無碴軌道

根據(jù)試算，荷載作用于板中和板端兩個(gè)位置時(shí)軌道結(jié)構(gòu)受力為最不利情況，荷載作用于板中時(shí)，軌道板縱向正彎矩、底座縱橫向負(fù)彎矩較大；荷載作用于板端時(shí)，軌道板縱向負(fù)彎 矩、軌道板橫向正負(fù)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(jì)中，應(yīng)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(jìn)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(dāng)扣件剛度大于40KN/mm時(shí)，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(fù)彎矩當(dāng)扣件剛度大于60KN/mm時(shí)反而有所減小。

軌道板寬度分別采用2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m進(jìn)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(dāng)軌道板寬度小于2.4m時(shí)隨軌道板寬度的增大而增大，當(dāng)軌道板寬度大于2.4m時(shí)隨軌道板寬度的增大而減?。卉壍腊鍣M向負(fù)彎矩當(dāng)軌道板寬度 小于2.2m時(shí)隨軌道板寬度的增大而減小，當(dāng)軌道板寬度大于2.2m時(shí)隨軌道板寬度的增大而增大；CA砂漿反力當(dāng)軌道板寬度小于2.4m時(shí)隨軌道板寬度的增大而減小，當(dāng)軌道板寬度大于2.4m時(shí)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(fù)彎矩變化不明顯。

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

地基彈性系數(shù)采用K30，分別按50MPa/m、190MPa/m,500MPa/m,1000MPa/m進(jìn)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(fù)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(jì)算

基本參數(shù)取值，同時(shí)考慮荷載作用位置以及CA砂漿彈性模量的離散性對計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)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(xué)計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

計(jì)算列車豎向荷載作用下軌道板和底座的最不利彎矩時(shí)，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(jì)算。

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

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(xué)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(jì)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。

作為最主要的無碴軌道結(jié)構(gòu)型式之一，板式軌道在日本新干線應(yīng)用廣泛。經(jīng)過30余年的經(jīng)驗(yàn)積累，日本新干線板式軌道在設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)維修等方面日趨成熟。自20世紀(jì)，累計(jì)鋪設(shè)里程已達(dá)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(jìn)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模鋪設(shè)。

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(tái)及混凝土底座等部分組成，軌下設(shè)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(jì)算理論，在本線板式無碴軌道設(shè)計(jì)過程中，我們在對中國內(nèi)的三重疊合梁模型、德國的當(dāng)量疊合梁模型深入研究基礎(chǔ)上，采用更為接近實(shí)際的有限元梁—板模型。

石太客運(yùn)專線作為中國國內(nèi)一條集高速客運(yùn)與重載貨運(yùn)于一體的客運(yùn)專線，將首次大規(guī)模鋪設(shè)板式無碴軌道，而當(dāng)前國內(nèi)尚沒有形成規(guī)范的無碴軌道計(jì)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(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、合理。采用有限元理論，建立了板式無碴軌道的梁—板模型，應(yīng)用大型有限元工具軟件A9BCB對模型進(jìn)行求解。

應(yīng)用有限單元理論建立板式無碴軌道結(jié)構(gòu)的整體模型：鋼軌采用彈性點(diǎn)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(jìn)行模擬；CA砂漿調(diào)整層采用實(shí)體單元模擬；底座采用彈性地基板模擬，以反映下部基礎(chǔ)對軌道結(jié)構(gòu)的支承作用；地基系數(shù)采用k30進(jìn)行計(jì)算。

中國的無碴軌道主要從2002年開始應(yīng)用。主要是中國國內(nèi)技術(shù)，參照國外的成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以秦沈線為契機(jī)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的長枕式無碴軌道。當(dāng)然在這之前，無碴軌道技術(shù)在秦嶺隧道等都已有應(yīng)用。

