无砟轨道技术发展与设计讲稿,（土木工程学院） 兰州交通大学，2009年1月,主要内容,第一部分：技术发展概况 1.1国内概况 1.2国外概况 1.3我国无砟轨道技术再创新概况 第二部分：无砟轨道设计 2.1无砟轨道的技术特点 2.2 国内标准确定的无砟轨道种类适用性 2.3无砟轨道的适用范围 2.4无砟轨道设计 2.5过渡段设计技术 2.6无砟轨道结构检算,第一部分：技术发展概况,1.1国内概况 我国铁路曾于20世纪30年代先后在东北牡图线的北老松岭隧道和沈丹线的福晋岭隧道铺设过长木枕和短木枕式混凝土道床轨道。50年代又在沈吉线水帘洞隧道铺设了预埋长木枕混凝土道床轨道。60年代以后，随着山区铁路的修建，先后在成昆线、京原线、京通线、南疆线等隧道内铺设了刚性支承块式混凝土整体道床轨道，总延长约300km。并于1984年编制了适用于各类围岩铺设的通用设计图。与此同时，还在铁路站场、港口码头等地段土路基上铺设了经改进的整体道床轨道。80年代初，还曾在皖赣线溶口隧道内首次铺设了类似日本的乳化沥青水泥砂浆垫层式板式轨道。90年代以来，在京九线九江长江大桥引桥（长7km）上铺设了无碴无枕轨道。在宝天线白清隧道和西安线秦岭特长双线隧道（长18.4km）铺设了弹性支承块式混凝土道床轨道。迄今为止，运用效果良好。,本世纪初以来，为适应铁路运输行车速度的不断增长，又相继在秦沈客运专线双何曲线特大桥（长740m）和狗河特大桥（长741m）上铺设了板式轨道，沙河特大桥（长692m）上铺设了枕式无碴轨道。在西康线秦岭隧道、兰武线乌鞘岭特长隧道（长20.5km）等修建弹性支承块式无碴轨道。在渝怀线鱼嘴二号碎（长710m）内试铺了枕式无碴轨道。在赣龙线枫树排隧道（长790m）内试铺了减振型板式无碴轨道。,2004年初，国务院批准了中长期铁路网规划，确定了铁路网建设的蓝图。为迎接国务院已批准的武广、郑西、石太、京津、合宁、合武、温福、福厦、甬温9条铁路客运专线建设高潮的到来，实现铁路跨越式发展，到2010年客运专线达到4000km，到2020年达到10000km的目标，必须树立坚持部党组提出的“以人为本、服务运输、强本简末、系统优化、着眼发展”的建设新理念。以此为契机，目前全路科研、设计、施工、院校的领导、专家、教授和从业人员正在全力协同开展有关成区段铺设各种类型无碴轨道的前期工作。高速客运专线成区段铺设无碴轨道必将成为我国铁路轨道结构的发展方向。,1.1.1刚性支承快整体道床,我国早在五十年代就曾开始铺设隧道内整体道床，其主要结构形式是隧道内的砼支承块式整体道床，至今，统计累计铺设了约300余公里。其特点是结构简单，便于现场制造和施工。当隧道基底坚实稳定时轨道的稳定性好，道床美观整洁，轨道的养护维修工作量可减少5070。 国内60年代80年代修建的整体道床至今仍有相当一部份在运营中表现良好。但也有不少隧道内的整体道床在运营中出现了难以修复的病害，较严重的不得不拆除改为普通有碴轨道。,图1.1-2隧道内的砼支承块式整体道床,总结以往刚性整体道床的运用过程存在以下问题： 轨道结构强度设计偏弱，刚度偏大，弹性不足，结构动应力增大，易形成疲劳破坏； 如：发生支承块松动，支承块挡肩破坏，扣件断裂等现象。有些中心水沟式及浅侧水沟式整体结构，水浸入道床后在轨道冲击荷载作用下，形成活塞作用，加速道床砼的破坏；个别的整体道床直接修建在膨胀岩基础上，发生道床的变形破坏。在整体道床发展前期，造成设计强度偏弱和标准偏低的重要原因是对轨道动力作用认识不足和铁路建设资金缺乏。 道床浇注前或隧道铺底前，基底浮碴及异物清理不彻底，运营后使道床砼板下不实，产生破坏。 施工机械化水平低，劳动强度大，进度慢，轨道几何精度不好，质量难以保证。 运营中当结构发生病害时，不易修复，影响了行车安全。,1.1.2弹性整体道床,图1.1-3弹性整体轨道结构及施工 这是一种低振动无碴轨道结构，是由钢轨及其扣件、块下胶垫、橡胶靴套、混凝土道床板及混凝土底座等组成。