高平顺、高稳定性的轨道结构

1、高平顺、高稳定性的轨道结构一、高速铁路轨道结构应具备的主要性能 (一)高平顺性 高平顺性是高速铁路对轨道的最根本性的要求，也是建设高速铁路的控制性条件。 提高轨道平顺性的主要措施有： 1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。要通过提高钢轨轧制质量、接头焊接质量和钢轨打磨质量来消除这些属轮轨接触面上的短波不平顺。 2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。钢轨接头、道岔是轨道连续性遭到破坏的典型部位，轨枕间距不匀，轨枕摆置不方，轨枕种类、型号改变，扣件型号、拧紧状态变化，道床肩宽、边坡不标准，以及道碴材质变化都是轨道结构连续性遭到破坏的典型现象。必须在轨道

2、的设计、铺设和养护维修的各个环节上严格把关，才能提高在中、长波范围内轨道的平顺性。 3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。路基软弱、沉陷，道床脏污、翻浆、板结，轨下胶垫老化、失效是造成轨下基础弹性不匀的主要因素，随着行车速度的提高，这种长波不平顺所造成的影响和破坏就愈加严重而必须加强管理。 (二)高可靠性，长寿命 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。高速列车的轴重较轻，在高平顺性条件下所产生的轮轨动力附加荷载也较小，因而轨道各部件的静强度指标通常易于得到满足。高速列车荷载的特点主要在于高频冲击和振动，这种高频荷载容易造成扣件松动

3、、轨下胶垫磨耗、混凝土轨枕承轨槽破损，特别是有碴轨道中道碴破碎、粉化，道床沉降和变形。所有上述现象都会导致轨道结构不均、轨道弹性不匀，并最终引起轨道中、长波不平顺，导致轨道平顺性破坏，影响线路的正常运营。提高轨道的弹性，提高轨道对高频冲击、振动荷载的减振、隔离和承受能力，是高速铁路轨道结构追求的主要目标之一。 长寿命，指的是轨道结构有较长的维修和大修周期。由于高速铁路的行车密度大，速度高，在行车间隔中人员不可能上道，只能利用天窗时间进行轨道的检查和维修。因此其维修工作量必须少，维修周期必须长，才能保证不中断行车，维持列车正常运行。大修要求的天窗时间更长，天窗次数更多，更应尽量延长其周期，减少大

4、修次数。 (三)高稳定性 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。在跨区间无缝线路中道岔的连续焊接，会使道岔区基本轨产生附加温度力，从而使结构受力和变形更为复杂的道岔区成为高速铁路稳定性的控制区。高速列车的高频冲击和振动，会使轨道结构的纵、横向阻力降低，即轨道自身保持稳定的能力降低，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，增加轨道横向失稳(胀轨、跑道)的可能性，因此，高速铁路轨道结构的稳定性仍然是值得特别关注的课题。二、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。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愈大。因此，积极减小列

5、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。三、有碴轨道结构(一)钢轨对高速铁路钢轨的质量要求主要表现在外形尺寸的精确度和内部质量的纯净度。外部尺寸精度包括允许尺寸偏差和平直度要求。钢轨尺寸的精确和外形的平直是轨道平顺的基本保证之一。由于高速列车的轮重相对较轻，轮轨接触应力较小，钢轨表面压溃、波磨、剥离等轨头病害出现的机率较小。同时，由于线路的曲线半径较大，列车通过曲线的速度也相对恒定，因而在曲线地段出现外股侧磨、内股压溃的情况也较少。故高速铁路采用的钢轨均为非淬火轨。高速铁路钢轨折损的主要型式是由于钢轨的内部夹杂、缺陷所引起的疲劳折损。提高钢轨材质的纯净度是减少钢轨疲劳折损、

6、提高钢轨使用可靠性、延长其使用寿命的有效途径。1钢轨尺寸允许偏差及平直度要求 EN(欧洲标准协会)标准的检查项目和指标值EN(A)与TGV(法国高速铁路)大体相近，可作为V=250 350 kmh的参考，EN(B)与UIC860(国际铁路联盟860)、JISE(日本工业标准)大体接近，可作为200 kmhV250 kmh的参考。我国GB2585(国标2585)和TBT 2344(部标2344)标准与高速铁路的要求尚有较大差距，必须在钢轨轧制、冷却、校直等生产环节引入先进技术，如万能法轧制、步进式加热炉、冷床、立卧复合矫直、压力机补矫、在线自动检测探伤等，才能逐步缩小差距，满足需求。 2钢轨化学

