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。3高速铁路无碴轨道的关键技术3．1我国高速铁路无碴轨道的结构选型及特点根据结构耐久、可靠,施工简单,减振性能好,经济适用,配套扣件有足够的调整量等选型原则,初步提出两种高速铁路无碴轨道结构型式,即:板式和长枕埋入式,其主要结构特点如下:(1)结构整体性能两种结构均体现无碴轨道具有线路稳定性和刚度均匀性好、线路平顺性和耐久性高的突出优点,可显著减少线路的维修工作量。从轨道结构每延米重量看,无碴轨道均要小于有碴轨道,相比而言,板式轨道结构高度低,道床宽度小,重量最轻(29ｋＮ单线每延米),在桥上铺设可降低桥梁的二期恒载,在隧道内应用可减小隧道的开挖断面。长枕埋入式无碴轨道受预制轨枕长度的限制,道床宽度要大于板式轨道,每延米重量相对较大(41ｋＮ单线每延米)。从室内落轴冲击试验看,长枕埋入式无碴轨道结构的整体刚度稍大于设置水泥沥青(ＣＡ)砂浆调整层的普通型板式轨道,但从试验结果看,两种结构的各项轨道动力参数差异不明显,特别对于在客运专线或高速铁路桥上应用来说,无碴轨道结构具有的高平顺性、刚度均匀性以及桥梁的挠曲变形在一定程度上可弥补无碴轨道结构整体刚度大的缺陷。噪声与振动试验测试结果分析表明,在列车运行速度大于200ｋｍ·ｈ-1时,桥上有碴和无碴轨道的噪声源强Ｌｐｍａｘ基本在同一等级,而桥上无碴轨道线路产生的地面Ｚ振级(桥下及30ｍ地面处)要稍大于桥上有碴轨道。(2)制造和施工长枕埋入式无碴轨道采用我国较成熟的“钢轨支撑架”法“由上至下”进行施工,其道床结构中除横向穿孔轨枕需要工厂预制外,其余混凝土均为现场浇筑。优点是:道床表面宜设置横向排水坡;在桥上铺设时,与梁缝的配合比较灵活;在曲线地段施工时,线路的超高顺坡、曲线圆顺度等易于控制。不足是:施工过程中需要工具轨(新钢轨)作为控制线路标高的基准;现场混凝土的施工量较大,其施工进度相对较慢;由于混凝土道床板表面为人工抹平,外观上比板式轨道结构预制的轨道板要差;在需要特殊减振及过渡段区域,底座与道床板之间弹性层的设计与施工都相对要困难一些。板式轨道结构中混凝土轨道板为工厂预制。优点是:质量容易控制,现场混凝土施工量少,施工进度较快;道床外表美观;由于采用“由下至上”的施工方法,施工过程中不需工具轨;在特殊减振及过渡段区域,通过在轨道板底粘贴橡胶垫层,易于实现下部基础对轨道的减振要求。不足是:桥上铺设时,受桥梁跨度的影响,需要不同长度的轨道板配合使用,增加制造成本;曲线地段铺设时,线路超高顺坡、曲线矢度的实现对扣件系统的要求较高;板式轨道结构中对ＣＡ砂浆调整层的原材料和施工质量要求高;板式轨道的制造、运输和施工专业性较强,包括:轨道板的制造、运输、吊装、铺设,ＣＡ砂浆现场搅拌、试验、运输和灌注;轨道状态整理过程中的充填式垫板树脂灌注等。(3)线路维修长枕埋入式无碴轨道的维修工作主要是扣件螺栓的涂油工作。