1995年2000年，由铁一院主持、铁科院、大兴铁道建筑设计院、等多家单位参与的“弹性整体轨道结构及施工工艺和机具的研究”科研项目。课题研究的主要内容如下： 课题研究内容主要含有四个子课题和两个试验段，四个子课题为： （1）弹性整体道床结构及施工和铺设技术条件的研究。 （2）弹性整体道床的弹性可调式扣件研究。 （3）超长无缝线路长钢轨一次铺设工艺及机具的研究。 （4）弹性整体道床施工工艺及机具设备的研究。 两个试验段为： （1）陇海线宝天段白清隧道弹性整体道床结构试验段。 （2）西安安康线大瓢沟隧道弹性整体道床施工工艺及机具设备试验段。,图1.1-3弹性整体轨道结构及施工,表1.1-1 弹性支承块无碴轨道铺设情况一览表,1.1.3长轨枕埋入式无碴轨道,长轨枕埋入式无碴轨道主要是由整体式穿孔混凝土枕和现场灌注的混凝土道床来组成。它包括钢轨及其扣件、穿孔混凝土枕、混凝土道床和混凝土底座。图1.1-4和图1.1-5分别为用于隧道内和高架桥上的长轨枕埋入式无碴轨道横断面图。 这种无碴轨道结构的特点是坚固、耐久、可靠、几何形位不易变动，维修工作量小，具有轨道少维修的功能。并已成功铺设在秦沈客运专线沙河特大桥上和渝怀线鱼嘴二号隧道内。,图1.1-4 隧道内长轨枕埋入式混凝土道床轨道（单位：mm）,图1.15 高架桥上长轨枕埋入式混凝土道床轨道（单位：mm）,1.1.4 土路基上无碴轨道,我国铁路在土路基上铺设的无碴轨道结构类型主要有水泥混凝土道床无碴轨道和沥青混凝土道床无碴轨道，但仅限于于大型客站、客技站、洗涮线、装卸线、港口码头等地段，虽应用效果良好，但这些地段的行车速度、通过运量和行车密度都低于正线标准。 应当指出，在土路基上铺筑无碴轨道，由于土路基的承载能力较低，又对动载荷和水浸蚀反应敏感，因此，必须特别重视对地基的加强处理和排水设施的良好设置。 近年来，无碴轨道的应用，在国外高速铁路上发展很快，特别是在德国新建高速线上连续长区段几乎全线铺设了Rheda-2000无碴轨道。为此，我国铁路已拟在遂渝线和武广线上铺设连续成段无碴轨道综合试验段，积累工程技术储备以适应今后时速200km客货共线和时速300km高速铁路建设的需要。,1）支承块式混凝土道床无碴轨道,图1.1-6图1.1-10分别为铺设在西安客技站客车洗涮线、西安东站洗罐线和加冰线、上海石化总厂散粒货物装卸线和上海吴泾化工厂油库装卸线的支承块式水泥混凝土道床无碴轨道。 不难看出，这种土路基上混凝土道床轨道的基本特征是，在经过碾压密实的路基上先铺垫一定厚度（1525cm）的砂夹碎石垫层加强，或采取桩基加强对策，然后灌注混凝土道床，道床又有单层和双层之分。单层道床为厚35cm的底部配置钢筋网的C30混凝土，双层道床下层为宽350cm、厚30cm的底部配置钢筋网的C15混凝土，上层为宽250cm、厚27cm的C25混凝土，支承块采用C40钢筋混凝土。,图1.1-6 西安客技站洗涮线支承块式混凝土道床轨道,图1.1-7 西安东站洗罐线支承块式混凝土道床轨道,图1.1-8 西安东站加冰线抗腐蚀短木枕混凝土道床轨道,图1.1-9 上海石化总厂散粒货物装卸线支承块式混凝土道床轨道,图1.1-10 上海吴泾化工厂油库装卸线支承块式混凝土道床轨道,2）宽枕沥青混凝土道床无碴轨道,图1.1-11 成都客技站宽枕沥青混凝土道床无碴轨道,图1.1-12 柳州和桂林车站宽枕沥青混凝土道床无碴轨道,图1.1-13 上海新客站南半场无碴轨道,图1.1-14 上海新客站北半场无碴轨道,3）承轨台式混凝土道床板铺装无碴轨道,图1.1-15为2003年铺设在成都客站18道改造工程中，共计延长4.227km的承轨台式混凝土道床板铺装无碴轨道。 它的特点是，道床板宽度2.6m，单元长度5.03m，厚度0.3m；承轨台宽0.6m，长1.51m；每道床板上设有三对承轨台，每承轨台上安置3组弹性扣件；道床板下分层铺装总厚度1.13m的承载层和调整层，调整层用沥青砂废胎胶粒构成。