高速铁路无碴轨道设计关键技术

高速铁路无碴轨道设计关键技术随着列车运行速度不断提高,有碴轨道的道碴粉化及道床累积变形的速率随之加快,必须通过轨道结构强化及频繁的养护维修工作来满足高速铁路对线路高平顺性、稳定性的要求。与有碴轨道相比,无碴轨道具有轨道稳定性、刚度均匀性和耐久性好、平顺性高、维修工作量显著减少的突出优点。因此,自上世纪六十年代初,世界各国铁路相继开展以整体式或固化道床替代散粒体道碴的各类无碴轨道结构的系统研究,一些国家已把无碴轨道作为高速铁路的主要轨道结构型式全面推广应用。1国外高速铁路无碴轨道在高速铁路上应用无碴轨道,以日本、德国最为广泛。日本新干线无碴轨道最初一般铺设在基础坚固的隧道内、高架结构和桥梁上,后来逐渐扩大到土质路基上。而德国高速铁路无碴轨道则首先解决了在土质路基上铺设的技术问题,逐步推广到隧道和桥梁上,从而为全区间无碴轨道的应用创造了有利条件。1．1板式轨道日本从60年代中期开始板式无碴轨道的研究到目前大规模的推广应用,走过近40年的历程。从津田沼、日野土木试验所内的实尺模型试验到既有线、新干线桥梁、隧道和路基上的各种型式无碴轨道结构的试铺,共建立了20多处近30ｋｍ的试验段,开展了大量的室内、运营线上动力测试和运营观测工作,并在试验结果的基础上,不断地改进完善结构设计参数和技术条件,最终将普通Ａ型(图1)、框架型(图2)、特殊减振区段用的减振Ｇ型(图3)及适用于土质路基上的ＲＡ型等板式轨道结构作为标准定型。板式轨道累计铺设里程已达2700ｋｍ,并从山阳新干线冈山—博多段开始,广泛应用于东北、上越、北陆和九州等新干线全部的桥、隧结构及基础坚实的部分土质路基区段上(如图4)。其中,土质路基上的ＲＡ型板式轨道在试铺60ｍ进行各项性能试验后,最终于1993年在北陆新干线(高崎—长野)正式铺设约11ｋｍ。由于日本新干线高架桥所占比例较高,对高架桥上无碴轨道的各项关键技术开展了多专业、多部门之间的系统研究,特别考虑了预应力混凝土桥梁徐变上拱、墩台沉降等对无碴轨道的影响。在桥上无碴轨道的施工时间上,规范也要求必须在桥梁放张应力后半年以上,方可进行。1．2Ｒｈｅｄａ型无碴轨道德国铁路于上世纪60年代开始无碴轨道的研究,曾试铺过十余种无碴轨道结构,其提出的结构型式多种多样。德铁规定试铺的轨道结构要经过5年的运营考验后经批准才能正式使用。德铁无碴轨道的基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类。Ｒｈｅｄａ型无碴轨道(图5)为钢筋混凝土底座的结构型式之一,在大量试铺段进行运行试验和长期观测研究的基础上,Ｒｈｅｄａ型已在德铁高速铁路桥梁、隧道和土质路基上推广应用,约占德铁铺设的360ｋｍ无碴轨道(含80多组道岔区)一半以上。最近开发的Ｒｈｅｄａ2000型无碴轨道(图6)已投入商业应用。由两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代原Ｒｈｅｄａ型中的整体轨枕;取消原结构中的槽形板,统一了隧道、桥梁和路基上的型式;同时,轨道结构高度从原来的650ｍｍ降低为472ｍｍ。Ｒｈｅｄａ2000型的支承块只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土,其余为桁架式钢筋骨架,从而减少了新、老混凝土的界面,有利于提高施工质量和结构的整体性。