無碴軌道研究與應用

我國對無碴軌道的研究始于20世紀60年代，與國外的研究幾乎同時起步。初期曾試鋪過支承塊式、短木枕式、整體灌注式等整體道床及框架式瀝青道床等多種形式。正式推廣應用的僅有支承塊式整體道床，在成昆線、京原線、京通線、南疆線等長度超過1km的隧道內(nèi)鋪設，總鋪設長度約300km。20世紀80年代曾試鋪過由瀝青混凝土鋪裝層與寬枕組成的瀝青混凝土整體道床，全部鋪設在大型客站和隧道內(nèi)，總長約10km。此外，還鋪設過由瀝青灌筑的固化道床，但未正式推廣。在京九線九江長江大橋引橋上還鋪設過無碴無枕結構，長度約7km。

在此20多年期間，我國在無碴軌道的結構設計、施工方法、軌道基礎的技術要求及出現(xiàn)基礎沉降病害時的整治等方面積累了寶貴的經(jīng)驗，為發(fā)展無碴軌道新技術奠定了基礎。

1995年我國開始了對彈性支承塊式無碴軌道的研究，1996-1997年，先后在隴海線白清隧道和安康線大瓢溝隧道鋪設試驗段。在秦嶺隧道一線、秦嶺隧道二線正式使用，一、二線合計無碴軌道長度為36.8km，并先后于2001年、2003年開通運行。以后又陸續(xù)在寧西線（南京-西安）、蘭武復線、宜萬線、湘渝線等隧道內(nèi)及城市軌道中得到廣泛應用，已經(jīng)鋪設和正在鋪設的這種無碴軌道累計近200km。

隨著京滬高速鐵路可行性研究的進展，無碴軌道在我國得到更大的關注。在“九五”國家科技攻關專題“高速鐵路無碴軌道設計參數(shù)的研究”中，提出了適用于高速鐵路橋隧結構上的3中無碴軌道，即長枕埋入式、彈性支承塊式和板式。

1999年完成的“秦沈客運專線橋上無碴軌道設計、施工技術條件”的研究與編制，在秦沈客運專線上試鋪了三段。其中，沙河特大橋（長692米）試鋪長軌埋入式無碴軌道；狗河特大橋（長741米）直線和雙河特大橋（長740米）曲線上的板式軌道。

為適應高速鐵路的線路條件，已在渝懷線魚嘴2號隧道、贛龍線楓樹排隧道分別鋪設了長枕埋入式和板式軌道試驗段，隧道長度分別為710米和719米。計劃在線路開通后對隧道內(nèi)的無碴軌道結構進行動力測試和與長期觀測。

中國的無碴軌道主要從2002年開始應用。主要是中國國內(nèi)技術，參照國外的成熟的設計經(jīng)驗，以秦沈線為契機，設計了兩種類型的無碴軌道，主要是日本的板式軌道；還有鐵科設計的長枕式無碴軌道。當然在這之前，無碴軌道技術在秦嶺隧道等都已有應用。

無碴軌道設計主要有幾下的幾個難點，一個軌道部件的設計，另一個道床設計。03年后就有了一個客運專線的想法，希望有一個跨越式發(fā)展，從原來的120km/h提高了200~250km/h。對于軌道部件的強度、穩(wěn)定性及調(diào)整性都有了較高的要求。

對于無碴軌道技術，鐵道部最初的想法是全部引進國外的技術。主要是日本和德國的技術。德國的主要的雙塊式（redar200）和博格板，日本主要是板式軌道。引進國外技術同時，對于部分的技術也應引進，因此國外的單位負責培訓。鐵道部已經(jīng)組織了多次軌道工程技術的培訓。

客運專線對于軌道部件的最大的特點是要求高平順，因此對于軌道部件要求，精細制造和設計。軌道主要有3個主要部件，軌枕、扣件和道岔技術。

客運專線還有一個特別之處就是軌道電路。由于信號制式要求，要求軌道采用必要的絕緣措施，因此要求部件和道床設計應具有高絕緣性。

路基上無碴軌道部件設計主要解決路基沉降的問題，因此往往在客運專線中，多用以橋代路的方式，反而節(jié)約投資。博格板和雙塊式具有較好的整體性，在德國有多年的應用經(jīng)驗，是一個成功的事例。

