1、1浅谈无渣轨道的应用与发展摘要 无碴轨道是高速铁路轨道结构发展方向。随着我国客运专线的快速发展，对新型无碴轨道的应用和发展进行研究是十分必要的 在铁路上， “碴”的意思是小块的石头。常规铁路都在小块石头的基础上，再铺设枕木或水泥钢轨，但这种铁路不适于列车高速行驶。世界高速铁路的发展证实，高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系统，道砟粉化严重，线路维修频繁，安全性、舒适性、经济性相对较差。无砟轨道是高速铁路工程技术的发展方向。 碴，岩石、煤等的碎片。在铁路上，指作路基用的小块石头。传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成，钢轨固定放在枕木上，之下为小碎石铺成的路砟。路砟和枕木均起加大受力面、分散火车
2、压力、帮助铁轨承重的作用，防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里。此外，路碴（小碎石）还有几个作用：减少噪音、吸热、减震、增加透水性等。这就是有碴轨道。传统有碴轨道具有铺设简便、综合造价低廉的特点，但容易变形，维修频繁，维修费用较大。同时，列车速度受到限制。 无碴轨道是以混凝土或沥青砂浆取代散粒道碴道床而组成的轨道结构型式，它具有轨道稳定性高，刚度均匀性好，结构耐久性强和维修工作量显著减少等特点，对于“高速铁路”较传统的有碴轨道有更好的适应性 2根据我国中长期铁路网规划 ，到 2020 年我国铁路将建成“四纵四横”快速客运通道及三个区域城际快速客运系统。高速度、高密度、长距离跨线运输是我国客运专线主
3、要运营特点。为满足行车安全、乘车舒适和准点行车的要求，铁路线路必须具有结构连续、平顺、稳定、耐久和少维修的性能。无碴轨道在国外高速铁路已得到广泛应用，并已在上述性能方面显示出明显的优越性，取得了良好的技术和经济效益。我国铁路对无碴轨道也进行了大量的研究与应用，特别是在桥上及隧道内已铺设过若干试验段，积累了一定的经验，这些都为在我国客运专线上继续研究、开发和推广无碴轨道打下了技术基础。 关键词：无碴轨道结构连续平顺稳定耐久性能 中图分类号：U213.2 文献标识码： A 文章编号： 1.无碴轨道主要技术特点 1.1 引言 根据铁路“十一五”规划 ，到 2010 年，我国将建设客运专线7000 公
4、里，初步形成以客运专线为骨干，连接全国主要大中城市的快速客运网络。但随着高速铁路的发展，越来越多的事实证明，高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系统，将使道砟粉化严重，线路维修频繁，安全性、舒适性及经济性相对较差，因此无砟轨道成为高速铁路工务工程技术的发展方向。 1.2 无碴轨道主要特点 1.2.1 良好的结构连续性和平顺性 有碴轨道采用均一性较差的天然道碴材料，在列车荷载作用下其道3床肩宽、碴肩堆高、道床边坡、轨枕间距及轨枕在道床中的支承状态相对易于变化，并导致轨道几何形变。 无碴轨道的下部基础、底座、道床板（或 CA 砂浆调整层）均为现场工业化浇注；双块式轨枕、轨道板、微孔橡胶垫层、轨下胶垫
5、、扣件、钢轨等均为工厂预制件或标准产品，可以保证其性能有较好的均一性。由此组成的轨道整体结构与有碴轨道相比具有更好的结构连续性和弹性均匀性，为提高轨道的平顺性，改善乘车质量提供了有利条件。 1.2.2 良好的结构恒定性和稳定性 无碴轨道结构中，作为无缝线路稳定性计算参数的轨道横向阻力、轨道纵向阻力不再依赖于材质和状态多变的有碴道床，其整体式轨下基础可为无缝线路提供更高和更恒定的轨道纵、横向阻力，具有更好的耐久性和更长的使用寿命。 1.2.3 良好的结构耐久性和少维修性能 无碴轨道维修工作量大大减少，被称为“省维修”轨道，为延长线路的维修周期以及客运专线列车的高密度、准点正常运行提供重要保证。客
