无渣轨道工程技术 25页

无碴轨道工程技术中南大学陈秀方（1）国外无碴道床结构型式传统有碴轨道具有铺设方便，造价低廉的特点。随着重载、高速铁路运输的发展，道床累积变形的速率随之增长，为保持轨道平顺性要求，传统轨道维修趋于频繁，作业量大，维修费用上升。自上世纪六十年代开始，世界各国铁路相继开展了以整体式或固化道床取代散粒体道碴的各类无碴道床的研究。由无碴道床组成的轨道称为无碴轨道。日本的无碴道床是一种轨道板结构，由此组成的轨道称为板式轨道。至今，尽管大部分国家的无碴轨道由于造价高等原因还处于试铺或短区段分散铺设的状况；而日本的板式轨道已在新干线大量铺设，总长度达2700km。德国铁路Rheda系、Züblin系等五种无碴轨道已批准正式使用，并在新建的高速线上全面推广，铺设总长度达660km（含80组道岔区）。无碴轨道最初一般都铺设在隧道内（或地下铁道），以后逐渐扩大到桥梁和路基上，如日本的板式轨道铺设在山阳（冈山～博多段）、东北、上越、北陆等新干线全部的桥、隧结构上。而德铁的无碴轨道则首先解决了在土质路基上铺设的技术问题。因此，除了桥、隧结构外，土质路基上也已铺设一定数量的无碴轨道。以下是国外无碴道床的主要结构型式 1）PACT型（PavedConcreteTrack）PACT型无碴轨道为就地灌筑的钢筋混凝土道床（图2－35），钢轨直接与道床相连接，轨底与混凝土道床之间设连续带状橡胶垫板，钢轨为连续支承。英国自1969年开始研究和试铺，到1973年正式推广，并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国重载和高速线的桥、隧结构上应用，铺设总长度约80km。2）LVT型（LowVibrationTrack）LVT型无碴轨道是在双块式轨枕（或两个独立支承块）的下部及周围设橡胶套靴，在块底与套靴间设橡胶弹性垫层，而在双块式轨枕周围及底下灌筑混凝土而成型，称为减振型轨道。其最初由RogerSonneville提出并开发。瑞士国铁于1966年在隧道内首次试铺。法国开发的VSB—STEDET系轨道也属此类，在地下铁道内使用居多。1993年开通运营的英吉利海峡两单线隧道内全部铺设独立支承块式LVT型轨道（图2－36）。目前，LVT轨道的铺设总长度约360km。机械灌注的道床板环形连接钢筋 图2－35PACT型无碴轨道图2－36英吉利海峡隧道内的LVT型轨道结构二期混凝土12mm厚橡胶垫层橡胶套3）Rheda型德国铁路于上世纪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，其轨道的基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类。Rheda型轨道为钢筋混凝土底座上的结构型式之一。Rheda型轨道由轨枕及其周围灌筑的混凝土组成（图2－37），在桥、隧和土质路基上都适用。在德铁铺设的660km无碴轨道中，Rheda型约占一半以上。图2－37普通Rheda型无碴轨道结构与Rheda型结构类似的还有Zü blin型轨道。是以双块式轨枕取代Rheda型中的整体轨枕；在施工时，采用特殊铺设机械在灌筑好的新鲜混凝土中边振动边将双块式轨枕埋入混凝土中就位，机械化施工性好。4）ATD型ATD型轨道的结构型式如图2－38。采用双块式轨枕直接置于沥青混凝土底座上，在轨枕与底座间设一层无纺布来填平表面的凹凸，不需要填充层；并在底座上设凸台，用树脂填充轨枕与底座间的缝隙等以承受纵、横向水平力的作用。树脂无纺布道碴双块式轨枕图2－38ATD型轨道结构在沥青混凝土底座上的其他结构如BTD、Walter型等是用轨枕取代ATD型中的双块式轨枕，且轨枕与底座间的连接方式各不相同，以满足必要的纵、横向阻力为前提。到1997年末，铺设在沥青混凝土底座上的无碴轨道约有66km。5）板式轨道日本于1965年开始开发用于桥梁和隧道的板式轨道（图2－39），是由预制的轨道板、混凝土底座，以及介于两者之间的CA砂浆填充层组成，在两块轨道板之间设凸形挡台以承受纵、横向水平力。板式轨道不仅大量应用于新干线，而且也在窄轨既有线上应用。 