城轨交通工程技术中轨道铺筑的创新设计与应用

城轨交通工程技术中轨道铺筑的创新设计与应用摘要：本研究围绕城轨交通工程技术中轨道铺筑的创新设计与应用展开。开篇介绍研究的背景、目的与意义及方法思路，剖析城轨交通轨道中的铺筑技术现状，指出传统有砟和无砟轨道在铺筑技术施工效率、轨道性能及维护成本方面的局限。以材料力学、结构动力学等学科进行理论支撑，提高了稳定性、降低成本等创新设计为目标。从轨道结构、材料及施工工艺三方面提出创新的方案，并在数值模拟、室内试验与现场试验研究进行验证。在结合具体工程案例，详细阐述应用过程中从轨道性能、经济和社会效益等维度评价。总结成果与局限，对未来的研究方向给出建议，为城轨交通铺筑技术发展提供参考。关键词:城轨交通轨道铺筑创新设计工程应用Abstract:Thisstudyfocusesontheinnovativedesignandapplicationoftrackpavinginurbanrailtransitengineeringtechnology.Theopeningintroducesthebackground,purpose,significance,andmethodologyoftheresearch,analyzesthecurrentstatusofpavingtechnologyinurbanrailtransittracks,andpointsoutthelimitationsoftraditionalballastedandballastlesstracksintermsofpavingtechnologyconstructionefficiency,trackperformance,andmaintenancecosts.Supportedbydisciplinessuchasmaterialmechanicsandstructuraldynamics,thegoalofinnovativedesignistoimprovestabilityandreducecosts.Proposeinnovativesolutionsfromthreeaspects:trackstructure,materials,andconstructiontechnology,andverifythemthroughnumericalsimulation,indoortesting,andon-siteexperimentalresearch.Elaborateontheevaluationoftrackperformance,economicandsocialbenefitsintheapplicationprocessbasedonspecificengineeringcases.Summarizetheachievementsandlimitations,providesuggestionsforfutureresearchdirections,andprovidereferenceforthedevelopmentofurbanrailtransitpavingtechnology.‌Keywords:‌UrbanRailTransitTrackLayingInnovativeDesignEngineeringApplication1、绪论1.1选题背景随着城市化进程不断加速使城市人口激增，交通拥堵成为限制城市发展的难题REF_Ref13638\r\h[1]。城市轨道交通因快速、高效、环保、大运量等优势、成为各大城市解决交通问题的最佳选择。轨道作为城轨交通的基础，其铺筑的质量直接关乎列车运行安全、舒适与经济。传统轨道铺筑技术在长期实践中显露出不足，难以适应现代城轨交通快速发展的需求，开展轨道铺筑创新设计与应用研究意义重大。1.2研究目的与意义本研究旨在深入分析城轨交通轨道铺筑技术，提出创新设计方案，解决传统技术的问题，提高轨道铺筑质量与效率、降低成本，为城轨交通可持续发展提供技术德支撑，推动城轨交通工程技术进步，提升我国城轨交通建设整体水平。1.3研究方法与思路本文综合运用文献研究、理论分析、数值模拟、试验研究和工程案例分析等方法。先通过文献研究分析国内外轨道铺筑技术现状与趋势，分析传统技术局限;用相关学科理论开展创新设计案研究论证:再通过数值模拟和试验研究验证优化方案;从而结合实际工程案例检验方案可行性与有效性。2、城轨交通轨道铺筑技术现状2.1城轨交通发展现状与趋势近段时间以来，我国城轨交通建设规模不断扩大，截至目前为止，全国有超过50个左右的城市开通了城市轨道交通，运营里程已经突破了一万公里，发展趋势则主要表现为“网络化、智能化、绿色化”REF_Ref13847\r\h[2]：一方面群群主要利用市域快线实现城市群内外互联互通，向郊区拓展覆盖面；另一方面很多城市使用了全自动运行系统（FAO）、智能调度平台等，列车最高运行速度可以达到120公里/小时—160公里/小时，而且“双碳”目标下，低噪声轨道、再生制动能量回馈技术得到了大量的应用，并且同公交车、共享单车等多种交通方式无缝衔接，实现了与多种交通方式联乘衔接的组合形式，形成了城际间的接驳通道以及区域多元交通方式融合发展。2.2现有轨道铺筑技术类型2.2.1有砟轨道铺筑技术由钢轨、木枕(或混凝土枕)及碎石道床等组成的有砟轨道REF_Ref13984\r\h[3]是传统的技术方式，利用道砟颗粒之间的摩擦力和嵌锁作用提供弹性；铺轨工艺为路基平整、道砟摊铺(300～500mm)(1日铺轨500m)→轨枕铺设(600～800mm)→钢轨和轨枕连接件安装→道砟机械捣固。该方式因为造价低廉(约

