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1、无碴轨道关键技术研究 1 概述为适应列车运行的高速化，世界各国铁路尽管对有碴轨道结构采取了一系列强化和改善的技术措施，但传统碎石道床变形积累过快仍然是轨道养护维修的主要方面。为解决轨道维护和列车运行之间的矛盾，以少维修为目的，用其他材料替代碎石道床层的无碴轨道结构得到了迅速发展。无碴轨道结构因其高平顺性和少(免)维修的优点，在国外高速铁路上获得了广泛应用。日本、德国二十世纪90年代后期修建的高速铁路以及台湾高速铁路无碴轨道比例接近100，法国也在地中海线2km隧道内进行了无碴轨道试验。至今，日本无碴轨道累计铺设里程已经达到2700km，台湾基隆到高雄350公里高速铁路全部采用无碴轨道。我国各类
2、无碴轨道铺设长度己达300多km，主要铺设在基础条件较好的隧道、高架结构和桥梁上。无碴轨道主要有两大类，一类是轨枕埋入式，如德国Rheda型、轻轨铺设的弹性支承块式无碴轨道；另一类是板式，如日本的大板和框架式板式轨道、德国的博格板式轨道。无碴轨道的优点是：轨道稳定性好，轨道几何形位能持久保持，线路养护维修工作量显著减少；耐久性好，轨道使用寿命长(60年以上)；长波不平顺小，可以通过轨道刚度的合理匹配，提高乘坐舒适性，尤其是通过不同结构物过渡段和道岔区的舒适性；横向阻力的提高，增加了安全性：无碴轨道在圆曲线地段可实现超出有碴轨道高达25的超高，这就有可能保持规定速度的情况下选择较小的曲线半径，同
3、时无碴轨道可以采用较大的线路纵坡，提高线路平纵断面对地形、地物的适应性，减少对景观的破坏，可缩短桥梁、隧道结构物的长度，减少投资；结构高度低，自重轻，可减少桥梁二期恒载、降低隧道净空，从而降低工程总造价；维修量小，提高了线路使用率，减少事故隐患：道床整洁美观，无道碴飞溅带来的一系列问题。 下一步在高速客运专线上大范围成段集中铺设无碴轨道需要解决的主要技术问题主要是无碴轨道类型的选择、土路基上无碴轨道结构设计、过渡段设计和系统集成。 2 无碴轨道类型选择 21 国外高速铁路铺设无碴轨道情况在国外高速铁路上研究、铺设无碴轨道最广泛的是日本和德国。日本最初是在新干线的桥梁、隧道等基础条件较好的结构物
4、上铺设板式轨道，后来发展到路基上。现代意义上的无碴轨道，从1965年日本国铁开始研制新型轨道结构到今，无碴轨道经历了研究-试铺-标准定型-推广应用的发展历程。德国2002年8月1日正式投入运营的科隆一法兰克福，全长177km，线路最大纵坡达40o，其中在运营速度不小于200kmh的155km地段铺设了无碴轨道(包括44组无碴轨道道岔)；预定明年10月开通的台湾台北至高雄高速铁路全长约345公里，全线包括高架车站道岔区均采用无碴轨道，其中区间采用框架式板式轨道，道岔区则采用Rheda2000型无碴轨道，台湾高铁路线最大坡度25。从国内外无碴轨道的类型来说，无碴轨道大致可以归纳为两种结构类型：一种
5、在传统有碴轨道的基础上，考虑有碴轨道的线路维修60以上的维修工作量与道床有关，因此在进行无碴轨道结构开发时，将碎石道碴用钢筋混凝土或沥青混凝土代替，这种无碴轨道结构型式国内总称为轨枕埋入式，秦沈客运专线沙河特大桥和渝怀线鱼嘴2#隧道铺设的长枕埋入式、武汉轻轨和秦岭隧道铺设的弹性支承块式无碴轨道、德国科隆法兰克福铺设的Rheda2000就是其中的典型代表。另外一种无碴轨道则是取消轨枕，将钢轨直接铺设在轨道板或道床板上的无碴轨道结构，即直结轨道。直结轨道的典型代表为日本的传统板式轨道和框架式板式轨道。目前世界上高速铁路铺设的无碴轨道主要有板式轨道、博格轨道及双块式无碴轨道。1板式轨道板式轨道主要包
