客運專線鐵路無碴軌道工程技術(下)

摘要：簡要論述了國內外無碴軌道工程技術發(fā)展趨勢，介紹世界上各種無碴軌道結構形式和發(fā)展方向，以及無碴軌道工程的技術特點和技術經濟性；并結合我國秦沈客運專線橋上2種無碴軌道的建設經驗，對我國客運專線鐵路無碴軌道設計與施工、機械設備開發(fā)、成套技術引進提出思考和建議，可供無碴軌道設計與施工等參考。

關鍵詞：鐵路，無碴軌道，技術研究與探討

3.4 3種無碴軌道結構的特點

      長軌枕埋入式無碴軌道、板式無碴軌道、彈性支承塊式無碴軌道的結構組成和結構特點見表5。

      結構整體性能，3種結構均具有無碴軌道的線路穩(wěn)定性好、剛度均勻性好、線路平順性高、耐久性高的突出優(yōu)點，并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。相對而言，板式軌道結構高度低，道床寬度小，重量最輕，這樣在橋上鋪設時可降低橋梁的二期恒載，在隧道內應用時可減小隧道的開挖斷面，因此有可能降低橋梁、隧道結構的總造價；而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，每延米重量較大；彈性支承塊式無碴軌道的自重則介于兩者之間。

      從室內落軸沖擊的試驗結果看，長枕埋入式無碴軌道結構的整體剛度要稍大于設置CA砂漿調整層的普通型板式軌道，彈性支承塊式無碴軌道結構由于設置了雙層橡膠墊層，其整體剛度較小。對于在客運專線或高速鐵路的橋上應用來說，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。

(2)制造與施工

①板式軌道

      板式軌道結構中的軌道板(RC或PRC)為工廠預制，其質量容易控制，現場混凝土施工量少，施工的機械化程度高，可將人為控制因素減至最少，且施工進度較快(200 m／d)，道床外表美觀。

      由于其采用“由下至上”的施工方法，施工過程中不需工具軌，施工結束后，承軌面高低、水平誤差小，為一次鋪設跨區(qū)間無縫線路提供了平順的工作面。

     在特殊減振及過渡段區(qū)域，通過在預制軌道板底粘貼彈性橡膠墊層，易于實現下部基礎對無碴軌道的減振要求。

      軌道狀態(tài)整理過程中充填式墊板的應用，使鋼軌支點的支承均勻性得到保證。在橋上鋪設時，受橋梁不同跨度的影響，需要不同長度的軌道板配合使用；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(tǒng)高低、方向調整要求較高。板式軌道結構中CA砂漿調整層的施工質量要求高，其質量的好壞直接影響軌道的耐久性。板式軌道的制造、運輸和施工的專業(yè)性較強，包括軌道板的制造、運輸、吊裝、鋪設；CA砂漿的現場攪拌、試驗、運輸和灌筑；軌道狀態(tài)整理過程中的充填式墊板樹脂灌筑等。

②長枕埋入式和彈性支承塊式軌道

     長枕埋入式無碴軌道和彈性支承塊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、混凝土支承塊需要工廠預制外，其余混凝土均為現場澆筑，道床表面宜設置橫向排水坡。

      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。但施工過程中需要工具軌(新鋼軌)作為控制線路高程的基準。

    現場混凝土的施工量較大，受混凝土齡期的影響，其施工進度相對較慢。

      由于混凝土道床板表面為人工抹平，外觀上與板式軌道結構預制的軌道板相比要差。

      在需要特殊減振及過渡段區(qū)域，長枕埋入式無碴軌道由于混凝土底座中央兩端設置限位凹槽，在設計與施工底座和道床板之間的彈性層方面都相對要困難一些。

(3)線路維修

       參照國外同類無碴軌道結構的使用情況，長枕埋入式和彈性支承塊式無碴軌道的維修工作主要體現在扣件螺栓的涂油工作。

      板式軌道的維修除此之外，還存在控制和修補邊緣CA砂漿破損的問題。從13本鐵路板式軌道初期的運營經驗看，由于板式軌道水泥瀝青(CA)砂漿調整層的存在，其受自然環(huán)境因素的影響較大，在凸形擋臺周圍及軌道板底邊緣的CA砂漿存在破損現象，特別是在線路縱向力較大的伸縮調節(jié)器附近，因此13本鐵路除相應開發(fā)出了修補用的樹脂砂漿外，在設計方面，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。對于軌道板底的CA砂漿調整層，以灌筑袋的形式取代初期的設置模板的直接灌筑，不僅節(jié)省了施工用模板的投入，而且減少CA砂漿層的環(huán)境暴露面，從而顯著提高了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。

