無砟軌道

隨著京津城際高速鐵路、武廣高速鐵路、滬杭高速鐵路和京滬高速鐵路的相繼開通和運營，我國高速鐵路無砟軌道技術(shù)已逐步實現(xiàn)系列化、現(xiàn)代化和標準化。無砟軌道結(jié)構(gòu)形式在線路上主要有CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道、CRTSⅠ型板式無砟軌道和CRTSⅡ型板式無砟軌道、CRTSⅢ型板式無砟軌道，在道岔區(qū)段主要有長枕埋入式無砟軌道和板式無砟軌道。

高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)與普通軌道結(jié)構(gòu)一樣，由鋼軌、軌枕、扣件、道床、道岔等部分組成。這些力學性質(zhì)截然不同的材料承受來自列車車輪的作用力，它們的工作是緊密相關(guān)的，任何一個軌道零部件性能、強度和結(jié)構(gòu)的變化都會影響其他零部件的工作條件，并對列車運行質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。因此，軌道結(jié)構(gòu)是一個系統(tǒng)，要用系統(tǒng)論的觀點和方法進行研究。鋼軌直接承受由機車車輛傳來的巨大動力，并傳向軌枕；軌枕承受鋼軌傳來的豎向垂直力、橫向和縱向水平力后再將其分布于道床，并保持鋼軌正常的幾何位置；輪軌間的各種作用力通過軌枕和扣件的隔振、減振和衰減后傳遞給道床，并將作用力擴散傳遞于路基。由于列車速度的提高與軌道結(jié)構(gòu)的作用力及速度成正比，高速鐵路的軌道必然比普通線路具有更高的安全性、可靠性和平順性。為保證軌ⅡⅡ道結(jié)構(gòu)的這些要求，軌道各部件的力學性能、使用性能和組成為結(jié)構(gòu)的性能都比普通軌道部件高得多。作為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的軌道結(jié)構(gòu)是一龐大的系統(tǒng)工程，其受力狀態(tài)極其復(fù)雜，運營條件的任何變化都會直接引發(fā)受力狀態(tài)的變化，而作為軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的橋梁、路基的狀態(tài)和性能對軌道結(jié)構(gòu)有決定性影響，因此，作為高速鐵路和高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)，具備良好的基礎(chǔ)并在正常受力條件下運營就顯得特別重要。高速鐵路一般采用60kg/m鋼軌、長度2.6m軌枕、彈性扣件、無砟的軌道結(jié)構(gòu)，大號碼道岔，直向過岔速度與區(qū)間正線一致，側(cè)向過岔速度與連接的聯(lián)絡(luò)線一致，利用標準列車計算橋梁荷載，規(guī)定統(tǒng)一的列車速度和軸重，全部采用立體交叉。

無砟軌道計算參數(shù)

根據(jù)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)特點，選取基本計算參數(shù)。

為獲得最優(yōu)的軌道結(jié)構(gòu)，采用有限元梁-板模型研究了主要參數(shù)對軌道結(jié)構(gòu)各組成部分力學響應(yīng)的影響規(guī)律。如果沒有特殊說明，荷載作用于板中，CA砂漿彈性模量取300MPa，其它基本參數(shù)，計算結(jié)果中軌道板或底座彎矩均為每米范圍所受的彎矩值，單位取KN·m/m。

無砟軌道荷載

根據(jù)試算，荷載作用于板中和板端兩個位置時軌道結(jié)構(gòu)受力為最不利情況，因此選取這2種工況進行研究。荷載作用于板中時，軌道板縱向正彎矩、底座縱橫向負彎矩較大；荷載作用于板端時，軌道板縱向負彎 矩、軌道板橫向正負彎矩、CA砂漿最大反力以及底座橫向縱橫向正彎矩較大。設(shè)計中，應(yīng)該綜合考慮這兩種荷載作用工況下的最大值。

無砟軌道扣件剛度

扣件剛度分別采用20KN/mm、40KN/mm、60KN/mm、80KN/mm進行分析。軌道板和底座的彎矩以及CA砂漿最大反力都隨著扣件剛度的增大而增大，但是當扣件剛度大于40KN/mm時，隨著扣件剛度增大，軌道板和底座的彎矩變化趨緩，底座的橫向負彎矩當扣件剛度大于60KN/mm時反而有所減小。