無碴軌道具有高穩(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用，2005年德國出版的《軌道概論》對無碴軌道的缺點做了如下總結：

1)Rheda投資要比有碴軌道多1.5倍以上?？坡∫环ㄌm克福線預算46億歐元，實際費用大約為60億歐元，增加大約30%，如此高的初期投資包括巨大的資本成本。有碴軌道成本為350歐元/m，無碴軌道最低為500歐元/m，最大為750—1100歐元/m。即使施工方法得到優(yōu)化，建設長度增加，成本系數(shù)仍達到1.5—2.0。

無碴軌道相對有碴軌道的經(jīng)濟效益僅能從有碴軌道需要增加的維修費用計算得到?，F(xiàn)有碴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碴軌道要增加，隨著無碴軌道使用時間的增加，傷損將增多，經(jīng)濟效益相對來說將降低，而且無碴軌道的修復工作比較復雜，并需要大量費用和時間，一旦損壞引起長期關閉線路帶來的投入將相當大，也是初期無法計算或預料的。

隧道內(nèi)的無碴軌道相對有碴軌道具有良好的經(jīng)濟效益。但橋上和路基上的無碴軌道往往經(jīng)濟效益差一些，限制基礎的長期沉降需要額外的費用，比有碴軌道要增加2.0～2.5倍。

2)混凝土無碴軌道為剛性承載層，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見的惡化。

3)總體上來說，無碴軌道建設和維修都沒有達到自動化程度。無碴軌道的質(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)無碴軌道作為剛性結構，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)，不僅十分困難，而且需要花費高昂代價。

5)無碴軌道不能在粘土深路塹、松軟土路堤或地震區(qū)域鋪設。

6)無碴軌道噪聲水平比有碴軌道高5dB，必須采取有效的降噪措施。

7)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，修復代價也十分昂貴?；炷恋酿B(yǎng)生和硬化需要很長的時間。也就是說，嚴重的事故將導致線路關閉時間比較長，對運輸影響比較大。

8)無碴軌道最嚴重的缺點是改進的可能性受到限制。

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

10)大部分經(jīng)濟研究沒有考慮無碴軌道到了壽命周期后高昂的再建費用。既有無碴軌道類型眾多也似乎是個缺點。逐漸采用雙塊式無砟軌道即Ⅰ型雙塊式代替的。

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。

從表6可知，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、橋梁地段由于基礎剛度較土質(zhì)路基大，對軌道結構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果的準確，為結構設計提供依據(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，荷載作用位置應分別考慮位于板中及板端兩種工況；CA砂漿彈性模量應考慮離散性，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，計算結果較隧道和橋梁地段偏大。

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。

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小；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?。卉壍腊鍣M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，因此結合力學計算及結構設計，從技術經(jīng)濟角度綜合分析，軌道板寬度取2.2~2.4m是合適的。

根據(jù)試算，荷載作用于板中和板端兩個位置時軌道結構受力為最不利情況，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。設計中，應該綜合考慮這兩種荷載作用工況下的最大值。

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。

為獲得最優(yōu)的軌道結構，采用有限元梁—板模型研究了主要參數(shù)對軌道結構各組成部分力學響應的影響規(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。

板式無碴軌道由60kg/m鋼軌、彈性分開式扣件、軌道板、乳化瀝青水泥砂漿（CA砂漿）、混凝土凸形擋臺及混凝土底座等部分組成，軌下設置充填式墊板。對無碴軌道的研究尚處于起步階段，沒有形成規(guī)范的無碴軌道計算理論，在本線板式無碴軌道設計過程中，我們在對中國內(nèi)的三重疊合梁模型、德國的當量疊合梁模型深入研究基礎上，采用更為接近實際的有限元梁—板模型。

石太客運專線作為中國國內(nèi)一條集高速客運與重載貨運于一體的客運專線，將首次大規(guī)模鋪設板式無碴軌道，而當前國內(nèi)尚沒有形成規(guī)范的無碴軌道計算理論，因此需深入研究板式無碴軌道受力規(guī)律，以保證設計經(jīng)濟、合理。采用有限元理論，建立了板式無碴軌道的梁—板模型，應用大型有限元工具軟件A9BCB對模型進行求解。

