客運(yùn)專線鐵路無碴軌道工程技術(shù)(上)

      摘 要：簡(jiǎn)要論述了國(guó)內(nèi)外無碴軌道工程技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，介紹世界上各種無碴軌道結(jié)構(gòu)形式和發(fā)展方向，以及無碴軌道工程的技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性；并結(jié)合我國(guó)秦沈客運(yùn)專線橋上2種無碴軌道的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)客運(yùn)專線鐵路無碴軌道設(shè)計(jì)與施工、機(jī)械設(shè)備開發(fā)、成套技術(shù)引進(jìn)提出思考和建議，可供無碴軌道設(shè)計(jì)與施工等參考。

      關(guān)鍵詞：客運(yùn)專線無碴軌道結(jié)構(gòu)形式技術(shù)特點(diǎn)建議

      1 引言

      40多年來，隨著世界高速鐵路的發(fā)展，盡管無碴軌道初期造價(jià)比有碴軌道高，但由于其具有軌道平順性好，整體性強(qiáng)，縱向、橫向穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)高度低，幾何狀態(tài)持久，以及低維修量，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外越來越受到重視，越來越多的國(guó)家都在致力采用和發(fā)展無碴軌道工程技術(shù)，并取得了長(zhǎng)足發(fā)展。其采用范圍已從隧道、橋梁發(fā)展到了土質(zhì)路基和車站的道岔區(qū)，并且新的技術(shù)與新型結(jié)構(gòu)在不斷出現(xiàn)。毫無疑問，無碴軌道工程技術(shù)在世界高速鐵路上的大范圍應(yīng)用將是大勢(shì)所趨。

      在我國(guó)，無碴軌道工程技術(shù)也取得了一定的成績(jī)，特別是在秦沈客運(yùn)專線上試鋪的長(zhǎng)枕埋入式、板式無碴軌道2種結(jié)構(gòu)，經(jīng)3次綜合試驗(yàn)的檢驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明其完全達(dá)到了有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)的要求，并為無碴軌道的設(shè)計(jì)和施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，尤其是板式無碴軌道上使用的CA砂漿配方的開發(fā)與應(yīng)用，接近國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)在即將建設(shè)的客運(yùn)專線鐵路上成規(guī)模鋪設(shè)無碴軌道奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盡管如此，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)無碴軌道工程技術(shù)相比仍存在較大差距，需要我們不斷學(xué)習(xí)和借鑒。隨著我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的批復(fù)和京津、武廣、鄭西、石太、合寧、合武、溫福、福夏、涌溫等9條客運(yùn)專線的立項(xiàng)與批準(zhǔn)，標(biāo)志著我國(guó)客運(yùn)專線工程建設(shè)開始啟動(dòng)，無碴軌道技術(shù)在我國(guó)客運(yùn)專線中將大量采用，對(duì)無碴軌道工程技術(shù)進(jìn)行深入探討與實(shí)踐，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