無碴軌道設(shè)計(jì)主要有幾下的幾個(gè)難點(diǎn)，一個(gè)軌道部件的設(shè)計(jì)，另一個(gè)道床設(shè)計(jì)。03年后就有了一個(gè)客運(yùn)專線的想法，希望有一個(gè)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(qiáng)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(shù)，鐵道部最初的想法是全部引進(jìn)國外的技術(shù)。主要是日本和德國的技術(shù)。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(jìn)國外技術(shù)同時(shí)，對于部分的技術(shù)也應(yīng)引進(jìn)，因此國外的單位負(fù)責(zé)培訓(xùn)。鐵道部已經(jīng)組織了多次軌道工程技術(shù)的培訓(xùn)。

客運(yùn)專線對于軌道部件的最大的特點(diǎn)是要求高平順，因此對于軌道部件要求，精細(xì)制造和設(shè)計(jì)。軌道主要有3個(gè)主要部件，軌枕、扣件和道岔技術(shù)。

客運(yùn)專線還有一個(gè)特別之處就是軌道電路。由于信號(hào)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(shè)計(jì)應(yīng)具有高絕緣性。

路基上無碴軌道部件設(shè)計(jì)主要解決路基沉降的問題，因此往往在客運(yùn)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(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，是一個(gè)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(diǎn)，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》對無碴軌道的缺點(diǎn)做了如下總結(jié)：

1)Rheda投資要比有碴軌道多1.5倍以上?？坡∫环ㄌm克福線預(yù)算46億歐元，實(shí)際費(fèi)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(shè)長度增加，成本系數(shù)仍達(dá)到1.5—2.0。

無碴軌道相對有碴軌道的經(jīng)濟(jì)效益僅能從有碴軌道需要增加的維修費(fèi)用計(jì)算得到?，F(xiàn)有碴軌道的維修在很大程度上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化，比手工作業(yè)費(fèi)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(shí)間的增加，傷損將增多，經(jīng)濟(jì)效益相對來說將降低，而且無碴軌道的修復(fù)工作比較復(fù)雜，并需要大量費(fèi)用和時(shí)間，一旦損壞引起長期關(guān)閉線路帶來的投入將相當(dāng)大，也是初期無法計(jì)算或預(yù)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(jì)效益。但橋上和路基上的無碴軌道往往經(jīng)濟(jì)效益差一些，限制基礎(chǔ)的長期沉降需要額外的費(fèi)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(dāng)達(dá)到承載強(qiáng)度極限時(shí)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，無碴軌道建設(shè)和維修都沒有達(dá)到自動(dòng)化程度。無碴軌道的質(zhì)量需要高水平的養(yǎng)護(hù)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(fèi)用和時(shí)間。建設(shè)期間的質(zhì)量缺陷將為整個(gè)使用壽命期留下隱患，并需要花費(fèi)高昂的代價(jià)進(jìn)行彌補(bǔ)。

4)無碴軌道作為剛性結(jié)構(gòu)，在后期運(yùn)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(fèi)高昂代價(jià)。

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(shè)。

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?yán)重?fù)p壞還沒有特別有效的措施，修復(fù)代價(jià)也十分昂貴。混凝土的養(yǎng)生和硬化需要很長的時(shí)間。也就是說，嚴(yán)重的事故將導(dǎo)致線路關(guān)閉時(shí)間比較長，對運(yùn)輸影響比較大。

8)無碴軌道最嚴(yán)重的缺點(diǎn)是改進(jìn)的可能性受到限制。

9)無碴軌道的另外一個(gè)缺點(diǎn)是，在路基上鋪設(shè)時(shí)，任何情況下都要鋪設(shè)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(jì)研究沒有考慮無碴軌道到了壽命周期后高昂的再建費(fèi)用。既有無碴軌道類型眾多也似乎是個(gè)缺點(diǎn)。逐漸采用雙塊式無砟軌道即Ⅰ型雙塊式代替的。

CA砂漿彈性模量分別采用100MPa、300MPa、500MPa、1000MPa進(jìn)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(fù)彎矩和底座縱橫向負(fù)彎矩變化不明顯。

