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客运专线铁路无碴轨道工程技术(上)

信息来源:hunningtu.biz  时间:2006-06-08  浏览次数:171

  曾宗根
  (中国铁道建筑总公司北京100855)
  摘 要:简要论述了国内外无碴轨道工程技术发展趋势,介绍世界上各种无碴轨道结构形式和发展方向,以及无碴轨道工程的技术特点和技术经济性;并结合我国秦沈客运专线桥上2种无碴轨道的建设经验,对我国客运专线铁路无碴轨道设计与施工、机械设备开发、成套技术引进提出思考和建议,可供无碴轨道设计与施工等参考。
  关键词:客运专线无碴轨道结构形式技术特点建议
  1 引言
  40多年来,随着世界高速铁路的发展,尽管无碴轨道初期造价比有碴轨道高,但由于其具有轨道平顺性好,整体性强,纵向、横向稳定性好,结构高度低,几何状态持久,以及低维修量,社会经济效益显著等优点,在国外越来越受到重视,越来越多的国家都在致力采用和发展无碴轨道工程技术,并取得了长足发展。其采用范围已从隧道、桥梁发展到了土质路基和车站的道岔区,并且新的技术与新型结构在不断出现。毫无疑问,无碴轨道工程技术在世界高速铁路上的大范围应用将是大势所趋。
  在我国,无碴轨道工程技术也取得了一定的成绩,特别是在秦沈客运专线上试铺的长枕埋入式、板式无碴轨道2种结构,经3次综合试验的检验测试,结果表明其完全达到了有关规定和标准的要求,并为无碴轨道的设计和施工积累了宝贵的经验,尤其是板式无碴轨道上使用的CA砂浆配方的开发与应用,接近国际先进水平,为我国在即将建设的客运专线铁路上成规模铺设无碴轨道奠定了坚实的基础。尽管如此,与国外发达国家的先进无碴轨道工程技术相比仍存在较大差距,需要我们不断学习和借鉴。随着我国《中长期铁路网规划》的批复和京津、武广、郑西、石太、合宁、合武、温福、福夏、涌温等9条客运专线的立项与批准,标志着我国客运专线工程建设开始启动,无碴轨道技术在我国客运专线中将大量采用,对无碴轨道工程技术进行深入探讨与实践,具有非常重要的现实意义。
  2 国外无碴轨道工程技术概述
  虽然传统有碴轨道具有铺设简便,综合造价低廉的特点,但随着重载、高速铁路运输的发展,有碴道床的累积变形速率随之增长,而为了保持轨道平顺性,不得不进行频繁维修,且作业量大,维修费用不断上升。自上世纪60年代开始,德国和日本,对铁路相继开展了以整体式或固化道床取代散粒体道碴的各类无碴道床的研究。其中德国铁路最初对无碴轨道的研究与推广应用主要是针对土质路基和隧道区段,后来逐步扩大到预应力混凝土桥上,而日本的无碴道床是一种轨道板结构,由此组成的轨道称为板式轨道。因此,从概念上讲,由无碴道床组成的轨道称为无碴轨道。至今,尽管大部分国家的无碴轨道由于建设初期造价高等原因还处于试铺或短区段分散铺设的状况;但在德国已有Rheda系、Ztiblin系等5种无碴轨道得到批准正式使用,并在新建的高速线上全面推广,铺设总长度达660 km(含80组道岔区)。值得指出的是德国在1972年就在Rheda车站首次试铺了无碴轨道结构(后称“Rheda”型),随后德国铁路曾对17种无碴轨道型式进行过系统研究。德国铁路的无碴轨道结构大多由企业、院校等合作研发,研发单位拥有知识产权,任何新开发的无碴轨道结构在纳入德国铁路网之前,必须获得EBA(德铁技术检查团)的批准;EBA通过指定的认证实验室进行综合评价(包括实尺模型的连续激振试验等)。对获得通过者,则有资格在线路上进行有限长度的试铺,运营考验通常为5年。若经运营试验满足要求,EBA最终将批准其在运营线上正式使用。日本的板式轨道已在新干线大量铺设,总长度已超过2 700 km。日本的无碴轨道最初一般都铺设在隧道内(或地下铁道),以后逐渐扩大到桥梁和路基上,如日本的板式轨道铺设在山阳(冈山~博多段)、东北、上越、北陆等新干线全部的桥、隧结构上。除此之外,英国、法国、澳大利亚、意大利、荷兰等国家都开发过不同形式的无碴轨道。