      2 國(guó)外無碴軌道工程技術(shù)概述

      雖然傳統(tǒng)有碴軌道具有鋪設(shè)簡(jiǎn)便，綜合造價(jià)低廉的特點(diǎn)，但隨著重載、高速鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，有碴道床的累積變形速率隨之增長(zhǎng)，而為了保持軌道平順性，不得不進(jìn)行頻繁維修，且作業(yè)量大，維修費(fèi)用不斷上升。自上世紀(jì)60年代開始，德國(guó)和日本，對(duì)鐵路相繼開展了以整體式或固化道床取代散粒體道碴的各類無碴道床的研究。其中德國(guó)鐵路最初對(duì)無碴軌道的研究與推廣應(yīng)用主要是針對(duì)土質(zhì)路基和隧道區(qū)段，后來逐步擴(kuò)大到預(yù)應(yīng)力混凝土橋上，而日本的無碴道床是一種軌道板結(jié)構(gòu)，由此組成的軌道稱為板式軌道。因此，從概念上講，由無碴道床組成的軌道稱為無碴軌道。至今，盡管大部分國(guó)家的無碴軌道由于建設(shè)初期造價(jià)高等原因還處于試鋪或短區(qū)段分散鋪設(shè)的狀況；但在德國(guó)已有Rheda系、Ztiblin系等5種無碴軌道得到批準(zhǔn)正式使用，并在新建的高速線上全面推廣，鋪設(shè)總長(zhǎng)度達(dá)660 km(含80組道岔區(qū))。值得指出的是德國(guó)在1972年就在Rheda車站首次試鋪了無碴軌道結(jié)構(gòu)(后稱“Rheda”型)，隨后德國(guó)鐵路曾對(duì)17種無碴軌道型式進(jìn)行過系統(tǒng)研究。德國(guó)鐵路的無碴軌道結(jié)構(gòu)大多由企業(yè)、院校等合作研發(fā)，研發(fā)單位擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，任何新開發(fā)的無碴軌道結(jié)構(gòu)在納入德國(guó)鐵路網(wǎng)之前，必須獲得EBA(德鐵技術(shù)檢查團(tuán))的批準(zhǔn)；EBA通過指定的認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(包括實(shí)尺模型的連續(xù)激振試驗(yàn)等)。對(duì)獲得通過者，則有資格在線路上進(jìn)行有限長(zhǎng)度的試鋪，運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)通常為5年。若經(jīng)運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)滿足要求，EBA最終將批準(zhǔn)其在運(yùn)營(yíng)線上正式使用。日本的板式軌道已在新干線大量鋪設(shè)，總長(zhǎng)度已超過2 700 km。日本的無碴軌道最初一般都鋪設(shè)在隧道內(nèi)(或地下鐵道)，以后逐漸擴(kuò)大到橋梁和路基上，如日本的板式軌道鋪設(shè)在山陽(岡山～博多段)、東北、上越、北陸等新干線全部的橋、隧結(jié)構(gòu)上。除此之外，英國(guó)、法國(guó)、澳大利亞、意大利、荷蘭等國(guó)家都開發(fā)過不同形式的無碴軌道。

      2.1 國(guó)外無碴道床結(jié)構(gòu)型式

      (1)LVT型(彈性支承塊式無碴軌道Low Vibra—tion Track)

      LVT型無碴軌道是在雙塊式軌枕(或2個(gè)獨(dú)立支承塊)的下部及周圍設(shè)橡膠套靴，在塊底與套靴間設(shè)橡膠彈性墊層，在雙塊式軌枕周圍及底下灌筑混凝土以成型，又稱為減振型軌道。其最初由RogerSonneville提出并開發(fā)，瑞士國(guó)鐵于1966年在隧道內(nèi)首次試鋪該種無碴軌道。法國(guó)開發(fā)的VSB—STE.DET系軌道也屬此類，在地下鐵道內(nèi)使用居多。1993年開通運(yùn)營(yíng)的英吉利海峽兩單線隧道內(nèi)全部鋪設(shè)獨(dú)立支承塊式LVT型軌道(見圖1)。至今LVT軌道的鋪設(shè)總長(zhǎng)度約360 km。

      (2)PACT型(Paved Concrete Track)

      PACT型無碴軌道為就地灌筑的鋼筋混凝土道床(見圖2)，鋼軌直接與道床相連接，軌底與混凝土道床之間設(shè)連續(xù)帶狀橡膠墊板，鋼軌為連續(xù)支承。英國(guó)自1969年開始研究和試鋪PACT型無碴軌道，到1973年正式推廣，并在西班牙、南非、加拿大和荷蘭等國(guó)重載和高速線的橋、隧結(jié)構(gòu)上應(yīng)用。鋪設(shè)總長(zhǎng)度約80 km。

      (3)Rheda型

      如前所述，德國(guó)鐵路于上世紀(jì)60年代開始無碴軌道的研究，曾試鋪過多達(dá)17種無碴軌道結(jié)構(gòu)，其軌道的基礎(chǔ)分鋼筋混凝土(BTS)和瀝青混凝土(ATS)2類。Rheda型軌道是鋼筋混凝土底座上的結(jié)構(gòu)型式之一。