,1.2 国外概况,1.2.1日本情况 日本自1965年开始研发新型少维修轨道，在研发中曾提出过种种结构方案，经过方案比选，考虑到预制混凝土板在制造上容易保证精度，又可在板下与下部结构之间设置可供调整的缓冲垫层，又能满足控制成本、快速施工、可维修性和轨道强度、弹性保持与有碴轨道等同水平等要求，因此，把这种结构形式取名为“板式轨道”。其研发目的是减少轨道维修，以节省人力、物力、财力，达到安全、经济和耐用的目标。 日本在高架桥上、隧道内等坚固基础上大量铺设有标准定型的A型板式轨道，目前正在研制试铺各种型式的减振降噪板式轨道，G型防振板式轨道已标准定型。在土路基上试铺有RA型板式轨道和板式道岔，还试铺有Cc型板式轨道、B型、E型和C型铺装轨道，以及框架轨道和梯型轨道等。 以往，日本高速铁路土路基上主要铺设的是沥青混凝土道床宽枕（LPC枕）无碴轨道。近年来，又在试铺水泥混凝土道床板式无碴轨道。,1）RA型板式轨道,RA型板式轨道结构，它是由钢轨、钢轨扣件、轨道板、CAM（水泥沥青砂浆）填充层和沥青混凝土基床等部分构成的。 为能在土路基上或既有高架桥上铺设，不采用凸形挡台法阻止板的纵横向移动，而采用在板底作凹槽的方法，利用其与CAM之间的阻力阻止板的移动。 可见，这种轨道是用沥青混凝土基床强化路基，与其说是用轨道板不如说是用更宽的轨枕分散列车载荷压力，从而形成十分稳定的路面铺装轨道，可以显著延长轨道养护维修周期。,2）土路基上混凝土道床板式轨道,为改善RA型板式轨道所用沥青材料温度敏感性高和耐久性差的不足，提出了如图1.2-3所示的用水泥混凝土道床替代沥青混凝土道床的结构方案。 它是由砂层、下部铺装（由级配碎石层、矿渣层、水泥稳定处理层或沥青中间层组成的强化路基）、钢筋混凝土底座、乳化沥青水泥砂浆层（CAM）、型轨道板、钢轨扣件和钢轨等构成的。 这种轨道的特点是： (1) 可以使用在高架桥上和隧道内等刚性基础上广泛应用的标准型轨道板。 (2) 由于采用抗弯刚度大的混凝土底座，可以提高荷载的分散传递效果。 (3) 与沥青系材料相比，温度敏感性低，耐久性优。 (4) 与沥青铺装施工时可采用道路工程铺装用的大型施工机械相比，施工效率降低了，并且需要较长的养生时间。 (5) 工程建设费高于沥青铺装轨道。 (6) 应采取防止混凝土因温度收缩而出现裂纹的技术对策。 (7) 与有碴轨道相比，噪声和振动高。 关于工程建设费，如考虑其使用寿命期限内的全部费用（建设费维修费管理费），未必就不经济。关于噪声和振动，可根据地基承载力的情况，视需要采取减振降噪技术对策。关于提高施工效率和混凝土收缩裂纹也可采取相应对策。,3）框架式板式轨道,(1)研发目的 轻量化（施工性） 低成本化 缓和温度应力,图1.2-4 日本新干线框架式板式轨道（铁垫板式）,图1.2-7 台湾高速铁路桥上框架式板式轨道,1.2.2德国情况,1）Rheda无碴轨道情况 德国是欧洲最热心研究开发无碴轨道的国家。为了达到减少维修劳力、适应高速运营和强化轨道的目的，从1959年起就开始研制和试铺各种类型的少维修无碴轨道。 上世纪70年代，首先在希尔舍特（Hirschaid）车站试铺了3种类型的无碴轨道。随后又在雷达（Rheda）车站和厄尔德（Oelde）车站试铺了2种无碴轨道。1977年在慕尼黑试验线上又试铺了6种新型无碴轨道。 自从1972年在比勒费尔德哈姆间的Rheda车站土路基上铺设整体式轨枕混凝土道床无碴轨道以来，又相继试铺了各种水泥混凝土道床和沥青混凝土道床无碴轨道。经过多年在土路基上、高架桥上和隧道内的试铺试验，不断完善、改进、优化，形成了德国铁路运用较为普遍的无碴轨道系列，并于1989年基本定型并统称为Rheda轨道。 德国Rheda无碴轨道系统，经历了由传统Rheda轨道形式Rheda Sengeberg轨道形式Rheda轨道Berlin