  2.1 国外无碴道床结构型式
  (1)LVT型(弹性支承块式无碴轨道Low Vibra—tion Track)
  LVT型无碴轨道是在双块式轨枕(或2个独立支承块)的下部及周围设橡胶套靴,在块底与套靴间设橡胶弹性垫层,在双块式轨枕周围及底下灌筑混凝土以成型,又称为减振型轨道。其最初由RogerSonneville提出并开发,瑞士国铁于1966年在隧道内首次试铺该种无碴轨道。法国开发的VSB—STE.DET系轨道也属此类,在地下铁道内使用居多。1993年开通运营的英吉利海峡两单线隧道内全部铺设独立支承块式LVT型轨道(见图1)。至今LVT轨道的铺设总长度约360 km。
  (2)PACT型(Paved Concrete Track)
  PACT型无碴轨道为就地灌筑的钢筋混凝土道床(见图2),钢轨直接与道床相连接,轨底与混凝土道床之间设连续带状橡胶垫板,钢轨为连续支承。英国自1969年开始研究和试铺PACT型无碴轨道,到1973年正式推广,并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国重载和高速线的桥、隧结构上应用。铺设总长度约80 km。
  (3)Rheda型
  如前所述,德国铁路于上世纪60年代开始无碴轨道的研究,曾试铺过多达17种无碴轨道结构,其轨道的基础分钢筋混凝土(BTS)和沥青混凝土(ATS)2类。Rheda型轨道是钢筋混凝土底座上的结构型式之一。
  Rheda型轨道由轨枕及其周围灌筑的混凝土组成(见图3),在桥、隧和土质路基上都适用。在德国铁路铺设的660 km无碴轨道中,Rheda型约占50%以上。
  Zublin型轨道是与Rheda型结构类似的另一种无碴轨道。它是以双块式轨枕取代Rheda型中的整体轨枕,在施工时,采用特殊铺设机械在灌筑好的新鲜混凝土中边振动边将双块式轨枕埋入混凝土中就位,机械化施工性好。
  (4)ATD型
  ATD型轨道的结构型式如图4所示,采用双块式轨枕直接置于沥青混凝土底座上,在轨枕与底座间设置一层无纺布来填平表面的凹凸,不需要填充层,并在底座上设凸台,用树脂填充轨枕与底座间的缝隙等以承受纵横向水平力的作用。
  在沥青混凝土底座上的其它结构,如BTD、Walter型等是用轨枕取代ATD型中的双块式轨枕块,且轨枕与底座间的联接方式各不相同,这些联接方式以满足必要的纵、横向阻力为前提。至1997年末,铺设在沥青混凝土底座上的无碴轨道约有66km。
  (5)板式轨道
  日本是铺设板式无碴轨道最多的国家,技术成熟,类别齐全。日本板式轨道的开发始于1965年,在最初的“新轨道结构的研究”研究项目中,日本铁道综合技术研究所组建了由轨道结构、材料、土工、物理、有机化学研究室人员构成的新轨道结构研究组,分别承担相应的课题研究。起初的开发是用于桥梁和隧道的板式轨道(见图5),该轨道由预制的轨道板、混凝土底座以及介于两者之间的CA砂浆填充层组成,在2块轨道板之间设凸形挡台以承受纵、横向水平力。板式轨道不仅大量应用于新干线,而且也应用在窄轨既有线上。
  日本定型的轨道板有适用于隧道或高架桥上的A型轨道板,为减少材料用量、降低造价而开发的框架型板式轨道(见图6),适用于土质路基上的RA型轨道板及特殊减振区段用的防振G型轨道板(见图7)等,这些构成了适用于各种不同使用范围的轨道板系列。