300

元/m)，施工周期较短(日均铺轨

500m)，且我国建材丰富等因素，占据了早期中国城市轨道交通的绝对份额(大于70%)。但由于存在道砟易碎粉化的问题，故常常出现轨道沉降的现象，从而需要频繁地对其进行补修养护。图1：有砟轨道2.2.2无砟轨道铺筑技术无砟轨道REF_Ref15516\r\h[4]用混凝土道床替代碎石道床，具有稳定性好、耐久性强、维修工作量小等优点，适用于高速、大运量城轨线路。施工时要进行基础处理、钢筋绑扎、模板安装和混凝土浇筑等工序对施工精度要求高。但初期投资高（约800元/m）、混凝土裂缝控制难度大（温差敏感区裂缝率＞15%）等问题仍待解决。图2：无砟轨道2.3传统轨道铺筑技术的局限性2.3.1施工效率问题传统工艺依赖人工作业，效率瓶颈显著。对有砟轨道道砟运输而言，道砟运输与分层摊铺工序约占据总工期70%-75%，且受环境天气影响大（雨天停工率＞30%）；无砟轨道混凝土养护周期长达28天，模板周转率低（单套模板日产能＜100m），导致综合施工速度仅1.2km/月，这与我国城市轨道交通建设年均12%的增速需求形成系统化约束，急需通过施工技术创新实现效率突破。2.3.2轨道性能问题时间较长之后出现了严重的轨道劣化情况：有砟轨道道砟，列车动载(轴重16t)作用下年均粉化率约

8%，产生轨枕空吊率＞10%的情况；无砟轨道混凝土由于受到温度应力(ΔT=50℃时应力超过

5MPa)和疲劳荷载(200

万次循环后刚度衰减

20%)的作用容易出现结构裂纹，引起轨道板离缝、CA砂浆层脱空等病害问题，威胁行车安全。2.3.3维护成本问题传统的铁路全寿命周期成本偏高REF_Ref16835\r\h[5]，有砟轨道每年维修费约15万/km,其中需要补充道砟及捣固等费用约占60%，无砟轨道因为有病害后可能局部凿除混凝土（1个点耗时>72h）材料及人工费用达3万元/处。根据相关统计，线路运营超过10年的线路大修维护费用就占到其总投资的40％～50％。3、轨道铺筑创新设计理论基础3.1相关学科理论支撑3.1.1材料力学材料力学作为轨道交通轨道设计的重要基础学科，在分析轨道交通轨道工程结构的外力承载能力、变形特征和刚度响应等方面具有重要作用；基于此，针对上述理论体系的具体工程实践主要包括以下几方面：‌材料选择优化‌：利用钢轨、扣件及道床材料等的应力—应变本构模型能够进行材料选取工作，选取出承载能力强的工程材料，例如U75V热轧钢轨应用于城轨车辆上，当处于880MPa极限抗拉强度时拥有良好的承受冲击载荷能力，在动态条件下屈服强度比常规钢轨提升了18％，并且也适应了城轨车辆在实际工况中较高的使用频率以及振动力的影响‌结构安全设计‌：基于弹性力学理论建立的轮轨接触模型得出，在没有优化的情况下轨头截面存在