6、运专线的行车速度高、密度大，所有线路地面检查、维修作业都必须在“天窗”时间内进行。我国客运专线由于跨线列车多，自身的行车密度又大，不可能完全像国外高速铁路那样白天行车、夜间轨道维修作业。要在白天、夜间均行车的条件下，安排“天窗”作业就更加困难。减少线路维修工作量是保证客运专线列车准点正常运行的前提条件。 无碴轨道采用整体式轨下基础。与采用散粒体结构的有碴道床基础4相比，在列车荷载作用下不会产生道碴颗粒磨耗、粉化、相对错位所引起的道床结构变形；在列车荷载反复作用下不会产生变形积累，使轨道几何尺寸的变化基本控制在轨下胶垫、扣件及钢轨的松动和磨损等因素之内，从而大大降低轨道几何状态变化的速率，减少养
7、护维修工作量，延长维修周期和轨道使用寿命。 1.2.4 工务养护、维修设施减少 由于维修工作量减少，可以延长每个综合维修中心和维修工区的管辖范围，从而减少上述维修部门的数量。同时也可相应减少每个部门配置的维修机械、停车股道数量和房屋等设施。 如图 1.1 科隆法兰克福新线无碴轨道 如图 1.2 纽伦堡英戈尔施塔特博格型板式无碴轨道 1.2.5 免除高速条件下有碴轨道的道碴飞溅 我国秦沈客运专线在线路开通之前进行的行车试验表明：行车速度达到 250kmh1 时，道心道碴出现飞碴现象，造成车辆转向架部分的车轴、制动缸等被道碴打击的现象（这种飞碴现象与线路开通前道床表面细碴、粉尘较多也有一定的关系）
8、 。根据法国 TGV 铁路的运营经验，有碴轨道在列车速度达到 350kmh1 时，出现较严重的道碴飞溅现象。后将速度降到 320kmh1 时，飞碴现象才有所改善。此外，5在严寒冬季，冻结在车体下部的冰块融化时，冰块打在道碴上，溅起的道碴会打坏钢轨踏面。另外，在进行道床维修施工作业后，由于表层道碴松散，粉粒较多，也会产生飞碴，此时要求限速 170kmh1 时行车。法国 TGV 铁路在严寒多雪地区，为了防止下雪天因道碴表面裹雪被列车风吹起，曾采取过在道床表面喷撒乳胶和雪天降速运行等措施。 采用无碴轨道之后，就可以完全免除道碴飞溅的顾虑。 1.2.6 有利于适应地形选线，减少线路的工程投资 无碴轨道
9、的纵、横向稳定性较之有碴轨道大大增加。在选线困难的地段可以利用无碴轨道能承受较大轮轨横向力的有利条件，在保证舒适度的前提条件下，适当放宽曲线允许超高、欠超高的限制，减小最小曲线半径，从而有利于选线，减少工程量。 1.2.7 减少客运专线特级道碴的需求 为了延缓客运专线有碴道上道碴的磨耗和粉化，道碴材料要求采用为客运专线专门制定的特级道碴标准。我国特级道碴标准与国外高速铁路道碴标准相比，尽管在性能指标上仍有一定的差距，但符合这种性能要求的岩葳资源在我国，特别是中南和西南地区仍相当稀少，可能难以满足我国新建客运专线的需求。发展无碴轨道可以减少客运专线建设对特级道碴的需求量。 1.2.8 无碴轨道弹
10、性较差 日本、德国开发无碴轨道的初衷是力求无碴轨道的轨道弹性等于或接近于有碴轨道的轨道弹性。但实际开发的结果却是无碴轨道的弹性仍低于有碴轨道。轨道弹性的降低会增加轴重对轨道破坏、失效和轨道状6态恶化的影响，也会随着轴重的增加加剧环境振动和噪声。因此，在轴重较大的客货共线铁路以及轴重更大的重载铁路，国内外规模铺设无碴轨道的范例尚属罕见。 高速列车的轴重较轻、车辆转向架悬挂性能改善、簧下质量减少，为在高速铁路上采用无碴轨道创造了有利条件。进一步改善无碴轨道弹性和降低列车轴重是今后在客运专线上发展无碴轨道的努力方向。 1.2.9 建设期工程总投资大于有碴轨道 与有碴轨道相比，尽管无碴轨道的结构高度低