       從特殊情況下無碴軌道損壞時的可修復性方面來看，由于板式軌道的軌道板與下部基礎之間、彈性支承塊式無碴軌道的支承塊與混凝土道床之間是隔開的，其可修復性較強；而長枕埋入式無碴軌道的穿孔軌枕與混凝土道床板澆筑成一體，盡管有隔離層將道床板與下部基礎隔開，但相比而言，其可修復性較差。

(4)初期投資

      無碴軌道工程的初期投資與多種因素有關，包括軌道的結構型式、制造成本、施工地區(qū)、鋪設長度、施工機具設備及施工工效等。

      在試驗段的初期投資方面，板式軌道的制造設備、施工機具的專用性強，初期投資包括軌道板制造模型的投入；軌道板運輸、吊裝設備與鋪設機具；CA砂漿的攪拌、運輸及灌筑設備、充填式墊板施工機具等，而長枕埋入式無碴軌道的制造和施工主要是預制穿孑L軌枕的模型與鋼軌支撐架、工具軌等的初期投入，因此相比而言，板式軌道的初期投資無論從軌道部件的制造成本、軌道的施工投入都要比長枕埋入式無碴軌道要大。

      彈性支承塊式無碴軌道由于橡膠套靴和塊下橡膠墊板的成本較高，而施工設備和機具的投入基本上與長枕埋入式無碴軌道相同，其初期投資介于板式軌道和長枕埋入式無碴軌道之間。

     但國內外的運營實踐表明，無碴軌道結構可大幅降低線路養(yǎng)護維修費用，其社會經濟效益明顯。

3.5 板式、長枕埋入式無碴軌道結構綜合試驗結果

      在秦沈客運專線建設過程中，3次綜合試驗對板式、長枕埋入式無碴軌道(沙河、狗河大橋和雙何特大橋)及2座橋上有碴軌道(石河二號、跨興閆公路特大橋)的軌道各項動力參數進行了測試，測試結果均滿足《秦沈客運專線橋上無碴軌道設計技術條件》的各項要求，并對今后設計與施工的完善提供了實踐經驗。例如，對于高速鐵路路橋、無碴／有碴過渡段的處理技術方面，應加以重視，建議在設置無碴軌道范圍內橋臺取消耳墻式橋臺形式。由于2種新型無碴軌道結構在我國首次鋪設，施工方法、施工機具、設備等都未能達到標準化程度，導致個別地段的軌道鋪設精度不高。因此為提高無碴軌道的施工質量，在施工方法和機具的標準化方面應進行深入研究。對于板式軌道結構，應將樹脂充填式墊板作為其軌道結構的組成部分納入板式軌道的設計技術條件中。箱梁的徐變上拱度初期發(fā)展較快(占60％ ～75％)，后期明顯減緩，建議在無碴軌道梁體結構設計上應增大梁體剛度，在施工過程中通過嚴格控制混凝土質量、預應力張拉的齡期，準確施加預應力，盡可能地延長無碴軌道施工與箱梁張拉完畢的時間間隔，箱梁自終張拉完畢至觀測結束期內的總徐變上拱度均應控制在20 mm以內。

4 無碴軌道扣件

      發(fā)無碴軌道扣件除了應具備普通鋼軌扣件所具有的所有功能外，它還應具有其特殊的功能，具體表現在：(1)更強的保持軌距能力；(2)足夠的防軌爬行扣壓力；(3)良好的減振性能；(4)結構簡單和養(yǎng)維護工作量少；(5)可靠度高和較好的絕緣性能等。各個國家針對自己不同的無碴軌道形式均采用了不同軌道扣件系統(tǒng)，并在使用過程中進行了改進和完善。