7、成分 钢轨的化学成分是影响其力学性能、焊接性能及其他使用性能的基本因素，也是钢轨材质纯净度的重要指标。 为了提高钢轨材质的纯净度，在化学成分上对P、S、Al、H、O等有害元素的含量进行了更严格的限制，并对残留元素的含量作出了规定。京沪技术条件中的化学成分主要是参考了法国TGV及德国ICE使用UIC900钢种的经验及TGV和EN标准对UIC900A标准的部分补充和修订，并考虑到提高焊接性能的需要而对C(碳)的含量作了小量调整之后而提出的，它综合了国外高速铁路钢轨的经验因而将具有更优良的性能。 为了提高国产钢轨的纯净度，在冶炼和轧制过程中，必须引入铁水预处理、碱性氧气转炉或电炉冶炼、炉外精炼、真空

8、脱气、连铸、高压水除鳞等先进技术，严格控制B、C类氧化夹杂物。 3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下表。表中的各项指标值大体是参照UIC900A和EN标准制订的。钢轨的力学指标 4钢轨重量和断面 日本新干线、法国TGV和德国ICE高速铁路所采用的钢轨均为60 kgm级。我国60 kgm钢轨断面与UEC60钢轨断面相似，特别是轨顶面均为R段式弧线，经轮轨几何接触、轮轨动力性能、轮轨磨耗等方面的动力仿真计算及现场实际使

9、用效果考察，表明国产60轨断面与UIC60轨断面没有明显的差异。从铁路现场对钢轨的使用、管理、轨道部件配套考虑，建议京沪高速铁路钢轨采用中国60 kgm钢轨断面。这样，可以在钢轨与接头扣件、中间扣件及道岔的配套方面，在工务维修部门维修备件的装备方面，在钢厂生产工艺和设备的简化及生产短轨的利用方面，带来许多方便和有利条件，从而提高钢厂和铁路运营部门的效益。 5钢轨焊接接头平、直度钢轨焊接接头处是易产生轨面不平直的部位。随着行车速度的提高对其平直度提出了更高的要求。 (二)混凝土轨枕由于混凝土轨枕可以给轨道提供更大的纵、横向阻力，使用寿命长，维修工作量少，由混凝土制品厂生产的轨枕形状、尺寸、性能都

10、比较标准、均一，为钢轨支承的均匀性和轨面的动态平顺性提供了更可靠的条件，因而，世界各国高速铁路有碴轨道均采用混凝土轨枕。、型枕适用条件 京沪高速铁路参考ICE的机车荷载，按上表的设计荷载参数设计出三种轨枕方案。京沪高速铁路所需的轨枕承载能力略低于型枕，故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10 mm，重量约轻10 kg。从单根轨枕的用料和造价而言，高速铁路轨枕会略少於111型枕。但考虑到m型枕在我国铁路已大批量生产、使用，而生产新设计的高速铁路轨枕则需重新配制钢模等生产设备，加之高速铁路轨枕的用量有限，故其综合生产成本不可能比型枕低。从我国铁路当前混凝土轨枕生产、使用的实际出

11、发，建议我国高速铁路有碴轨道结构采用型混凝土轨枕。(三)扣件高速铁路的扣件除要求具有足够的扣压力以确保线路的纵、横向稳定之外，还要求弹性好，以保证良好的减振、降噪性能；扣压力保持能力好，以降低日常维修工作量；绝缘性能好，以提高轨道电路工作的可靠性，延长轨道电路长度，降低轨道电路投资。京沪高速铁路扣件的基本设计参数初始扣压力10 kN；扣压弹性件弹程10 mm；胶垫静刚度80 kNmm；绝缘电阻5 k枕(交流电阻)。(四)道床1京沪高速铁路的道床结构 京沪高速铁路轨道的道床结构，道碴层厚度为35 cm，底碴层由基床表层取代，底碴层的功能完全由路基基床表层实现。京沪高速铁路的路基基床表层厚度暂定为