無砟軌道軌道板

軌道板寬度分別采用2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m進行分析。

隨著軌道板寬度的增大，軌道板縱向彎矩逐漸減??；軌道板橫向正彎矩當軌道板寬度小于2.4m時隨軌道板寬度的增大而增大，當軌道板寬度大于2.4m時隨軌道板寬度的增大而減??；軌道板橫向負彎矩當軌道板寬度 小于2.2m時隨軌道板寬度的增大而減小，當軌道板寬度大于2.2m時隨軌道板寬度的增大而增大；CA砂漿反力當軌道板寬度小于2.4m時隨軌道板寬度的增大而減小，當軌道板寬度大于2.4m時變化不明顯；隨著軌道板寬度的增大，底座縱橫向正彎矩均逐漸減小，縱橫向負彎矩變化不明顯。

軌道板寬度為2.0m時，各別力學指標明顯偏大，說明軌道板不宜太窄，同時可以看到軌道板寬2.2~2.4m是力學指標變化的一個轉(zhuǎn)折點，因此結(jié)合力學計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計，從技術(shù)經(jīng)濟角度綜合分析，軌道板寬度取2.2~2.4m是合適的。

無砟軌道CA砂漿

CA砂漿彈性模量分別采用100MPa、300MPa、500MPa、1000MPa進行分析。

隨著CA砂漿彈性模量的增大，軌道板彎矩減小，CA砂漿本身的反力增大，底座彎矩增大，其中軌道板縱向負彎矩和底座縱橫向負彎矩變化不明顯。

當CA砂漿彈性模量大于300MPa時，各力學指標變化趨緩，計算時其最大值可取300MPa，同時考慮CA砂漿彈性模量的離散性和軌道板受力的最不利情況，最小值取100MPa。

無砟軌道地基

地基彈性系數(shù)采用K30，分別按50MPa/m、190MPa/m，500MPa/m，1000MPa/m進行分析。

隨著地基彈性系數(shù)增大，除軌道板橫向負彎矩增大外軌道板其它彎矩減小，CA砂漿反力變化不明顯，底座彎矩減小。由此可知，隧道、橋梁地段由于基礎(chǔ)剛度較土質(zhì)路基大，對軌道結(jié)構(gòu)整體而言受力是有利 的。

列車豎向荷載作用下板式軌道最不利彎矩計算基本參數(shù)取值，同時考慮荷載作用位置以及CA砂漿彈性模量的離散性對計算結(jié)果的影響，計算列車豎向荷載作用下板式軌道的最不利彎矩。

在板式軌道力學計算中，荷載作用位置、扣件剛度、軌道板寬度、CA砂漿彈性模量以及地基彈性系數(shù)等基本參數(shù)的取值是影響計算結(jié)果正確與否的主要因素，只有基本參數(shù)合理才能保證計算結(jié)果的準確，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

計算列車豎向荷載作用下軌道板和底座的最不利彎矩時，荷載作用位置應(yīng)分別考慮位于板中及板端兩種工況；CA砂漿彈性模量應(yīng)考慮離散性，按100MPa和300MPa分別計算。

路基地段地基彈性系數(shù)采用K30時取190MPa/m是最不利情況，計算結(jié)果較隧道和橋梁地段偏大。

無砟軌道采用自身穩(wěn)定性較好的混凝土或瀝青道床代替有砟道床來傳遞行車時的動、靜荷載，而行車時需要的彈性變形主要由設(shè)置在鋼軌或扣件下精確定義的單元材料提供。無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計要求其具有足夠的抗凍安全性，特別是對其下部結(jié)構(gòu)在鋪軌完成后出現(xiàn)的后續(xù)沉降變形要求十分嚴格。所以，無砟軌道線路的長期穩(wěn)定性較好，特別是在高速行車條件下，屬于一種正常情況下很少需要維修的上部結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)下部結(jié)構(gòu)的類型，無砟軌道可分為路基上無砟軌道、隧道內(nèi)無砟軌道和橋上無砟軌道三大類。按下列五個參數(shù)，無砟軌道可以分為不同的結(jié)構(gòu)類型：