(1)無碴軌道的小阻力扣件

      無碴軌道扣件分為路基無碴軌道用扣件、橋上無碴軌道用扣件和隧道內無碴軌道用小阻力扣件，要求富有彈性并便于調整軌距高低。用于無縫線路的無碴軌道扣件，要求具有較小的線路縱向阻力。

     圖20是我國目前僅在橋上采用的無碴軌道小阻力的扣件，適用于橋上無碴軌道標準軌距鋪設60k#m鋼軌和混凝土整體道床，滿足高速鐵路橋上鋪設無縫線路對鋼軌扣件的要求。在軌下及其墊板下均設置有調高墊板，扣件具有+10 mm至一12 mm的軌距調整量，+30 mm至0 mm的鋼軌高低調整量。每副扣件，鋼軌縱向阻力為6.5 kN±0.5 kN。

     如果采取結構措施，可降低至3.6 kN±0.4 kN，其鋼軌縱向阻力值低于普通扣件7 kN。

(2)loarv300軌道扣件系統(tǒng)

      loarv300軌道扣件系統(tǒng)是德國目前無碴軌道的標準形式(見圖21)，一般區(qū)段的無碴軌道結構設計必須與標準扣件形式相匹配。此扣件的高低調整量為+26 mm至一4 mm，軌距調整為±4 mm，橡膠墊板厚度12 mm，靜剛度值為(22.5±2.5)kN／mm。

     其它形式的扣件還有336、A8、ERL／BWG和Krupp型等。

(3)無碴軌道上的潘德羅爾扣件

      普通的潘德羅爾扣件與我國Ⅲ型扣件相似，其調整軌距及鋼軌高低的能力很低。無碴軌道使用的潘德羅爾扣件增加了帶槽的鐵墊板，以便調整鋼軌高低。利用鐵座孔內的偏心齒輪以調整扣壓力，并利用楔形齒條以調整軌距。圖22是1997年在日本長野新干線板式軌道上試鋪的潘德羅爾扣件，軌距可調范圍±10 mm。另有一種扣件，其鋼軌高低最大可調14 mm。

(4)日本直結型板式軌道扣件

      日本在高速鐵路建設過程中，研制了多種針對采用不同形式的無碴軌道的鋼軌扣件，包括直結4型、5型、7型和8型。直結型軌道扣件是日本高速鐵路板式軌道使用的特制扣件，其中直結5型采用較多，其結構特點是在鐵墊板開設了長圓孔狀的螺栓孔，通過移動鐵墊板的位置來進行軌距和方向的調整。圖23是在一般區(qū)間使用的直接8型扣件，其鋼軌高低調節(jié)范圍是+30 mm至0 mm，軌距±10mm。在軟土路基的特殊區(qū)間，采用直結7型，具有更強的調節(jié)幾何形位能力，其鋼軌高低可調+50mm至0 mm，軌距±30 mm，如圖24所示。圖25為改進型直結8型鋼軌扣件，它與直結8型扣件的區(qū)別在于采用錨固螺栓一塑料套管代替了T型錨固螺栓一固定鐵件和套管，其實質是對緊固鐵墊的連接件進行了改進，改進后緊固鐵墊板更加可靠。

5 充填式墊板

      由于板式軌道結構中的軌道板為工廠預制，其施工方法為“由下至上”施工，軌道板狀態(tài)調整、CA砂漿灌筑完成后，其上部線路狀態(tài)的精細調整主要通過扣件進行調整；特別是對于處在緩和曲線與豎曲線上(線路高低漸變)的無碴軌道來說，利用預制的、厚度一定的調高墊板進行精細調整，難以滿足高速鐵路對線路平順性、支承均勻性的設計要求，必須設置充填式無級調高墊板，見圖26、圖27。2001年在秦沈客運專線無碴軌道科研項目的支持下，通過借鑒日本板式無碴軌道調節(jié)用充填式墊板經驗，我國完成了充填式墊板的試制和各項性能試驗工作(包括充填式墊板內的樹脂注人材料的研制)，并成功地在秦沈線雙何特大橋曲線板式無碴軌道上鋪設，效果良好。