當(dāng)CA砂漿彈性模量大于300MPa時(shí)，各力學(xué)指標(biāo)變化趨緩，計(jì)算時(shí)其最大值可取300MPa，同時(shí)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。

與有碴軌道相比，無碴軌道具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（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(diǎn)，軌道穩(wěn)定性好，線路養(yǎng)護(hù)維修工作量顯著減少，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用只占有碴軌道養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)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(yùn)行的安全性；客貨混跑時(shí)的曲線過超高和欠超高不會(huì)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(jié)束時(shí)可整體更換。（4） 鋼軌剛度的均勻性好，能滿足高速運(yùn)行舒適性和對軌道高平順性的要求。

（5） 軌道結(jié)構(gòu)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(yùn)行時(shí)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(jì)效益體現(xiàn)于以下幾個(gè)方面：額外運(yùn)營費(fèi)用低；交通系統(tǒng)的磨損程度相對較??；乘客滿意會(huì)帶來更高的利益。

（9） 軌道必須建于堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)定、不變形或有限變形的基礎(chǔ)上，一旦基礎(chǔ)變形下沉超出軌道可調(diào)整范圍或?qū)е萝壍澜Y(jié)構(gòu)損傷等，其修復(fù)和整治將十分困難。

（10） 振動(dòng)噪聲相對較大。

（11） 初期投資相對較大。

我國對無碴軌道的研究始于20世紀(jì)60年代，與國外的研究幾乎同時(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(yīng)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(shè)，總鋪設(shè)長度約300km。20世紀(jì)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(shè)在大型客站和隧道內(nèi)，總長約10km。此外，還鋪設(shè)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(shè)過無碴無枕結(jié)構(gòu)，長度約7km。

在此20多年期間，我國在無碴軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法、軌道基礎(chǔ)的技術(shù)要求及出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降病害時(shí)的整治等方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為發(fā)展無碴軌道新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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(shè)試驗(yàn)段。在秦嶺隧道一線、秦嶺隧道二線正式使用，一、二線合計(jì)無碴軌道長度為36.8km，并先后于2001年、2003年開通運(yùn)行。以后又陸續(xù)在寧西線（南京-西安）、蘭武復(fù)線、宜萬線、湘渝線等隧道內(nèi)及城市軌道中得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)鋪設(shè)和正在鋪設(shè)的這種無碴軌道累計(jì)近200km。

隨著京滬高速鐵路可行性研究的進(jìn)展，無碴軌道在我國得到更大的關(guān)注。在“九五”國家科技攻關(guān)專題“高速鐵路無碴軌道設(shè)計(jì)參數(shù)的研究”中，提出了適用于高速鐵路橋隧結(jié)構(gòu)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(yùn)專線橋上無碴軌道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)條件”的研究與編制，在秦沈客運(yùn)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(yīng)高速鐵路的線路條件，已在渝懷線魚嘴2號(hào)隧道、贛龍線楓樹排隧道分別鋪設(shè)了長枕埋入式和板式軌道試驗(yàn)段，隧道長度分別為710米和719米。計(jì)劃在線路開通后對隧道內(nèi)的無碴軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力測試和與長期觀測。

《無碴軌道技術(shù)》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(shù)特點(diǎn)

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(yīng)用

第四節(jié) 無碴軌道技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

第2章 國外無碴軌道類型及特點(diǎn)

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(dá)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(shè)計(jì)

第一節(jié) 無碴軌道選型原則與計(jì)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(shè)計(jì)

第4章 無碴軌道相關(guān)工程

第一節(jié) 無碴軌道線路設(shè)計(jì)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(dòng)

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(shù)

第二節(jié) 日本板式軌道施工技術(shù)

第三節(jié) 我國無碴軌道施工技術(shù)

附錄 秦沈客運(yùn)專線橋上無碴軌道工程的質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)

參考文獻(xiàn)2100433B