  日本对土质路基上板式轨道的研究是与桥、隧上板式轨道同时起步的,曾在14处铺设总长约2.4km试验段,但在个别试验段上发生了基础下沉、轨道板陷入沥青铺装底座内等问题,为此开展了长期深入的研究。直到1993年,改进后的板式轨道结构在北陆新干线正式应用,铺设长度约10.8 km,占北陆新干线(高崎~长野段)总长的4% ,为土质路基上轨道的25%。到目前为止,以新干线为主的板式轨道铺设长度达到2 700 km,日本已成为铺设无碴轨道最多的国家。
  意大利于1983年开始铺设IPA型无碴轨道,其设计参考了日本的板式轨道,铺设长度约92 km,其中,罗马~佛罗伦萨高速线上铺了25.4 km。
  2.2 国外无碴轨道道床的比较
  (1)无碴轨道道床的性能比较日本铁道技术开发部曾对上述几种主要的无碴轨道在造价、施工性、维修费、耐久性和环境适宜性等诸方面进行相对比较,结果见表1,从表1可以看出各种轨道的少维修和耐久性能均很好,施工性差别不大,造价一般较高,特别是LVT型和板式轨道更偏高一些,对环境的影响必须采用减振型结构才能满足要求。
  (2)无碴轨道道床的技术经济性
  ①无碴道床能长期保持轨道的良好状态,维修量小德国铁路采用轨道质量指数Q值来综合评价轨道高低、水平、方向等的平顺状态。新线的轨道质量指数Q值应在3O以下,而在运营线上,当质量指数Q值超过100就必须进行修理。图8和图9分别表示隧道内和土质路基上无碴轨道与相邻接的有碴轨道5年间Q值变化的比较。从图中很明显看出,无碴轨道的质量指数Q值在5年内均保持在良好水平上,且变化很小,维修量也小。为此,德国铁路在新建的汉诺威~柏林和科隆~莱茵/梅因等高速铁路上全面铺设无碴轨道。
  1995年日本对运营了20年的山阳新干线板式轨道历年各项作业的维修费用进行了统计,并与有碴轨道作了比较,如图l0所示。由此可知,采用板式轨道结构可减少其维修项目,且轨道的几何状态稳定性好,该种轨道结构为高速运输提供了安全可靠、平顺高质量的轨道,实现了维修量小和维修费用大幅度降低的目标。
  ② 经济比较
  至目前为止,无碴轨道的造价一般均高于有碴轨道,但由于无碴轨道的结构高度低、每延米重量轻的特点,可使桥梁、隧道等结构物的建设费用降低;另一方面,无碴轨道稳定性、耐久性好的特点可显著减小线路的维修工作量,由此带来的社会经济效益明显。
  比如对于Rheda型无碴轨道,据德国铁路资料,有碴轨道的造价为800 DM/m,沥青混凝土底座上无碴轨道为1000 DM/m,混凝土底座上Rheda型等轨道为1 400 DM/m,无碴轨道的造价为有碴轨道的1.3~1.7倍。而德国高速铁路有碴轨道的年维修费用约为3 000 DM/km,无碴轨道则很少。德国铁路界经分析认为,在新线建设中采用无碴轨道,可使线路设计的总建筑高度和总宽度有所减小,可减小隧道和桥梁等结构的断面。因此,新线的综合造价将趋于合理。
  同样,对于日本板式轨道,其造价为有碴轨道的1.3—1.5倍;而维修费用则明显减少。据统计,山阳新干线16年的平均维修费用为有碴轨道的18% ,东北新干线9年的平均维修费用为有碴轨道的33% 。无碴轨道多投资的差额基本在10年(桥、隧结构上)~12年内(土质路基上)可得以弥补。
  2.3 国外无碴轨道道床的发展
  无碴轨道的特点以及在高速铁路中所体现的良好性能已被许多国家所接受。近10多年来的发展和推广应用很快,已开发并正式铺设的无碴轨道型式很多,而新的结构还不断涌现,使无碴轨道结构的设计与施工技术等日臻完善,对周围环境的适应性提高,轨道造价更趋合理,其扩大铺设范围的前景是不容置疑的。德国和日本等已制订有关无碴轨道的设计、施工规程,并在新建高速线路和其它线路上进行相当规模铺设,尽管如此,目前他们对新结构的开发和既有结构的改进仍在继续进行。
