高速鐵路無碴軌道TRANBBS設計關鍵TRANBBS技術

江　成,范　佳,王繼軍(鐵道科學研究院鐵道建筑研究所,北京　100081)

摘　要:簡述國外高速鐵路無碴軌道發展概況,論述我國無碴軌道選型及關鍵技術。對我國高速鐵路前期選用的三種結構型式無碴軌道(長枕埋入式、板式和彈性支承塊式)進行室內實尺模型鋪設及各項性能試驗,對前兩種結構型式進行橋上和隧道內試鋪及現場試驗。結果表明:無碴軌道具有線路穩定性、剛度均勻性和耐久性好、平順性高、顯著減少線路維修工作量等特點。無碴軌道結構設計的關鍵在于強度、橫向穩定性、剛度均勻性、減振性和耐久性。為確保無碴軌道線路長期正常運營,必須嚴格控制橋梁及基礎的變形、確保隧道基底穩固與合理設置線橋過渡段。　

關鍵詞:高速鐵路;無碴軌道;設計;試驗研究　

中圖分類號:Ｕ213．244　　文獻標識碼:Ａ　

收稿日期:2003 11 16　

作者簡介:江　成(1965—),男,安徽懷寧人,副研究員。　

基金項目:“九五”國家重點科技攻關項目(95 411 02 01);

鐵道部科技研究開發項目(98Ｇ01;99Ｇ06;99Ｇ07;2000Ｇ49 Ｄ)。　

　隨著列車運行速度不斷提高,有碴軌道的道碴粉化及道床累積變形的速率隨之加快,必須通過軌道結構強化及頻繁的養護維修工作來滿足高速鐵路對線路高平順性、穩定性的要求。與有碴軌道相比,無碴軌道具有軌道穩定性、剛度均勻性和耐久性好、平順性高、維修工作量顯著減少的突出優點。因此,自上世紀六十年代初,世界各國鐵路相繼開展以整體式或固化道床替代散粒體道碴的各類無碴軌道結構的系統研究,一些國家已把無碴軌道作為高速鐵路的主要軌道結構型式全面推廣應用。

1　國外高速鐵路無碴軌道　

　在高速鐵路上應用無碴軌道,以日本、德國最為廣泛。日本新干線無碴軌道最初一般鋪設在基礎堅固的隧道內、高架結構和橋梁上,后來逐漸擴大到土質路基上。而德國高速鐵路無碴軌道則首先解決了在土質路基上鋪設的技術問題,逐步推廣到隧道和橋梁上,從而為全區間無碴軌道的應用創造了有利條件。

1．1　板式軌道

日本從60年代中期開始板式無碴軌道的研究到目前大規模的推廣應用,走過近40年的歷程。從津田沼、日野土木試驗所內的實尺模型試驗到既有線、新干線橋梁、隧道和路基上的各種型式無碴軌道結構的試鋪,共建立了20多處近30ｋｍ的試驗段,開展了大量的室內、運營線上動力測試和運營觀測工作,并在試驗結果的基礎上,不斷地改進完善結構設計參數和技術條件,最終將普通Ａ型(圖1)、框架型(圖2)、特殊減振區段用的減振Ｇ型(圖3)及適用于土質路基上的ＲＡ型等板式軌道結構作為標準定型。板式軌道累計鋪設里程已達2700ｋｍ,并從山陽新干線岡山—博多段開始,廣泛應用于東北、上越、北陸和九州等新干線全部的橋、隧結構及基礎堅實的部分土質路基區段上(如圖4)。其中,土質路基上的ＲＡ型板式軌道在試鋪60ｍ進行各項性能試驗后,最終于1993年在北陸新干線(高崎—長野)正式鋪設約11ｋｍ。

　由于日本新干線高架橋所占比例較高,對高架橋上無碴軌道的各項關鍵技術開展了多專業、多部門之間的系統研究,特別考慮了預應力混凝土橋梁徐變上拱、墩臺沉降等對無碴軌道的影響。在橋上無碴軌道的TRANBBS施工時間上,規范也要求必須在橋梁放張應力后半年以上,方可進行。