6、括日本的大板、框架式。(1)大板轨道板式无碴轨道主要由钢轨、扣件、预制轨道板、乳化沥青砂浆层(CA砂浆)、钢筋混凝土底座组成。根据使用要求的不同，轨道板一般分为A、B两种类型，A型轨道板的长度为4930m，B型轨道板的长度为4765m，宽度均为24m，厚度190mm。其中，B型轨道板上预留有辅助轨螺栓孔，用于无碴轨道与有碴轨道过渡段上。(2) 框架式板式轨道2博格板式轨道博格板式轨道是德国马克斯博格公司开发的。图为德国博格板式轨道的结构设计图。博格板式轨道与日本板式轨道的最大不同在于博格板式轨道轨道板下的砂浆，日本板式轨道采用的是水泥沥青砂浆，价格昂贵，博格则采用了价格比较低廉的水泥砂浆；其次
7、博格板式轨道的轨道板宽度较窄。3、双块式无碴轨道德国应用最广泛雷达2000型是双块式无碴轨道的代表形式。雷达2000无碴轨道在传统雷达型无碴轨道的结构上发展而来的。最近开发的雷达2000型轨道由两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原雷达型中的整体轨枕；取消了原结构中的槽形板，统一了隧道、桥梁和路基上的型式；同时，轨道的建筑高度从原来的650mm降低为472mm。雷达2000型中的特殊双块式轨枕只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土，其余为桁架式的钢筋骨架，使与现场灌筑混凝土的新、老界面减至最少，有利于改善施工性，提高施工质量和结构的整体性。建筑高度的下降，对降低轨道本身和线路的造价都是有
8、利的。 雷达2000适用于各种轨道形式，从土石方工程、桥梁隧道工程、到道岔和伸缩缝工程均可应用。22 国内铁路无碴轨道研究情况 “九五”国家科技攻关专题“高速铁路无碴轨道设计参数的研究”中，提出了适用于高速铁路客运专线的三种无碴轨道结构型式即长枕埋入式、弹性支承块式和板式无碴轨道及其设计参数。在铁道部科技开发计划项目“高速铁路高架桥上无碴轨道关键技术的试验研究”中，建立了桥上无碴轨道车一线一桥耦合模型分析了高速铁路高架桥上无碴轨道的动力特性与车辆走行性能，并进行了对三种无碴轨道结构型式的实尺模型各项性能试验，提出了高速铁路无碴轨道桥梁徐变上拱的限值与控制措施。 1999年配合铁道部科技开发计划
9、项目“秦沈客运专线桥上无碴轨道设计、施工技术条件的研究与编制”的研究，秦沈客运专线选定了三座高架桥作为无碴轨道的试铺段。其中，沙河特大桥(长692m)试铺长枕埋入式无碴轨道，狗河特大桥(长 741m)直线和双何特大桥(长740m)曲线上试铺板式轨道。其他无碴轨道类型有：秦岭隧道、东秦岭隧道和正在建设的乌鞘岭隧道的套靴式无碴轨道和地铁轻轨采用无碴轨道。3、无碴轨道的选型31选型原则根据国外成段集中铺设无碴轨道的实践经验及国内的研究成果，我国高速铁路客运专线成段集中铺设无碴轨道的选型应该符合下列原则： 1）、在高速列车长期动荷载作用下，轨道结构应保持安全、可靠的几何状态，并具有足够的承载强度贮备，
10、以及与桥梁、隧道结构相当的使用耐久性； 2）、轨道结构具有较好的弹性，以改善高速客运列车旅客的乘坐舒适性，减缓轮轨间的冲击作用，减轻钢轨的磨耗； 3）、结构简单，便于组织快速施工和安装，便于配套设备和机械的应用，施工进度应符合铺轨要求，对于混凝土道床的局部损坏应考虑有修复的可能性； 4）、在无碴轨道的基础确保坚实稳定的情况下，需考虑因施工误差、曲线超高变化，以及预应力混凝土桥梁徐变上拱等因素引起的轨面标高的改变，其配套的扣件设计应考虑有足够的调整量和可行的调整方法； 5）、应该结合我国高速客运专线的信号制式，保证绝缘电阻满足轨道电路的要求； 6）、技术的先进性。应该根据国外目前无碴轨道结构的最
