客運專線鐵路無碴軌道工程技術(下)

摘要：簡要論述了國內(nèi)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(jié)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(jīng)濟性；并結(jié)合我國秦沈客運專線橋上2種無碴軌道的建設經(jīng)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(jié)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(jié)構組成和結(jié)構特點見表5。

      結(jié)構整體性能，3種結(jié)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(jié)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(jié)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(nèi)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(jié)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(nèi)落軸沖擊的試驗結(jié)果看，長枕埋入式無碴軌道結(jié)構的整體剛度要稍大于設置CA砂漿調(diào)整層的普通型板式軌道，彈性支承塊式無碴軌道結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)構中的軌道板(RC或PRC)為工廠預制，其質(zhì)量容易控制，現(xiàn)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)對扣件系統(tǒng)高低、方向調(diào)整要求較高。板式軌道結(jié)構中CA砂漿調(diào)整層的施工質(zhì)量要求高，其質(zhì)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)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(jié)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(xiàn)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(jīng)驗看，由于板式軌道水泥瀝青(CA)砂漿調(diào)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(xiàn)象，特別是在線路縱向力較大的伸縮調(diào)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(diào)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(jié)構的耐久性，以實現(xiàn)無碴軌道結(jié)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(jié)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(nèi)外的運營實踐表明，無碴軌道結(jié)構可大幅降低線路養(yǎng)護維修費用，其社會經(jīng)濟效益明顯。

3.5 板式、長枕埋入式無碴軌道結(jié)構綜合試驗結(jié)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(shù)進行了測試，測試結(jié)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(jīng)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(nèi)橋臺取消耳墻式橋臺形式。由于2種新型無碴軌道結(jié)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(zhì)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(jié)構，應將樹脂充填式墊板作為其軌道結(jié)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(jié)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(zhì)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(jié)束期內(nèi)的總徐變上拱度均應控制在20 mm以內(nèi)。

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(xiàn)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(jié)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(nèi)無碴軌道用小阻力扣件，要求富有彈性并便于調(diào)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(diào)高墊板，扣件具有+10 mm至一12 mm的軌距調(diào)整量，+30 mm至0 mm的鋼軌高低調(diào)整量。每副扣件，鋼軌縱向阻力為6.5 kN±0.5 kN。

     如果采取結(jié)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(jié)構設計必須與標準扣件形式相匹配。此扣件的高低調(diào)整量為+26 mm至一4 mm，軌距調(diào)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(diào)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(diào)整鋼軌高低。利用鐵座孔內(nèi)的偏心齒輪以調(diào)整扣壓力，并利用楔形齒條以調(diào)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(diào)范圍±10 mm。另有一種扣件，其鋼軌高低最大可調(diào)14 mm。

(4)日本直結(jié)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(jié)4型、5型、7型和8型。直結(jié)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(jié)5型采用較多，其結(jié)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(diào)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(diào)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(jié)7型，具有更強的調(diào)節(jié)幾何形位能力，其鋼軌高低可調(diào)+50mm至0 mm，軌距±30 mm，如圖24所示。圖25為改進型直結(jié)8型鋼軌扣件，它與直結(jié)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(zhì)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(jié)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(diào)整、CA砂漿灌筑完成后，其上部線路狀態(tài)的精細調(diào)整主要通過扣件進行調(diào)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(diào)高墊板進行精細調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)用充填式墊板經(jīng)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(nèi)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(xiàn)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(wǎng)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(zhuǎn)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(jié)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(jīng)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(jīng)驗，避免同一類型的無碴軌道采用多國技術。同時，并結(jié)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(jié)構的施工關鍵技術和施工機具配套，以在較短的時期內(nèi)取得適合我國客運專線鐵路特點的建設經(jīng)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(diào)整層是板式無碴軌道結(jié)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(chǎn)工藝要求非常嚴格，其中A乳劑目前國內(nèi)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(zhì)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(jīng)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(shù)特征外，在無碴軌道結(jié)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(jié)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(jié)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(nèi)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(xiàn)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