11、、自重轻，无碴轨道在隧道中铺设时，轨顶面以下的隧道开挖面积可适当减当；在桥上铺设时，由于其二期恒载相应减轻，从而降低桥、隧工程费用。但无碴轨道结构本身的工程费用高于有碴轨道，特别是在对振动和噪声等环境要求较高的地段，用于减振降噪措施的费用比有碴轨道要高。总体来说，无碴轨道建设期投资大于有碴轨道。 1.2.10 对地震和环保的适应性 日本是多地震国家。根据日本的经验，无碴轨道在低等级地震条件下，比有碴轨道具有更好的稳定性，从而提高行车的安全性；但在大地震情况下，有碴、无碴轨道都会遭到破坏，而无碴轨道的修复更为困难。和有碴轨道相比，无碴轨道的弹性较差、环境振动和噪声的量级较高。在靠近人口居住区及诸
12、如学校、医院、办公区、度假区等环保要求较高的地段，其减振降噪措施及相应的工程费用也会增加。 1.2.11 关于线下工程的“工后零沉降”建设理念 7无碴轨道的永久变形只能通过扣件进行调整以恢复其正常的轨道几何形状。由于扣件的调整量非常有限，因此对于无碴轨道的变形，特别是由于线下工程的沉降所引起的轨道永久变形必须做出严格的限制。线下工程工后沉降能否控制在规定范围之内，是无碴轨道能否在线路上进行规模铺设的关键。 “工后零沉降”建设理念就是在客运专线线下工程的设计（特别是合理的工程预算） 、施工（特别是严格的工程质量监控）和管理（特别是合理的施工期限）中，都要以“工后零沉降”为追求目标。传统设计、施工
13、、管理中“预留沉降”的概念不再适用。我们把“工后零沉降”说成是一种“理念” ，而不是说成一种“理论”或“原理” ，是因为在实际工程中我们还没有一种可靠的理论或方法，把工后沉降准确、可靠地控制为零。但是人们只有“求其上” ，才能保证至少“得其中” ，只有按“零沉降”理念要求，最后才能取得实际工程“小沉降”的结果。为此，人们在线路上部结构的设计中为这种“小沉降”提供了进行调整的手段，并为线路下部工程的工后沉降规定了一个允许值（“零沉降”理念基础上的允许偏差） ，作为工程实际操作和控制的标准，从而在目标和现实之间留有一定的余地。 国外的高速铁路不仅在无碴轨道，即使在有碴轨道的线下工程中也已引入了“工
14、后零沉降”理念。德国高速铁路路基“追求的目标是不再产生工后沉降” 。韩国高速铁路路基的要求是“一般情况为运营后要求路基沉降” 。日本高速铁路也要求路基工后零沉降。可以认为，高速铁路的线下工程，不论其上部是采用有碴轨道还是无碴轨道，其工后沉降的追8求目标和设计、施工、管理理念是相同的，即“工后零沉降” 。由此可以推论，在通常的、大多数的地基条件下，统一按“工后零沉降”理念建设的有碴轨道和无碴轨道线下工程，其工程造价就应当在同一水平。正是高速铁路（不论是有碴轨道还是无碴轨道）对线下工程所提出的上述严格要求，为无碴轨道铺设提供了所必须的线下基础条件。 当前，有一种概念认为无碴轨道线下工程造价要大大高
15、于有碴轨道线下工程的造价，其实这是把高速铁路无碴轨道的线下工程与普通铁路有碴轨道的线下工程相比较的结果。如果比较的前提都是高速铁路，其线下工程的工程造价就会比较接近。如果比较的是高速铁路和普通铁路，即使同样是有碴轨道，其线下工程的造价也会有显著差异。德国高速铁路有碴轨道的工程费是 1000 欧元m-1，而普通铁路有碴轨道的工程费是 590 欧元m-1。同样是有碴轨道，又几乎是大体相同的钢轨、扣件、轨枕和道床，其工程费的巨大差异，主要原因是划归轨道范畴的路基保护层（PSS）显著不同和高速铁路、普通铁路对路基保护层的不同要求。 图 1.3 狗河特大桥板式无碴轨道 图 1.4 双何特大桥板式无碴轨道