而板式轨道的维修除扣件螺栓涂油作业外,从日本铁路板式轨道初期运营实践看,由于板式轨道ＣＡ砂浆调整层的存在,其受自然环境因素的影响较大,特别是在线路纵向力较大的伸缩调节器附近,凸形挡台周围的ＣＡ砂浆存在破损现象,因此日本铁路在板式轨道设计方面,用强度高、弹性和耐久性好的合成树脂材料替代凸形挡台周围的ＣＡ砂浆。我国近期也成功研制出同等性能的树脂材料,将在近期进行现场试铺。对于轨道板底的ＣＡ砂浆调整层,以灌注袋的形式取代直接灌注,不仅方便了施工,同时减少ＣＡ砂浆层的环境暴露面,提高板式轨道结构的耐久性,以实现无碴轨道结构少维修的设计初衷。3．2高速铁路无碴轨道设计关键技术型3弱．豪2矮．怪1岩无碴轨扩道结构设嫁计融为满足高邮速列车在感无碴轨道眉线路上运蜜行的安全坡性、舒适粒性要求谱,膀最大限度皱地实现线暖路少维修削,偶无碴轨道吧的设计除浙在结构强史度、横向铺稳定性方港面应考虑指足够的安道全储备外箭,瓜应高度重蝶视无碴轨执道各组成惯部分的耐久久性、减烂振性以及啄实现线路尚高平顺性汁等。萄(毁1)晶结构强度赞考虑到无史碴轨道结知构的安全泪性和耐久谈性佣,辈在动力仿愚真计算和四设计中坏,眉选用了轴狡重较大勉(杨19绒．博5泉ｋＮ篇)耽的动力集检中式电动齐车组购,认考虑线路称和轮踏面删的不平顺坑性买,式取动载系称数为友3师．灯0,肤确定其设糕计动轮载霉为剩300详ｋＮ。从桃国外高速超铁路设沸计和运营至实践以及久我国实测披结果看岁,埋根据此设庙计荷载确融定的轨道批板道床板烦的设计承拍载能力可受满足高速旷铁路无碴跟轨道的结免构强度要惹求鲜,廉并具有一厦定的安全蹦储备。对怠于板式轨乔道而言装,乐对轨道板盗起限位作掠用的混凝就土凸形挡遇台直接承引受由钢轨协传递到轨至下基础的洪纵向力和宪横向力控,贸包括燃:戚梁轨间相堡互作用产稍生的纵向长力、温度贱变化引起铲的轨道板复伸缩力、抖轨道的横栗向抗力、精起动与制撒动力、轮撒轨间的横高向作用力挪等。从结捐构强度安寺全考虑崖,私凸形挡台好结构按悬去臂受弯构观件设计摩,波悬臂梁的负固定端固孔定于混凝么土底座中垃,每其受力图港式如图笼9拘。填充于概轨道板底驾的ＣＡ砂欧浆与凸形仇挡台周围地的树脂材式料抗压强烈度指标同肥样根据设蛋计荷载以块及作用于尤凸形挡台书上纵向力吃的大小墓,毁并考虑足毯够的安全采储备来确服定。股(2)酷横向稳定咳性与有碴唯轨道相比殊,陡无碴轨道魔混凝土道键床的整体协结叉构使线路迷的横向稳敌定性显著维提高。对特于曲线区芒段的须桥上无碴绵轨道来说旋,迫除结构中受的限位部脚分设计菜(松凸形挡台药、限位槽袖)录应考虑轮仅轨横向作切用荷载外卖,旬桥上无碴烈轨道采用错的调高量表大、扣压猎力小的扣脉件结构系径统应保证锋有足够的与轨距保持案能力。全(腾3)阶线路的平借顺性和刚旅度均匀性佳高速列车链运行的安怪全性与舒奇适性对线寻路平顺性序提出了更港高的要求淘,应线路状态取的不平顺贫对刚度较怒大的无碴低轨道结构货的动力附灿加作用显泻著增加。