图2－39板式轨道结构为适应新干线沿线的环境，开发了防振型板式轨道，其中，防振G型在东北新干线已推广应用。此外，为减少材料用量、降低造价，开发的框架型板式轨道也得以应用。日本对土质路基上板式轨道的研究是与桥、隧上板式轨道同时起步的。曾在14处铺设试验段总长约2.4km，但在个别试验段上发生了基础下沉、轨道板陷入沥青铺装底座内等问题，为此开展了长期深入的研究。直到1993年，改进后的板式轨道结构在北陆新干线正式应用，铺设长度约10.8km，占北陆新干线（高崎～长野段）总长的4%，为土质路基上轨道的25%。到目前为止，以新干线为主的板式轨道铺设长度达到2700km，日本成为铺设无碴轨道最多的国家。意大利于1983年开始铺设IPA型无碴轨道，其设计参考了日本的板式轨道。铺设长度约92km，其中，罗马～佛罗伦萨高速线上铺了25.4km。 （2）国外无碴道床的性能比较日本铁道技术开发部曾对上述几种主要的无碴轨道在造价、施工性、维修费、耐久性和环境等诸方面进行过相对比较，如表2－37所示。由表2－37的相对比较说明，各种轨道的少维修和耐久性能均很好，施工性差别不大，造价一般较高，特别是LVT型和板式轨道更偏高一些，对环境的影响必须采用减振型结构才能满足要求。几种无碴轨道的相对比较表2－37轨道结构型式造价施工性维修费耐久性环境1．PACT型△△○○×2．LVT（STEDEF）型×△○○○3．Rheda型△△○○△4．ATD型△○○○○5．板式轨道（IPA型）×△○○× 注：标记○——好，△——一般，×——差（3）无碴道床的技术经济性（A）无碴道床能长期保持轨道的良好状态，实现少维修德国铁路采用轨道质量指数Q值来综合评价轨道高低、水平、方向等的平顺状态。新线的轨道质量指数Q值应在30以下，而在运营线上，当质量指数Q值超过100就必须进行修理。图2－40和图2－41分别表示隧道内和土质路基上无碴轨道与相邻接的有碴轨道5年间Q值变化的比较。很明显，无碴轨道的质量指数Q值在5年内均保持在良好水平上，且变化很小，实现了少维修，确认为高平顺性的轨道结构。为此，德铁在新建的汉诺威～柏林和科隆～莱茵/梅因等高速铁路上全面铺设无碴轨道。有碴轨道有碴轨道无碴轨道里程图2－40 隧道内无碴轨道与相邻有碴轨道的轨道稳定性Q值无碴轨道有碴轨道有碴轨道里程有碴轨道无碴轨道其它扣件填充方向高低捣固121086420维修费（百万日元/年/km）75-7677-7879-8081-8283-8485-8687-8889-9091-9293-9475-7677-7879-8081-8283-8485-8687-8889-9091-9293-94年份图2－42山阳新干线历年的维修费用图2－41土质路基上无碴轨道与相邻有碴轨道的轨道稳定性Q值 日本对运营了20年的山阳新干线板式轨道历年各项作业的维修费用进行了统计，并与有碴轨道作了比较，如图2－42所示。由于板式轨道的结构可减少其维修项目，且轨道的几何状态稳定性好，并为高速运输提供了安全可靠、平顺高质量的轨道。（B）经济比较到目前为止，无碴轨道的造价一般均高于有碴轨道。据德铁的资料，有碴轨道的造价为800DM/m，沥青混凝土底座上无碴轨道为1000DM/m，混凝土底座上Rheda型等轨道为1400DM/m，无碴轨道的造价为有碴轨道的1.3～1.7倍。而德铁高速铁路有碴轨道的年维修费用约为3000DM/km，无碴轨道则很少。德铁分析认为，在新线建设中采用无碴轨道，可使线路设计的总建筑高度和总宽度有所减小，可减小隧道和桥梁等结构的断面。因此，新线的综合造价将趋于合理。日本板式轨道的造价为有碴轨道的1.3～1.5倍。而维修费用有明显的减少。据统计，山阳新干线16年的平均维修费用为有碴轨道的18%，东北新干线9年的平均维修费用为有碴轨道的33%。无碴轨道多投资的差额约在10年（桥、隧结构上）～12年内（土质路基上）可得以偿还。（4）国外无碴道床的发展无碴轨道的特点以及在高速铁路中所体现的良好性能已被更多的国家所接受。近10年来的发展和推广应用很快，已开发并正式铺设的无碴轨道型式很多，而新的结构还不断涌现，使无碴轨道结构的设计、施工等日臻完善，对周围环境的适应性提高，轨道造价更趋合理，其扩大铺设的前景是不容置疑的。 