1．2　Ｒｈｅｄａ型無碴軌道

德國鐵路于上世紀60年代開始無碴軌道的研究,曾試鋪過十余種無碴軌道結構,其提出的結構型式多種多樣。德鐵規定試鋪的軌道結構要經過5年的運營考驗后經批準才能正式使用。德鐵無碴軌道的基礎分鋼筋混凝土和瀝青混凝土兩類。Ｒｈｅｄａ型無碴軌道(圖5)為鋼筋混凝土底座的結構型式之一,在大量試鋪段進行運行試驗和長期觀測研究的基礎上,Ｒｈｅｄａ型已在德鐵高速鐵路橋梁、隧道和土質路基上推廣應用,約占德鐵鋪設的360ｋｍ無碴軌道(含80多組道岔區)一半以上。最近開發的Ｒｈｅｄａ 2000型無碴軌道(圖6)已投入商業應用。由兩根桁架形配筋組成的特殊雙塊式軌枕取代原Ｒｈｅｄａ型中的整體軌枕;取消原結構中的槽形板,統一了隧道、橋梁和路基上的型式;同時,軌道結構高度從原來的650ｍｍ降低為472ｍｍ。Ｒｈｅｄａ 2000型的支承塊只保留承軌和預埋扣件螺栓部位的預制混凝土,其余為桁架式鋼筋骨架,從而減少了新、老混凝土的界面,有利于提高施工質量和結構的整體性。

　改進后的Ｒｈｅｄａ型無碴軌道在1998年開通運營的柏林—漢諾威高速鐵路上得到廣泛應用。德鐵根據其咨詢公司對現行有碴軌道和無碴軌道的綜合技術經濟比較,建議在速度超過250ｋｍ·ｈ-1的新建高速線上全面推廣應用無碴軌道。

1．3　其它結構型式

世界上許多國家根據自己的技術基礎與線路特點,開發出多種型式的高速鐵路無碴軌道結構,如:英國的ＰＡＣＴ型、法國的ＶＳＢ型、意大利的ＩＰＡ型以及美國Ｓｏｎｎｅｎｉｌｌｅ公司的ＬＶＴ型等。

2　我國高速鐵路無碴軌道的前期研究　

　借鑒國外高速鐵路無碴軌道結構的成功實踐,我國提出了適用于高速鐵路橋、隧結構上的三種無碴軌道結構型式(長枕埋入式、彈性支承塊式和板式)及其設計參數[1]。1998完成對三種結構型式無碴軌道室內實尺模型的鋪設及各項性能試驗,提出高架橋上無碴軌道的施工方案和徐變上拱限值與控制措施,建立橋上無碴軌道車線橋耦合模型并進行仿真計算,初步分析高速鐵路高架橋上無碴軌道的動力特性與車輛走行性能[2]。1999年選定三座高架橋作為無碴軌道的試鋪段,在長度692ｍ的沙河特大橋試鋪長枕埋入式無碴軌道(如圖7),長度741ｍ的狗河特大橋(直線)和長度740ｍ雙何特大橋(曲線)上試鋪板式軌道(如圖8),與此同時,完成橋上無碴軌道設計[3]、施工技術條件[4]的研究與編制。為掌握橋上無碴軌道在高速運行條件下的結構受力、變形情況與振動特性,評估兩種無碴軌道結構的動力性能,2000年對三座橋上無碴軌道與兩座橋上有碴軌道進行了各項性能的對比測試[5]。為完善高速鐵路無碴軌道的結構設計、施工工藝和設備,選定渝懷線魚嘴2號隧道和贛龍線楓樹排隧道分別作為長枕埋入式和板式軌道的試鋪段,并分別于2003年6月和2003年底完成鋪設。在線路開通后將對隧道內鋪設的無碴軌道結構進行動力測試與長期觀測。