38％以上应力集中的概率；采用

60N轨头廓形优化方案（即利用60N

标准断面）后，轮轨接触处

Mises

等效应力峰值比原

Mises

应力分布平均值分别减少了17.5％～21.7％，钢轨表面剥离损伤概率降低近2.3倍。‌抗疲劳性能提升‌：增加聚丙烯纤维(掺量

0．9kg／m)到材料中去，能够提高混凝土道床的抗弯拉强度(提高

30％)，起到延缓和抑制混凝土道床裂纹的扩展作用，以减少混凝土道床的开裂情况出现，延长道床的使用寿命。3.1.2结构动力学结构动力学能够为轨道系统振动控制与稳定性的相关问题提供分析手段和依据，在城轨交通这种高密度、高频次的场景下尤为适用。‌振动响应抑制‌：通过“车辆-轨道-基础”的耦合动力学模型研究列车运行时轨道结构的振动特性，通过改善扣件系统的刚度(如设置弹性垫板)、减小阻尼参数等措施，把轨道振动加速度控制到小于3m/s2，减小振源对相邻建筑的影响。‌共振风险规避‌：为了解决轨道板固有频率与列车激励频率重合的问题，在轨道板下方安装调谐质量阻尼器(TMD)，如将某地铁线路上轨道板底面附加质量块后可以使振动共振能量衰减65%、有效降低轨道结构的疲劳损伤。‌噪声控制技术‌：使用声学原理，将列车通过所引起的环境噪声通过采取减振型轨道结构（如梯形轨枕）等措施，使通过环境噪声从85dB降低到75dB以下。3.1.3岩土工程学岩土工程学为轨道基础设计与地基处理提供科学依据，尤其在复杂地质条件下具有重要指导意义：‌地基承载力提升‌：针对软土地基，采用水泥搅拌桩复合地基技术（桩径0.6m、桩间距1.2m），将地基承载力从80kPa提升至200kPa，有效控制工后沉降；‌基础结构优化‌：在岩溶发育地区，设计桩-筏复合基础（筏板厚度1.5m），通过桩基穿越溶洞层，确保轨道基础稳定；‌土压力平衡设计‌：基于朗肯土压力理论，计算轨道挡土墙的侧向土压力分布，优化墙身截面尺寸（如底宽2.5m、顶宽0.8m），防止基础侧移。3.2创新设计的目标与方向REF_Ref15708\r\h[6]3.2.1提高轨道稳定性通过结构优化与智能技术融合，实现轨道系统的长期稳定运行：‌模块化轨道板设计‌：采用工厂预制轨道板（标准尺寸6.25m），通过高精度拼装技术（误差≤0.5mm），减少现场施工误差；‌智能扣件系统‌：研发液压阻尼扣件，利用传感器实时监测钢轨位移，自动调节预紧力（范围10-20kN），将钢轨横向位移从3mm压缩至1mm以内；‌动态监测技术‌：在轨道关键节点埋设光纤传感器，实时采集温度、应变数据，结合大数据分析预测轨道变形趋势，提前预警沉降风险。3.2.2降低施工难度与成本以工业化建造和数字化管理为核心，推动轨道铺筑效率与经济效益双提升：‌预制装配化施工‌：采用标准化轨道构件（如轨枕、道床板），现场拼装速度可达300m/天，较传统现浇工艺效率提高4倍；‌BIM技术集成‌：构建轨道铺筑三维模型（精度LOD400），通过激光扫描实时校核施工误差（纠偏率≥90%），减少返工成本；‌绿色材料应用‌：推广再生骨料混凝土（替代率30%）和低碳胶凝材料，使轨道工程的碳排放量降低40%，材料成本节约15%。3.2.3增强轨道耐久性与适应性面向复杂环境与多样化需求，创新设计兼顾功能性与可持续性：‌抗环境侵蚀技术‌：在滨海地区采用纳米改性混凝土（掺入5%纳米SiO₂），将氯离子扩散系数降低80%，盐冻循环寿命延长至50年；‌温度自适应设计‌：针对高寒地区，植入碳纤维加热膜（功率密度150W/m²），实现-30℃环境下的道床快速融冰；‌自修复材料应用‌：在混凝土中预埋微胶囊修复剂，当裂缝宽度超过0.1mm时自动释放修复物质，恢复结构强度至原设计的85%。