一级建造师铁路工程知识点

一级建造师《铁路工程》知识点2高速铁路轨道技术综述高速铁路轨道结构和普通铁路轨道结构一样，由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成。这些力学性质绝然不一样材料承受来自车轮作用力，它们工作是紧密相关。任何一个轨道零部件性能、强度和结构改变都会影响全部其余零部件工作条件，并对列车运行质量产生直接影响，所以轨道结构是一个系统，要用系统论观点和方法进行研究。钢轨直接承受由机车车辆传来巨大动力，并传向轨枕;轨枕承受钢轨传来竖向垂直力、横向和纵向水平力后再将其分布于道床，并保持钢轨正常几何位置;轮轨间各种作用力经过轨枕和扣件隔振、减振和衰减后传递给道床，使道碴重新排列，并将作用力扩散传递于路基。由于列车速度提升给轨道结构作用力与速度n次方成正比，所以高速铁路轨道必定要比普通线路具备更高安全性、可靠性和平顺性，而轨道各部件力学性能、使用性能和组成为结构卜性能都比普通轨道部件高得多。1高速铁路轨道结构等级1.1结构等级铁路轨道结构等级与运输条件亲密相关。在铁路运输发展早期，速度、轴重、密度都处于较低水平，对轨道结构要求以可靠性为主，等级划分则以年经过总质量为主，兼顾列车速度要求。近年来发展客运专线和重载铁路，对轨道结构提出了不一样侧重要求。客运专线以旅客运输为主，除要求极高安全性和可靠性以外，对旅客舒适度提出了很高要求。在轨道结构方面，则除了传统轨道不允许存在长波不平顺以外，还对短波不平顺作出了严格限制。为了达成这些要求，欧洲AGC计划明确要求线桥设备采取统一标准。这些标准包含：(l)采取60kg/m钢轨、长度2.6m轨枕、弹性扣件、硬质道碴轨道结构;(2)利用标准列车计算桥梁荷载;(3)要求统一列车速度和轴重;(4)全部采取立体交叉;(5)采取大号码道岔，直向过岔速度与区间正线一致，侧向过岔速度与连接联络线一致。1.2轨道结构类型1.2.1有碴轨道和无碴轨道应用范围高速铁路轨道结构主要类型有有碴轨道和无碴轨道。有碴轨道是铁路传统结构。它具备弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特征好等优点。但伴随行车速度提升，其缺点也逐步显现。首先，因为有碴轨道不均匀下沉产生120Hz以下频率范围激振严重，轨道破损和变形加剧，从而使维修工作量显著增加，维修周期显著缩短。依照德国高速铁路资料，当行车速度为250～300km/h时，其线路维修费用约为行车速度为160～200km/h时2倍;速度为250～300km/h时，经过总重达3亿吨后道碴就需全部更换，而在160～200km/h时，经过总重则可达10亿吨。日本对高速铁路桥上有碴轨道与无碴轨道维修费用进行统计分析表明，有碴轨道线路维修费用比无碴轨道高111%，也就是说有碴轨道维修费用相当于无碴轨道2倍多。基于这一情况，许多教授认为，从经济角度和维修管理角度看，高速铁路应采取无碴轨道。尤其是在桥隧结构上，因为无碴轨道降低了二期恒载和建筑高度，采取无碴轨道更为有利。除此以外，无碴轨道还具备使用寿命长、线路情况良好、不易胀轨跑道、高速行车时不会有石碴飞溅等优点，所以无碴轨道在国外高速铁路上取得了越来越广泛应用，其铺设范围己从桥梁、隧道发展到上质路基和道岔区，无破轨道结构在高速铁路上大量铺设已成为发展趋势。