雾因此芳,颤无碴轨道币线路的高访平顺性除偏在设计技律术条件中衬对其静态蔬铺设精度烧严格要求惠、施工工顿艺和过程哪管理严格涨控制以外银,出无碴轨道男的结构设晒计应在技曾术上保证樱线路高平曾顺性和刚境度均匀性佣。由于无构碴轨道结抄构中的扣逼件直接将蚊钢轨与构循筑在下部因基础的道柿床联接在友一起顾,晃轨道几何吊状态的调腔整不能象峰有碴轨道纲那样进行赖起道、拨吴道和捣固观作业弹,呀只能通过兵扣件系统药进行倒,公因此浊,锤无碴轨道岂的扣件结洞构设计应弓合理确定宋扣件高低慰、左右位签置的调整勇能力营,温并可简便阻地对施工嫌和维修过珍程中的线蜘路状态进佣行调整朗,形以实现高汉速线路的沫高平顺性旁。对板式卫轨道而言恢,概由于结构阅中的轨道位板为预制腰平板喘,溉加上轨道服板本身的贿制造与施甩工偏差剖,老特别是当扭板式轨道送应用于轨田面标高渐税变的缓和祥曲线与竖存曲线地段蠢时里,伪一定厚度帖的轨下调览高垫板难瞒以实现对芝板长范围百内的轨道大不平顺的殊精细调整浆,概在设计中费应将树脂伶充填式无伞级调高垫敢板作为无油碴轨道的李一个必要奋组成部分掉,孟以满足高懂速铁路对过线路高平停顺性、刚户度均匀性阿的要求。何(冈4)载减振性由鼻于无碴轨搬道以刚性即混凝土道厉床取代有润碴轨道提袜供线路弹筛性的道碴搁层趟,外尽管无碴糟轨道线路趣的高平顺责性和刚度揪均匀性在摩一定程度永上可弥补宰其刚度大放的不足溜,乓但在结构掌设计中应故要求扣件漫系统具有民良好的弹盖性裂,诸在基础减引振要求较熔高的无碴纳轨道铺设捞区段骡,布应考虑在某轨道板底斯部设置弹骄性层混(前如减振Ｇ蔬型板式轨仰道拨),屋以有效降禁低轮轨间杂的动力作柄用及无碴居轨道下部走基础的振饿动。忙(悄5)图耐久性提睛高高速铁买路无碴轨议道结构的习耐久性常,定除在结构爪强度上考眠虑足够的圆储备外童,师在轨道各抵部件的技锐术条件中肚应对直接挣影响无碴乖轨道耐久剃性的原材炉料性能提舌出严格要提求历,肠包括混凝宁土材料的返抗冻性和筐氯离子渗乒透性具,迁橡胶和树丧赚材料的店耐热老化香性、耐腐妇蚀性和疲作劳性能幼,愧ＣＡ砂浆鱼的抗冻性挡和耐候性凝等。线路交平顺性和移减振性能急的好坏对架无碴轨道坑结构耐久坐性的影响顾同样至关帖重要。喇3孟．既2叔．戚2寸无碴轨圆道的下部药基础液(雀1)松桥梁祸高速铁路逆对轨道高阴平顺性的放要求给铺信设无碴轨录道的桥梁铅带来新的策课题。影碎响桥面轨店道不平顺滔的因素包信括战:练预应力混君凝土桥梁猴的徐变上容拱、荷载秆作用下梁种端转角、件墩台基础轻的不均匀小沉降、梁峡体上、下灶缘不均匀瞒温差等。摧有碴轨道歌的线路状兽态由于可猜以通过道显碴层与扣竿件进行调桃整脾;科梁端转角脱、墩台基遵础的不均拢匀沉降对雕轨面状态躬的影响相恰对较小。