      Rheda型軌道由軌枕及其周圍灌筑的混凝土組成(見圖3)，在橋、隧和土質(zhì)路基上都適用。在德國(guó)鐵路鋪設(shè)的660 km無碴軌道中，Rheda型約占50％以上。

      Zublin型軌道是與Rheda型結(jié)構(gòu)類似的另一種無碴軌道。它是以雙塊式軌枕取代Rheda型中的整體軌枕，在施工時(shí)，采用特殊鋪設(shè)機(jī)械在灌筑好的新鮮混凝土中邊振動(dòng)邊將雙塊式軌枕埋入混凝土中就位，機(jī)械化施工性好。

      (4)ATD型

      ATD型軌道的結(jié)構(gòu)型式如圖4所示，采用雙塊式軌枕直接置于瀝青混凝土底座上，在軌枕與底座間設(shè)置一層無紡布來填平表面的凹凸，不需要填充層，并在底座上設(shè)凸臺(tái)，用樹脂填充軌枕與底座間的縫隙等以承受縱橫向水平力的作用。

      在瀝青混凝土底座上的其它結(jié)構(gòu)，如BTD、Walter型等是用軌枕取代ATD型中的雙塊式軌枕塊，且軌枕與底座間的聯(lián)接方式各不相同，這些聯(lián)接方式以滿足必要的縱、橫向阻力為前提。至1997年末，鋪設(shè)在瀝青混凝土底座上的無碴軌道約有66km。

      (5)板式軌道

      日本是鋪設(shè)板式無碴軌道最多的國(guó)家，技術(shù)成熟，類別齊全。日本板式軌道的開發(fā)始于1965年，在最初的“新軌道結(jié)構(gòu)的研究”研究項(xiàng)目中，日本鐵道綜合技術(shù)研究所組建了由軌道結(jié)構(gòu)、材料、土工、物理、有機(jī)化學(xué)研究室人員構(gòu)成的新軌道結(jié)構(gòu)研究組，分別承擔(dān)相應(yīng)的課題研究。起初的開發(fā)是用于橋梁和隧道的板式軌道(見圖5)，該軌道由預(yù)制的軌道板、混凝土底座以及介于兩者之間的CA砂漿填充層組成，在2塊軌道板之間設(shè)凸形擋臺(tái)以承受縱、橫向水平力。板式軌道不僅大量應(yīng)用于新干線，而且也應(yīng)用在窄軌既有線上。

      日本定型的軌道板有適用于隧道或高架橋上的A型軌道板，為減少材料用量、降低造價(jià)而開發(fā)的框架型板式軌道(見圖6)，適用于土質(zhì)路基上的RA型軌道板及特殊減振區(qū)段用的防振G型軌道板(見圖7)等，這些構(gòu)成了適用于各種不同使用范圍的軌道板系列。

      日本對(duì)土質(zhì)路基上板式軌道的研究是與橋、隧上板式軌道同時(shí)起步的，曾在14處鋪設(shè)總長(zhǎng)約2.4km試驗(yàn)段，但在個(gè)別試驗(yàn)段上發(fā)生了基礎(chǔ)下沉、軌道板陷入瀝青鋪裝底座內(nèi)等問題，為此開展了長(zhǎng)期深入的研究。直到1993年，改進(jìn)后的板式軌道結(jié)構(gòu)在北陸新干線正式應(yīng)用，鋪設(shè)長(zhǎng)度約10.8 km，占北陸新干線(高崎～長(zhǎng)野段)總長(zhǎng)的4％ ，為土質(zhì)路基上軌道的25％。到目前為止，以新干線為主的板式軌道鋪設(shè)長(zhǎng)度達(dá)到2 700 km，日本已成為鋪設(shè)無碴軌道最多的國(guó)家。

      意大利于1983年開始鋪設(shè)IPA型無碴軌道，其設(shè)計(jì)參考了日本的板式軌道，鋪設(shè)長(zhǎng)度約92 km，其中，羅馬～佛羅倫薩高速線上鋪了25.4 km。