1.2.2世界上一些国家铺设有碴轨道和无碴轨道概况日本除在1964年开通东海道新干线未采取无碴轨道外，其后修建高速铁路采取无碴轨道百分比逐年增加：1972年开通山阳(大阪一冈山)新干线占了4.9%;1975年开通山阳(大阪-福冈)新干线占68.6%;1991年开通东北(东京-盛冈)新干线占82%;1990年开通上越(大宫一新混)新干线占90%;1997年开通北陆(高崎一长野)新干线占87.5%。德国认为，当运行速度超出300km/h时，有碴轨道会出现道碴粉化现象，需要经常维修，因为维修成本增加，其最终成本要比无碴轨道高。德国在20世纪70年代修建高速铁路，无碴轨道不足30%;而1998年开通柏林-汉诺威高速铁路，无碴轨道百分比达成80%以上。中国台湾高速铁路无碴轨道155km，占正线长度45%。荷兰高速铁路土质条件不好，软土较多，但也主动采取无碴轨道。法国是以有碴轨道为主国家，现在也在铺设无碴轨道。在京沪高速铁路进行设计咨询时，法国咨询教授也提议京沪高速铁路采取无碴轨道。法国高速铁路延用了传统有碴轨道结构，采取双块式混凝土轨枕和拉布拉弹片式扣件。在1983年开通388km长、速度270km/h巴黎-里昂TGV东南客运专线上，尽管轴重较小，为160～170kN，不过平均经过总重4000万吨(约每2年)就要进行一次线路修理，另外还需对钢轨定时打磨，以消除因列车高速运行时道碴旋流造成钢轨踏面缺点。值得注意是，每一次修理都会造成道碴损坏(道床肩棱损坏、道碴破碎)，从1986年开始就在37%线路(硬基础路段)上增加巧cm厚道碴，方便对受到严重损坏道床上层补充道碴，为此还必须提升接触网二线路经过总重达成2.5至3.0亿吨后开始对道碴道床进行更新。与旅客列车速度为120～140km/h客货混运线路相比，上述高速线路道破使用期约为道破正常使用期25%。法铁总结有碴轨道道碴飞溅原因主要有：(l)冬季在车体和转向架土有冰雪，列车进入气温较高地段冰块下落;(2)线路修理作业后道床不稳定;(3)小动物破坏护栏进人线路，扰动道床;(4)列车高速和大风。当列车速度250km/h以上时，在2.5m距离内飞碴已经非常严重，不能靠近。德国也是欧洲最早建设高速铁路国家之一，和法国TCV不一样是，德国高速铁路轨道结构以无碴轨道为主。柏林-汉诺威高速铁路运行速度280km/h，无碴轨道占72%;科隆-法兰克福高速铁路运行速度300km/h，无碴轨道占85%;正在修建中纽伦堡一英戈城高速铁路设计速度目标值330km/h，无碴轨道占84%。实践表明，德国无碴轨道技术是先进和成熟。1.2.3无碴轨道缺点德国在出版《轨道概论》中依然对无碴轨道缺点进行了详细描述，主要有：1.2.3.1投资问题：无碴轨道早期投入比有碴轨道高得多，即使施工方法得到优化、建设数量增大，无碴轨道成本系数仍为有碴轨道1.5～2.0。另外，有碴轨道维修大型养路机械作业精度越来越高、作业质量越来越好、保持轨道几何状态周期延长，这些都会增强有破轨道竞争力。而伴随运行时间延长，无碴轨道钢轨打磨工作量比有碴轨道大、修复工作比较复杂等都会增加投入，而这些投人在早期是无法计算。1.2.3.2混凝土无碴轨道为刚性承载层，当达成承载强度极限时将产生断裂，并引发轨道几何尺寸突然改变和难以预见恶化。1.2.3.3无碴轨道建设和维修都远未达成自动化程度，无碴轨道质量需要高水平养护方法提供保障，这意味着在施工工序和质量控制方面都要增加额外费用和时间。建立期间质量缺点将为整个使用寿命期留下隐患，并需要花高昂代价进行填补。1.2.3.4无碴轨道作为刚性结构，在后期运行阶段允许作少许补修，如调整轨道几何状态，不但十分困难，而风需要花费高昂代价。1.2.3.5无碴轨道不能在粘土深路堑、松软土路堤或地震区域铺设。