咳而桥上无防碴轨道轨迹面的高低姐状态只能骗通过扣件很系统来调欲整陡,戚当桥梁变堵形超出扣乱件系统的浪最大调整乱量抹,缓其轨道的咬平顺性就便难以满足奖高速铁路欣对线路的扩质量要求稿;他墩台沉降么和梁端转肤角过大腊,惕不仅影响万线路的高那低状态激,嚼同时将增叙大梁端扣遭件系统的木螺栓上拔情力。针对贵桥梁徐变规上拱的影缸响因素糕,蜓确定以设英计上考虑内为主、设蜂计与施工滑相结合的剪原则有效蓝控制梁体坦的徐变上柜拱羡,基设计方面患的控制措膝施腊:塑适当增加烦梁高沟,黎以提高梁将的刚度。千梁的刚度注增大涛,溉不仅可有续效减小预参应力混凝测土桥梁的隶徐变上拱边,器减小梁体夏下挠的梁团端转角恒,访而且有利威于桥上无丧缝线路的迎稳定性和搁平顺性串;方采用部分总预应力混饱凝土结构村。在设计郑荷载作用裕下影,泼梁体下翼洁缘允许出魄现一定拉互应力的部三分预应力或结构徒,携与全预应掉力结构相挡比迈,钳施加给截短面的预压亚力值小傻,肝也就是可别较大限度孩地降低梁商体上、下屑翼缘应力阅差托,段故徐变上惨拱随之减膜小。施工烧方面爱的控制措桥施委:萌在满足混摄凝土强度暂与和易性拾条件下赶,勇尽可能采肃用较低的萄水泥用量钓和水灰比迷;拨在混凝土傍骨料上闯,现施工时应踪强调选用们弹性模量纤较高的岩录石和适宜跳的级配病;漠不同岩石只骨料混凝叼土徐变增论大的次序沃为送:懂石灰岩、飘石英岩、俯砾石、花净岗岩及砂前岩。在对课梁体施加赵预应力之手前魔,育除检验混杆凝土强度稀外杆,寸应同时检送测混凝土企的弹性模柜量座,膜在两者均墨满足设计创要求后白,挥再施加预供应力披;壮在满足技补术条件要不求的前提泡下著,岗尽量延长井梁体张拉秃完毕至无喝碴轨道铺骄设的时间播间隔。铺献设无碴轨雀道的桥梁伙墩台沉降每(葛包括均匀尚和不均匀泪沉降法)厘同样需要浇严格控制紧,肌软弱基础读上的桥梁驱墩台须采搂取必要的枪加固措施批以满足无穿碴轨道线坡路对其沉烂降值的技滤术要求。咱(主2)萝隧道隧道舞内基底处投理的好坏忽直接影响泄无碴轨道销的耐久性营,码我国铁路善曾在隧道多内铺设了军近贵300记ｋｍ的无嘴碴轨道尖,侵大多数使修用效果良倦好转,鼓但在个别姓工点的设碎计和施工抗中邮,蜓对隧道基甩底、水害丑的处理不笨当眠,胳施工工序鹿安排不合夹理枕,稀导致上部成道床结构育开裂破损冷,魂而对其维历修整治十窑分困难。抹因此对于稻高速铁路耍铺设无碴备轨道的隧誓道而言议,零应根据隧庙道围岩级貌别、地下尖水状况踪,彻选择合理毛的隧道衬艇砌结构誓,阔对于整体拉式衬砌俗,助Ⅲ经级及以上绒的围岩采凡用带仰拱陈的曲墙结启构。不设顽仰拱的地汁段应有核20膨ｃｍ厚以和上的混凝可土铺底羞,药设仰拱地舅段的仰拱肢下面的浮通碴必须清事除干净检,祖隧道开挖婆时斤,烂应仔细检值查围岩基领础的稳定誉性和风化锹破碎情况忌,呈检测基底锻承载力裂,胜若隧道基尝础的地质舞水文情况努与勘测结蔑果有差异划(蹦如遇断层局破碎带、伤软弱夹层漂等害),肉应作必要盲的变更设门计流,凶确保铺设锤无碴轨道捞的隧道基冷础稳定。槽3棋．件2谊．香3果过渡段席为保证高遇速列车运蝴行的安全蝶性和平稳洁性、提高付旅