11、新研究成果，结合我国的研究成果，选用技术含量高的无碴轨道结构型式。 32几种无碴轨道比较轨枕埋入式无碴轨道弹性支承块无碴轨道由于双块之间、支承块与道床板之间缺乏结构钢筋的有效连接，其在高速运营条件卜的结构稳定性有待于进一步的研究与试验，同时这种结构国内外没有超过160kmh的运营实践，在客运专线上大范围铺设应该慎重；长枕埋入式由于预制轨枕和现浇钢筋混凝十结构之间的收缩徐变速度不同，轨枕与现浇道床板之间产生裂纹，国内铺设实践尤其在迎车面裂纹更加显著，因此这种结构用在隧道内比较合适，至于在露天路基及桥梁范围内铺设，考虑到排水等则应该慎重。 为了减小预制轨枕与道床板之间的接触面积，改变长枕埋入式无碴
12、轨道轨道穿钢筋和环形箍筋方法的不足，双块式无碴轨道(Rheda2000)用两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代整体式轨枕，取消了槽形板，特殊双块式轨枕只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的混凝土，其余为桁架式钢筋骨架，使之与现场灌注混凝土的新老界面减至最少，有利于改善施工工艺性，提高施工质量和结构整体性。同时，轨道高度从原来的650mm降至472mm，建筑高度的降低，又有利于降低工程造价。另外，由于双块式无碴轨道道床板为现场浇灌，适合应用于道岔区铺设。但是，由于双块式无碴轨道道床板钢筋为现场绑扎，尤其是纵横向钢筋的绝缘相对较为困难，因此双块式无碴轨道如何保证信号最小传输距离大于1500m(困难情况下
13、1200m)是这种无碴轨道推广应用的技术瓶颈。 板式轨道板式轨道在日本已经铺设了2700km，技术成熟：板式轨道在轨道板与底座之间浇注CA砂浆，既增加了轨道的弹性，又使板式轨道在结构设计上具有可维修性，在基础下沉超过扣件的调整能力时可以通过在CA砂浆表面灌注树脂材料恢复轨道几何形位；轨道板为工厂预制，现场施工污工量少，一方面可以保证施工质量，另外一方面现场为组装式施工，施工进度较快，同时由我国白行研制的板式轨道大型成套施工设备技术设计已经通过评审；框架式板式轨道由于减少了轨道板污工量，进一步降低了工程造价，同时改善了大板式板式轨道的受力条件。但是，由于板式轨道轨道板为工厂预制，在几何设计上对于
14、道岔区的适应性较差，因此在道岔区不宜铺设板式轨道。 综上所述，我国高速客运专线无碴轨道类型原则上选用双块式（雷达2000型）无碴轨道，在地质条件相对较好的地段可以选用板式（框架式板式）轨道，但道岔区铺设双块式无碴轨道。4 土路基上铺设无碴轨道 41 国外土路基上铺设无碴轨道情况国外在土路基上铺设无碴轨道主要有日本和德国，其中日本研究了专门铺设于土路基上的RA型板式轨道、设计参数和技术条件日本土路基上板式轨道设计序号限制项目条件值1板式轨道铺设后最终沉降量目标值3.0mm2最大挠度值1/18003最大折角值3/10004路堤上部以上的强度K30110MPa/m日本板式轨道铺设里程已经累计2700
15、km，从1970年2月10日开工的山阳新干线冈山至博多段开始，广泛应用于东北、上越、北陆等新干线的桥梁、隧道和部分基础条件较好的土质路基上。其中，土质路基上的RA型板式轨道在试铺了60m进行各项性能试验后，最终在1993年在北陆新干线正式铺设了1lkm。 42 国内土路基上铺设无碴轨道情况 自1958年起，我国铁路研究设计了多种型式的混凝土整体道床，分别在土质路基、路堑和隧道内进行了试铺，至1964年共试铺了35处计8km。曾在土质路基上试铺过一小段无碴轨道，但在运营过程中出现了下沉、开裂等病害，不得不拆除。我国铁路在土路基上铺设的无碴轨道结构类型主要有水泥混凝土和沥青混凝土道床无碴轨道，主要