應用有限單元理論建立板式無碴軌道結構的整體模型：鋼軌采用彈性點支承梁模擬；扣件采用線性離散彈簧模擬；軌道板采用板單元進行模擬；CA砂漿調(diào)整層采用實體單元模擬；底座采用彈性地基板模擬，以反映下部基礎對軌道結構的支承作用；地基系數(shù)采用k30進行計算。

作為最主要的無碴軌道結構型式之一，板式軌道在日本新干線應用廣泛。經(jīng)過30余年的經(jīng)驗積累，日本新干線板式軌道在設計、施工及養(yǎng)護維修等方面日趨成熟。自20世紀，累計鋪設里程已達2700多千米。國內(nèi)對板式無碴軌道的研究是隨著對高速鐵路的研究不斷深入進行的，已在秦沈線狗河特大橋（741）、雙何特大橋（740），贛龍線楓樹排隧道（719），遂渝線，并在京滬高鐵上實現(xiàn)大規(guī)模鋪設。

與有碴軌道相比，無碴軌道具有如下技術特點：

（1） 采用整體化道床，從根本上克服了有碴道床易變形、粉化、臟污及需要頻繁維修的缺點，軌道穩(wěn)定性好，線路養(yǎng)護維修工作量顯著減少，養(yǎng)護維修費用只占有碴軌道養(yǎng)護維修費用的20%~30%，線路利用率高。

（2） 鋼軌扣件與整體化道床連接，施工后的軌道狀態(tài)及幾何形位能長久保持，提高列車運行的安全性；客貨混跑時的曲線過超高和欠超高不會引起軌道位置的改變。

（3） 耐久性好，延長了使用壽命，在使用期結束時可整體更換。（4） 鋼軌剛度的均勻性好，能滿足高速運行舒適性和對軌道高平順性的要求。

（5） 軌道結構高度低、自重輕，可減輕橋梁二期恒載，降低隧道凈空。

（6） 避免環(huán)境破壞及高速運行時的道碴飛濺。

（7） 無碴軌道可供一切軌道車輛使用。

（8） 從壽命周期成本綜合考慮，經(jīng)濟效益體現(xiàn)于以下幾個方面：額外運營費用低；交通系統(tǒng)的磨損程度相對較?。怀丝蜐M意會帶來更高的利益。

（9） 軌道必須建于堅實、穩(wěn)定、不變形或有限變形的基礎上，一旦基礎變形下沉超出軌道可調(diào)整范圍或?qū)е萝壍澜Y構損傷等，其修復和整治將十分困難。

（10） 振動噪聲相對較大。

（11） 初期投資相對較大。

《無碴軌道技術》由中國鐵道出版社出版。

第1章 無碴軌道概述

第一節(jié) 無碴軌道主要技術特點

第二節(jié) 世界各國尤碴軌道的發(fā)展歷程

第三節(jié) 我國無碴軌道的研究與應用

第四節(jié) 無碴軌道技術經(jīng)濟分析

第2章 國外無碴軌道類型及特點

第一節(jié) 無碴軌道類型

第二節(jié) 博格板式無碴軌道

第三節(jié) 雷達型無碴軌道

第四節(jié) 旭普林型無碴軌道

第五節(jié) 口本板式無碴軌道

第六節(jié) 彈性支承塊型(LVT)無碴軌道

第七節(jié) 其他類型無碴軌道

第八節(jié) 國外無碴軌道扣件

第九節(jié) 國外道岔區(qū)無碴軌道

第3章 我國無碴軌道設計

第一節(jié) 無碴軌道選型原則與計算

第二節(jié) 板式軌道

第三節(jié) 雙塊式無碴軌道

第四節(jié) 長枕埋人式無碴軌道

第五節(jié) 無碴軌道扣件設計

第4章 無碴軌道相關工程

第一節(jié) 無碴軌道線路設計參數(shù)

第二節(jié) 無碴軌道路基工程

第三節(jié) 無碴軌道橋梁工程

第四節(jié) 無碴軌道隧道工程

第五節(jié) 無碴軌道過渡段

第六節(jié) 無碴軌道軌道電路

第七節(jié) 無碴軌道的噪聲與振動

第5章 無碴軌道的施工

第一節(jié) 德國無碴軌道的施工技術

第二節(jié) 日本板式軌道施工技術

第三節(jié) 我國無碴軌道施工技術

附錄 秦沈客運專線橋上無碴軌道工程的質(zhì)量檢驗評定標準

參考文獻2100433B