  目前,德国有20家企业参与无碴轨道新结构的开发,形成市场竞争的局面,推进了新技术的发展。当前在高速线上应用最为广泛且效果良好的无碴轨道结构类型是由弗莱德尔公司设计、生产并安装施工的Rheda一2000和由博格公司设计、生产并安装施工的板式轨道。
  Rheda一2000型轨道(见图1 1)是在1998年开发的,它由两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原Rheda型中的整体轨枕,取消了原结构中的槽形板,统一了隧道、桥梁和路基上的型式;同时,轨道的建筑高度从原来的650 mm降低为472 mm。
  Rheda一2000型中的特殊双块式轨枕只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土,其余为桁架式的钢筋骨架,使与现场灌筑混凝土的新、老界面减至最少,这有利于改善施工性,提高施工质量和结构的整体性。建筑高度的下降,对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。将无碴轨道的造价降低到有碴轨道的1.3—1.4倍是德国铁路力争的目标。1996年德国铁路还批准了7种新结构在曼海姆一卡尔斯鲁厄线上试铺。德国铁路规定试铺的轨道结构要经过5年的运营后经批准才能正式使用。从图12可以看出Rheda一2000型无碴轨道的研发过程。
  日本在大量铺设板式轨道的同时,还开发了B型弹性轨枕直结轨道,在东北、上越新干线上均有铺设。为了扩大铺设范围,必须降低造价,因而,随后即开发了简化结构的D型弹性轨枕直结轨道,造价仅为B型的3/4,其减振性能较防振G型板式轨道还略有改善,同时解决了原结构部件更换困难的技术问题,因此更适合推广。
  近年来,日本正大力研究一种“梯子形”轨道(见图13),它是由2根纵向轨枕(梁)支承钢轨,横向每隔3 m用钢管将2根纵向枕连结成梯子形,在桥上纵向枕与轨道基础(梁面)之间每隔1.5 m设减振支承装置组成“浮置式梯子形轨道”。其主要特点是:低振动,低噪声;变传统横向轨枕支承钢轨的方式为纵向支承;轨道自重轻,约为有碴轨道的1/4;轨道高度的调整除利用扣件的调整量外,减振支承装置也有一定的调高功能。铺设在桥梁上的浮置式梯子形轨道,使整体结构系统实现了从“重型和传统”到“轻型和现代化”的根本变革。路基上的梯子形轨道,其纵向轨枕下仍然铺设有道碴,属于有碴道床与整体轨下基础的混合式结构,这说明日本无碴轨道结构的发展出现了多样化形式。
  目前,梯子形轨道已完成结构的力学分析、组成部件及实尺轨道的实验室基础试验,并在美国TTC运输中心的环形线上完成了350 kN重轴的快速耐久性试验,通过吨位超过1亿t。随后还将对高速运行的适应性,以及采用橡胶支承取代减振装置以降低造价等实用性作进一步研究。
  除此之外,一向坚持采用有碴轨道的法国铁路,在地中海TGV的一座长7.8 km隧道内,试铺了双块式减振型无碴轨道;荷兰、韩国高速铁路上也进行了试铺无碴轨道;我国台湾地区的台北至高雄高速铁路上也大量采用了板式无碴轨道(约为正线长度45%)。由此可见,无碴轨道在世界高速铁路上大量铺设已成为发展趋势。
  3 我国无碴轨道道床结构
  3.1 发展简况