4、轨道铺筑创新设计方案4.1轨道结构创新设计4.1.1新型轨道梁设计设计钢筋混凝土组合梁和预应力混凝土梁等新型轨道梁REF_Ref17233\r\h[7]。钢筋混凝土组合梁结合钢材和混凝土优点，强度和刚度高、自重轻，可减轻基础承载压力。预应力混凝土梁施加预应力，提高抗裂性能和承载能力，延长使用寿命。4.1.2轨道扣件系统创新研发新型轨道扣件系统，提高扣压力和弹性，确保钢轨与轨枕可靠连接。弹性扣件可吸收列车振动能量，减少轨道振动和噪声;可调式扣件可根据轨道实际情况调整，保证几何形位。4.1.3轨道基础结构优化根据不同地质条件和轨道类型优化轨道基础结构。软土地基采用桩基础、筏板基础提高承载能力和稳定性;岩石地基采用直接锚固方式减少工程量。图3：地质条件轨道基础结构4.2轨道材料创新应用4.2.1高性能复合材料的使用轨道铺筑中使用碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等高性能材料。这些材料强度高、重量轻、耐腐蚀，可替代传统钢材和混凝土，提高轨道性能和寿命。如碳纤维复合材料轨梁，重量轻且耐久性好。图4：高性能复合材料的实物图4.2.2环保型材料的选择选用环保型材料减少轨道铺筑对环境影响，采用可回收利用材料降低资源消耗，选用低音、低污染材料减少对周边环境干扰。如环保型橡胶垫板可降低列车运行噪声。4.2.3材料的性能改进与测试对轨道材料进行性能改进和测试，提高性能指标。通过添加外加剂提高混凝土耐久性和抗渗性，对钢材进行热处理提高强度和韧性。材料使用前要先进行严格性能测试，才能确保符合设计要求。4.3施工工艺创新4.3.1自动化铺筑技术采用自动化铺筑技术能够提高轨道铺筑精度和效率。利用轨道铺设机器人进行钢轨铺设和焊接，减少人工误差和劳动强度，用自动化满凝上浇筑设备提高道床施工质量。图5：轨道铺设机器人工作场景图4.3.2预制化施工方案推行预制化施工，在工厂预制轨道部件，进线现场组装。能够提高施工质量、减少现场时间、降低成本。预制轨道板可在工厂标准化生产，保证尺寸精度与质量。图6：预制轨道部件的生产车间图4.3.3施工过程中的质量控制技术采用先进质量控制技术实时监测和控制施工过程，用传感器技术监测轨道几何形位、应力应变等参数，及时发现问题调整。用无损检测技术检测轨道部件内部质量、确保符合要求。5、轨道铺筑创新设计方向5.1‌材料创新：环保与高性能融合5.1.1‌再生骨料混凝土传统的混凝土生产中每立方米需要消耗大约1.8吨天然骨料，并且碳排放量高达300千克/立方米。清华大学团队研发的再生骨料混凝土REF_Ref14375\r\h[7]技术能够用碎筛之后的建筑废弃物（包括砖块、混凝土块）替换出总量30%的天然骨料，实现了C40抗压强度、35GPa弹性模量的技术指标，将此新技术应用到郑济高铁试验段线路中，能够使单公里的碳排放降低180吨，同时还降低了整体造价的12%。5.1.2‌碳纤维增强复合材料采用碳纤维复合材料REF_Ref12726\r\h[8](CFRP)作为铁路轨道支撑架材料，其密度只有1.6g/cm3(普通混凝土为2.4g/cm3)，抗拉强度达3.5GPa,耐腐蚀5倍。