改进后的Ｒｈｅｄａ型无碴轨道在1998年开通运营的柏林—汉诺威高速铁路上得到广泛应用。德铁根据其咨询公司对现行有碴轨道和无碴轨道的综合技术经济比较,建议在速度超过250ｋｍ·ｈ-1的新建高速线上全面推广应用无碴轨道。1．3其它结构型式世界上许多国家根据自己的技术基础与线路特点,开发出多种型式的高速铁路无碴轨道结构,如:英国的ＰＡＣＴ型、法国的ＶＳＢ型、意大利的ＩＰＡ型以及美国Ｓｏｎｎｅｎｉｌｌｅ公司的ＬＶＴ型等。2我国高速铁路无碴轨道的前期研究借鉴国外高速铁路无碴轨道结构的成功实践,我国提出了适用于高速铁路桥、隧结构上的三种无碴轨道结构型式(长枕埋入式、弹性支承块式和板式)及其设计参数[1]。1998完成对三种结构型式无碴轨道室内实尺模型的铺设及各项性能试验,提出高架桥上无碴轨道的施工方案和徐变上拱限值与控制措施,建立桥上无碴轨道车线桥耦合模型并进行仿真计算,初步分析高速铁路高架桥上无碴轨道的动力特性与车辆走行性能[2]。1999年选定三座高架桥作为无碴轨道的试铺段,在长度692ｍ的沙河特大桥试铺长枕埋入式无碴轨道(如图7),长度741ｍ的狗河特大桥(直线)和长度740ｍ双何特大桥(曲线)上试铺板式轨道(如图8),与此同时,完成桥上无碴轨道设计[3]、施工技术条件[4]的研究与编制。为掌握桥上无碴轨道在高速运行条件下的结构受力、变形情况与振动特性,评估两种无碴轨道结构的动力性能,2000年对三座桥上无碴轨道与两座桥上有碴轨道进行了各项性能的对比测试[5]。为完善高速铁路无碴轨道的结构设计、施工工艺和设备,选定渝怀线鱼嘴2号隧道和赣龙线枫树排隧道分别作为长枕埋入式和板式轨道的试铺段,并分别于2003年6月和2003年底完成铺设。在线路开通后将对隧道内铺设的无碴轨道结构进行动力测试与长期观测。反3呼高速铁路无上碴轨道的关键眨技术废3盛．评1洋我国高速铁润路无碴轨道的喇结构选型及特缺点决根据结构耐洋久、可靠拳,蛋施工简单雁,发减振性能好骗,滥经济适用摘,宇配套扣件有足弊够的调整量等密选型原则秆,店初步提出两种车高速铁路无碴躁轨道结构型式隶,台即贤:反板式和长枕埋堡入式弃,季其主要结构特济点如下仗:(1)选结构整体性能恋两种结构均体气现无碴轨道具嘉有线路稳定性够和刚度均匀性舌好、线路平顺笨性和耐久性高威的突出优点失,撒可显著减少线伏路的维桶修工作量。从康轨道结构每延役米重量看兔,缠无碴轨道均要那小于有碴轨道瓣,执相比而言驰,鹿板式轨道结构竖高度低恰,席道床宽度小暑,卷重量最轻田(谋29希ｋＮ耐场单线每延米梢),枣在桥上铺设可牲降低桥梁的二火期恒载叙,随在隧道内应用瓜可减小隧道的叠开挖断面。长纸枕埋入式无碴场轨道受预制轨钩枕长度的限制割,瘦道床宽度要大袍于板式轨道雅,鲁每延米重量相防对较大写(纹41辛ｋＮ泪末单线每延米遣)获。从室内落轴袄冲击试验看轨,喇长枕埋入式无寸碴轨道结构的高整体刚度稍大牵于设置水泥沥窜青蔬(鼻ＣＡ蜂)猾砂浆调整层的骨普通型板式轨柔道耐,顺但从试验结果均看昨,卷两种结构的各池项轨道动力参田数差异不明显责,尸特别对于在客绢运专线或高速组铁路桥上应用景来说见,垦无碴轨道结构顾具有的高平顺贡性、刚度均匀狗性以及桥梁的才挠曲变形在一疮定程度上可弥阔补无碴轨道结仓构整体刚度大庭的缺陷。噪声士与振动试验测赞试结果分析表捕明纱,保在列车运行速进度大于赔200鼓ｋ牺ｍ句·哥ｈ蒸-1梁时辅,逆桥上有碴和无陵碴轨道的噪声泳源强Ｌｐｍａ桐ｘ基本在同一眼等级脂,玉而桥上无碴轨至道线路产生的援地面Ｚ振级埋(缩桥下及德30仓ｍ地面处宿)辜要稍大于桥上钢有碴轨道。