3　高速鐵路無碴軌道的關鍵技術

3．1　我國高速鐵路無碴軌道的結構選型及特點　

　根據結構耐久、可靠,施工簡單,減振性能好,經濟適用,配套扣件有足夠的調整量等選型原則,初步提出兩種高速鐵路無碴軌道結構型式,即:板式和長枕埋入式,其主要結構特點如下:(1)結構整體性能兩種結構均體現無碴軌道具有線路穩定性和剛度均勻性好、線路平順性和耐久性高的突出優點,可顯著減少線路的維修工作量。從軌道結構每延米重量看,無碴軌道均要小于有碴軌道,相比而言,板式軌道結構高度低,道床寬度小,重量最輕(29ｋＮ 單線每延米),在橋上鋪設可降低橋梁的二期恒載,在隧道內應用可減小隧道的開挖斷面。長枕埋入式無碴軌道受預制軌枕長度的限制,道床寬度要大于板式軌道,每延米重量相對較大(41ｋＮ 單線每延米)。從室內落軸沖擊試驗看,長枕埋入式無碴軌道結構的整體剛度稍大于設置水泥瀝青(ＣＡ)砂漿調整層的普通型板式軌道,但從試驗結果看,兩種結構的各項軌道動力參數差異不明顯,特別對于在客運專線或高速鐵路橋上應用來說,無碴軌道結構具有的高平順性、剛度均勻性以及橋梁的撓曲變形在一定程度上可彌補無碴軌道結構整體剛度大的缺陷。噪聲與振動試驗測試結果分析表明,在列車運行速度大于200ｋｍ·ｈ-1時,橋上有碴和無碴軌道的噪聲源強Ｌｐｍａｘ基本在同一等級,而橋上無碴軌道線路產生的地面Ｚ振級(橋下及30ｍ地面處)要稍大于橋上有碴軌道。(2)制造和施工長枕埋入式無碴軌道采用我國較成熟的“鋼軌支撐架”法“由上至下”進行施工,其道床結構中除橫向穿孔軌枕需要工廠預制外,其余混凝土均為現場澆筑。優點是:道床表面宜設置橫向排水坡;在橋上鋪設時,與梁縫的配合比較靈活;在曲線地段施工時,線路的超高順坡、曲線圓順度等易于控制。不足是:施工過程中需要工具軌(新鋼軌)作為控制線路標高的基準;現場混凝土的施工量較大,其施工進度相對較慢;由于混凝土道床板表面為人工抹平,外觀上比板式軌道結構預制的軌道板要差;在需要特殊減振及過渡段區域,底座與道床板之間彈性層的設計與施工都相對要困難一些。板式軌道結構中混凝土軌道板為工廠預制。優點是:質量容易控制,現場混凝土施工量少,施工進度較快;道床外表美觀;由于采用“由下至上”的施工方法,施工過程中不需工具軌;在特殊減振及過渡段區域,通過在軌道板底粘貼橡膠墊層,易于實現下部基礎對軌道的減振要求。不足是:橋上鋪設時,受橋梁跨度的影響,需要不同長度的軌道板配合使用,增加制造成本;曲線地段鋪設時,線路超高順坡、曲線矢度的實現對扣件系統的要求較高;板式軌道結構中對ＣＡ砂漿調整層的原材料和施工質量要求高;板式軌道的制造、運輸和施工專業性較強,包括:軌道板的制造、運輸、吊裝、鋪設,ＣＡ砂漿現場攪拌、試驗、運輸和灌注;軌道狀態整理過程中的充填式墊板樹脂灌注等。(3)線路維修長枕埋入式無碴軌道的維修工作主要是扣件螺栓的涂油工作。而板式軌道的維修除扣件螺栓涂油作業外,從日本鐵路板式軌道初期運營實踐看,由于板式軌道ＣＡ砂漿調整層的存在,其受自然環境因素的影響較大,特別是在線路縱向力較大的伸縮調節器附近,凸形擋臺周圍的ＣＡ砂漿存在破損現象,因此日本鐵路在板式軌道設計方面,用強度高、彈性和耐久性好的合成樹脂材料替代凸形擋臺周圍的ＣＡ砂漿。我國近期也成功研制出同等性能的樹脂材料,將在近期進行現場試鋪。對于軌道板底的ＣＡ砂漿調整層,以灌注袋的形式取代直接灌注,不僅方便了施工,同時減少ＣＡ砂漿層的環境暴露面,提高板式軌道結構的耐久性,以實現無碴軌道結構少維修的設計初衷。

3．2　高速鐵路無碴軌道設計關鍵技術

3．2．1　無碴軌道結構設計

為滿足高速列車在無碴軌道線路上運行的安全性、舒適性要求,最大限度地實現線路少維修,無碴軌道的設計除在結構強度、橫向穩定性方面應考慮足夠的安全儲備外,應高度重視無碴軌道各組成部分的耐久性、減振性以及實現線路高平順性等。(1)結構強度考慮到無碴軌道結構的安全性和耐久性,在動力仿真計算和設計中,選用了軸重較大(19．5ｋＮ)的動力集中式電動車組,考慮線路和輪踏面的不平順性,取動載系數為3．0,確定其設計動輪載為300ｋＮ。從國外高速鐵路設計和運營實踐以及我國實測結果看,根據此設計荷載確定的軌道板 道床板的設計承載能力可滿足高速鐵路無碴軌道的結構強度要求,并具有一定的安全儲備。對

