高速铁路路基及轨道工程第三章

第三章、无砟轨道3.1无砟轨道设计弹性地基梁，是指搁置在具有一定弹性地基上，各点与地基紧密相贴的梁，如铁路枕木、钢筋混凝土条形基础梁等。弹性地基梁与普通梁的区别普通梁式静定的或有限次超静定结构；弹性地基梁是无穷多次超静定结构。普通梁的支座通常看做刚性支座，即只考虑梁的变形；弹性地基梁则必须同时考虑地基的变形。

弹性地基梁的计算模型局部弹性地基模型温克尔假设：把地基模拟为刚性支座上一系列独立的弹簧。缺点：局部弹性地基模型没有反映地基的变形连续性，不能全面的反映地基梁的实际情况。但如果地基的上部为较薄的土层，下部为坚硬岩石，这时将得出比较满意的结果。半无限体弹性地基模型弹性地基梁的受力和变形假设把地基看作一个均质、连续、弹性的半无限体。优点反映了地基的连续整体性，同时从几何上、物理上对地基进行了简化。缺点弹性假设没有反映土壤的非弹性性质；均质假设没有反映土壤的不均匀性；半无限体的假设没有反映地基的分层特点；数学处理上比较复杂。

无砟轨道类型1.整体道床支承块式整体道床、整体浇注式整体道床及弹性整体道床等；2.弹性支承块短轨枕式和长轨枕式；3.长枕埋入式普通钢筋长枕埋入式和预应力钢筋长枕埋入式；4.双块式轨枕

Rheda2000（武广客专）和ZÜBLIN（郑西客专）；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）、防振板式轨道和浮置板轨道等。无砟轨道结构2.1无砟轨道结构构成及要求无砟轨道按结构形式可分为整体结构式和直接支承式。表2.1无砟轨道结构分类

通常情况下，路基上无砟轨道一般由基础防冻层、支承层、承载层、排水系统、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：1）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；2）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：采用防振板式轨道和浮置板轨道。2.2日本板式轨道

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。日本国铁板式轨道研究会制定了板式轨道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。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。图2-1A型板式轨道结构图1.轨道板是把来自钢轨和扣件的轮载均匀地传递给CA砂浆垫层，并把轨道纵向荷载和横向荷载传递给混凝土凸形挡台的板式结构。结构设计处理：CA砂浆层作为弹性垫层，钢轨和轨道板作为弹性支承的叠合梁；或钢轨作为梁，轨道板作为平板单元。轨道板外形：承轨槽式（隧道内直线地段）和铁垫板式(高架结构或曲线地段）。轨道板尺寸约为4950mm×2340mm×200mm，板厚为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。2.CA砂浆层即在轨道板与混凝土基床间填充的乳化沥青水泥砂浆垫层。厚度：一般在40~50mm。作用为轨道提供适当的弹性；填充轨道板与基床间的缝隙，调整施工中误差；运营期间，可采用补灌砂浆法调整基础不均匀沉降。原料组成：水泥、沥青乳剂、细砂、膨胀剂和速凝剂。3.混凝土凸形挡台即设置在轨道板两端的中间，与基床灌注成整体的圆柱形凸出挡块。通常尺寸400mm（直径）×200mm（高）。作用传递纵横向荷载给基床，固定轨道板的位置；作为轨道板铺设和整正的基准点。4.混凝土基床（亦称底座）即现场就地灌注而成的基础梁或板。通常采用C30钢筋混凝土。作用改善基础条件；设置和调整曲线超高。2.3我国板式轨道1.秦沈客运专线板式无碴轨道轨道由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。用于24m梁跨内，每线布置5块轨道板。根据使用要求的不同，轨道板分为A、B、C三种类型，A型板长度4.930m，B和C型板长度4.765m，宽度2.4m，厚度190mm。其中，A型板用于梁跨中部，B型板用于梁跨两端，C型板用于过渡段。底座为250mm厚的C40钢筋混凝土，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250mm，高度250mm。底座沿线路方向上每隔5m设一构造伸缩缝，宽度2cm，用沥青板填充。底座与轨道板之间设厚度为50mm的CA砂浆调整层。图2-9-1秦沈客运专线板式无碴轨道横断面图图2-9-2秦沈客运专线板式无碴轨道平面与侧剖面图2.CRTSⅠ型板式轨道结构CRTSⅠ型板式无碴轨道包括平板型、框架型和减振型，适用于桥上、隧道内和路基区段，主要由单元轨道板、CAM层、限位凸形挡台及底座等组成。图2-10CRTSⅠ型板式无碴轨道横断面图图2-11CRTSⅠ型平板式无砟轨道图2-12CRTSⅠ型框架板式无砟轨道图2-13非隧道区间内的防震型轨道板轨道部件技术参数