12、70 cm。至于基床表层的结构形式及其材料性能要求随地基条件与路基填料而变化的规律，我国尚缺乏实践经验，有待在铁路建设中积累总结，并应据此完善有关基床表层的技术规定。 2碎石道床道碴材料我国于1990年重新制订TBT 214090铁路碎石道碴标准。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，应优先采用一级道碴。当时国内生产一级道碴的采石场约占全路采石场的13。如果一级道碴的标准再提高，就会使生产一级道碴的采石场更少，首先在一些主要干线的特重型、重型轨道地段优先采用一级道碴的愿望就会落空。因此，我国的一级道碴标准并不是从技术、经济最优的角度订出的标准，而是根据当时全路道碴的供

13、求关系，并考虑尽快提高道碴质量的要求而提出的。和国外道碴质量，特别是高速铁路的道碴质量相比仍有很大的差距。 3碎石道床底碴材料 我国铁路暂规中规定，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时，其材质、粒径级配应满足我国TBT 2897铁路碎石道床底碴的各项要求。该标准明确规定：“底碴材料可取白天然砂、砾材料，也可由开山块石或天然卵石、砾石经破碎、筛选而成”。底碴材料的粒径级配应符合规定，且0.5 mm筛以下的细集料中通过0075 mm筛的颗粒含量应小于等于66。在粒径大于16 mm的粗颗粒中带有破碎面的颗粒所占的质量百分率不少于30。粒径大于1.7 mm的集料的洛杉矶磨耗率不大

14、于50，其硫酸钠溶液浸泡损失率不大于12。粒径小于0.5 mm的细集料的液限不大于25，其塑性指数小于6。黏土团及其他杂质含量的质量小于等于0.5。 4有碴桥上的道床厚度 普速线路上有碴桥上的道床厚度远远小于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荷载，确定道床厚度的控制因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于土路基表面。高速铁路有碴桥上道床的主要功能是增加轨道弹性、承受列车的冲击、隔离振动、降低噪声、延缓道碴颗粒自身的破碎和粉化，而扩散轨枕荷载不再是决定道床厚度的控制因素。 四、无碴轨道结构 (一)无碴轨道结构的特点及其使用条件 采用混凝土、沥青混合料等整

15、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： 1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维修工作量。这对于无法利用行车间隔时间进行轨道维修作业的高速铁路具有特别重要的意义。 2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。这对于采用跨区间无缝线路的高速铁路具有现实的意义。 3在刚性的整体混凝土底座上，安装厂制的橡胶垫板、橡胶靴套或现场浇注的CA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的轨道弹性更具均匀性。这为提高高速列车的行车平稳性和乘车舒适性提供了重要的条件。 其缺点是： 1散粒体碎石道床

16、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受到严格的限制。 2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。要取得与有碴轨道相当的整体弹性，必须增大弹性元件的投入。 3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，故要求有坚实和稳固的基础。 4无碴轨道的工程费用比有碴轨道高。在无碴轨道的施工工艺比较成熟、施工机械比较完善的国家，其工程费用通常比有碴轨道的工程费用高1525；在无碴轨道的施工技术及施工机具正处

17、于发展和逐步完善的国家，其工程投资之比约为2：1。 基于上述特点，我国现阶段在使用无碴轨道结构时需要考虑下述各点： 1尽管在国外无碴轨道已广泛应用于混凝土桥梁、隧道、车站及区间土路基线路，但考虑到无碴轨道对其基础的坚实、稳固及无永久变形或有限永久变形的要求以及工程造价较高的特点，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，在有条件的车站正线、到发线也可适当试用。至于在区间土路基线路上使用无碴轨道，还需要进行试验研究，待积累一定的经验后才宜大面积推广使用。 2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，并必须控制

18、在扣件的调高量范围之内。 3扣件是调整无碴轨道几何形变的惟一环节，一般要求隧道内无碴轨道扣件的调高量为10 mm左右，桥梁、高架结构无碴轨道扣件的调高量至少为30 mm，最好为50。nm。4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。这必须依赖于先进的施工工艺、成熟的施工技术、完整配套的施工机械、训练有素的施工队伍和合理的施工工期。 (二)我国高速铁路的无碴轨道结构 在桥、隧无碴轨道结构的设计、施工、维修中应考虑下列主要原则。 1用于桥梁、隧道内的无碴轨道结构必须与桥、隧作为一个整体进行设计。其中包括列车荷载的传递与分布，轨道与桥、隧结构的连接、配合及其强度和变形的要求，桥、