于板式軌道而言,對軌道板起限位作用的混凝土凸形擋臺直接承受由鋼軌傳遞到軌下基礎的縱向力和橫向力,包括:梁軌間相互作用產生的縱向力、溫度變化引起的軌道板伸縮力、軌道的橫向抗力、起動與制動力、輪軌間的橫向作用力等。從結構強度安全考慮,凸形擋臺結構按懸臂受彎構件設計,懸臂梁的固定端固定于混凝土底座中,其受力圖式如圖9。填充于軌道板底的ＣＡ砂漿與凸形擋臺周圍的樹脂材料抗壓強度指標同樣根據設計荷載以及作用于凸形擋臺上縱向力的大小,并考慮足夠的安全儲備來確定。

(2)橫向穩定性與有碴軌道相比,無碴軌道混凝土道床的整體結

構使線路的橫向穩定性顯著提高。對于曲線區段的

橋上無碴軌道來說,除結構中的限位部分設計(凸形擋臺、限位槽)應考慮輪軌橫向作用荷載外,橋上無碴軌道采用的調高量大、扣壓力小的扣件結構系統應保證有足夠的軌距保持能力。(3)線路的平順性和剛度均勻性高速列車運行的安全性與舒適性對線路平順性提出了更高的要求,線路狀態的不平順對剛度較大的無碴軌道結構的動力附加作用顯著增加。因此,無碴軌道線路的高平順性除在設計技術條件中對其靜態鋪設精度嚴格要求、施工工藝和過程管理嚴格控制以外,無碴軌道的結構設計應在技術上保證線路高平順性和剛度均勻性。由于無碴軌道結構中的扣件直接將鋼軌與構筑在下部基礎的道床聯接在一起,軌道幾何狀態的調整不能象有碴軌道那樣進行起道、撥道和搗固作業,只能通過扣件系統進行,因此,無碴軌道的扣件結構設計應合理確定扣件高低、左右位置的調整能力,并可簡便地對施工和維修過程中的線路狀態進行調整,以實現高速線路的高平順性。對板式軌道而言,由于結構中的軌道板為預制平板,加上軌道板本身的制造與施工偏差,特別是當板式軌道應用于軌面標高漸變的緩和曲線與豎曲線地段時,一定厚度的軌下調高墊板難以實現對板長范圍內的軌道不平順的精細調整,在設計中應將樹脂充填式無級調高墊板作為無碴軌道的一個必要組成部分,以滿足高速鐵路對線路高平順性、剛度均勻性的要求。(4)減振性由于無碴軌道以剛性混凝土道床取代有碴軌道提供線路彈性的道碴層,盡管無碴軌道線路的高平順性和剛度均勻性在一定程度上可彌補其剛度大的不足,但在結構設計中應要求扣件系統具有良好的彈性,在基礎減振要求較高的無碴軌道鋪設區段,應考慮在軌道板底部設置彈性層(如減振Ｇ型板式軌道),以有效降低輪軌間的動力作用及無碴軌道下部基礎的振動。(5)耐久性提高高速鐵路無碴軌道結構的耐久性,除在結構強度上考慮足夠的儲備外,在軌道各部件的技術條件中應對直接影響無碴軌道耐久性的原材料性能提出嚴格要求,包括混凝土材料的抗凍性和氯離子滲透性,橡膠和樹賺材料的耐熱老化性、耐腐蝕性和疲勞性能,ＣＡ砂漿的抗凍性和耐候性等。線路平順性和減振性能的好壞對無碴軌道結構耐久性的影響同樣至關重要。