16、应用于货物装卸站、客车技术作业站等站线地段，使用效果较好，但行车速度较低。 43 国内高速客运专线土路基上无碴轨道结构设计理论、计算方法及设计技术条件研究 在国外上路基上的无碴轨道主要有土路基上水泥混凝土道床无碴轨道和沥青混凝土道床无碴轨道两种设计方案。其中水泥混凝土道床无碴轨道的结构特点为：由于采用抗弯刚度大的混凝土底座，可以提高荷载的分散传递效果：与沥青系材料相比，温度敏感性低，耐久性优；其结构缺点是与沥青铺装施工时可采用道路工程铺装用的大型施工机械相比，施工效率较低，需要的养生时间较长，并且工程建设费高于沥青铺装轨道。 由于我们国家地域宽广，气候、地质条件差异较大，哈尔滨和广州的最低轨温
17、相差411，应该根据不同的地质、气候条件选用不同的轨道结构。作为技术研究，应该结合国外的铺设经验，根据我国的典型地质条件和气候条件，对水泥混凝土道床和沥青混凝土道床两种无碴轨道结构的适用条件进行研究，并制定符合我国国情的设计、施工、检测、维修和管理条件。 4 无碴轨道与有碴轨道的过渡 41 过渡段长度的确定 由于桥上、隧道和路基轨道的轨下支承条件不同，轨下基础和轨道的整体刚度及其变形不一致，在路桥、路隧过渡段附近产生沉降差，从而导致产生轨道折角现象。当列车从一种轨道驶入另外一种轨道时就会使得轮轨间的动力作用加大，影响列车运行的平稳性和安全性。因此必须在路桥、路隧、有碴轨道和无碴轨道结构之间设置
18、一定长度的过渡段，使轨道的刚度均匀变化，并最大限度地减小两种不同结构之间地沉降差。 根据翟婉明教授提出的线路-车辆竖向耦合振动分析模型进行分析，不同结构之间的刚度差引起的过渡段轨道刚度的变化对高速行车的影响并不显著，而不同结构物的沉降差引起的轨面弯折变形对轮轨垂向力和车体垂向加速度等指标的影响非常剧烈。当折角达1.52后，就可能对V=350kmh高速列车的舒适安全控制指标(车体垂向加速度aV0.13g，轮轨垂向力p18po，po一静轮载)产生影响。 因此本文取过渡段轨道折角限值限为2。根据京沪高速铁路设计暂行规定，桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于3cm。则过渡段最小长度L为：L=h限=00
19、32=15m。 42 轨道过渡段设置方式确定 在我国已经施工完毕的秦沈客运专线和赣龙枫树排隧道、渝怀鱼嘴2#隧道铺设的无碴轨道，均是在两股基本轨之间，设置两根50kgm钢轨作辅助轨，长度为25m(其中有碴轨道范围内20m，无碴轨道范围内5m)，无碴轨道与有碴轨道的过渡与路桥、路隧的过渡按在同一部位过渡进行设计。 根据京沪高速铁路南京至上海段设计国际咨询报告， 日本方面认为，有碴轨道与无碴轨道的过渡宜采用由刚度较大结构向弱轨道结构过渡的办法，即向桥梁或隧道区间将有碴轨道延伸20m以上。 因此我国高速客运专线对于路桥过渡段采用有碴轨道向桥梁延伸一跨梁的结构形式。 5 高速客运专线成段铺设无碴轨道系
20、统集成 成段集中铺设无碴轨道是一个系统问题，这个系统包括线路、路基、桥梁、隧道、轨道、信号等许多内容，虽然每项内容在这个系统中重要性的权重不同，但如果处理不好，即使每个分项采用的都是世界领先技术，但组合在一起的工程未必是一流工程，因此研究成段铺设无碴轨道系统集成非常重要。 目前国内对于无碴轨道的单项技术如桥上铺设无碴轨道进行了大量的研究，但对于成段集中铺设无碴轨道的系统集成研究方面进行的较少。因此，有必要在下一步的无碴轨道研究工作中选择不同的试验工点，建立车-无碴轨道-路基（高架结构、隧道、桥梁)计算模型，在仿真分析的基础上，进行实尺模型试验和现场测试，提出一套较为完整的设计理论和计算参数。 6 结束语 在高速客运专线上集中成段铺设无碴轨道是高速客运专线的一个主要发展方向，尽管我国目前对无碴轨道这种新型轨道结构型式的研究才刚刚起步，在成段铺设的系统集成方面更需要投入大量的人力和物力，但只要我们的管理、科研、设计和施工等部门的线路、桥梁、隧道、路基、信号和轨道等各个专业的技术人员，针对性开展技术攻关，无碴轨道在我国的高速客运专线上将有广阔的应用前景。