19、隧与无碴轨道施工工序和验交以及投入运营后轨道、桥、隧的维修作业。只有通过整体综合设计，才能在运营可靠性、安全储备及使用寿命等方面，使结构之间有合理的匹配关系。 2充分考虑基础无永久变形或有限永久变形的要求。对于隧道，必须有坚实的仰拱及完善的排水设施；对于桥梁，必须严格控制梁的工后徐变上拱量。 3提高扣件在垂向的弹性，使无碴轨道结构的整体弹性接近于有碴轨道。这样，既提高乘车的舒适度，又满足环保减振降噪的要求。 4提出合适的施工技术和施工机具，确保无碴轨道的施工质量。 在我国高速铁路上优先采用的无碴轨道结构有下列三种型式： 1长枕埋入式无碴轨道其轨下部分由预应力混凝土轨枕，混凝土道床板及混凝土底座

20、组成。在道床板和底座之间设置隔离层，使道床板有修复或更换的可能性。在隔离层上还可设置弹性垫层，以增加轨道的整体弹性。 2板式无碴轨道其轨下部分由轨道板、乳化沥青砂浆(CA砂浆)及混凝土底座组成。轨道板由工厂预制，在桥上或隧道内将混凝土底座现场浇注完成后，再将轨道板及其上部的钢轨、扣件就位，再在轨道板和混凝土底座之间灌注CA砂浆。CA砂浆层是确保轨道几何施工精度的调整层，也是给轨道提供适当弹性的缓冲层。 3弹性支承块式无碴轨道 其轨下部分由混凝土支承块、块下橡胶垫，橡胶靴套、填充混凝土道床板及混凝土底座组成。 其施工程序也是由工厂完成支承块、橡胶垫及橡胶靴套的预制，在混凝土底座经现场浇注完成后，

21、在现场将支承块、橡胶垫、橡胶靴套及与之配套使用的钢轨、扣件进行组装，并精确定位，然后灌注混凝土道床板，就地成型。 和上述其他两种无碴轨道相比，弹性支承块式无碴轨道具有更好的弹性，对于减振降噪要求较高的区域或地段，可优先选用这种结构型式。 高速铁路的高架结构在线路总延长中占有相当的比重。京沪高速铁路的高架结构约占线路总延长的13。在高架结构上采用有碴轨道，会给将来的线路维修、道床清筛造成相当的困难，无碴轨道无疑是最佳的选择。随着无碴轨道的结构设计、施工技术及建筑材料的进一步发展，在一般土路基地段铺设无碴轨道也将在国内很快实现。在高速线路上，无碴轨道结构将有广阔的应用前景。 五、高速道岔 (一)高

22、速道岔的基本特性 由于道岔区轨道结构连续性被破坏和轨道刚度的急剧变化以及线路平、剖面的几何不平顺，列车过岔时必然增大轮轨相互作用动荷载，增加轨道变形和列车的急剧振动，从而影响行车的安全、平稳及乘车舒适性。随着行车速度的提高，上述问题会更加突出，因而必须在道岔的线形，平、剖面及结构上作出相应的改进，满足高速行车的要求。通常采取的措施有： 1改变道岔线型以改善侧向运行条件 除采用大半径圆曲线形导曲线之外，还大力研究采用不同类型的缓和曲线形导曲线。 2提高侧向通过速度 用于正线与到发线相联的道岔，侧向通过速度不小于80 kmh，以缩短列车进出站制动减速和起动加速时间，提高车站通过能力。区间渡线道岔，

23、侧向通过速度达到160 kmh及以上。联络线上的道岔，侧向通过速度不小于220 kmh。 3改善道岔结构 (1)采用轨线连续的可动心轨辙叉，取消护轨，以改善列车过岔时的轮轨相互作用条件，降低轮轨动力效应； (2)道岔区钢轨接头焊接，实现跨区间无缝线路； (3)采用弹性扣件，提高道岔区的轨道弹性； (4)采用优质道碴，加强道岔区道床的振捣，提高道岔区枕下基础的支承能力和弹性； (5)设外锁闭装置及道岔可动部件密贴状态监视器，提高可动部件锁闭的可靠性，确保信号灯的正确显示及列车的安全通行； (6)减少基本轨至尖轨尖端过渡区及翼轨至可动心轨尖端过渡区的立面及平面不平顺，改善轮轨动力相互作用条件； (