      2.2 國(guó)外無碴軌道道床的比較

      (1)無碴軌道道床的性能比較日本鐵道技術(shù)開發(fā)部曾對(duì)上述幾種主要的無碴軌道在造價(jià)、施工性、維修費(fèi)、耐久性和環(huán)境適宜性等諸方面進(jìn)行相對(duì)比較，結(jié)果見表1，從表1可以看出各種軌道的少維修和耐久性能均很好，施工性差別不大，造價(jià)一般較高，特別是LVT型和板式軌道更偏高一些，對(duì)環(huán)境的影響必須采用減振型結(jié)構(gòu)才能滿足要求。

      (2)無碴軌道道床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

      ①無碴道床能長(zhǎng)期保持軌道的良好狀態(tài)，維修量小德國(guó)鐵路采用軌道質(zhì)量指數(shù)Q值來綜合評(píng)價(jià)軌道高低、水平、方向等的平順狀態(tài)。新線的軌道質(zhì)量指數(shù)Q值應(yīng)在3O以下，而在運(yùn)營(yíng)線上，當(dāng)質(zhì)量指數(shù)Q值超過100就必須進(jìn)行修理。圖8和圖9分別表示隧道內(nèi)和土質(zhì)路基上無碴軌道與相鄰接的有碴軌道5年間Q值變化的比較。從圖中很明顯看出，無碴軌道的質(zhì)量指數(shù)Q值在5年內(nèi)均保持在良好水平上，且變化很小，維修量也小。為此，德國(guó)鐵路在新建的漢諾威～柏林和科隆～萊茵／梅因等高速鐵路上全面鋪設(shè)無碴軌道。

      1995年日本對(duì)運(yùn)營(yíng)了20年的山陽新干線板式軌道歷年各項(xiàng)作業(yè)的維修費(fèi)用進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并與有碴軌道作了比較，如圖l0所示。由此可知，采用板式軌道結(jié)構(gòu)可減少其維修項(xiàng)目，且軌道的幾何狀態(tài)穩(wěn)定性好，該種軌道結(jié)構(gòu)為高速運(yùn)輸提供了安全可靠、平順高質(zhì)量的軌道，實(shí)現(xiàn)了維修量小和維修費(fèi)用大幅度降低的目標(biāo)。

      ② 經(jīng)濟(jì)比較

      至目前為止，無碴軌道的造價(jià)一般均高于有碴軌道，但由于無碴軌道的結(jié)構(gòu)高度低、每延米重量輕的特點(diǎn)，可使橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物的建設(shè)費(fèi)用降低；另一方面，無碴軌道穩(wěn)定性、耐久性好的特點(diǎn)可顯著減小線路的維修工作量，由此帶來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

      比如對(duì)于Rheda型無碴軌道，據(jù)德國(guó)鐵路資料，有碴軌道的造價(jià)為800 DM／m，瀝青混凝土底座上無碴軌道為1000 DM／m，混凝土底座上Rheda型等軌道為1 400 DM／m，無碴軌道的造價(jià)為有碴軌道的1.3～1.7倍。而德國(guó)高速鐵路有碴軌道的年維修費(fèi)用約為3 000 DM／km，無碴軌道則很少。德國(guó)鐵路界經(jīng)分析認(rèn)為，在新線建設(shè)中采用無碴軌道，可使線路設(shè)計(jì)的總建筑高度和總寬度有所減小，可減小隧道和橋梁等結(jié)構(gòu)的斷面。因此，新線的綜合造價(jià)將趨于合理。

      同樣，對(duì)于日本板式軌道，其造價(jià)為有碴軌道的1.3—1.5倍；而維修費(fèi)用則明顯減少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山陽新干線16年的平均維修費(fèi)用為有碴軌道的18％ ，東北新干線9年的平均維修費(fèi)用為有碴軌道的33％ 。無碴軌道多投資的差額基本在10年(橋、隧結(jié)構(gòu)上)~12年內(nèi)(土質(zhì)路基上)可得以彌補(bǔ)。

