客运专线无砟轨道结构及关键技术总结

1、客运专线无砟轨道结构及关键技术,中国铁道科学研究院 2008年02月,1,江 成,一. 前言 二. 客运专线无砟轨道结构及技术特点 武广客专双块式无砟轨道 郑西客专双块式无砟轨道 新广州站单元板式无砟轨道 京津城际纵连板式无砟轨道 三. 客运专线无砟轨道一些关键技术 四. 结束语,2,一、前 言,随着列车运营速度的不断提高，世界上很多国家在强化有砟轨道的同时，相继研发了以“高平顺性”和“少维修”为主要目标的多种型式无砟轨道结构，通过技术经济性的不断完善，无砟轨道结构的推广应用范围愈来愈广，已逐渐成为高速铁路的主要结构型式。 日本、德国、韩国、我国台湾地区后期修建的高速铁路无砟轨道所占比例均在9

2、0%以上。,我国铁路无砟轨道技术的发展历程,我国铁路无砟轨道结构的研究始于上世纪60年代，经历了以下几个阶段：,19601985 普通铁路无砟轨道结构的早期研发与应用,20042005 遂渝线无砟轨道试验段的自主研发与成区段铺设,19952004 高速铁路无砟轨道结构的前期室内试验研究与小规模试铺,2005 国外无砟轨道先进技术的系统引进,2006 客运专线无砟轨道技术再创新,在隧道内、大型客站、货物装卸线上铺设各种型式的无砟轨道约300km。结构型式主要有混凝土支承块式、板式以及沥青混凝土铺装层与宽枕组成的整体道床。,19601985 普通铁路无砟轨道结构的早期研发与应用,隧道内混凝土支承块

3、式,九江引桥上无砟无枕式,在秦沈线三座桥上、赣龙线枫树排隧道、渝怀线鱼嘴2号隧道试铺了单元板式、轨枕埋入式无砟轨道。,19952004 高速铁路无砟轨道结构的前期室内试验研究与小规模试铺,在路基、桥梁、隧道、岔区成区段铺设了自主研发的单元板式、纵连板式、双块式和岔区轨枕埋入式无砟轨道结构。,20042005 遂渝线无砟轨道试验段的自主研发与成区段铺设,与先进国家相比，我国针对高速铁路、客运专线无砟轨道的试验研究起步相对较晚。为满足我国客运专线的建设需要，2005年铁道部全面引进了国外无砟轨道先进技术，针对京津城际轨道交通工程、武广和郑西客运专线的工程建设，分别引进了德国博格纵连板式、雷达200

4、0、旭普林双块式和日本新干线单元板式轨道的设计、制造、施工、检测和养护维修等成套技术。,2005 国外无砟轨道先进技术的系统引进,二、客运专线无砟轨道结构及技术特点,9,客运专线无砟轨道结构型式,无砟轨道结构型式,预制板式,现浇混凝土式,单元板式,纵连板式,双块式,轨枕埋入式,新广州站工程,京津城际,武广、郑西客专,岔区,2.1 武广客专双块式无砟轨道 2.2 郑西客专双块式无砟轨道 2.3 新广州站单元板式轨道 2.4 京津城际纵连板式轨道,二、客运专线无砟轨道结构及技术特点,2.1 武广客专双块式无砟轨道,在路基上、隧道内、短桥上采用连续道床板结构 路基桩板结构、长桥上采用分块道床板结构,

5、2.1 武广客专双块式无砟轨道,2.1.1 路基上双块式无砟轨道系统,自上至下为刚度递减的层状结构（包括道床板、HGT层、防冻层、基床底层、地基等）。 沿线路纵向，HGT层和道床板连续。,技术特点,路基上采用连续道床板结构，列车纵横向力、温度力由道床板与支承层的层间粘结传递，其层间粘结可保证道床板的横向限位。 根据道路工程连续配筋混凝土路面的实践经验，配筋率0.80.9，纵向为单层钢筋，布置于道床板截面中间位置，以期达到道床板混凝土的裂缝宽度限值0.5mm、裂缝间距22.5m的设计目标 。,技术特点,2.1 武广客专双块式无砟轨道,2.1 武广客专双块式无砟轨道,路基上双块式无砟轨道系统的设计