1)按鋼軌支承方式可分為點式和連續(xù)式；

2)按支承扣件方式可分為有軌枕和無軌枕；

3)按軌枕支承方式可分為埋入式、嵌入式和支承式；

4)按道床板材料可分為混凝土和瀝青；

5)按道床板施工方式可分為預(yù)制和現(xiàn)澆。

無論何種形式的無砟軌道結(jié)構(gòu)，由于采用了剛性較大的黏結(jié)硬化材料作為道床板，一方面使得系統(tǒng)的荷載傳遞、擴散功能顯著提高，另一方面其適應(yīng)下部結(jié)構(gòu)沉降變形的能力卻大為下降，所以各種無砟軌道結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)或者說路基的要求原則上是一樣的。大量的現(xiàn)場測試對比表明，在其他條件相同的情況下，行車時，無砟軌道和有砟軌道下基床和路基中的動荷載差別很大，如動應(yīng)力和振動速度，相比較而言，不同無砟軌道結(jié)構(gòu)條件下路基中動荷載的差別較小。從這兩點出發(fā)，著眼于無砟軌道路基的設(shè)計，本章代表性地以德國軌枕埋入式無砟軌道Rheda系統(tǒng)為例，介紹其基本原理和設(shè)計方法，并在此基礎(chǔ)上推出其對路基結(jié)構(gòu)功能性、耐久性和平順性的要求。

遂渝鐵路無砟軌道試驗段在進行實車試驗。據(jù)成都鐵路局發(fā)布的消息，我國首條無砟鐵路軌道于2007年1月10日晚完成綜合試驗。試驗結(jié)果顯示，動車組時速達到232公里，其平穩(wěn)性、舒適度達到優(yōu)級，測試的各項數(shù)據(jù)都在安全標準之內(nèi)。

2004年9月，鐵道部決定在遂（四川遂寧）渝（重慶）鐵路建設(shè)我國首條無砟軌道試驗段，正線全長13.16公里。

2007年1月3日，遂渝鐵路無砟軌道試驗段開始綜合試驗。

2009年12月26日，武廣高速鐵路投入運行。該線采用從德國睿鐵公司（RAIL.ONE）引進的RHEDA 2000雙塊式無砟軌道技術(shù)。

京滬高鐵、京石高鐵、石武高鐵、廣深港高鐵、京沈高鐵、哈大高鐵、滬寧城際均采用CRTSⅠ或CRTSⅡ型板式無砟軌道技術(shù)。

2015年4月，第一條采用CRTSⅢ軌道板的鄭徐客運專線開始鋪設(shè)。

無砟軌道優(yōu)點

RHEDACITY無砟軌道板的優(yōu)點：

簡單、透明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完美的軌道定位，與街道建筑相融，交叉軌枕的使用確保了軌矩和軌道的幾何精確度，軌道盤采用摩擦鎖定式固定裝置，由于熱量可以充分進入軌道跨距，因此可以消除軌道構(gòu)架的澆注不足現(xiàn)象。采用優(yōu)化的軌道系統(tǒng)，設(shè)計具有出色的粘合質(zhì)量，可進行整體式施工，使用預(yù)組裝部件確保軌道的彈性，軌道的彈性支撐或持續(xù)支撐，去除軌距連接桿，安全性極高、使用壽命長，符合電絕緣要求，具有“邊建設(shè)邊投入使用”的能力等。

無砟軌道缺點

無砟軌道具有高穩(wěn)定性、少維修、壽命長的優(yōu)點，并在國外鐵路獲得了廣泛應(yīng)用，2005年德國出版的《軌道概論》對無砟軌道的缺點做了如下總結(jié)：

1)Rheda投資要比有砟軌道多1倍以上?？坡∫环ㄌm克福線預(yù)算46億歐元，實際費用大約為50億歐元，增加大約30%，如此高的初期投資包括巨大的資本成本。有砟軌道成本為350歐元/m，無砟軌道最低為500歐元/m，最大為750—800歐元/m。即使施工方法得到優(yōu)化，建設(shè)長度增加，成本系數(shù)仍達到1。