      2.3 國(guó)外無碴軌道道床的發(fā)展

      無碴軌道的特點(diǎn)以及在高速鐵路中所體現(xiàn)的良好性能已被許多國(guó)家所接受。近10多年來的發(fā)展和推廣應(yīng)用很快，已開發(fā)并正式鋪設(shè)的無碴軌道型式很多，而新的結(jié)構(gòu)還不斷涌現(xiàn)，使無碴軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)等日臻完善，對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)性提高，軌道造價(jià)更趨合理，其擴(kuò)大鋪設(shè)范圍的前景是不容置疑的。德國(guó)和日本等已制訂有關(guān)無碴軌道的設(shè)計(jì)、施工規(guī)程，并在新建高速線路和其它線路上進(jìn)行相當(dāng)規(guī)模鋪設(shè)，盡管如此，目前他們對(duì)新結(jié)構(gòu)的開發(fā)和既有結(jié)構(gòu)的改進(jìn)仍在繼續(xù)進(jìn)行。

      目前，德國(guó)有20家企業(yè)參與無碴軌道新結(jié)構(gòu)的開發(fā)，形成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的局面，推進(jìn)了新技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前在高速線上應(yīng)用最為廣泛且效果良好的無碴軌道結(jié)構(gòu)類型是由弗萊德爾公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)并安裝施工的Rheda一2000和由博格公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)并安裝施工的板式軌道。

      Rheda一2000型軌道(見圖1 1)是在1998年開發(fā)的，它由兩根桁架形配筋組成的特殊雙塊式軌枕取代了原Rheda型中的整體軌枕，取消了原結(jié)構(gòu)中的槽形板，統(tǒng)一了隧道、橋梁和路基上的型式；同時(shí)，軌道的建筑高度從原來的650 mm降低為472 mm。

      Rheda一2000型中的特殊雙塊式軌枕只保留承軌和預(yù)埋扣件螺栓部位的預(yù)制混凝土，其余為桁架式的鋼筋骨架，使與現(xiàn)場(chǎng)灌筑混凝土的新、老界面減至最少，這有利于改善施工性，提高施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的整體性。建筑高度的下降，對(duì)降低軌道本身和線路的造價(jià)都是有利的。將無碴軌道的造價(jià)降低到有碴軌道的1.3—1.4倍是德國(guó)鐵路力爭(zhēng)的目標(biāo)。1996年德國(guó)鐵路還批準(zhǔn)了7種新結(jié)構(gòu)在曼海姆一卡爾斯魯厄線上試鋪。德國(guó)鐵路規(guī)定試鋪的軌道結(jié)構(gòu)要經(jīng)過5年的運(yùn)營(yíng)后經(jīng)批準(zhǔn)才能正式使用。從圖12可以看出Rheda一2000型無碴軌道的研發(fā)過程。

      日本在大量鋪設(shè)板式軌道的同時(shí)，還開發(fā)了B型彈性軌枕直結(jié)軌道，在東北、上越新干線上均有鋪設(shè)。為了擴(kuò)大鋪設(shè)范圍，必須降低造價(jià)，因而，隨后即開發(fā)了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的D型彈性軌枕直結(jié)軌道，造價(jià)僅為B型的3／4，其減振性能較防振G型板式軌道還略有改善，同時(shí)解決了原結(jié)構(gòu)部件更換困難的技術(shù)問題，因此更適合推廣。

      近年來，日本正大力研究一種“梯子形”軌道(見圖13)，它是由2根縱向軌枕(梁)支承鋼軌，橫向每隔3 m用鋼管將2根縱向枕連結(jié)成梯子形，在橋上縱向枕與軌道基礎(chǔ)(梁面)之間每隔1.5 m設(shè)減振支承裝置組成“浮置式梯子形軌道”。其主要特點(diǎn)是：低振動(dòng)，低噪聲；變傳統(tǒng)橫向軌枕支承鋼軌的方式為縱向支承；軌道自重輕，約為有碴軌道的1／4；軌道高度的調(diào)整除利用扣件的調(diào)整量外，減振支承裝置也有一定的調(diào)高功能。鋪設(shè)在橋梁上的浮置式梯子形軌道，使整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從“重型和傳統(tǒng)”到“輕型和現(xiàn)代化”的根本變革。路基上的梯子形軌道，其縱向軌枕下仍然鋪設(shè)有道碴，屬于有碴道床與整體軌下基礎(chǔ)的混合式結(jié)構(gòu)，這說明日本無碴軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展出現(xiàn)了多樣化形式。