24、7)适当加大道岔号数，从而增加道岔全长及道岔部件长度，使轨道刚度变化及不平顺变化相应减缓，从而有利于改善运行条件。 4改善道岔零部件材质及制造工艺研发长尖轨的机加工工艺及淬火技术，研究辙叉表面爆炸硬化以提高其初期耐磨性，研究高锰钢部件焊接技术及高锰钢辙叉与普通碳素钢轨焊接技术，以解决辙叉趾端、跟端与前、后导轨的焊接问题。 (二)我国高速铁路道岔的前期研究 在我国新建高速铁路道岔的前期研制工作中，按下列前提条件确定其型号、线型、结构及转换要求： 1高速铁路站间距25 70 km。 2列车进站停车时，通过道岔侧股进入到发线，从到发线驶出通过道岔侧股进入正线。 3在维修“天窗”时间内，一股轨道进行作

25、业时，列车可通过设置的渡线反向行驶，再通过下一组渡线复位。 4京沪高速铁路线间距5 m，秦沈客运专线线间距4.6 m。 通过前期研究得出下列主要成果： 1道岔轨型采用国产60 kgm钢轨。 2用于进站停车岔位的道岔选用18号，导曲线半径R=1200 m，并延至辙叉区，侧向容许通过速度100 kmh(另有R=1000 m，80 kmh的方案)。 3用于高速(160 kmh)俱IJ向通过的道岔，导曲线线形为三次抛物线，R=点位于线间距中央，上下股两组道岔的导曲线对称反向直接相接，不设直线插入段。4高速侧向通过的道岔的号数将根据侧向通过速度、导曲线线形、列车过岔舒适度要求圆曲线型导曲线时为未被平衡离

26、心加速度(欠超高)、缓和曲线型导曲线时为未被平衡离心加速度时变率(欠超高时变率) 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圆曲线型导曲线时L0.40.5v(L以m计，以kmh计)，缓和曲线型导曲线时可不设直线插入段要求进行校验。 六、一次铺设无缝线路 一次铺设无缝线路的方法、程序可多种多样，可以采用 “工具轨排法”，还有所谓“单枕法”、“长轨排法”等等。但其中与传统换轨法不同的关键技术无外乎下列几个方面： 1长钢轨的运输与放送技术：按传统的“换轨铺设法”铺设无缝线路时，由于是要把一条已经铺设好的有缝线路的钢轨换铺成元缝钢轨，因而原有的有缝线路就是运输和放送长钢轨的轨道。一次铺设无

27、缝线路时，面对的只是一条铺有底层道碴的施工路面，长钢轨的运输和放送没有现成的轨道可以利用而必须采用新的方法、工艺和机具。上面提到的“工具轨排法”、“单枕法”、“长轨排法”，均已很好地解决了这一问题。 2上碴整道技术：正如前面所提到，新线一次铺设无缝线路最大的难题是道床的松软及新线开通初期轨道几何状态的急剧变化而导致轨道原始弯曲度的扩大，从而难于保证无缝线路的稳定和强度。上碴整道就是要采用大型养路机械，加速道床的稳定过程，并通过参数的检测，确保无缝线路上道后的强度和稳定性。其中的主要技术有： (1)道床状态评估参数及其检测方法和设备 由于国内以往都是在通过列车长期运营后，道床已经达到密实、稳定后

28、再铺设无缝线路。对于道床的密实、稳定只有一个粗略的表观的概念，并没有量的评定参数及评估指标，更没有相应的检测方法和检测仪器。所以，在上碴整道阶段的第一项主要技术就是要建立道床密实、稳定状态的评定参数、评估指标及相应的检测方法和检测仪器。道床状态评估参数主要有： 道床密度。它是评定道床密实状态的基本参数，国内外以往都曾用最直观的排水法进行测量。但由于这种方法所要求的测试条件在铁路现场难于提供，测试结果离散性大，测量过程费工、费事，难于大规模推行，不能提供用于进行结果统计所必须的最少数据量，因而不是一种工程上实用的方法。近年来，国内外根据y射线穿过不同密度的介质有不同衰减程度的原理制成的道床密度仪可以方便可靠地进行道床密度的测定。全智能化的数据采集、处理、打印、储存功能，可在质量和数量上提供对于道