6 幾點思考

     隨著我國客運專線鐵路的建設與發(fā)展，考慮世界先進國家無碴軌道工程技術的發(fā)展趨勢，研究和應用適用我國國情的無碴軌道技術，特別是掌握無碴軌道施工核心技術，對于施工企業(yè)來說，具有重大的現實意義，有以下幾個方面值得我們關注和思考。

(1)《中長期鐵路網規(guī)劃》的批復和客運專線鐵 路建設標志著我國鐵路建設理念的重大轉變，也是鐵路施工技術升級的關鍵時機。掌握客運專線無碴軌道技術對鐵路施工企業(yè)的綜合能力和專業(yè)水平提出了更新、更高要求，也是對施工企業(yè)高層管理人員和專業(yè)技術人員的重大挑戰(zhàn)，必須給予前所未有的重視和高度關注。

(2)我國目前鐵路提出的3種新型無碴軌道結構的應用還僅限于在橋梁和隧道中，規(guī)模小，施工大都采用傳統(tǒng)的方法和工藝，機械化施工程度不高，效率低，部分施工企業(yè)雖然儲備了一定的技術和積累了一些建設經驗，但卻難以應對即將建設的客運專線鐵路建設工期、施工標準的要求，應提前進行技術、人才的儲備和施工成套機械設備以及機具的開發(fā)和應用。對于技術的引進，應針對適合我國客運專線鐵路建設特點，采取成套引進方式。因為國外研究和發(fā)展高速鐵路已有多年，無論無碴軌道的設計和施工、運營以及維護均形成了較為完善的成套技術，并在運營中積累了比較豐富的經驗，避免同一類型的無碴軌道采用多國技術。同時，并結合我國幾條即將開工的客運專線無碴軌道試驗段的建設，深入研究不同軌道結構的施工關鍵技術和施工機具配套，以在較短的時期內取得適合我國客運專線鐵路特點的建設經驗。

(3)積極學習并借鑒國外先進技術，通過選派技術、管理人員赴國外學習交流，甚至參加國外無碴軌道工程建設，這是加快掌握無碴軌道設計和施工核心技術的有效途徑。

(4)板式無碴軌道的cA砂漿(乳化瀝青水泥砂漿)彈性調整層是板式無碴軌道結構的關鍵組成部分，其使用性能直接影響板式軌道的耐久性。由水泥、乳化瀝青(A乳劑)、聚合物(P乳劑)、細骨料(砂)、混合料、水、各種外摻劑等，必須在規(guī)定的條件下才能形成cA砂漿，生產工藝要求非常嚴格，其中A乳劑目前國內尚未有固定的商品化品牌，CA砂漿配制和灌筑的設備和機具還不完善等，很大程度上會影響其質量的穩(wěn)定性，對此有條件的施工企業(yè)應進行開發(fā)或合作開發(fā)，甚至技術引進，其經濟效益不可低估。

(5)基于我國采用高頻諧振式軌道電路的實際，除設計主要決定鋼軌阻抗參數特征外，在無碴軌道結構的施工過程控制中，施工誤差也會對道床泄漏電阻造成影響，應重視施工誤差對軌道電路技術要求的影響(國外由于采用的信號制式不同，不存在該問題)。

7 結束語

      無碴軌道具有低維修量，長久穩(wěn)定性保持好，使用壽命長，全壽命周期費用低，結構高度低、橫向軌道阻力大，能避免道碴飛濺等優(yōu)點，在國外高速鐵路建設中的到了廣泛應用。近幾年來，國內的無碴軌道施工技術也取得了較大發(fā)展，學習并借鑒國外成熟的先進無碴軌道工程技術，對于提高我國客運專線建設水平，加快無碴軌道工程技術的發(fā)展，特別是對于施工企業(yè)提升核心競爭力，具有重大的現實意義。

參考文獻：

1 盧祖文．客運專線鐵路軌道．北京：中國鐵道出版社，2005

2 王其昌．高速鐵路土木工程．成都：西南交通大學出版社，1999

3 鐵道科學研究院．秦沈客運專線橋上無碴軌道綜合試驗研究．北京：中國鐵道出版社，2002

4 鐵建設【2003】13號京滬高速鐵路設計暫行規(guī)定