  我国对无碴轨道的研究始于上世纪60年代,与国外的研究几乎同时起步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床以及框架式沥青道床等几种形式,正式推广应用的仅有支承块式整体道床(见图14)。在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过1 km的隧道内铺设,总铺设长度约300 km。80年代曾试铺过沥青整体道床,由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的整体道床,以及由沥青灌注的固化道床等,在大型客站和隧道内试铺,总长约10 km,但并未正式推广。此外,在桥梁上也试铺过无碴无枕结构,如在京九线九江长江大桥引桥上全部采用了这种结构(见图15),长度约7 km。
  在此后的20多年期间,我国在无碴轨道的结构设计、施工工艺与方法、轨道基础的技术要求,以及出现基础下沉等引起伤损的整治等方面积累了宝贵的经验,并吸取了有益的教训,为无碴轨道新技术的研究与发展打下了基础。
  1995年以后,随着京沪高速铁路可行性研究的深入,无碴轨道在我国重新得以关注。“九五”国家科技攻关专题“高速铁路无碴轨道设计参数的研究”提出了适用于高速铁路桥、隧结构上的3种无碴轨道型式(长枕埋入式、弹性支承块式和板式)及其设计参数,并正式纳入《京沪高速铁路线桥隧路站设计暂行规定》和《时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定》之中;2个暂行规定原则上确定了在有条件的高架线路、隧道等地段可铺设无碴轨道。
  1998年铁道部立项开展高速铁路高架桥上无碴轨道关键技术的试验研究,在此课题中,对3种结构型式的无碴轨道(长轨枕埋人式、板式轨道、弹性支承块式)进行了试验研究。在此基础上,秦沈客运专线特别选定了3座特大桥作为无碴轨道的试铺段,其中,沙河特大桥(直线,长692.33 m)试铺长枕埋人式无碴轨道,狗河特大桥(直线,长741.71 m)和双何特大桥(曲线,长703.33 m)试铺板式无碴轨道。
  1999年11月,在我国西康线上最长的秦岭隧道(长度为18.5 km)内,采用弹性支承块式无碴轨道,于2001年正式开通运营,效果良好。这种弹性支承式无碴轨道与上述的LVT型轨道相类似,为减振型轨道,是我国目前铺设无碴轨道结构最长的区段。另外,为适应京沪高速铁路的线路条件,2002年还选定了渝怀铁路鱼嘴2号隧道、赣龙铁路枫树排隧道分别作为长枕埋人式和板式轨道在隧道内的试铺段,2座隧道长度分别为710 m和719 m。
  2004年我国选定在遂渝铁路的遂渝引入重庆枢纽工程内的龙凤隧道进口至蒋家桥大桥(不含)正线12.63 km作为无碴轨道综合试验段,其中含桥梁2座、隧道4座,其它为路基段,该综合试验段将分别采用板式(路基、隧道内采用)、双块式(路基、桥梁、隧道内采用)、埋人式无碴轨道(道岔区采用)3种形式。它们是在总结秦沈客运专线沙河、狗河大桥和双何特大桥无碴轨道,赣龙铁路枫树排隧道内板式无碴轨道,渝怀铁路鱼嘴2号隧道内长枕埋人式无碴轨道的设计与施工经验的基础上,并参照德国、日本铁路无碴轨道的相关技术标准而设计的。
  3.2 秦沈客运专线桥上无碴轨道结构设计
  在前期无碴轨道相关科研成果的基础上,结合秦沈客运专线具体的运营条件和线路条件,最终选定在国外高速铁路上应用较为成熟的长枕埋人式(图16)和板式无碴轨道结构(图17),并分别在秦沈客运专线沙河特大桥、狗河特大桥和双何特大桥上铺设。
  (1)设计荷载