颗(右2)衬制造和施工长技枕埋入式无碴阳轨道采用我国深较成熟吃的税“揪钢轨支撑厦架缩”帅法焦“羽由上至刮下糕”狱进行施工剖,懂其道床结构中朵除横向穿孔轨怎枕需要工厂预垮制外滚,残其余混凝土均猫为现场浇筑。奸优点是衔:第道床表面宜设扛置横向排水坡妥;颤在桥上铺设时婆,豪与梁缝的配合姑比较灵活君;踏在曲线地段施窝工时体,雨线路的超高顺段坡、曲线圆顺谦度等易于控制溪。不足是夫:圆施工过程中需丛要工具轨掌(或新钢轨种)没作为控制线路玉标高的基准杠;仍现场混凝土的侮施工量较大圈,蔑其施工进度相孝对较慢历;兵由于混凝土道竖床板表面为人恨工抹平盯,覆外观上比板式圈轨道结构预制赏的轨道板要差备;午在需要特殊减睛振及过渡段区乒域梅,烫底座与道床板仅之间弹性层的淋设计与施工都掏相对要困难一轻些。板式轨道矮结构中混凝土浅轨道板为工厂悔预制。优点是鲜:盒质量容易控制奸,着现场混凝土施僻工量少跃,焰施工进度较快以;胀道床外表美观棉;帽由于采桃用鹰“积由下至稠上于”支的施工方法篇,脖施工过程中不妙需工具轨描;洽在特殊减振及焦过渡段区域镰,旧通过在轨道板枯底粘贴橡胶垫瓣层意,牢易于实现下部参基础对轨道的闲减振要求。不饶足是侮:坏桥上铺设时凉,此受桥梁跨度的省影响班,欢需要不同长度袋的轨道板配合子使用哄,管增加制造成本搬;榆曲线地段铺设更时回,涉线路超高顺坡滴、曲线矢度的少实现对扣件系召统的要求较高悼;府板式轨道结构谨中对ＣＡ砂浆督调整层的原材起料和施工质量酬要求高谊;阿板式轨道的制后造、运输和施孟工专业性较强登,测包括驴:疼轨道板的制造扇、运输、吊装惩、铺设劣,身ＣＡ砂浆现场番搅拌、试验、中运输和灌注迈;崇轨道状态整理托过程中的充填远式垫板树脂灌昼注等。头(排3)窄线路维修长枕命埋入式无碴轨健道的维修工作该主要是扣件螺清栓的涂油工作猾。而板式轨道兽的维修除扣件嗽螺栓涂油作业亦外拣,果从日本铁路板群式轨道初期运躺营实践看叙,悬由于板式慕轨道ＣＡ砂浆富调整层的存在报,夫其受自然环境匹因素的影响较洲大美,借特别是在线路援纵向力较大的可伸缩调节器附捧近墓,摇凸形挡台周围剥的ＣＡ砂浆存哲在破损现象坊,块因此日本铁路映在板式轨道设痛计方面名,乞用强度高、弹旦性和耐久性好佛的合成树脂材厉料替代凸形挡娇台周围的ＣＡ卖砂浆。我国近名期也成功研制守出同等性能的春树脂材料蔑,杯将在近期进行皇现场试铺。对痰于轨道板底的颤ＣＡ砂浆调整金层梯,线以灌注袋的形握式取代直接灌恭注胖,溉不仅方便了施鱼工辆,教同时减少ＣＡ答砂浆层的环境爬暴露面只,甩提高板式轨道知结构的耐久性密,邻以实现无碴轨来道结构少维修厚的设计初衷。愁3娱．膊2升高速铁路无锄碴轨道设计关迫键技术梨3窑．恳2粉．凝1殿无碴轨道结桌构设计旺为满足高速列岸车在无碴轨道桥线路上运行的买安全缸性、舒适性要倚求洁,祖最大限度地实晃现线路少维修择,允无碴轨道的设梢计除在结构强哥度、横向稳定艳性方面应考虑篇足够的安全储盒备外般,滴应高度重视无秧碴轨道各组成酸部分的耐久性葵、减振性以及奉实现线路高平饭顺性等。肿(泪1)盟结构强度考虑墓到无碴轨道结僵构的安全性和园耐久性外,悄在动力仿真计脑算和设计中油,趟选用了轴重较垫大疲(业19蹈．施5防ｋＮ帮)听的动力集中式训电动车组狐,看考虑线路和轮经踏面的不平顺奴性惜,忙取动载系数为环3还．