钢轨

U71Mn60kg/m，无孔热轧新轨，定尺长100m，焊接成无缝线路；抗拉强度σb=880MPa，屈服强度σs=457MPa。

扣件

WJ-7B型，轨下胶垫静刚度20-30kN/mm；调距量±12mm，调高量30mm。

轨道板

C60级后张法双层双向预应力混凝土平板。采用预应力钢棒、环氧树脂涂层钢筋、HRB335、HPB235钢筋和低碳冷拔钢丝。设计荷载，轨道纵向17.5kN.m/m，轨道横向23.0kN.m/m。分标准板和异型板，每块板重约6t。CAM调整层

功能是填充、调整、承力、传力。将制备的水泥沥青砂浆注入砂浆袋成型，标准厚度50mm；弹性模量100-300MPa；抗压强度≥1.8MPa。

钢筋混凝土底座强度等级C40。钢筋用HRB335、HPB235，不做绝缘处理。分别构筑在路基基床表层、桥面和隧道底板上。为防止混凝土因干缩、温缩产生裂缝底座应分段浇筑。分段长度路基上是每隔4块轨道板、桥上是每块板之间、隧道内是每隔2块板设置一处宽为20mm的伸缩缝。功能是承载和设置外轨超高。

凸形挡台用C40级混凝土与底座整体灌注，钢筋用HRB335、HPB235，不做绝缘处理。功能是限制轨道板移位，并作基准测标。表2-2轨道结构高度（mm）3.CRTSII型板式轨道结构目前主要用在桥上，由纵连轨道板、CAM层、底座及其下设滑动层等组成。图2-14CRTSⅡ型板式无碴轨道横断面图图2-15CRTSⅡ型板式无砟轨道结构详图

轨道部件技术参数与功用

扣件挡肩型Vossloh300弹条式，调整范围：高低+26mm，-4mm；轨距5mm。弹性垫板静刚度C静=22.5±2.5kN/mm，动刚度C动≤40kN/mm。

轨道板混凝土强度等级C50，横向预应力，纵向无预应力；板与板之间通过宽接缝处伸出的纵向钢筋连接传递纵向力。

CAM调整层标准厚度30mm。

钢筋混凝土底座强度等级C30，宽度2950mm，厚度200mm。轨枕埋入式弹性轨道是将木枕、钢筋混凝土轨枕或其他形式的轨枕埋入现浇的钢筋混凝土轨道板中形成的轨道结构。3.1德国铁路的无砟轨道为适应高速行车的需要，德国一直致力于无碴轨道的研发与试铺。初期的板式：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。中期的长枕埋入式：1972年在拉达车站上试铺了雷达型长枕埋入式无碴轨道，该型无碴轨道维修量小、运营效果良好，被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，完善为适合于隧道内、桥上及土质路基上的各种雷达轨道系列。§3轨枕埋入式无砟轨道双块式无砟轨道：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。意见的柏林-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%。3.2我国埋入式无砟轨道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。1.秦沈客运专线沙河特大桥上的埋入式无砟轨道底座为4000×3100mm×250mm的C40级现浇钢筋混凝土。道床板为4000×3100mm×300mm的C40级现浇钢筋混凝土。道床板与底座间设厚度1.2mm的防水卷材隔离层。隔离层下设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，限制道床板的纵横向位移，确保其稳定性。底座凹槽的侧立面设置7mm厚的普通橡胶缓冲垫层。图2-26-1秦沈线桥上长枕埋入式无碴轨道—平面及侧立面图