  列车运行速度与轴重直接影响轨道结构设计荷载的取值,在结构研究与设计阶段,考虑我国高速列车与中速列车共线运行的运输组织模式,在动力仿真计算分析中,高速列车采用德国ICE一2机车(最高速度300 km/h、轴重195 kN),中速列车采用国产韶山8电力机车和东风11内燃机车(最高速度160km/h、轴重230 kN),计算中得出高速条件下的动载系数为2.4—3.0,中速条件下的动载系数为2.4~2.6。考虑无碴轨道结构的安全性和耐久性,采用了动轮载计算值较大的德国ICE一2型作为确定其设计荷载的机车类型。
  静轮重设计:Pl=1/2X195 kN=97.5 kN;
  动轮载设计:Pd:αPo,α为动载系数,取3.0。则P =3.0 X97.5 kN=292.5 kN~--300 kN。
  (2)道床板/轨道板承载能力设计
  根据结构设计荷载,采用相应的静力计算模式,可得出2种无碴轨道结构道床板/轨道板的截面设计弯矩,见表2
  3.3 结构型式
  秦沈客运专线桥上长枕埋人式和板式无碴轨道的主要型式的结构尺寸见表3。
  (1)长枕埋人式无碴轨道
  长轨枕埋人式无碴轨道的结构组成主要包括混凝土底座、混凝土道床板、穿孔轨枕及配套扣件(见图16)。
  (2)板式轨道板式轨道的结构组成主要包括混凝土底座、RC或PRC轨道板、水泥沥青(CA)砂浆调整层、凸形挡台及WJ一2型扣件系统(见图17)。标准长度轨道板的结构型式(见图18)。
  桥上轨道板与混凝土梁体之间设置混凝土底座,并设置CA砂浆层。2块轨道板之间设置钢筋混凝土凸形挡台,以固定其水平位置,制止其移动;CA砂浆由水泥、乳化沥青、细骨料(砂)、混合料、水、铝粉、各种外加剂等多种原材料组成,其作为板式轨道混凝土底座与轨道板间的弹性调整层,是一种具有混凝土的刚性和沥青的弹性的半刚性体。
  CA砂浆调整层是板式无碴轨道结构的关键组成部分,其性能的好坏直接影响板式轨道应用的耐久性和维修工作量。我国对板式轨道CA砂浆开展了为期3年的科研攻关工作,在科研、设计与施工单位的共同努力下,其各项性能指标均达到或接近国外同类产品的质量水平,为板式无碴轨道结构在我国客运专线上首次铺设创造了条件。表4是CA砂浆主要性能指标要求及我国CA砂浆与日本新干线板式轨道的性能指标比较,它是在借鉴日本新干线板式轨道CA砂浆研究资料的基础上,结合我国前期的研究成果有针对性地提出的。
  从CA砂浆的材料组成及性能指标要求可以看出,材料既要满足强度和弹性要求,又必须具有必要的施工性能,同时考虑到CA砂浆在寒冷地区使用工况,还应具备抗冻融性能,以保证其长期使用的耐久性。
  凸形挡台外形在梁跨的端部为半圆形,在梁跨中部均为圆形,其半径为250 mm,高度为250 mm。凸形挡台与轨道板端部的半圆形缺口共圆心,在曲线部分,凸形挡台竖向轴线与底座的顶面垂直。凸形挡台采用CA0级混凝土,在混凝土底座施工完成后进行现场浇筑,其周围填充CA砂浆或树脂材料。
  (3)弹性支承块式无碴轨道
  弹性支承块式无碴轨道的结构组成主要包括混凝土底座、混凝土道床板、混凝土支承块、橡胶靴套、块下胶垫及配套扣件(见图19)。
  在混凝土支承块底部设有厚12 mm的橡胶弹性胶垫,其周围设有橡胶靴套,厚7 mm,使支承块与混凝土道床板隔离,到达可修复的目的。该结构的轨下与块下的双层弹性垫板为无碴轨道提供较好的垂向弹性,靴套提供轨道纵、横向弹性,使轨道在荷载分布和动能吸收方面更接近有碴轨道。由于弹性垫层具有材料均匀、弹性一致等性能,使钢轨支承刚度一致,部件受力均匀,轨道几何形位易于保持,达到了少维修的目的。
  未完待续

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