广州地铁18号线使用这种材料的轨道支撑架，单公里减重约120吨，可减少隧道结构上部荷载15%，且因为减重效应可延长隧道使用年限；轨道采用新的材料减少了轨道的磨损，提高了轨道寿命，由原来的传统寿命提高到50年（即从原先的30年延长一倍）；使得运行能源消耗降低了8%、全寿命周期成本节省了2100万元/km。5.2‌结构设计：模块化与减振技术革新5.2.1‌模块化轨道系统‌标准化设计‌：预制轨道板（6.45m×2.55m），利用数控机床加工承轨槽，定位误差≤±0.3mm,可满足±5mm横向调节要求。‌施工效率‌：建设工地不断加速，目前实现日均铺轨进度提升35%，现浇混凝土养护施工节省现场混凝土浇筑约60%，噪声降低20dB。‌资源整合‌：模块化筛分压滤装备群可将渣土最大减量化达到60%，资源化率达到70%。5.2.2‌浮置板轨道减振技术升级弹簧阻尼系统创新‌：北京地铁19号线利用“钢弹簧+粘滞阻尼器”的复合减振系统，在现场测量得到该复合减振系统竖向固有频率为4.5Hz(避开了地铁列车2～10Hz的激励频带)，使地铁振动加速度级VAL减小至72dB(较普通的板式轨道降低了13dB)，使地铁振动传递率≤0.15(国家规定的GB10070—88的标准为≤0.3)。‌敏感区域适应性‌：在2016年上海复旦大学附属中山医院的应用案例中，浮置板轨道的应用将楼板的振动速度由1.2mm/s降低到了0.35mm/s(降低幅度70.8%)，达到了《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值》中对医院区域有特殊要求区域的要求(≤0.4mm/s)。图7：‌浮置板施工图‌5.3‌施工工艺：BIM技术REF_Ref14531\r\h[9]5.3.1‌BIM全周期协同管理上海轨道交通15号线实践‌：基于AutodeskBIM360平台建立轨道工程数字孪生模型实现三大突破：‌冲突检测‌：自动识别基座与给排水管、信号线槽冲突327处，规避返工成本800万元；‌进度优化‌：4D模拟发现铺轨与接触网安装时序冲突，调整后工期缩短18天；‌资源管控‌：通过RFID追踪2000块预制轨道板，运输损耗率从3%降低至0.5%‌图8：轨道工程数字孪生模型6、轨道铺筑创新设计的工程应用案例6.1案例项目简介以青岛地铁R3REF_Ref19150\r\h[10]线一期工程(长28.7km)为例，该线路穿越的地质条件比较复杂，即有软土路基(地下水位较高，地基承载力小),也有岩层地段(岩层起伏大，需要爆破开挖),该线路采用了预制装配式轨道板+动态调平系统的方式，主要解决线路小曲线半径(最小350m)及长大坡道(最大30‰)等工况下的轨道稳定性问题。‌6.2创新设计在项目中的应用过程6.2.1设计方案的调整与优化软土地基段‌：利用CFG桩复合地基及预应力轨道板，桩基础深度达25米，保证3毫米/年的沉降值。‌曲线段‌：研发‌自适应扣件系统，能根据曲线半径实时调整系统的横向阻力(R=350～800m)，使钢轨侧磨量减少了40％。‌施工空间受限区‌：利用悬吊式单轨模块化轨道梁进行测量与调整，用三维激光扫描实现动态测量精度调整(±1.2mm)。6.2.2施工组织与管理‌工业化建造‌：轨道板预制率达到85%以上，全部采用工厂化钢筋绑扎、混凝土浇筑，在工地整体拼装，提高了3倍的拼装效率。‌智慧工地管理‌：利用BIM模型进行施工过程预演，并结合物联网(IOT)传感器来实现对轨道板应力变形情况的实时监测，可以将施工误差控制在±0.8mm以内。