1.2.3.6无碴轨道噪声水平比有碴轨道高约5dB，必须采取有效降噪方法。1.2.3.7对脱轨或其余原因造成严重损坏还没有尤其有效方法，而且一旦发生问题，修复时间很长。1.2.3.8无碴轨道改进可能性很小。1.2.3.9在路基上铺设无碴轨道时，在任何情况下都要铺设防冻层(最少70cm厚)。要延长无碴轨道寿命周期，水凝性材料层厚度几乎不能降低。路基处理深度也比有碴轨道深。1.2.3.10现在大部分经济研究没有考虑无碴轨道到了寿命周期后高昂再建费用。1.3无缝线路无缝线路是由许多根标准长度钢轨焊接成一定长度长钢轨线路。无缝线路具备行车平稳、旅客舒适、节约接头材料、降低维修费用、延长线路设备和机车车辆使用寿命等优点，是铁路轨道结构发展方向。各国铁路竞相发展无缝线路，高速铁路必须采取无缝线路。从理论上讲，无缝线路能够无限长，但多年来因为技术上限制，区间信号和道岔区存在钢轨接头，成为无缝线路微弱步骤。伴随科学技术水平提升和铁路技术装备加强，无绝缘轨道电路技术和装备普及、钢轨绝缘接头采取、高碳中锰钢轨和高碳微钒钢轨与道岔高锰钢焊接技术突破，无缝线路实现实际上无限长已成为现实。沪宁线利用线路大修在20世纪末实现一根全长223.2km跨几十个区间超长无缝线路、秦沈客运专线首创新线建设全线一次铺设无缝线路、结合秦沈客运专线京秦改造工程实现全线一次铺设无缝线路等，说明我国铺设超长无缝线路已进入能够全方面实施阶段。新线铺设无缝线路有2种基本方案。一个是短轨过渡方案，即先铺设短轨有缝线路并经早期运行，待跻基、道床在列车作用下密实、稳定之后，保持道床、轨枕不动，将短轨更换为长轨条并焊接成无缝线路。这种经过短轨有缝阶段过渡而铺设无缝线路，轻易使钢轨接头部位基床、道床受到破坏，使之在强度、弹性及其结构均匀性等方面成为固有微弱步骤。而且这些己经形成微弱步骤具备“记忆”特征，不可能经过维修伎俩彻底根除，它们将长久影响线路平顺性和均匀性，不能满足高速列车运行要求，同时也加大了养护维修工作量。另一个是一次铺设无缝线路方案，即新铺设长钢轨一次焊接成无缝线路，在无缝线路铺设之后，基本上不承受施工列车、更不承受早期运行列车作用，从而免去了短轨过渡期形成上述问题，确保高速线路质量。世界各国高速铁路无一例外全部采取一次铺设无缝线路方案。2各国客运专线和高速铁路轨道结构客运专线和高速铁路轨道结构除应具备比重载铁路轨道结构更高可靠性和稳定性以外，最大区分在于它应具备极高平顺性。法国、德国为提升行车速度在轨道方面采取了许多技术方法，其中大部分是围绕提升和保持轨道平顺性进行。当机车车辆确定之后，轮轨间动力作用和振动随轨道不平顺幅值及波长改变而成倍改变。从法国高速铁路实测资料分析，轴重160～170kN高速客车在平顺性很好轨道上以300km/h速度行驶时，轮轨间作用力并不比200kN轴重货车在中等平顺轨道上以100km/h速度运行时作用力大。国外高速铁路运行实践表明，采取60kg/m钢轨轨道结构，严格控制轨道平顺性，能够满足高速行车需要。2.1法国法国高速铁路通常采取由UIC60钢轨、双块式混凝土枕、NABLA弹性扣件组成有碴轨道。长轨条长280m或396m，采取铝热焊焊接，铺设跨区间无缝线路。道碴级配35/50，枕下道碴厚度最小为30cm。长大工程结构物端头设温度调整器。依照侧向经过速度230km/h、170km/h和70km/h需要确定道岔号码。每20～25km设渡线，侧向过岔速度160km/h,可反向行车。