      目前，梯子形軌道已完成結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析、組成部件及實(shí)尺軌道的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)試驗(yàn)，并在美國(guó)TTC運(yùn)輸中心的環(huán)形線上完成了350 kN重軸的快速耐久性試驗(yàn)，通過噸位超過1億t。隨后還將對(duì)高速運(yùn)行的適應(yīng)性，以及采用橡膠支承取代減振裝置以降低造價(jià)等實(shí)用性作進(jìn)一步研究。

      除此之外，一向堅(jiān)持采用有碴軌道的法國(guó)鐵路，在地中海TGV的一座長(zhǎng)7.8 km隧道內(nèi)，試鋪了雙塊式減振型無碴軌道；荷蘭、韓國(guó)高速鐵路上也進(jìn)行了試鋪無碴軌道；我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的臺(tái)北至高雄高速鐵路上也大量采用了板式無碴軌道(約為正線長(zhǎng)度45％)。由此可見，無碴軌道在世界高速鐵路上大量鋪設(shè)已成為發(fā)展趨勢(shì)。

      3 我國(guó)無碴軌道道床結(jié)構(gòu)

      3.1 發(fā)展簡(jiǎn)況

      我國(guó)對(duì)無碴軌道的研究始于上世紀(jì)60年代，與國(guó)外的研究幾乎同時(shí)起步。初期曾試鋪過支承塊式、短木枕式、整體灌筑式等整體道床以及框架式瀝青道床等幾種形式，正式推廣應(yīng)用的僅有支承塊式整體道床(見圖14)。在成昆線、京原線、京通線、南疆線等長(zhǎng)度超過1 km的隧道內(nèi)鋪設(shè)，總鋪設(shè)長(zhǎng)度約300 km。80年代曾試鋪過瀝青整體道床，由瀝青混凝土鋪裝層與寬枕組成的整體道床，以及由瀝青灌注的固化道床等，在大型客站和隧道內(nèi)試鋪，總長(zhǎng)約10 km，但并未正式推廣。此外，在橋梁上也試鋪過無碴無枕結(jié)構(gòu)，如在京九線九江長(zhǎng)江大橋引橋上全部采用了這種結(jié)構(gòu)(見圖15)，長(zhǎng)度約7 km。

      在此后的20多年期間，我國(guó)在無碴軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝與方法、軌道基礎(chǔ)的技術(shù)要求，以及出現(xiàn)基礎(chǔ)下沉等引起傷損的整治等方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并吸取了有益的教訓(xùn)，為無碴軌道新技術(shù)的研究與發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

      1995年以后，隨著京滬高速鐵路可行性研究的深入，無碴軌道在我國(guó)重新得以關(guān)注?！熬盼濉眹?guó)家科技攻關(guān)專題“高速鐵路無碴軌道設(shè)計(jì)參數(shù)的研究”提出了適用于高速鐵路橋、隧結(jié)構(gòu)上的3種無碴軌道型式(長(zhǎng)枕埋入式、彈性支承塊式和板式)及其設(shè)計(jì)參數(shù)，并正式納入《京滬高速鐵路線橋隧路站設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》和《時(shí)速200公里新建鐵路線橋隧站設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》之中；2個(gè)暫行規(guī)定原則上確定了在有條件的高架線路、隧道等地段可鋪設(shè)無碴軌道。