16、结构图 高速铁路线下工程（不论是有碴轨道还是无碴轨道）必须按“工后零沉降”建设，这也是国外高速铁路建设经验和教训的总结。日本东海9道新干线全部为有碴轨道，是世界上第一条高速铁路。当时由于对提高路基建设标准认识不足，更谈不上“工后零沉降”理念，线路自 1964 年开通后，就发现路基下沉严重。1965 年开始出现路基翻浆冒泥，不得不在多处设置临时或长期慢行点，致使从东京到大阪全长 515.3km， “光”号列车运行 4h， “声”号列车运行 5h。当时采取了更换道碴和铺设土工纤维布等措施。到 1966 年 11 月，轨道状态有所好转，限速区段相对减少，使“光”号列车全线运行时间缩短到 3h10mi
17、n， “声”号列车缩短到4h，但道床板结和路基翻浆现代并未得到根本好转。1968 年日本引进普拉塞公司道床清筛机进行道床机械化清筛。至 1969 年，在土质路基地段，路基翻浆和道床板结每年新增约 50km。自 1971 年开始，每年更换道床3040km 仍不能满足需要。许多不能及时换碴的区段，因轨面前后高低差超过 7mm 而不得不限速运行。 2.世界各国无碴轨道的应用发展历程 2.1 有关无碴轨道的发展分析 为适应列车高速行车需要、提高线路稳定性和耐久性、减少线路维修工作量，世界各国研究开发了多种结构形式的无碴轨道。如日本新干线的板式、德国高速铁路的雷达（Rheda）型、英国的 PACT 型、
18、英吉利海峡隧道的弹性支承块（LVT）式、法国的 Monaco 型和 STEDEF 型无碴轨道等。 国内外的实践经验表明，任何一种新型轨道结构的大规模推广应用必须经过以下几个研究发展阶段，即：结构形式的提出与设计结构参数分析与进取室内实尺模型试验现场试验段铺设结构动力性能测10试长期运营考验结构设计修改完善全区间推广应用。其中现场试验段铺设、结构动力性能测试与长期运营考验是新型轨道结构发展过程中的几个重要环节。 2.2 世界各国无碴轨道的研究与发展 2.2.1 德国铁路无碴轨道的研究与发展 德国是世界上研究开发无碴轨道较早的国家。德国铁路研究开发无碴轨道采用的体制是由德铁制定统一的设计基本要求，
19、由公司、企业自行研制开发。新开发的无碴轨道在进入德失路网之前，必须通过指定试验室的实尺模型激振试验及性能综合评估，并经 EBA（德铁技术检验团）认证、批准后，方有资格在线路上进行有限长度的试铺。试铺的无碴轨道要经过 5 年的运营考验并经 EBA 的审定，通过后方可正式使用。 由于采用了上述既向企业、公司开放，又严格科学管理的研发方针，大大激发了全社会研发无碴轨道的积极性。自 1959 年开始研究、试铺无碴轨道，首先在希尔赛德车站试铺了 3 种结构，随后又在雷达车站和奥尔德车站试铺 2 种结构，1977 年又在慕尼黑试验线试铺 6 种。19591988 年是德国无碴轨道的试铺期，共铺设无碴轨道 36 处，累计21.6km。在此期间先后在土质路基、高架桥上及隧道内试铺了各种混凝土道床和沥清混凝土道床的无碴轨道。经过不断改进、优化和完善，不仅形成了德国铁路的无碴轨道系列，而且还形成了比较成熟的技术规范和管理体系，研制了成套的施工机械设备和工程质量检测设备，为无碴轨道在德铁的推广应用创造了良好的条件。 先期在雷达车站土质路基上铺设的无碴轨道运营已超过 30 年，通过