德国和日本已制订有关无碴轨道的设计、施工规程，并在新建高速线路和其他线路上进行规模铺设。尽管如此，目前他们对新结构的开发和既有结构的改进还在继续进行。德国目前有20家企业参与无碴轨道新结构的开发，形成市场竞争的局面，推进了新技术的发展。最近开发的Rheda-2000型轨道（图2－43）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了原Rheda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。Rheda-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利的。将无碴轨道的造价降低到有碴轨道的1.3～1.4倍是德铁力争的目标。1996年德铁又批准了7种新结构在曼海姆～卡尔斯鲁厄线上试铺。德铁规定试铺的轨道结构要经过5年的运营后经批准才能正式使用。 图2－43Rheda-2000型无碴轨道结构日本在大量铺设板式轨道的同时，还开发了B型弹性轨枕直结轨道，在东北、上越新干线上都有铺设。为了扩大铺设，必须降低造价。最近，开发了简化结构的D型弹性轨枕直结轨道，造价为B型的3/4，减振性能较防振G型板式轨道还略有改善；同时解决了原结构部件更换困难的问题，更适合推广。近年来，日本正大力研究一种“梯子形”轨道（图2－44）。由两根纵向轨枕（梁）支承钢轨，横向每隔3m用钢管将两根纵向枕连结成梯子形；在桥上纵向枕与轨道基础（梁面）之间每隔1.5m设减振支承装置组成“浮置式梯子形轨道”。其主要特点是：低振动、低噪音；变传统横向轨枕支承钢轨的方式为纵向支承；轨道自重轻，约为有碴轨道的1/4；轨道高度的调整除利用扣件的调整量外，减振支承装置也有一定的调高功能。铺设在桥梁上的浮置式梯子形轨道，使整体结构系统实现了从“重型和传统”到“轻型和现代化” 的根本变革。路基上的梯子形轨道，其纵向轨枕下仍然铺设有道碴，属于有碴道床与整体轨下基础的混合式结构。说明轨道结构的发展出现了多样化形式。目前，梯子形轨道已完成结构的力学分析、组成部件及实尺轨道的实验室基础试验，并在美国TTC运输中心的环形线上完成了35吨重轴的快速耐久性试验，通过吨位超过1亿吨。日后，还将对高速运行的适应性，以及用橡胶支承取代减振装置以降低造价等实用性作进一步研究。此外，一向坚持采用有碴轨道的法国铁路，最近在地中海TGV的一座长7.8km隧道内，正在试铺双块式减振型无碴轨道；荷兰、韩国高速铁路上也有试铺无碴轨道的计划。无碴轨道在世界高速铁路上的大量铺设已成为发展的趋势。图2－44梯子型轨道（5）国内无碴道床结构1）发展概况 国内对无碴轨道的研究始于上世纪六十年代，与国外的研究几乎同时起步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床以及框架式沥青道床等几种形式，正式推广应用的仅有支承块式整体道床（图2－45）。在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过1公里的隧道内铺设，总铺设长度约300km。八十年代曾试铺过沥青整体道床，由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的整体道床，以及由沥青灌注的固化道床等，在大型客站和隧道内试铺，总长约10km，但并未正式推广。此外，在桥梁上试铺过无碴无枕结构，在京九线九江长江大桥引桥上全部采用了这种结构（图2－46），长度约7km。图2－45隧道内刚性支承块式整体道床（单位：mm） 图2－46九江长江大桥引桥上的无碴无枕式轨道结构在此后的20多年期间，我国在无碴轨道的结构设计、施工方法、轨道基础的技术要求，以及出现基础下沉等伤损的整治等方面积累了宝贵的经验，并吸取了有益的教训，为无碴轨道新技术的发展打下了基础。1994年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的进程，无碴轨道在我国重新得以关注。