6、来源于道路工程设计和工程实践经验，采用“当量弹性地基梁”计算模型和设计检算方法。 结构计算模型分为三层，钢轨、承载板（道床板水硬性支承层），防冻层及地基。 钢轨支点反力计算是将钢轨假定为刚性基础上弹性无限长梁 承载板简化成“弹性地基梁”。 将钢轨支点反力作为荷载作用在简化的“弹性地基梁”上，按 相互粘结的计算条件，根据“弹性地基梁”计算理论可得出模型 梁所承受的弯矩M。,路基上双块式无砟轨道系统设计理论和设计方法,2.1 武广客专双块式无砟轨道,道床板与支承层材料的弹性模量不同，为了把两层不同的结构变成相同的弹性模量，考虑两层间的牢固粘结，计算中将模型梁转换为T形截面。弯矩M作用在T形截面梁上

7、，可分别计算出道床板和水硬性支承层上、下边缘的弯曲应力。将计算结果与道床板混凝土、水硬性支承层材料的疲劳弯曲抗拉强度比较，验证其结构设计。,路基上双块式无砟轨道系统设计理论和设计方法,2.1 武广客专双块式无砟轨道,路基及基床表层质量对结构受力影响 E350 MPa时，HGT层底面拉应力均超过允许值0.8； E3100MPa以上时，当E25000 MPa、h300mm时不会超限。 由此可见，地基及基床的施工质量对承力层影响较大。 系统适宜的支承层材料弹模 当E3100 MPa时， HGT的弹模 E210000MPa，其底层拉应力超限，将产生裂缝，导致弹性模量下降，直至应力达到允许值，这种稳定状

8、态相应的弹性模量值为5000MPa。,算例分析,E1 道床板弹模 E2 支承层弹模 E3 基床表层弹模,UIC71活载作用下（轴重250kN）,2.1 武广客专双块式无砟轨道,在ICE活载下，当E3100 MPa， HGT层厚度为300mm， HGT的弹模 E210000MPa时，道床板和HGT层中的弯曲拉应力均小于允许值。,算例分析,ICE活载作用下（轴重195kN）,2.1.2 桥上双块式无砟轨道系统,2.1 武广客专双块式无砟轨道,为了降低由于温度变化和道床板收缩产生的约束应力，在长桥上（桥长大于30m），混凝土道床板分块设置，长度一般在4.05.5m之间。为了桥面排水，道床板之间设最小

9、宽度为100mm的横向断缝。,技术特点,技术特点,2.1 武广客专双块式无砟轨道,桥上无碴轨道设置在钢筋混凝土保护层上，保护层除了起到原有的作用（保护桥面、密闭抗渗）外，还应作为传力板将无碴轨道所受水平力传到桥面板。出于构造与静力要求，最小厚度110mm。 在保护层或道床板上形成能相互嵌入榫接的凸起块以传递纵、横向力。道床板与保护层之间设置隔离层，以实现特殊情况下的道床板修复。,技术特点,2.1 武广客专双块式无砟轨道,为适应桥梁轨道间的相互作用（缓和冲击，协调变形），在凸台四个侧面设置橡胶弹性垫层。,隔离层,弹性垫层,（2）桥上双块式无砟轨道结构设计,结构高度：767mm,道床板：厚度370