20多年运行实践表明，法国高速铁路轨道结构是成功，适应了高速行车，当试验速度达成400km/h时，各种轮轨力都低于造成线路塑性变形限值。在轨道实际运行中有以下情况值得重视：2.1.1在1983年开通巴黎-里昂TGV东南客运专线(长度388km,速度270km/h,最小曲线半径4000m、最大曲线超高180mm、最小竖曲线半径25000m、最大坡度35‰)上，尽管轴重较小(160～170kN)，不过平均经过总重仅4000万吨(约2年)就要进行一次线路大修。2.1.2对钢轨要定时进行打磨，以消除因列车高速运行时道碴旋流造成钢轨踏面缺点，这种缺点会因动力作用增大而造成轨道状态快速恶化。假如不及时进行钢轨打磨，就会增加线路大修工作量。2.1.3线路大修会造成道碴损坏(道碴破碎)。法国对TGV东南客运专线从1986年(仅通车3年)开始就在37%线路(硬基础路段)上增加15cm厚道碴，方便对受到严重损坏道床上层补充道碴，为此还必须提升接触网。2.1.4线路经过总重达成2.5～3.0亿吨后，要对道床道碴进行更换。与旅客列车速度为120~140km/h客货混运线路相比，高速线路道碴使用期仅为道碴正常使用期25%。2.2德国德国高速铁路采取UIC60钢轨，钢轨在工厂用闪光对接焊焊成180m长轨条，再在工地用铝热焊焊成无缝线路钢轨。钢轨出厂前进行超声波探伤，厂焊及工地焊焊接接头也要进行超声波探伤。钢轨及焊缝平直度都要求达成0.3mm/m,有碴轨道采取B70型混凝土枕，长度为2.6m，轨枕间距为60cm，轨枕中间部分50cm长不承受支承。因为其支承面积大，从而大大降低了道床顶面轨枕压应力;又因为轨枕抗弯刚度大，从而确保了在高速条件下轨距和轨底坡稳定性。采取SKL1和SKL4型ω弹条扣件。道床最小厚度为30cm，道床肩宽为50cm。2.2.1德国为改进道床工作条件采取方法德国高速铁路为提升有碴轨道结构承载能力，曾分别采取过以下改进道床工作条件方法，有力地提升了道床抗力：2.2.1.1采取长2.6m甚至2.8m混凝土枕，以扩大枕底支承面积，降低道床顶面压力。2.2.1.2增加轨下胶垫弹性，使胶垫刚度从普通线路800kN/mm降低到高速线路80kN/mm，以降低轨枕作用到道床顶面准静态荷载、冲击荷载和振动荷载。2.2.1.3增加碎石道床厚度，从普通线路道床厚度30cm增加到高速铁路35cm，以提升道床弹性，降低碎石道碴层传递到路基保护层压应力。2.2.1.4铺设碴下胶垫，尤其是在高架结构有碴线路及10m长度范围内路桥过渡段上，在道床下铺设减振胶垫，以降低道碴破碎和粉化，碴下垫层刚度为0.1N/mm。2.2.1.5在碴肩边坡涂刷塑胶，以提升道床碴肩和边坡稳定性。正是因为有碴轨道存在不足，为提升有碴轨道工作性能还要采取如此多方法，增加了不少投资，所以德国高速铁路现在正大力推广并采取无碴轨道。2.2.2德国高速铁路应引发重视问题从德国早期修建2条以有碴轨道为主高速铁路(1987年开通运行速度为250km/h曼海姆-斯图加特高速铁路和1991年开通运行速度为270km/h汉诺威-维尔茨堡高速铁路)运行实际情况看，有以下问题应引发重视：2.2.2.1因为这2条高速铁路实施客货混运，为防止有碴轨道轨向快速改变，通常情况下只允许采取60mm欠超高，所以与法国TGN相比、德国曲线半径比较大。2.2.2.2尽管这2条线桥梁百分比不大.似在桥梁上道碴损坏严重，经过总重不到2亿吨就讨汉诺威-维尔茨堡高速铁路大部分桥梁上道床道碴进行了更换，分析原因是桥梁端部和道碴硬垫层变形2.2.2.3为强化轨道结构，铺设道床底面垫层和B75型混凝土枕(长度2.8m)，并配合使用Ioan300型高弹性钢轨扣件。