無砟軌道相對有砟軌道的經(jīng)濟效益僅能從有砟軌道需要增加的維修費用計算得到?，F(xiàn)有砟軌道的維修在很大程度上實現(xiàn)了機械化和自動化，比手工作業(yè)費用要低，并能夠持久地保持軌道幾何狀態(tài)；無碴軌道也需要維修，鋼軌打磨工作量相對有砟軌道要增加，隨著無砟軌道使用時間的增加，傷損將增多，而且無砟軌道的修復(fù)工作比較復(fù)雜，并需要大量費用和時間，一旦損壞引起關(guān)閉線路帶來倒換相當大，也是初期無法計算或預(yù)料的。

隧道內(nèi)的無砟軌道相對有砟軌道具有良好的經(jīng)濟效益。但橋上和路基上的無砟軌道往往經(jīng)濟效益差一些，限制基礎(chǔ)的長期沉降需要維護，比有砟軌道要增加2倍。

2)混凝土無砟軌道為剛性承載層，當達到承載強度極限時將產(chǎn)生斷裂，并引起軌道幾何尺寸的突然變化和難以預(yù)見的惡化。

3)總體上來說，無砟軌道建設(shè)和維修都沒有達到自動化程度。無砟軌道的質(zhì)量需要高水平的養(yǎng)護措施提供保障。這意味著在施工工序和質(zhì)量控制方面都要增加額外的費用和時間。建設(shè)期間的質(zhì)量缺陷將為整個使用壽命期留下隱患，并需要花費高昂的代價進行彌補。

4)無砟軌道作為剛性結(jié)構(gòu)，在后期運營階段僅允許做少量的完善，比如改善軌道幾何狀態(tài)很難。

5)無砟軌道很難在粘土深路塹、松軟土路堤或地震區(qū)域鋪設(shè)。

6)對脫軌或其他原因?qū)е碌膰乐負p壞還沒有特別有效的措施，要修復(fù)?；炷恋酿B(yǎng)生和硬化需要很長的時間。也就是說，嚴重的事故將導(dǎo)致線路關(guān)閉時間比較長，對運輸影響比較大。

7)無砟軌道最嚴重的缺點是改進的可能性受到限制。

8)無砟軌道的另外一個缺點是，在路基上鋪設(shè)時，任何情況下都要鋪設(shè)防凍層（至少70cm厚）。要延長無砟軌道的壽命周期，水凝性材料層厚度幾乎不能減少。路基處理深度也比有砟軌道深。

9)大部分經(jīng)濟研究沒有考慮無砟軌道到了壽命周期后高昂的再建費用。

2019年9月，第44屆國際質(zhì)量管理小組會議(簡稱ICQCC)在日本東京召開，來自全球20多個國家及地區(qū)354個QC小組2000余名代表參賽。由中國中鐵四局一公司QC小組主持的《提高CRTSⅢ型無砟軌道板預(yù)應(yīng)力張拉一次合格率》課題斬獲國際“質(zhì)量奧林匹克”金獎。 2100433B

我國目前采用的板式無砟軌道有兩種結(jié)構(gòu)形式：分別是從日本新干線板式軌道引進的CRTS I型板式無砟軌道和從德國博格板式軌道引進的CRTS II型板式無砟軌道。CRTS I型板式無砟軌道是由混凝土底座、CA砂漿層、軌道板、凸形擋臺等部分組成，凸形擋臺的作用是防止單元軌道板發(fā)生橫向和縱向移動。CRTS II型板式無砟軌道的軌道板是連續(xù)的，沒有凸形擋臺。

CRTSⅢ型無砟軌道具有結(jié)構(gòu)簡潔、性能穩(wěn)定、用料節(jié)省、施工便捷、工效高、造價低等優(yōu)點，適用于時速300公里及以上的高速鐵路，是我國高速鐵路無砟軌道技術(shù)實現(xiàn)國產(chǎn)化的重要標志。贛