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　　高速鐵路軌道技術(shù)綜述

　　高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)和普通鐵路軌道結(jié)構(gòu)一樣，由鋼軌、軌枕、扣件、道床、道岔等部分組成。這些力學(xué)性質(zhì)絕然不同的材料承受來自車輪作用力，它們的工作是緊密相關(guān)的。任何一個軌道零部件的性能、強度和結(jié)構(gòu)的變化都會影響所有其他零部件的工作條件，并對列車運行質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，因此軌道結(jié)構(gòu)是一個系統(tǒng)，要用系統(tǒng)論的觀點和方法進(jìn)行研究。鋼軌直接承受由機(jī)車車輛傳來的巨大動力，并傳向軌枕;軌枕承受鋼軌傳來的豎向垂直力、橫向和縱向水平力后再將其分布于道床，并保持鋼軌正常的幾何位置;輪軌間的各種作用力通過軌枕和扣件的隔振、減振和衰減后傳遞給道床，使道碴重新排列，并將作用力擴(kuò)散傳遞于路基。由于列車速度的提高給軌道結(jié)構(gòu)的作用力與速度的n次方成正比，因此高速鐵路的軌道必然要比普通線路具有更高的安全性、可靠性和平順性，而軌道各部件的力學(xué)性能、使用性能和組成為結(jié)構(gòu)的卜性能都比普通軌道部件高得多。

　　1 高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)等級

　　1.1結(jié)構(gòu)等級

　　鐵路軌道結(jié)構(gòu)等級與運輸條件密切相關(guān)。在鐵路運輸發(fā)展的初期，速度、軸重、密度都處于較低水平，對軌道結(jié)構(gòu)的要求以可靠性為主，等級劃分則以年通過總質(zhì)量為主，兼顧列車速度的要求。近年來發(fā)展的客運專線和重載鐵路，對軌道結(jié)構(gòu)提出了不同側(cè)重的要求�？瓦\專線以旅客運輸為主，除要求極高的安全性和可靠性以外，對旅客的舒適度提出了很高的要求。在軌道結(jié)構(gòu)方面，則除了傳統(tǒng)軌道不允許存在的長波不平順以外，還對短波不平順作出了嚴(yán)格的限制。為了達(dá)到這些要求，歐洲AGC計劃明確要求線橋設(shè)備采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括：

　　(l)采用60 kg/m鋼軌、長度2.6 m軌枕、彈性扣件、硬質(zhì)道碴的軌道結(jié)構(gòu);

　　(2)利用標(biāo)準(zhǔn)列車計算橋梁荷載;

　　(3)規(guī)定統(tǒng)一的列車速度和軸重;

　　(4)全部采用立體交叉;

　　(5)采用大號碼道岔，直向過岔速度與區(qū)間正線一致，側(cè)向過岔速度與連接的聯(lián)絡(luò)線一致。

　　1.2軌道結(jié)構(gòu)類型

　　1.2.1有碴軌道和無碴軌道的應(yīng)用范圍

　　高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)主要類型有有碴軌道和無碴軌道。有碴軌道是鐵路的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它具有彈性良好、價格低廉、更換與維修方便、吸噪特性好等優(yōu)點。但隨著行車速度的提高，其缺點也逐漸顯現(xiàn)。首先，由于有碴軌道不均勻下沉產(chǎn)生的120Hz以下頻率范圍的激振嚴(yán)重，軌道破損和變形加劇，從而使維修工作量顯著增加，維修周期明顯縮短。根據(jù)德國高速鐵路的資料，當(dāng)行車速度為250～300km/h時，其線路維修費用約為行車速度為160 ～200 km/h時的2倍;速度為250～300km/h時，通過總重達(dá)3億噸后道碴就需全部更換，而在160～200km/h時，通過總重則可達(dá)10億噸。日本對高速鐵路橋上的有碴軌道與無碴軌道維修費用進(jìn)行的統(tǒng)計分析表明，有碴軌道的線路維修費用比無碴軌道高111%，也就是說有碴軌道的維修費用相當(dāng)于無碴軌道的2倍多。基于這一情況，許多專家認(rèn)為，從經(jīng)濟(jì)角度和維修管理角度看，高速鐵路應(yīng)采用無碴軌道。特別是在橋隧結(jié)構(gòu)上，由于無碴軌道減少了二期恒載和建筑高度，采用無碴軌道更為有利。

　　除此以外，無碴軌道還具有使用壽命長、線路狀況良好、不易脹軌跑道、高速行車時不會有石碴飛濺等優(yōu)點，因此無碴軌道在國外高速鐵路上獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，其鋪設(shè)范圍己從橋梁、隧道發(fā)展到上質(zhì)路基和道岔區(qū)，無破軌道結(jié)構(gòu)在高速鐵路上的大量鋪設(shè)已成為發(fā)展趨勢。