      1998年鐵道部立項(xiàng)開展高速鐵路高架橋上無碴軌道關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)研究，在此課題中，對(duì)3種結(jié)構(gòu)型式的無碴軌道(長(zhǎng)軌枕埋人式、板式軌道、彈性支承塊式)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，秦沈客運(yùn)專線特別選定了3座特大橋作為無碴軌道的試鋪段，其中，沙河特大橋(直線，長(zhǎng)692.33 m)試鋪長(zhǎng)枕埋人式無碴軌道，狗河特大橋(直線，長(zhǎng)741.71 m)和雙何特大橋(曲線，長(zhǎng)703.33 m)試鋪板式無碴軌道。

      1999年11月，在我國(guó)西康線上最長(zhǎng)的秦嶺隧道(長(zhǎng)度為18.5 km)內(nèi)，采用彈性支承塊式無碴軌道，于2001年正式開通運(yùn)營(yíng)，效果良好。這種彈性支承式無碴軌道與上述的LVT型軌道相類似，為減振型軌道，是我國(guó)目前鋪設(shè)無碴軌道結(jié)構(gòu)最長(zhǎng)的區(qū)段。另外，為適應(yīng)京滬高速鐵路的線路條件，2002年還選定了渝懷鐵路魚嘴2號(hào)隧道、贛龍鐵路楓樹排隧道分別作為長(zhǎng)枕埋人式和板式軌道在隧道內(nèi)的試鋪段，2座隧道長(zhǎng)度分別為710 m和719 m。

      2004年我國(guó)選定在遂渝鐵路的遂渝引入重慶樞紐工程內(nèi)的龍鳳隧道進(jìn)口至蔣家橋大橋(不含)正線12.63 km作為無碴軌道綜合試驗(yàn)段，其中含橋梁2座、隧道4座，其它為路基段，該綜合試驗(yàn)段將分別采用板式(路基、隧道內(nèi)采用)、雙塊式(路基、橋梁、隧道內(nèi)采用)、埋人式無碴軌道(道岔區(qū)采用)3種形式。它們是在總結(jié)秦沈客運(yùn)專線沙河、狗河大橋和雙何特大橋無碴軌道，贛龍鐵路楓樹排隧道內(nèi)板式無碴軌道，渝懷鐵路魚嘴2號(hào)隧道內(nèi)長(zhǎng)枕埋人式無碴軌道的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并參照德國(guó)、日本鐵路無碴軌道的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。

      3.2 秦沈客運(yùn)專線橋上無碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      在前期無碴軌道相關(guān)科研成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合秦沈客運(yùn)專線具體的運(yùn)營(yíng)條件和線路條件，最終選定在國(guó)外高速鐵路上應(yīng)用較為成熟的長(zhǎng)枕埋人式(圖16)和板式無碴軌道結(jié)構(gòu)(圖17)，并分別在秦沈客運(yùn)專線沙河特大橋、狗河特大橋和雙何特大橋上鋪設(shè)。

      (1)設(shè)計(jì)荷載

      列車運(yùn)行速度與軸重直接影響軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載的取值，在結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)階段，考慮我國(guó)高速列車與中速列車共線運(yùn)行的運(yùn)輸組織模式，在動(dòng)力仿真計(jì)算分析中，高速列車采用德國(guó)ICE一2機(jī)車(最高速度300 km／h、軸重195 kN)，中速列車采用國(guó)產(chǎn)韶山8電力機(jī)車和東風(fēng)11內(nèi)燃機(jī)車(最高速度160km／h、軸重230 kN)，計(jì)算中得出高速條件下的動(dòng)載系數(shù)為2.4—3.0，中速條件下的動(dòng)載系數(shù)為2.4～2.6?？紤]無碴軌道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，采用了動(dòng)輪載計(jì)算值較大的德國(guó)ICE一2型作為確定其設(shè)計(jì)荷載的機(jī)車類型。

      靜輪重設(shè)計(jì)：Pl=1/2X195 kN=97.5 kN；

      動(dòng)輪載設(shè)計(jì)：Pd：αPo，α為動(dòng)載系數(shù)，取3.0。則P =3.0 X97.5 kN=292.5 kN~--300 kN。

      (2)道床板／軌道板承載能力設(shè)計(jì)

      根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載，采用相應(yīng)的靜力計(jì)算模式，可得出2種無碴軌道結(jié)構(gòu)道床板／軌道板的截面設(shè)計(jì)彎矩，見表2