10、mm，宽度2800mm，长度：5.4m 7.15m，C40，板 间横向断 缝100mm。 保护层： 厚度140mm，C40，在每个道床板单元范围，保护层设三个凸 台。在桥梁中部设纵向伸缩缝。 桥梁接口：防护墙预埋与保护层的连接钢筋。,2.1 武广客专双块式无砟轨道,（3）隧道内双块式无砟轨道结构设计,结构高度：497mm,道床板： 在隧底回填层上构筑，厚度240mm，宽度2800mm，纵向 连续，混凝土强度等级C40。,2.1 武广客专双块式无砟轨道,主要优点： 无砟轨道系统成套技术较为成熟，且有长期运营实践考验。 轨道建设成本相对较低。 由于“自上至下”的施工方法，与不同类型的扣件结构适应性

11、强。 主要缺点： 路基上连续道床板的混凝土裂纹控制难度较大； 与预制板式轨道相比，其道床面外观质量相对要差。 施工工效较低，施工速度慢。 可修复性较差。,武广客专双块式无砟轨道系统小结,2.2 郑西客专双块式无砟轨道,郑西客专旭普林双块式无砟轨道系统在路基、桥梁和隧道内的设计理论和方法与雷达2000无本质区别。其系统的主要技术特点是：改变传统的施工方法，提高现浇混凝土结构的施工效率,2.2.1 无砟轨道结构设计概况,2.2 郑西客专双块式无砟轨道,扣件系统：WJ-8型不分开式 道床板：厚度240mm，宽度2800mm，C40混凝土，纵向连续配筋 纵向: 1820mm，横向: 116mm / 6

12、5cm 支承层： 厚度300mm，C15混凝土，每隔5m切一横向假缝，假缝深度为 100mm,路基上,结构高度：830mm,2.2.1 无砟轨道结构设计概况,2.2 郑西客专双块式无砟轨道,桥上,结构高度：860mm,道床板：厚度260mm，宽度2800mm，长度：4 7m，C40，板间横向断 缝100mm 底座： 厚度160，宽度2800mm，C40，端部设凹槽对道床板限位，凹槽 四周设橡胶垫层 保护层：厚度120mm，C40，桥上连续铺设 桥梁接口：防护墙预埋与保护层的连接钢筋,结构高度：570mm,道床板： 在隧底回填层上构筑，厚度240mm，宽度2800mm，纵向 连续，混凝土强度等级

13、C40 隧道洞口附近，设置隧底回填层与道床板之间的连接钢筋,2.2.1 无砟轨道结构设计概况,2.2 郑西客专双块式无砟轨道,隧道内,-57,为适应其施工方法，双块式轨枕外形和筋有一些差别 路基上Zblin型无砟轨道的支承层材料采用C15贫混凝土 桥上道床板限位采用底座端部设凹槽限位方式，保护层厚度为120mm；底座板只配置在凹槽周围配置纵、横向箍筋、及与保护层的连接钢筋 隔离层采用LDPE（聚脂薄膜）、凹槽周围的橡胶垫层材料的技术要求：当压应力 5 MPa时，可采用不配筋的弹性垫层CR（聚氯脂橡胶）；当压应力 15 MPa 时，采用配筋的弹性垫层,2.2.2 与武广双块式轨道结构设计的主要不

14、同点,2.2 郑西客专双块式无砟轨道,主要优点： 施工机械化程度高，施工进度较快 施工不需工具轨，施工受环境条件影响小 轨枕采用振动方式压入混凝土中，避免灌注过程中的轨枕底部的振捣不密实 主要缺点： 设备规模大，施工的灵活性不强。一些区段仍需要采用轨排支撑架法施工 3.25m长的轨排通过固定架分段振动压入，测量的多级传递，线路的高低平顺性、方向圆顺性的控制较为困难,2.2.3 系统优缺点分析,2.2 郑西客专双块式无砟轨道,2.3 新广州站单元板式无砟轨道,明确的层状体系设计，确保方便维修或重建 传力机理明确： 水平荷载：凸形挡台 垂向荷载：轨道板、底座。 轨道板承担钢轨定位、传力、承载多重作