　　1.2.2世界上一些國家鋪設(shè)有碴軌道和無碴軌道的概況

　　日本除在1964年開通的東海道新干線未采用無碴軌道外，其后修建的高速鐵路采用無碴軌道的比例逐年增加：1972年開通的山陽(大阪一岡山)新干線占了4.9%;1975年開通的山陽(大阪-福岡)新干線占68.6%;1991年開通的東北(東京-盛岡)新干線占82%;1990年開通的上越(大宮一新混)新干線占90%;1997年開通的北陸(高崎一長野)新干線占87.5%。德國認(rèn)為，當(dāng)運營速度超過300km/h時，有碴軌道會出現(xiàn)道碴粉化現(xiàn)象，需要經(jīng)常維修，由于維修成本增加，其最終成本要比無碴軌道高。德國在20世紀(jì)70年代修建的高速鐵路，無碴軌道不足30%;而1998年開通的柏林-漢諾威高速鐵路，無碴軌道比例

　　達(dá)到80%以上。

　　中國臺灣高速鐵路無碴軌道155 km，占正線長度的45%。

　　荷蘭高速鐵路土質(zhì)條件不好，軟土較多，但也積極采用無碴軌道。

　　法國是以有碴軌道為主的國家，目前也在鋪設(shè)無碴軌道。在京滬高速鐵路進(jìn)行設(shè)計咨詢時，法國咨詢專家也建議京滬高速鐵路采用無碴軌道。法國高速鐵路延用了傳統(tǒng)的有碴軌道結(jié)構(gòu)，采用雙塊式混凝土軌枕和拉布拉彈片式扣件。在1983年開通的388km長、速度270 km/h的巴黎-里昂的TGV東南客運專線上，盡管軸重較小，為160～170kN，但是平均通過總重4000萬噸(約每2年)就要進(jìn)行一次線路修理，另外還需對鋼軌定期打磨，以消除因列車高速運行時道碴旋流造成的鋼軌踏面缺陷。值得注意的是，每一次修理都會造成道碴損壞(道床肩棱損壞、道碴破碎)，從1986年開始就在37%的線路(硬基礎(chǔ)的路段)上增加巧cm厚的道碴，以便對受到嚴(yán)重?fù)p壞的道床上層補充道碴，為此還必須提升接觸網(wǎng)二線路通過總重達(dá)到2.5至3.0億噸后開始對道碴道床進(jìn)行更新。與旅客列車速度為120～140km/h的客貨混運線路相比，上述高速線路的道破使用期約為道破正常使用期的25%。

　　法鐵總結(jié)有碴軌道道碴飛濺的原因主要有：

　　(l)冬季在車體和轉(zhuǎn)向架土有冰雪，列車進(jìn)入氣溫較高地段冰塊下落;

　　(2)線路修理作業(yè)后道床不穩(wěn)定;

　　(3)小動物破壞護(hù)欄進(jìn)人線路，擾動道床;

　　(4)列車高速和大風(fēng)。當(dāng)列車速度250 km/h以上時，在2.5 m距離內(nèi)飛碴已經(jīng)非常嚴(yán)重，不能靠近。

　　德國也是歐洲最早建設(shè)高速鐵路的國家之一，和法國TCV不同的是，德國高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)以無碴軌道為主。柏林-漢諾威的高速鐵路運營速度280km/h，無碴軌道占72%;科隆-法蘭克福的高速鐵路運營速度300km/h，無碴軌道占85%;正在修建中的紐倫堡一英戈城高速鐵路設(shè)計速度目標(biāo)值330km/h，無碴軌道占84%。實踐表明，德國的無碴軌道技術(shù)是先進(jìn)的和成熟的。

　　1.2.3無碴軌道的缺點

　　德國在2005年出版的《軌道概論》中仍然對無碴軌道的缺點進(jìn)行了詳細(xì)的描述，主要有：

　　1.2.3.1投資問題：無碴軌道的初期投入比有碴軌道高得多，即使施工方法得到優(yōu)化、建設(shè)數(shù)量增大，無碴軌道的成本系數(shù)仍為有碴軌道的1.5～2.0。另外，有碴軌道維修的大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)精度越來越高、作業(yè)質(zhì)量越來越好、保持軌道幾何狀態(tài)的周期延長，這些都會增強有破軌道的競爭力。而隨著運營時間的延長，無碴軌道鋼軌打磨工作量比有碴軌道大、修復(fù)工作比較復(fù)雜等都會增加投入，而這些投人在初期是無法計算的。

　　1.2.3.2混凝土無碴軌道為剛性承載層，當(dāng)達(dá)到承載強度極限時將產(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。

　　1.2.3.3無碴軌道的建設(shè)和維修都遠(yuǎn)未達(dá)到自動化程度，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用和時間。建立期間的質(zhì)量缺陷將為整個使用壽命期留下隱患，并需要花高昂的代價進(jìn)行彌補。

　　1.2.3.4無碴軌道作為剛性結(jié)構(gòu)，在后期運營階段允許作少量補修，如調(diào)整軌道幾何狀態(tài)，不僅十分困難，而風(fēng)需要花費高昂代價。

　　1.2.3.5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)。

　　1.2.3.6無碴軌道噪聲水平比有碴軌道高約5 dB，必須采取有效的降噪措施。

　　1.2.3.7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，而且一旦發(fā)生問題，修復(fù)時間很長。