挎0,饥确定其设计动湾轮载为腥300直ｋＮ。从国外晨高速铁路设疯计和运营实践宅以及我国实测凡结果看傅,毅根据此设计荷喷载确定的轨道蛇板偷费道床板的设计朴承载能力可满雪足高速铁路无纺碴轨道的结构帆强度要求牛,楼并具有一定的欣安全储备。对恋于板式轨道而和言障,优对轨道板起限腔位作用的混凝塘土凸形挡台直烛接承受由钢轨暑传递到轨下基委础的纵向力和部横向力荡,溪包括犁:根梁轨间相互作口用产生的纵向服力、温度变化失引起的轨道板裤伸缩力、轨道殿的横向抗力、巨起动与制动力广、轮轨间的横卡向作用力等。锁从结构强度安拒全考虑蝴,谁凸形挡台结构转按悬臂受弯构娘件设计商,浮悬臂梁的固定峡端固定于混凝乔土底座中劣,选其受力图式如溉图陕9扶。填充于轨道撒板底的ＣＡ砂红浆与凸形挡台念周围的树脂材盯料抗压强度指织标同样根据设袭计荷载以及作促用于凸形挡台取上纵向力的大起小梨,固并考虑足够的锤安全储备来确绢定。弄(2)察横向稳定性与盛有碴轨道相比蛾,始无碴轨道混凝拴土道床的整体厅结矛构使线路的横秩向稳定性显著从提高。对于曲及线区段的扫桥上无碴轨道昂来说签,漏除结构中的限酷位部分设计佛(卸凸形挡台、限曲位槽难)陆应考虑轮轨横碗向作用荷载外便,因桥上无碴轨道覆采用的调高量戏大、扣压力小抛的扣件结构系污统应保证有足疏够的轨距保持遣能力。乳(包3)作线路的平顺性艇和刚度均匀性脱高速列车运行拆的安全性与舒衔适性对线路平俯顺性提出了更军高的要求采,美线路状态的不库平顺对刚度较滩大的无碴轨道茂结构的动力附瓣加作用显著增毅加。因此镜,滩无碴轨道线路郑的高平顺性除捧在设计技术条蓝件中对其静态仔铺设精度严格冬要求、施工工搜艺和过程旷管理挤严格控制以外蜻,赛无碴轨道的结朱构设计应在技烦术上保证线路浩高平顺性和刚扎度均匀性。由井于无碴轨道结令构中的扣件直雁接将钢轨与构变筑在下部基础光的道床联接在监一起肯,年轨道几何状态蚀的调整不能象窄有碴轨道那样坦进行起道、拨添道和捣固作业援,颂只能通过扣件薯系统进行妇,裕因此炭,旁无碴轨道的扣俱件结构设计应露合理确定扣件锹高低、左右位竿置的调整能力皆,吼并可简便地对束施工和维修过桶程中的线路状吉态进行调整援,根以实现高速线坦路的高平顺性街。对板式轨道炎而言较,参由于结构中的置轨道板为预制尘平板昂,呆加上轨道板本迈身的制造与施唱工偏差范,崖特别是当板式湾轨道应用于轨示面标高渐变的侦缓和曲线与竖傅曲线地段时谱,盏一定厚度的轨营下调高垫板难类以实现对板长眨范围内的轨道轻不平顺的精细户调整俱,带在设计中应将嘴树脂充填式无馒级调高垫板作寇为无碴轨道的股一个必要组成旋部分队,贱以满足高速铁扭路对线路高平便顺性、刚度均受匀性的要求。圣(哥4)捕减振性由于无津碴轨道以刚性痰混凝土道床取牧代有碴轨道提踩供线路弹性的记道碴层通,倘尽管无碴轨道侧线路的高平顺战性和刚度均匀郊性在一定程度土上可弥补其刚息度大的不足驼,产但在结构设计私中应要求扣件稍系统具有良好筝的弹性戏,疫在基础减振要充求较高的无碴籍轨道铺设区段宗,中应考虑在轨道彩板底部设置弹好性层员(乳如减振Ｇ型板橡式轨道只),际以有效降低轮歪轨间的动力作的用及无碴轨道持下部基础的振凭动。梁(横5)析耐久性提高高沃速铁路无碴轨冤道结构的耐久换性喝,挪除在结构强度胁上考虑足够的熟储备外贵,速在轨道各部件蹈的技术条件中括应对直接影响珍无碴轨道耐久劲性的原材料性跑能提出严格要屡求秒,木包括混凝土材凳料的抗冻性和判氯离子渗透性裙,晨橡胶和树赚材助料的耐热老化董性、耐腐蚀性吩和疲劳性能话,释ＣＡ砂浆的抗蒜冻性和耐候性岩等。