15、用，工厂预制。 轨道板下可设置弹性层，减轻对环境的影响。,2.3.1 技术特点,2.3.2 结构设计概况,2.3.3 设计理论和设计方法,轨道板： 弹性地基上的“梁板”计算理论，容许 应力法设计。 底座： 弹性地基上二重/三重“叠合梁”计算理论 ，极限状态法设计。,主要优点： 成套技术较为成熟，且有长期运营实践考验 不同线下基础上的轨道系统受力明确，可实现标准化设计，设计通用性强 制造、施工较为简单 可修复性强,2.3.4 优缺点分析,主要缺点： 结构含CA砂浆、树脂等多种类型的化工材料，其与严寒气候条件的适应性有待验证 铺轨阶段的轨道精细调整工作量大 单元轨道板受温度梯度的变化影响，易产生翘

16、曲变形,2.4 京津城际纵连板式无砟轨道,基于德铁无砟轨道的设计理论体系和基本设计要求： 研发了纵向连续的预制板式无砟轨道结构，替代路基上双块式 无砟轨道的现浇混凝土道床板； 研发了端部设凸台的预制单元板，替代桥上双块式无砟轨道 的现浇混凝土道床板。,2.4.1 研发由来,轨道结构为与统一的Vossloh扣件系统相匹配，根据线路平纵断面条件，带挡肩的预制轨道板在厂内对承轨槽进行打磨处理，通过布板设计，铺设到指定地点,由于长桥上既有设计方案在制造和施工方面存在诸多问题，针对京津城际工程桥梁比例大的特点，部分借鉴了德铁短桥上无砟轨道的结构设计，研发了长桥上纵连板式无砟轨道系统,2.4 京津城际纵连

17、板式无砟轨道,2.4.2 路基上结构设计概况,轨道板限位方式：主要依靠砂浆与轨道板、支承层间的粘结力。,设计方法：轨道板采用“弹性地基梁”模型进行分析计算 横向按宽枕进行设计检算,纵向,横向,2.4.3 桥上轨道结构设计概况,结构组成（自上至下）： 钢轨 扣件 预制轨道板 200mm 乳化沥青水泥砂浆层 30mm 现浇钢筋混凝土底座板 190mm 硬质泡沫塑料板 50mm（梁缝两侧310mm） 滑动层（两布一膜）粘贴在梁面 梁面喷涂防水层。 侧向挡块 底座板限位。,2.4 京津城际纵连板式无砟轨道,结构组成示图,滑动层(两布一膜),硬质泡沫塑料板,锚固销(梁固定支座处),结构组成示图,混凝土底

18、座板： 现场浇筑 跨梁缝连续铺设 在梁固定支座处通过预埋 锚固销与桥梁固结,结构组成示图,预制轨道板 横向施加预应力 板间纵向连接,底座板侧向挡块,底座板竖向挡块,由于底座板与梁面为滑动状态，设置侧向挡块对底座板进行横向限位及竖向压曲限位。,荷载（包括列车荷载、风荷载、附加纵向力等）通过预制轨道板 BZM砂浆层 底座板（通过锚固销钉与梁体相连） 滑动层、锚固销钉、剪力齿槽 桥梁基础、摩擦板、端刺。,纵向力的传递途径,2.4.4 桥上纵连板式轨道系统的设计方法要点,桥上纵连板式轨道结构的主要承重构件是底座混凝土板，各项设计均围绕底座混凝土板展开 底座混凝土板按拉压杆件设计；应用开裂后钢筋混凝土构

19、件刚度折减的理念，对底座混凝土板结构按照正常使用极限状态和承载能力极限状态进行设计检算 为了解决底座混凝土板自桥梁至路基过渡的问题，采用了“端刺+摩擦板”的方案，使底座混凝土板内力在该区域传递至路基，不影响端刺以外路基上的轨道结构 通过梁面和底座混凝土板间的构造措施设置（锚固区域和滑动层），梁轨间纵向力的传递可仅通过锚固区域传递，这样可以避免桥梁伸缩对底座混凝土板受力的影响，也避免长桥上钢轨伸缩调节器的设置,2.4.4 桥上纵连板式轨道系统的设计方法要点,在轨道结构横向受力方面，作用在轨道上的横向力可通过侧向挡块传递至桥梁。 在轨道结构的屈曲稳定性方面，横向稳定性可以通过侧向挡块来保证；在竖向