      3.3 結(jié)構(gòu)型式

      秦沈客運(yùn)專線橋上長(zhǎng)枕埋人式和板式無碴軌道的主要型式的結(jié)構(gòu)尺寸見表3。

      (1)長(zhǎng)枕埋人式無碴軌道

      長(zhǎng)軌枕埋人式無碴軌道的結(jié)構(gòu)組成主要包括混凝土底座、混凝土道床板、穿孔軌枕及配套扣件(見圖16)。

      (2)板式軌道板式軌道的結(jié)構(gòu)組成主要包括混凝土底座、RC或PRC軌道板、水泥瀝青(CA)砂漿調(diào)整層、凸形擋臺(tái)及WJ一2型扣件系統(tǒng)(見圖17)。標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度軌道板的結(jié)構(gòu)型式(見圖18)。

      橋上軌道板與混凝土梁體之間設(shè)置混凝土底座，并設(shè)置CA砂漿層。2塊軌道板之間設(shè)置鋼筋混凝土凸形擋臺(tái)，以固定其水平位置，制止其移動(dòng)；CA砂漿由水泥、乳化瀝青、細(xì)骨料(砂)、混合料、水、鋁粉、各種外加劑等多種原材料組成，其作為板式軌道混凝土底座與軌道板間的彈性調(diào)整層，是一種具有混凝土的剛性和瀝青的彈性的半剛性體。

      CA砂漿調(diào)整層是板式無碴軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，其性能的好壞直接影響板式軌道應(yīng)用的耐久性和維修工作量。我國(guó)對(duì)板式軌道CA砂漿開展了為期3年的科研攻關(guān)工作，在科研、設(shè)計(jì)與施工單位的共同努力下，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或接近國(guó)外同類產(chǎn)品的質(zhì)量水平，為板式無碴軌道結(jié)構(gòu)在我國(guó)客運(yùn)專線上首次鋪設(shè)創(chuàng)造了條件。表4是CA砂漿主要性能指標(biāo)要求及我國(guó)CA砂漿與日本新干線板式軌道的性能指標(biāo)比較，它是在借鑒日本新干線板式軌道CA砂漿研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)前期的研究成果有針對(duì)性地提出的。

      從CA砂漿的材料組成及性能指標(biāo)要求可以看出，材料既要滿足強(qiáng)度和彈性要求，又必須具有必要的施工性能，同時(shí)考慮到CA砂漿在寒冷地區(qū)使用工況，還應(yīng)具備抗凍融性能，以保證其長(zhǎng)期使用的耐久性。

      凸形擋臺(tái)外形在梁跨的端部為半圓形，在梁跨中部均為圓形，其半徑為250 mm，高度為250 mm。凸形擋臺(tái)與軌道板端部的半圓形缺口共圓心，在曲線部分，凸形擋臺(tái)豎向軸線與底座的頂面垂直。凸形擋臺(tái)采用CA0級(jí)混凝土，在混凝土底座施工完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑，其周圍填充CA砂漿或樹脂材料。

      (3)彈性支承塊式無碴軌道

      彈性支承塊式無碴軌道的結(jié)構(gòu)組成主要包括混凝土底座、混凝土道床板、混凝土支承塊、橡膠靴套、塊下膠墊及配套扣件(見圖19)。

      在混凝土支承塊底部設(shè)有厚12 mm的橡膠彈性膠墊，其周圍設(shè)有橡膠靴套，厚7 mm，使支承塊與混凝土道床板隔離，到達(dá)可修復(fù)的目的。該結(jié)構(gòu)的軌下與塊下的雙層彈性墊板為無碴軌道提供較好的垂向彈性，靴套提供軌道縱、橫向彈性，使軌道在荷載分布和動(dòng)能吸收方面更接近有碴軌道。由于彈性墊層具有材料均勻、彈性一致等性能，使鋼軌支承剛度一致，部件受力均勻，軌道幾何形位易于保持，達(dá)到了少維修的目的。

未完待續(xù)