“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”提出了适用于高速铁路桥、隧结构上的三种无碴轨道型式（长枕埋入式、弹性支承块式和板式）及其设计参数，并正式纳入《京沪高速铁路线桥隧路站设计暂行规定》和《时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定》之中。两个暂行规定原则确定了在有条件的高架线路、隧道等地段可铺设无碴轨道。1998年铁道部立项开展“高速铁路高架桥上无碴轨道关键技术的试验研究”，在此课题中，对 三种结构型式的无碴轨道（长轨枕埋入式、弹性支承块式、板式轨道）进行了试验研究。在此基础上，在秦沈客运专线选定了三座特大桥作为无碴轨道的试铺段。其中，沙河特大桥（直线、长692m）试铺长枕埋入式无碴轨道；狗河特大桥（直线、长741m）和双河特大桥（曲线、长740m）试铺板式轨道。在西康线我国最长的秦岭隧道（长度为18.5km）内确定采用弹性支承块式无碴轨道。弹性支承式无碴轨道与上述的LVT型轨道相类似，为减振型轨道。经各项基础试验及在白清隧道（200m）、大瓢沟隧道（300m）的两次试铺，确认了结构和施工的可靠性，于1999年11月正式在秦岭1号隧道内铺设，2001年2月开通运行，这也是我国目前铺设无碴轨道结构最长的区段。另外，为适应京沪高速铁路的线路条件，目前已选定渝怀线鱼嘴2号隧道、赣龙线枫树排隧道分别作为长枕埋入式和板式轨道在隧道内的试铺段，隧道长度分别为710m和719m。至此，除土质路基外，我国在桥梁和隧道内都有相应的无碴轨道结构，可根据线路的具体条件选用。2）结构型式（A）板式轨道 板式轨道的结构组成主要包括：混凝土底座、RC或PRC轨道板、水泥沥青（CA）砂浆调整层、凸形挡台及扣件系统（图2－47）。标准长度轨道板的结构型式如图2－48所示。图2－47板式轨道结构CA砂浆：桥上轨道板与混凝土梁体之间设置混凝土底座，并设置CA砂浆层。两块轨道板之间设置钢筋混凝土凸形挡台，以固定其水平位置，制止其移动。CA砂浆由水泥、乳化沥青、细骨料（砂）、混合料、水、铝粉、各种外加剂等多种原材料组成，其作为板式轨道混凝土底座与轨道板间的弹性调整层，是一种具有混凝土的刚性和沥青的弹性的半刚性体。CA砂浆的设计厚度为50mm，施工时的容许范围为40～100mm。CA砂浆调整层是板式无碴轨道结构的关键组成部分，其性能的好坏直接影响板式轨道应用的耐久性和维修工作量。为此，我国对板式轨道CA砂浆开展了为期3年的科研攻关工作，在科研、设计与施工部门的大力配合下，研究取得了可喜的成果，其各项性能指标均达到或接近国外同类产品的质量水平，为板式无碴轨道结构在我国客运专线的首次铺设创造了条件。 在借鉴日本新干线板式轨道CA砂浆研究资料的基础上，结合我国前期的研究成果，针对性地提出了板式轨道CA砂浆的性能指标及相应的试验方法。其主要性能指标要求如表2－38。图2－48标准长度轨道板的结构型式图从CA砂浆的材料组成及性能指标要求可以看出，材料既要满足强度和弹性要求，又必须具有必要的施工性能，同时考虑到CA砂浆在寒冷地区使用工况，还应具备抗冻融性能，以保证其长期使用的耐久性。板式轨道CA砂浆的研究在日本铁路经历了30多年，尽管我国前期通过科研、设计与施工部门的通力合作，自行研制出的CA砂浆的各项性能均满足指标的设计要求，但与日本相比，其研究的深度广度还有差距，对CA砂浆原材料及其在各种使用条件下各材料的配合比，有待进一步深入研究。CA砂浆的主要性能指标要求表2－38序号性能单位指标要求试验方法1抗压强度MPa1.8～2.5――2弹性模量MPa200～600――3流动度秒16～26――4可工作时间分不少于305膨胀率％1～3―― 6材料分离度％＜3――7泛浆率％0――8含气量％8～12――9耐久性（抗冻性）300次冻融循环试验后，相对动弹模量不得小于试验前的60％。――凸形挡台：凸形挡台外形在梁跨的端部为半圆形，在梁跨中部均为圆形，其半径为250mm，高度为250mm。凸形挡台与轨道板端部的半圆形缺口共圆心。在曲线部分，凸形挡台竖向轴线与底座的顶面垂直。凸形挡台采用C40级混凝土，在混凝土底座施工完成后进行现场浇筑，其周围填充CA砂浆或树脂材料。