人力的投入也很大，故要求 有坚实和稳固的基础。有坚实和稳固的基础。 4.4.无碴轨道的工程费用比有碴轨道高。无碴轨道的工程费用比有碴轨道高。 46 基于上述特点，我国现阶段在使用无碴轨道结构时基于

55、上述特点，我国现阶段在使用无碴轨道结构时 需要考虑下述各点：需要考虑下述各点： 1.1.在现阶段我国高速铁路上无碴轨道将首先应用于在现阶段我国高速铁路上无碴轨道将首先应用于 混凝土桥梁、高架结构及有仰拱的隧道内。混凝土桥梁、高架结构及有仰拱的隧道内。 2.2.在混凝土桥梁和高架结构上使用无碴轨道时，必在混凝土桥梁和高架结构上使用无碴轨道时，必 须考虑无碴轨道施工完成后混凝土梁的工后徐变上拱量，须考虑无碴轨道施工完成后混凝土梁的工后徐变上拱量， 并必须控制在扣件的调高量范围之内。并必须控制在扣件的调高量范围之内。 3.3.扣件是调整无碴轨道几何形变的唯一环节。一般扣件是调整无碴轨道几何形变的唯一

56、环节。一般 要求隧道内无碴轨道扣件的调高量为要求隧道内无碴轨道扣件的调高量为10mm10mm左右，桥梁、左右，桥梁、 高架结构无碴轨道扣件的调高量至少为高架结构无碴轨道扣件的调高量至少为30mm30mm，最好为，最好为 50mm50mm。 无碴轨道的几何施工精度是决定无碴轨道能否大面无碴轨道的几何施工精度是决定无碴轨道能否大面 积推广应用的关键。积推广应用的关键。 47 4.2 4.2 无碴轨道在国外高速铁路上的应用无碴轨道在国外高速铁路上的应用 在新建的柏林至汉诺威和法兰克福至科隆的在新建的柏林至汉诺威和法兰克福至科隆的 两条高速铁路上，无碴轨道的铺设长度分别占线两条高速铁路上，无碴轨道的铺

57、设长度分别占线 路总长的路总长的70%70%和和100%100%。 德国无碴轨道的型式主要有德国无碴轨道的型式主要有RhedaRheda型、型、 ZblinZblin型、型、ATDATD型和型和Y Y钢枕型，其中用于桥上和钢枕型，其中用于桥上和 隧道内的隧道内的RhedaRheda型轨道结构如图型轨道结构如图4.2.14.2.1所示。所示。 48 图图4.2.1 4.2.1 德国德国RhedaRheda型轨道型轨道 49 日本无碴轨道的基本型式是板式日本无碴轨道的基本型式是板式(slab)(slab)轨道，轨道， 它已成为山阳、上越、东北、北陆等新干线的主型它已成为山阳、上越、东北、北陆等新干线的主型 轨道结构轨道结构( (表表4.2.1)4.2.1)，至今累计铺设总长已达，至今累计铺设总长已达2400km2400km。 表表4.2.1 4.2.1 日本新干线板式轨道铺设长度日本新干线板式轨道铺设长度(km) (km) 轨道类型山