线路平顺蚂性和减振性能抚的好坏对无碴询轨道结构耐久徒性的影响同样菠至关重要。留3询．念2朗．笔2艰无碴轨道的追下部基础(1)桥梁疏高速铁路对轨贵道高平顺性的枕要求给铺设无坏碴轨道的桥梁芹带来新的课题衫。影响桥面轨掀道不平顺的因平素包括穗:仍预应力混凝土童桥梁的徐变上叫拱、荷载作用皇下梁端转角、吨墩台基础的不蛙均匀沉降、梁蝶体上、下缘不寄均匀温差等。债有碴轨道的线碌路状态由于可毙以通过道碴层威与扣件进行调借整割;凑梁端转角、墩获台基础的不均随匀沉降对轨面蚕状态的影响相泊对较小。而桥薄上无碴轨道轨状面的高低状态饺只能通过扣件制系统来调整劈,牙当桥梁变形超尤出扣件系统的系最大调整量卵,绪其轨道的平顺醉性就难以满足芒高速铁路对线窗路的质量要求票;战墩台沉降和梁拆端转角过大块,滨不仅影响线路伙的高低状态岗,筹同时将增大梁纸端扣件系统的终螺栓上拔力。剂针对桥梁徐变辽上拱的影响因陷素殊,跨确定以设计上窑考虑为主、设秧计与施工相结颠合的原则有效交控制梁体的徐袄变上拱养,裁设计方面的控标制措施贩:匀适当增加梁高穗,读以提高梁的刚促度。梁的刚度推增大谷,关不仅可有效减广小预应力混凝辨土桥梁的徐变含上拱为,牲减小梁体下挠原的梁端转角厕,孩而且有利于桥熔上无缝线路的民稳定性和平顺膏性淋;麻采用部分预应罪力混凝土结构衬。在设计荷载踩作用下检,逆梁体下翼缘允靠许出现一定拉宪应力的部分预撕应力结构熟,它与全预应力结讯构相比寇,稻施加给截面的蔽预压力值小匪,荡也就是可较大鸟限度地降低梁帜体上、下翼缘傅应力差方,血故徐变上拱随饮之减小。施工炮方面胳的控制措施沈:单在满足混凝土圈强度与和易性丢条件下榴,当尽可能采用较浙低的水泥用量饿和水灰比阁;怪在混凝土骨料床上倘,挎施工时应强调琴选用弹性模量楚较高的岩石和侮适宜的级配者;轮不同岩石骨料沈混凝土徐变增胞大的次序为漠:卖石灰岩、石英廉岩、砾石、花陆岗岩及砂岩。修在对梁体施加鸦预应力之前目,绳除检验混凝土泰强度外役,团应同时检测混乒凝土的弹性模贝量庙,柱在两者均满足胁设计要求后查,楼再施加预应力穷;财在满足技术条称件要求的前提巾下丛,填尽量延长梁体攻张拉完毕至无未碴轨道铺设的弊时间间隔。铺交设无碴轨道的扫桥梁墩台沉降所(押包括均匀和不纸均匀沉降终)珠同样需要严格艺控制婆,辈软弱基础上的兆桥梁墩台须采也取必要的加固进措施以满足无剂碴轨道线路对皂其沉降值的技唐术要求。倚(余2)复隧道隧道内基推底处理的好坏咐直接影响无碴凳轨道的耐久性蹈,置我国铁路曾在凉隧道内铺设了家近偏300厉ｋｍ的无碴轨蜘道付,掀大多数使用效是果良好饼,通但在个别工点贵的设计和施工艺中纤,矮对隧道基底、性水害的处理不涉当偶,谜施工工序安排郑不合理侨,析导致上部道床待结构开裂破损震,蹄而对其维修整接治十分困难。疑因此对于高速闯铁路铺设无碴洋轨道的隧道而职言莫,较应根据隧道围浸岩级别、地下帆水状况桃,羽选择合理的隧鸽道衬砌结构只,间对于整体式衬辜砌吃,似Ⅲ很级及以上的围亲岩采用带仰拱件的曲墙结构。委不设仰拱的地横段应有赶20喝ｃｍ厚以上的幅混凝土铺底闭,住设仰拱地段的暴仰拱下面的浮党碴必须清除干夺净厘,裙隧道开挖时乳,链应仔细检查围国岩基础的稳定常性和风化破碎丽情况编,篮检测基底承载冈力游,絮若隧道基础的默地质水文情况握与勘测结果有推差异抄(滑如遇断层破碎激带、软弱夹层唱等灌),独应作必要的变遗更设