20、（向上），通过将部分挡块构造设计成扣压式，保证竖向稳定性。,2.4.5 纵连板式轨道结构的优缺点,三、客运专线无砟轨道一些关键技术,48,3.1 双块式无砟轨道的裂纹控制 3.2 无砟轨道工程材料技术 3.3 无砟轨道与站后工程的接口 3.4 无砟轨道高精度测量定位,三、客运专线无砟轨道一些关键技术,3.1 双块式无砟轨道的裂纹控制,（1）支承层的裂纹控制 （2）道床板的裂纹控制 （3）双块式轨枕与道床板的界面裂纹控制,理论分析表明：,地基及基床施工质量对支承层受力有较大影响。 随着支承层弹模的提高，道床板纵向拉、压应力减小，而支承层纵向拉、压应力增大。 支承层为允许开裂结构设计，开裂后的当量

21、弹模随裂缝增多而减小，弹模越大折减率越大。当裂缝间距减小到1.25m时，不同弹模支承层的抗弯刚度也趋于接近。 为减小支承层应力，应尽量采用较低弹模的水硬性支承层材料。为便于施工和提高抗冲刷性能，可采用混凝土材料，但应控制混凝土的强度不超过15MPa。,3.1 双块式无砟轨道的裂纹控制,（1）支承层的裂纹控制,支承层为无配筋的允许开裂结构。开裂后的当量弹模降低，支承层受力减小，逐步达到系统的平衡点，符合轨道系统的弹模递减设计要求。 为控制支承层开裂后引起道床板的反射裂纹，可采取以下措施： 在支承层收缩变形完成后，方可进行道床板施工，一般时 间间隔不应少于1个月。 在支承层假缝处加铺隔离材料，阻断

22、裂纹反射。,3.1 双块式无砟轨道的裂纹控制,（2）道床板的裂纹控制,道床板为普通钢筋混凝土结构。在温度荷载、混凝土收缩、原材料、施工工艺等因素影响下，道床板混凝土开裂难以避免，关键是控制裂纹宽度和间距，以保证结构整体耐久性。 道床板裂纹控制措施： 措施一：道床板结构设计 措施二：混凝土材料性能的优化 措施三：施工工艺的保障,3.1 双块式无砟轨道的裂纹控制,措施一：道床板结构设计,采用分段道床板结构（设伸缩缝） 改变连续道床板结构的配筋方式,（2）道床板的裂纹控制,措施二：混凝土材料的性能优化,优化混凝土配合比，采用掺加高效减水剂、矿物掺合料等措施，降低混凝土收缩率。,（2）道床板的裂纹控制

23、,措施三：施工工艺的保障,混凝土配合比应随环境温度等施工条件的变化进行调整 严格控制混凝土浇注时的入模温度 混凝土振捣密实，必要时可采用二次振捣工艺，释放温度应力 混凝土表面不宜压光。压光易产生浮浆，出现裂纹 应采用帐篷进行防风，采取喷雾或喷洒养护剂措施进行初期养生，后期覆盖湿润养护。,喷雾养护,（2）道床板的裂纹控制,（3）轨枕与道床板间的界面裂纹控制,优化轨枕外形设计，减小轨枕边角处的集中应力 在轨枕与道床板混凝土的结合面涂抹界面剂，增加新老混凝土间的结合力 采用工具轨施工方法，要适时松开扣件，防止钢轨温度力作用下带动轨排伸缩，引起界面裂纹。 混凝土浇筑后0.51小时，螺杆放松0.25圈；