图2-26-2秦沈线桥上长枕埋入式无碴轨道—横断面图

图2-27隧道及高架桥上长轨枕埋入式无砟轨道秦沈线桥上长枕埋入式无碴轨道整体道床是在坚硬岩石基础、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的轨道结构。多用于普通铁路和地铁。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、短木枕式和无支承块式§4整体道床轨道4.1混凝土支承块式整体道床支承块是钢筋混凝土预制块体，强度等级为C40-50，尺寸约为500mm×200mm×200mm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φ14钢筋或按200mm间距双向布设φ10钢筋，每公里用约22-24吨钢筋。图2-34中心水沟支承块式整体道床

根据排水沟设置的位置不同，支承块式无砟轨道又可分为中心水沟式、单侧沟式和双侧沟式。图2-35坚实基岩隧道内支承块式整体道床图2-36隧道抑拱上支承块式整体道床4.2其他结构形式的整体道床1.短木枕式整体道床中心水沟短木枕式整体道床是用短木枕代替钢筋混凝土支承块，如图所示。短木枕尺寸约为600×160×220mm。将短木枕埋在道床内，设中心水沟。便于短木枕的更换，道床多为素混凝土。图2-37短枕木式整体道床结构2.无枕式整体道床（亦称整体灌注式轨道）无枕式整体道床混凝土强度为C30，施工时不架设钢轨，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。优点是轨道全部为现浇混凝土，整体性强。缺点是施工繁琐复杂，进度慢，承轨台抹面精度不易保证。图2-38无枕式整体道床结构3.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，达到轨道减振效果轨道结构形式。成都客站曾铺设该种轨道，整体道床与底座间铺设50mm厚的拆线废旧轮胎制成的颗粒。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的轨道结构。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。§5无砟轨道扣件无砟轨道对扣件的总体需求无砟轨道无道砟层，轨道弹性和调整量全部由扣件提供。有减振降噪要求地段，应考虑减振降噪对扣件的要求。无砟轨道对扣件的具体要求具有较大的轨道几何形位的调整能力。轨距、方向、高低等只能通过扣件调整。具有较大的弹性。桥上扣件，阻力应满足桥梁伸缩和挠曲应力对无缝线路纵向力的影响。绝缘性能良好，结构简单，制造和维修方便，造价低。5.1不分开式弹性扣件（或称一阶弹性扣件）通过固定于无砟轨道上的螺旋道钉和扣压件将钢轨直接扣压在承轨槽上的扣件称为不分开式扣件。轨道弹性和钢轨高低只依靠轨下层垫调整，又称为一阶弹性扣件。轨距依靠轨距块进行调整。1.WJ-8型扣件适用于有挡肩无砟轨道；横向荷载传递：有钢轨传给铁垫板和轨距挡板，最后传递至混凝土挡肩。铁垫板下设置弹性垫层，提供轨道弹性。调整量通过弹条和轨下橡胶垫板提供。图2-44WJ-8型扣件系统结构2.日本无砟轨道的不分开式扣件日本仅有直接4型扣件为无砟轨道不分开式扣件扣件采用蛋形弹片为扣压件，以扣压件的下肢扣压钢轨，拧紧螺母后扣压件上肢与钢轨接触，扣件的弹性良好。钢轨高低调整量为10mm，左右调整量为23mm。图2-45日本直接4型扣件1-六角头螺纹道钉；2-垫圈；3-蛋形弹片；4-埋栓；5-楔块；6-弹性垫板；7-调整垫板5.2分开式扣件（或称二阶弹性扣件）通过固定于承轨槽上的轨下铁垫板设置连接件，并用扣压件固定钢轨时采用的扣件称为分开式扣件。轨道的弹性和钢轨调整量可同时依靠轨下垫层和板下垫层进行调整，也称为二阶弹性扣件。分开式扣件对轨道弹性和钢轨位置的调整量较大，适应较大的施工误差和不均匀下沉，是无砟轨道扣件发展的方向。1.TF-Y型扣件TF-Y型扣件结构由楔形轨距块、T形螺栓、扣压弹条等组成；适用于50kg/m钢轨隧道内整体道床曲线地段。用楔形轨距块调整轨距，最大调整量为20mm。用调