（B）长枕埋入式无碴轨道长轨枕埋入式无碴轨道的结构组成主要包括：混凝土底座、混凝土道床板、穿孔轨枕及配套扣件（图2－49）。图2－49长枕埋入式无碴轨道结构（C）弹性支承块式无碴轨道弹性支承块式无碴轨道的结构组成主要包括：混凝土底座、混凝土道床板、混凝土支承块、橡胶靴套、块下胶垫 及配套扣件（图2－50）。1—60kg/m钢轨；2—钢筋混凝土支承块；3—块下胶垫；4—橡胶靴套；5—混凝土道床；6—混凝土底座图2－50弹性支承块式无碴轨道（单位：mm）作为低振动轨道结构，弹性支承块式无碴轨道在混凝土支承块底部设有12mm厚的橡胶弹性胶垫，其周围设有橡胶靴套，厚7mm使支承块与混凝土道床板隔离，到达可修复的目的。该结构的轨下与块下的双层弹性垫板为无碴轨道提供较好的垂向弹性，靴套提供轨道纵、横向弹性，使轨道在荷载分布和动能吸收方面更接近有碴轨道。由于弹性垫层具有材料均匀、弹性一致等性能，使钢轨支承刚度一致，部件受力均匀，轨道几何形位易于保持，达到了少维修的目的。该轨道结构的实尺模型如图2－51所示。 图2－51弹性支承块式无碴轨道实尺模型无碴轨道的扣件（1）无渣轨道的小阻力扣件无碴轨道的扣件，要求富有弹性并便于调整轨距和高低。铺设桥上无缝线路的无碴轨道扣件，还要求具有较小的线路纵向的阻力。 注：1－T型螺栓；2－螺母M22；3－平垫圈；4－弹条；5－复合胶垫；6－铁垫板；7－绝缘缓冲垫板；8－锚固螺栓；9－弹簧垫圈30；10－平垫块；11－绝缘套管；12－轨下调高垫板；13－铁垫板下调高垫板。图2－59无碴轨道小阻力扣件图2－59是我国桥上无碴轨道采用的扣件，在轨下及其垫板下均设置有调高垫板。扣件具有-12～+10mm的轨距调整量，0～+30mm的钢轨高低调整量。每付扣件，钢轨纵向阻力为6.5±0.5KN。如果采取结构措施，可降低至3.6±0.4KN，其钢轨纵向阻力值低于普通扣件7KN的数值。（2）无碴轨道上的潘德罗尔扣件普通的潘德罗尔扣件与我国Ⅲ 型扣件相似，其调整轨距及钢轨高低的能力很低。无碴轨道使用的潘德罗尔扣件增加了带槽的铁垫板，以便调整钢轨高低；利用铁座孔内的偏心齿轮以调整扣压力，并利用楔形齿条以调整轨距。图2－60是1997年在日本长野新干线板式轨道上试铺的潘德罗尔扣件，轨距可调±10mm；另有一种其钢轨高低最大可调14mm。（3）日本直结型板式轨道扣件日本高速铁路板式轨道使用特制的扣件。图2－61是在一般区间使用的直接8型扣件，其钢轨高低调节范围是0～+30mm，轨距±10mm。在软土路基的特殊区间，采用直结7型，具有更强的调节几何形位能力，其钢轨高低可调0～+50mm，轨距±30mm，如图2－62所示。 1－主弹片；2－平垫圈；3－扣件螺栓；4－T型螺栓；5－弹片承台A或B；9－绝缘板；10，11－绝缘套；12－钢轨调整衬垫；13－轨下胶垫；14－60kg钢垫；15－铁垫片；16－铁垫板图2－62软土区间使用的钢轨扣件直结7型图2－601－主弹片；2－平垫圈（A）；3－扣件螺栓；4－T型螺栓；5－弹簧垫圈；6－平垫圈（B）；7－绝缘套；8－盖板；9－铁垫板；10－60kg钢轨；11－铁垫片；12－轨下胶垫；13－钢轨调整衬垫；14－绝缘板图2－61一般区间使用的钢轨扣件直结8型 我国轨枕扣件技术性能表2－43性能扣件指标名称扣件性能单位70扣板弹条Ⅰ型弹条Ⅰ型调高大秦线分开式弹条Ⅱ型弹条Ⅲ型单个弹条初始扣压力kN7.88.98.28.9≥10≥11弹条变形量mm刚性8981013纵向防爬阻力kN12.514.313.114.31617.6 扣压点垂直静刚度kN/m110～15090～12090～12060～8060～8060～80调轨距量Mm0～+16-4～+8-4～+8-12～+8-8～+12-8～+4调高量mm0≤10≤20≤15≤100备注B型弹条A型弹条B型弹条Ⅱ型弹条Ⅲ型弹条扣件使用条件表2－44轨道类型特重型、重型重型、次重型及中型中型及以上轻型轻型轨枕类型Ⅲ型混凝土枕Ⅱ型混凝土枕木枕Ⅱ型混凝土枕木枕扣件类型有挡肩轨枕用弹条Ⅱ型无挡肩轨枕用弹条Ⅲ型弹条Ⅱ型分开式扣件弹条Ⅰ型或70型扣板式普通道钉