2.2.2.4为严格控制路基沉降，必须对路基和轨道防冻层充分扎实，对这种增大了刚度轨道可能需要提前更换道碴。2.3日本1964年，在日本投人运行长515km、速度为220km/h东海道新干线客运专线(最小曲线半径2500m、最大超高180m、最小竖曲线半径10000m,最大坡度20%c)是有碴轨道，即使轴重较轻(仅为160kN)，但在运行后，高架线路和桥梁上线路己不能保持符合高速运输要求良好状态，必须进行线路大修。2.3.1东海道新千线出现问题东海道新于线有碴轨道出现以上情况原因是：2.3.1.1轨道结构微弱：东海道新干线是日本第一条离速铁路，考虑到其是客运专线，轴重较轻，所以采取抢轨道结构比较微弱：钢轨断面小(54kg/m)、混凝土枕短(2.4m)、道床厚度薄(20～25cm)。2.3.1.2轨道弹性不良：因为道床厚度不足，而作为基础桥面板刚度又太大，在高速列车运行时产生了浪大道碴应力，加速了轨道整体结构变形和轨道部件折损。首先是结构微弱、抗力不足，首先是动力响应.急剧增大，东海道新干线曾被迫限速运行，直到更换为60kg/m钢轨和增设了道碴垫层后，才恢复了正常运行。今后，日本在修建高速铁路时寻求新路径，这就是无碴轨道。2.3.2日本无碴轨道特点日本把无碴轨道称作板式轨道，它具备以下结构特点：2.3.2.1板式轨道由轨道板和钢轨组成，由扣件将其联9.轨道板由水泥沥青砂浆层(CA砂浆)整体支承。2.3.2.2轨道板为钢筋棍凝土或预应力混凝土结构，考态到运输、铺设作业及曲线地段轨道中心和轨道板中心错位等原因，轨道板标准长度为5m。2.3.2.3为预防轨道板沿轨道纵、横向移动，要把轨道板固定在整体道床上，所以在隧道及高架桥整体道床上设置圆柱形混凝土凸台。2.3.2.4轨道高低误差可经过在轨道板衬垫和钢轨垫板之间插人可调高衬垫进行调整，而轨道方向误差则可经过调整钢轨扣件及移动轨道板进行校正。2.3.2.5在轨道板和整体道床之间采取自然重力法填充沥青1、瓦斯隧道施工前，要依照勘测设计文件提供隧道瓦斯最大涌出量、里程段落长度、投入机械设备及人员数量等原因，考虑一定富裕系数，提前做好通风设计计算，确定施工通风风量、风速(大于1m/s)，科学选配隧道施工通风所需风机、风管性能和规格。确保隧道空气中瓦斯浓度稀释到允许浓度以下。2、瓦斯隧道施工通风设计计算选配通风机械设备要考虑设备故障原因，配置足够备用设备，预防设备故障造成洞内瓦斯积聚与超限。3、要选取防爆型风机、阻燃型防静电风管，风机距洞口20米布设。4、施工过程中加强瓦斯隧道施工通风管理，对通风机械设备、通风管路要做到经常性维护保养和检验，降低通风系统故障率、降低通风管路漏风量，确保施工通风系统正常和通风效果。5、瓦斯隧道施工通风机必须设两路供电系统，并装设风电闭锁装置。当一路电源停顿供电时，另一路电源应有15min开启，确保风机运转。注意确保施工通风供电线路维护、管理和检修，必须配置自发电及备用供电系统，防止因停电或供电线路故障时造成洞内瓦斯积聚或超限。6、因停电、通风机械设备故障等原因造成通风系统停顿运行，在恢复正常通风后，对隧道上部、坍塌洞穴、避车洞等通风不良、瓦斯易积聚地点，瓦斯不得超出2%，当检验超出此浓度时，应停顿施工，撤出人员，切断电流，停顿电动机运转或开启电器开关，待进行局部充分通风处理后，由瓦斯检测员进行再次专题检测，证实瓦斯浓度低于要求允许浓度，确认安全后方可恢复施工。