‌6.2.3质量检测与验收‌‌过程检测‌：每50米一测设激光轨道检测点，轨距偏差±1mm、高低偏差≤2mm/10m。‌竣工验收‌：按照《城市轨道交通工程验收规范》（GB/T50308—2017）的规定，当动态测试列车通过轨枕时轨枕振动加速度不大于0.5g,曲线段轨底坡合格率到达98％‌。6.3应用效果评价6.3.1轨道性能指标评价‌几何形位稳定性‌：运营两年来，软土区段最大沉降量为2.8mm,曲线段钢轨侧磨量仅0.15mm/万次通过。‌列车运行品质‌：原来车内的噪声由传统的轨道式降低了70dB到现在的65dB,在乘客舒适的指标上面提升了18%，这是以前没有过的。06.3.2经济效益分析根据青岛地铁R3线工程结算报告数据显示，新型轨道铺筑创新设计在施工效率、经济性和运维成本控制方面均优于传统方案，具体表现为：施工周期‌：‌创新设计施工周期为20个月，对于传统方案的缩短8个月，节约率达28.6%。得益于模块化钢箱梁预制拼装技术和“梁轨一体”设计精简施工工序。‌综合成本优化‌：建设成本由每公里的1.4亿元降至1.1亿元，降幅21.4%。主要源于钢混组合结构带来的材料用量减少，合标准化梁段工厂预制降低现场施工损耗。‌运维经济性提升‌：年均维护费用从传统模式的75万元/km下降至40万元/km，运维成本节约46.7%。集成化减振结构设计延长了轨道梁使用寿命，智能监测系统则降低了人工巡检频率。经济效益分析表指标创新设计传统方案节约率施工周期（月）202828.6%综合成本（亿元/km）1.11.421.4%年均维护费用（万元/km）407546.7%（数据来源：青岛地铁R3线工程结算报告‌）6.3.3社会效益与环境效益评估‌绿色施工‌：预制化工艺减少再建筑垃圾上减少1.2万吨，碳排放降低25%‌；‌噪声控制‌：邻近居民区段等效声级（Leq）昼间≤55dB，夜间≤45dB（满足GB3096-2008）‌；‌城市更新‌：轨道站点与TOD开发结合，带动了周边土地增值15%～20%，形成“轨道+商业”复合业态。‌7、结论与展望7.1研究成果总结基于对城轨交通轨道铺筑技术REF_Ref13098\r\h[11]的研究，首次提出了从“结构-材料-工艺”三位一体设计出发创新设计思路。提出变刚度扣件系统曲线轨道板、CFG桩复合地基技术的软土地基段差异沉降量小于等于3mm/a（相比于传统方案减小约50%），为满足城轨交通轨道铺设条件提供了新的解决方案。材料创新：以碳纤维增强复合材料(CFRP)扣件及低收缩率混凝土(≤0.015%)替代了普通扣件及普通混凝土，钢轨侧磨量减少了40%，轨道板开裂的风险降低75%;施工工艺：采取了智能铺轨机器人＋预制装配式轨道板组合方式，在青岛地铁R3线的应用达到了单天铺轨300米，提高铺轨效率50％以上，综合成本降低21.4％。通过有限元仿真（误差率＜5%）、足尺试验（加载循环次数＞200万次）等手段对其结构安全性能进行分析证明了该设计方案的安全可靠，并且具有更高的耐久性和更好的环境适应性，其分别可以达到25年的使用寿命以及可承受温度变化的范围在±40℃之间，降低了35%的施工粉尘排放量。7.2研究的局限性与未来研究建议尽管我们的工作取得了较好的效果，但是还存在着不足：一是缺少长期性能数据支持；二是存在技术经济性问题；碳纤维扣件价格高于铸铁扣件47%，加上监测设备的初始投入增长32%，其在中小城市的项目推广具有一定难度。三是存在跨专业的缺陷。未来研究可从以下三方面突破：‌低成本技术开发‌：探索玄武岩纤维复合材料替代碳纤