3．2．2　無碴軌道的下部基礎

(1)橋梁

高速鐵路對軌道高平順性的要求給鋪設無碴軌道的橋梁帶來新的課題。影響橋面軌道不平順的因素包括:預應力混凝土橋梁的徐變上拱、荷載作用下梁端轉角、墩臺基礎的不均勻沉降、梁體上、下緣不均勻溫差等。有碴軌道的線路狀態由于可以通過道碴層與扣件進行調整;梁端轉角、墩臺基礎的不均勻沉降對軌面狀態的影響相對較小。而橋上無碴軌道軌面的高低狀態只能通過扣件系統來調整,當橋梁變形超出扣件系統的最大調整量,其軌道的平順性就難以滿足高速鐵路對線路的質量要求;墩臺沉降和梁端轉角過大,不僅影響線路的高低狀態,同時將增大梁端扣件系統的螺栓上拔力。針對橋梁徐變上拱的影響因素,確定以設計上考慮為主、設計與施工相結合的原則有效控制梁體的徐變上拱,設計方面的控制措施:適當增加梁高,以提高梁的剛度。梁的剛度增大,不僅可有效減小預應力混凝土橋梁的徐變上拱,減小梁體下撓的梁端轉角,而且有利于橋上無縫線路的穩定性和平順性;采用部分預應力混凝土結構。在設計荷載作用下,梁體下翼緣允許出現一定拉應力的部分預應力結構,與全預應力結構相比,施加給截面的預壓力值小,也就是可較大限度地降低梁體上、下翼緣應力差,故徐變上拱隨之減小。施工方面的控制措施:在滿足混凝土強度與和易性條件下,盡可能采用較低的水泥用量和水灰比;在混凝土骨料上,施工時應強調選用彈性模量較高的巖石和適宜的級配;不同巖石骨料混凝土徐變增大的次序為:石灰巖、石英巖、礫石、花崗巖及砂巖。在對梁體施加預應力之前,除檢驗混凝土強度外,應同時檢測混凝土的彈性模量,在兩者均滿足設計要求后,再施加預應力;在滿足技術條件要求的前提下,盡量延長梁體張拉完畢至無碴軌道鋪設的時間間隔。鋪設無碴軌道的橋梁墩臺沉降(包括均勻和不均勻沉降)同樣需要嚴格控制,軟弱基礎上的橋梁墩臺須采取必要的加固措施以滿足無碴軌道線路對其沉降值的技術要求。(2)隧道隧道內基底處理的好壞直接影響無碴軌道的耐久性,我國鐵路曾在隧道內鋪設了近300ｋｍ的無碴軌道,大多數使用效果良好,但在個別工點的設計和施工中,對隧道基底、水害的處理不當,施工工序安排不合理,導致上部道床結構開裂破損,而對其維修整治十分困難。因此對于高速鐵路鋪設無碴軌道的隧道而言,應根據隧道圍巖級別、地下水狀況,選擇合理的隧道襯砌結構,對于整體式襯砌,Ⅲ級及以上的圍巖采用帶仰拱的曲墻結構。不設仰拱的地段應有20ｃｍ厚以上的混凝土鋪底,設仰拱地段的仰拱下面的浮碴必須清除干凈,隧道開挖時,應仔細檢查圍巖基礎的穩定性和風化破碎情況,檢測基底承載力,若隧道基礎的地質水文情況與勘測結果有差異(如遇斷層破碎帶、軟弱夾層等),應作必要的變更設計,確保鋪設無碴軌道的隧道基礎穩定。

3．2．3　過渡段

為保證高速列車運行的安全性和平穩性、提高旅客乘坐舒適性,在橋臺、隧道基礎與路基銜接處應設置一定長度的過渡段。設置原則是將橋臺、隧道基礎與過渡段路基的工后沉降控制在較小的范圍,并盡量保持一致,最大限度地減小過渡銜接處的軌面彎折角,因此在過渡段路基區段,應根據線路和地質情況采取相應的加固處理措施,如采用級配碎石、加筋土路基結構、設混凝土搭板等。為確保高速列車通過過渡段區域的平穩性,減小輪軌間的動力沖擊,除在線路下部結構采取相應的處理措施來控制工后沉降值以外,由于橋上和隧道內無碴軌道剛度要大于路基上有碴軌道的剛度, 在線路上部結構需要合理進行軌道剛度的過渡,一方面采取措施減小無碴軌道的整體剛度(如低剛度軌下膠墊、板下設彈性層等),另一方面在過渡段有碴軌道部分設置剛度變化過渡區(調整軌下膠墊剛度、設輔助軌、固化道碴層等)。

4　結束語　

　穩定性、剛度均勻性、耐久性好、維修工作量顯著減少的無碴軌道結構是高速線路的一個發展方向,盡管我國目前對高速鐵路和客運專線上新型無碴軌道的研究剛剛起步,在設計和施工方面還有許多配套技術需深入研究,但在我國目前初步建立的新型無碴軌道研究模式下,即:提出結構型式、確定設計參數→室內模型試驗→鋪設試驗段和運營考驗、制訂技術標準→改進完善、全區間推廣應用,組織科研、設計和施工等部門的線路、橋隧和路基等多個專業的技術人員,針對性地開展技術攻關,無碴軌道結構在我國高速鐵路和客運專線上將有廣闊的應用前景。

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