7、工作面若采取局扇通风，因为局扇或供电故障造成局扇停风时，在恢复局扇通风前，必须检验瓦斯浓度，证实爆破工作面附近20米范围内CH4浓度不超出1%，且局扇及其开关附近10米风流中，CH4浓度不超出0.5%时，方可开启局扇通风。不然，必须先采取对应排除瓦斯安全方法。8、因工序衔接、施工组织等暂时停工施工地点不得停风，不得在停风或瓦斯超限区域进行机械施工作业。9、对施工通风系统或经过设施等出与异常时，如通风风筒脱节或破坏等，必须及时组织修复，尽快恢复正常通风。10、发生瓦斯涌出、喷出异常情况时，必须及时采取方法，首先考虑杜绝一切可能产生火源、断电、加强通风，同时尽快撤出施工人员，对隧道进行警戒，深入研究考虑采取抽排瓦斯详细安全方法。①大量涌水隧道注浆材料：水泥：用425号以上普通硅酸盐水泥，质量应符合标准。水玻璃：用出厂浓度42～45Bé，比重1.42～1.45，模数2.4～2.8水玻璃原液。拌合水：水质应符合《铁路砼及砌石工程施工规范》中各项要求。②配合比控制：水灰比(W/C)为0.8;水玻璃稀释浓度为25～35Bé;双液体积比(C/S)为1：0.5～0.7。③凝胶与凝结时间控制：为满足浆液扩散半径要求，采取凝结时间为：通常地段3分钟，富水地段1～2分钟。大量涌水隧道注浆施工控制分类：A.水灰比固定，水玻璃浓度不变，变换双浆百分比。当水玻璃溶液所占百分比由小到大，凝胶时间则由长到短，初、终凝由慢到快。B.水玻璃浓度不变，双液百分比固定，变换水灰比。当水灰比由小到大，凝胶时间由短到长，初、终凝由快到慢。C.水灰比不变，双液比固定，变换水玻璃浓度。当水玻璃浓度由高到低，凝胶时间由短到长，初、终凝由快到慢。④注浆：连接注浆管路，用注浆泵先压水检验管路是否漏水，设备状态是否正常，然后再做压水试验，以冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液冲塞密实性，核实岩石渗透性。对于富水断层破碎带清孔后，先压水泥浆液，再压CS双液浆。标定注浆泵上电接触点压力表最大压力指标，泵压后观察压力改变及水泥浆和水玻璃消耗数量。统计注浆时间和注浆量。注浆达成标准后，打开三通混合器减压阀排浆，卸下混合器换注另一孔。注浆结束后，拆卸各注浆器件，全部清洗洁净，并对注浆泵进行检验保养。⑤大量涌水隧道注浆作业方式：注浆方式采取前进式或全孔一次压入式。钻孔过程中未涌水，就一钻到底，全孔一次压入式注浆;在钻孔过程中，如发觉有水，即停顿钻孔，采取注一段钻一段前进式注浆，直至达成设计段长位置。在水压、水量较大情况下，还可采取分层泄水减压、分层注浆方式。即下层管注浆，中层管放水;中层管注浆，上层管放水，这么逐层抬水，把水排挤到拱顶以上要求止水固结圈以外。注浆次序为由下而上，由里向外。⑥大量涌水隧道注浆参数：A.大量涌水隧道注浆压力及单孔扩散半径要求：注浆压力通常为地下水静水压力2～3倍，考虑到岩层裂隙阻力，初始压力3MPA，终压4～5MPA。单孔浆液扩散半径4M。B.大量涌水隧道速度要求：钻孔出水量大于50L/MIN时，注浆速度取80～100L/MIN。钻孔出水量等于0～50L/MIN时，注浆速度取60～80L/MIN。C.大量涌水隧道扩散范围要求：注浆有效范围为开挖轮廓线外4.0M(塌方段为5.0M)。D.大量涌水隧道量要求：按注浆范围内围岩体积5%左右考虑，实注量由钻孔压水试验确定。(单孔注浆量V=11M3，参考值)。将每根12.5m或25m长钢轨联结成轨道，很显然每隔12.5m或25m就会有一个接头。接头之间还有一道轨缝，大约为6mm.留轨缝道理很简单，是为了预防钢轨在热胀冷缩时