无 碴 轨 道 工 程 技 术 中南大学 陈秀方（1）国外无碴道床结构型式传统有碴轨道具有铺设方便，造价低廉的特点。随着重载、高速铁路运输的发展，道床累积变形的速率随之增长，为保持轨道平顺性要求，传统轨道维修趋于频繁，作业量大，维修费用上升。自上世纪六十年代开始，世界各国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。由无碴道床组成的轨道称为无碴轨道。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。至今，尽管大部分国家的无碴轨道由于造价高等原因还处于试铺或短区段分散铺设的状况；而日本的板式轨道已在新干线大量铺设，总长度达2700km。德国铁路Rheda系、Zblin系等五种无碴轨道已批准正式使用，并在新建的高速线上全面推广，铺设总长度达660km（含80组道岔区）。 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。而德铁的无碴轨道则首先解决了在土质路基上铺设的技术问题。因此，除了桥、隧结构外，土质路基上也已铺设一定数量的无碴轨道。以下是国外无碴道床的主要结构型式1）PACT型（Paved Concrete Track）PACT型无碴轨道为就地灌筑的钢筋混凝土道床（图235），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，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80km。2）LVT型（Low Vibration Track）LVT型无碴轨道是在双块式轨枕（或两个独立支承块）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，而在双块式轨枕周围及底下灌筑混凝土而成型，称为减振型轨道。其最初由Roger Sonneville提出并开发。瑞士国铁于1966年在隧道内首次试铺。法国开发的VSBSTEDET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（图236）。目前，LVT轨道的铺设总长度约360km。机械灌注的道床板 环形连接钢筋图235 PACT型无碴轨道图236 英吉利海峡隧道内的LVT型轨道结构二期混凝土12mm厚橡胶垫层橡胶套3）Rheda型 德国铁路于上世纪60年代开始无碴轨道的研究，曾试铺过十余种无碴轨道结构，其轨道的基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类。Rheda型轨道为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（图237），在桥、隧和土质路基上都适用。在德铁铺设的660km无碴轨道中，Rheda型约占一半以上。图237 普通Rheda型无碴轨道结构 与Rheda型结构类似的还有Zblin型轨道。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238。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。树脂无纺布道碴双块式轨枕图238 ATD型轨道结构 在沥青混凝土底座上的其他结构如BTD、Walter型等是用轨枕取代ATD型中的双块式轨枕，且轨枕与底座间的连接方式各不相同，以满足必要的纵、横向阻力为前提。到1997年末，铺设在沥青混凝土底座上的无碴轨道约有66km。5）板式轨道日本于1965年开始开发用于桥梁和隧道的板式轨道（图239），是由预制的轨道板、混凝土底座，以及介于两者之间的CA砂浆填充层组成，在两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，而且也在窄轨既有线上应用。图239 板式轨道结构 为适应新干线沿线的环境，开发了防振型板式轨道，其中，防振G型在东北新干线已推广应用。此外，为减少材料用量、降低造价，开发的框架型板式轨道也得以应用。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处铺设试验段总长约2.4km，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10.8km，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2700km，日本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92km，其中，罗马佛罗伦萨高速线上铺了25.4km。（2）国外无碴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、耐久性和环境等诸方面进行过相对比较，如表237所示。由表237的相对比较说明，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。 几种无碴轨道的相对比较 表237轨道结构型式造价施工性维修费耐久性环境1PACT型2LVT（STEDEF）型3Rheda型4ATD型5板式轨道（IPA型） 注： 标记 好， 一般， 差（3）无碴道床的技术经济性（A）无碴道床能长期保持轨道的良好状态，实现少维修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30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240和图241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。很明显，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，实现了少维修，确认为高平顺性的轨道结构。为此，德铁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。有碴轨道有碴轨道无碴轨道里程图240 隧道内无碴轨道与相邻有碴轨道的轨道稳定性Q值无碴轨道有碴轨道有碴轨道里程有碴轨道 无碴轨道其它扣件填充方向高低捣固121086420维修费（百万日元/年/km）75-7677-7879-8081-8283-8485-8687-8889-9091-9293-9475-7677-7879-8081-8283-8485-8687-8889-9091-9293-94年 份图242 山阳新干线历年的维修费用图241 土质路基上无碴轨道与相邻有碴轨道的轨道稳定性Q值日本对运营了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242所示。由于板式轨道的结构可减少其维修项目，且轨道的几何状态稳定性好，并为高速运输提供了安全可靠、平顺高质量的轨道。（B）经济比较到目前为止，无碴轨道的造价一般均高于有碴轨道。据德铁的资料，有碴轨道的造价为800DM/m，沥青混凝土底座上无碴轨道为1000DM/m，混凝土底座上Rheda型等轨道为1400DM/m，无碴轨道的造价为有碴轨道的1.31.7倍。而德铁高速铁路有碴轨道的年维修费用约为3000DM/km，无碴轨道则很少。德铁分析认为，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。日本板式轨道的造价为有碴轨道的1.31.5倍。而维修费用有明显的减少。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约在10年（桥、隧结构上）12年内（土质路基上）可得以偿还。（4） 国外无碴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更多的国家所接受。近10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、施工等日臻完善，对周围环境的适应性提高，轨道造价更趋合理，其扩大铺设的前景是不容置疑的。德国和日本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他线路上进行规模铺设。尽管如此，目前他们对新结构的开发和既有结构的改进还在继续进行。德国目前有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。最近开发的Rheda-2000型轨道（图243）已投入商业应用。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650mm降低为472mm。Rheda-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，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1.31.4倍是德铁力争的目标。1996年德铁又批准了7种新结构在曼海姆卡尔斯鲁厄线上试铺。德铁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。图243 Rheda-2000型无碴轨道结构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、上越新干线上都有铺设。为了扩大铺设，必须降低造价。最近，开发了简化结构的D型弹性轨枕直结轨道，造价为B型的3/4，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问题，更适合推广。近年来，日本正大力研究一种“梯子形”轨道（图244）。由两根纵向轨枕（梁）支承钢轨，横向每隔3m用钢管将两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1.5m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、低噪音；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。说明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35吨重轴的快速耐久性试验，通过吨位超过1亿吨。日后，还将对高速运行的适应性，以及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。此外，一向坚持采用有碴轨道的法国铁路，最近在地中海TGV的一座长7.8km