24、浇筑后24小时，松开全部扣件。,3.1 双块式无砟轨道的裂纹控制,3.2 无砟轨道工程材料技术,无砟轨道涉及到多种类型的工程材料，其质量的好坏直接影响结构的耐久性和使用寿命！ 对于不同的轨道结构型式，其关键材料包括： 单元板式轨道：水泥沥青砂浆、混凝土、树脂等材料 纵连板式轨道：水泥沥青砂浆、 混凝土、滑动层等材料 现浇混凝土式无砟轨道：混凝土、水硬性支承层（HGT）、桥上限位装置周围的橡胶等材料。,预制板式无砟轨道用的水泥沥青砂浆,水泥沥青砂浆层是单元板式、纵连板式轨道的关键组成部分。由于两种轨道结构用的砂浆在结构功能上有所不同，在砂浆的性能指标要求及施工方法上也有明显差异 纵连板式轨道用砂

25、浆要提供轨道板的纵横向阻力，设计上要求其强度较高，与轨道板、底座/支承层的粘结性能好 单元板式轨道用砂浆主要取调整作用，并提供有限的弹性，其强度和弹性模量较低，施工方法上采用袋装灌注，轨道的可修复性相对较强,水泥沥青砂浆是由水泥、砂、乳化沥青、水、多种添加剂等组成，是一种有机和无机材料的混合体。 砂浆材料除了要满足结构力学性能（强度、弹性模量等）、施工性能（流动性、膨胀率等）外，由于其中含有对温度敏感的沥青材料，必须根据应用的气候条件，必须满足耐久性和耐候性的要求。 影响砂浆质量的因素除了材料本身外，还包括：灌注设备的性能、施工工艺、施工温度的严格控制等，因此需要建立专业化的队伍，确保质量的稳

26、定性和可靠性。,3.3 无砟轨道与站后工程的接口,无砟轨道与站后工程的接口涉及到以下三个方面： （1）无砟轨道与ZPW2000谐振式轨道电路的相互适应 （2）无砟轨道与综合接地 （3）信号系统的设备安装,（1）无砟轨道与ZPW2000谐振式轨道电路的相互适应,无砟轨道对于轨道电路电气参数的影响，主要是由于轨道结构内部钢筋网和钢轨间的电流互感作用，导致钢轨有效电阻R增大，钢轨电感L减小，从而制约了谐振式轨道电路在无砟轨道应用环境下的技术传输长度。,3.3 无砟轨道与站后工程的接口,a）对钢轨以下一定高度范围内的道床纵、横向钢筋节点进行绝缘处理，减少轨道电路的传输衰耗 b）改进无砟轨道的扣件系统的

27、绝缘性能，提高无砟轨道的道床漏泄电阻 c）优化配置ZPW-2000制式轨道电路，使之更加适应无砟轨道的使用环境,要解决无砟轨道与ZPW-2000谐振式无绝缘轨道电路的适应性问题，需要无砟轨道与轨道电路互动调整，优化设计，解决的途径包括：,（2）无砟轨道与综合接地,为预防接触网高压线发生故障时，可能会感应产生很高的跨步电压和接触电位，对无砟轨道结构、人身和设备安全造成影响，客运专线要求实现综合接地。为此，无砟轨道的结构设计需考虑接地系统的设置。,3.3 无砟轨道与站后工程的接口,无砟轨道综合接地的主要技术要求：,a）在预制轨道板内或现浇混凝土道床板内，设置4根纵向接地钢筋，钢筋直径要求不小于16mm，在每端预埋接地端子处设置横向连接钢筋（截面不小于200mm2）。 b）无砟轨道纵向接地钢筋原则上按每100m分段连接，各段中部预埋接地端子与贯通地线连接，段间钢筋不连接。,预制轨道板内的接地,（3）信号系统的设备安装,信号系统的轨旁设备主要包括： a）ZPW-2000轨道电路设备。 b）道岔转辙机。 c）各种标志牌。 d）应答器