　　1.2.3.8無碴軌道改進(jìn)的可能性很小。

　　1.2.3.9在路基上鋪設(shè)無碴軌道時，在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。

　　1.2.3.10目前大部分的經(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用。

　　1.3無縫線路

　　無縫線路是由許多根標(biāo)準(zhǔn)長度的鋼軌焊接成一定長度的長鋼軌線路。無縫線路具有行車平穩(wěn)、旅客舒適、節(jié)省接頭材料、降低維修費用、延長線路設(shè)備和機(jī)車車輛使用壽命等優(yōu)點，是鐵路軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。各國鐵路競相發(fā)展無縫線路，高速鐵路必須采用無縫線路。

　　從理論上講，無縫線路可以無限長，但多年來由于技術(shù)上的限制，區(qū)間信號和道岔區(qū)存在鋼軌接頭，成為無縫線路的薄弱環(huán)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和鐵路技術(shù)裝備的加強，無絕緣軌道電路技術(shù)和裝備的普及、鋼軌絕緣接頭的采用、高碳中錳鋼軌和高碳微釩鋼軌與道岔高錳鋼焊接技術(shù)的突破，無縫線路實現(xiàn)實際上的無限長已成為現(xiàn)實。滬寧線利用線路大修在20世紀(jì)末實現(xiàn)一根全長223.2km的跨幾十個區(qū)間的超長無縫線路、秦沈客運專線首創(chuàng)新線建設(shè)全線一次鋪設(shè)無縫線路、結(jié)合秦沈客運專線的京秦改造工程實現(xiàn)全線一次鋪設(shè)無縫線路等，說明我國鋪設(shè)超長無縫線路已進(jìn)入可以全面實施的階段。

　　新線鋪設(shè)無縫線路有2種基本方案。一種是短軌過渡方案，即先鋪設(shè)短軌有縫線路并經(jīng)初期運營，待躋基、道床在列車作用下密實、穩(wěn)定之后，保持道床、軌枕不動，將短軌更換為長軌條并焊接成無縫線路。這種經(jīng)過短軌有縫階段過渡而鋪設(shè)的無縫線路，容易使鋼軌接頭部位的基床、道床受到破壞，使之在強度、彈性及其結(jié)構(gòu)均勻性等方面成為固有的薄弱環(huán)節(jié)。而且這些己經(jīng)形成的薄弱環(huán)節(jié)具有“記憶”特征，不可能通過維修手段徹底根除，它們將長期影響線路的平順性和均勻性，不能滿足高速列車的運營要求，同時也加大了養(yǎng)護(hù)維修工作量。另一種是一次鋪設(shè)無縫線路方案，即新鋪設(shè)長鋼軌一次焊接成無縫線路，在無縫線路鋪設(shè)之后，基本上不承受施工列車、更不承受初期運營列車的作用，從而免除了短軌過渡期形成的上述問題，保證高速線路的質(zhì)量。世界各國高速鐵路無一例外全部采用一次鋪設(shè)無縫線路方案。

　　2各國客運專線和高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)

　　客運專線和高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)除應(yīng)具有比重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)更高的可靠性和穩(wěn)定性以外，最大的區(qū)別在于它應(yīng)具有極高的平順性。法國、德國為提高行車速度在軌道方面采取了許多技術(shù)措施，其中大部分是圍繞提高和保持軌道的平順性進(jìn)行的。當(dāng)機(jī)車車輛確定之后，輪軌間動力作用和振動隨軌道的不平順幅值及波長的變化而成倍變化。從法國高速鐵路的實測資料分析，軸重160～170kN的高速客車在平順性很好的軌道上以300 km/h的速度行駛時，輪軌間作用力并不比200 kN軸重貨車在中等平順軌道上以100km/h的速度運行時的作用力大。國外高速鐵路運營實踐表明，采用60kg/m鋼軌軌道結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制軌道平順性，可以滿足高速行車的需要。

　　2.1法國

　　法國高速鐵路一般采用由UIC60鋼軌、雙塊式混凝土枕、NABLA彈性扣件組成的有碴軌道。長軌條長280 m或396m，采用鋁熱焊焊接，鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。道碴級配35/50，枕下道碴厚度最小為30cm。長大工程結(jié)構(gòu)物端頭設(shè)溫度調(diào)節(jié)器。根據(jù)側(cè)向通過速度230 km/h、170 km/h和70 km/h的需要確定道岔號碼。每20～25 km設(shè)渡線，側(cè)向過岔速度160km/h,可反向行車。20多年的運營實踐表明，法國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)是成功的，適應(yīng)了高速行車，當(dāng)試驗速度達(dá)到400km/h時，各種輪軌力都低于導(dǎo)致線路塑性變形的限值。在軌道實際運行中有如下情況值得重視：

　　2.1.1在1983年開通的巴黎-里昂TGV東南客運專線(長度388km,速度270 km/h,最小曲線半徑4 000m、最大曲線超高180 mm、最小豎曲線半徑25 000 m、最大坡度35‰)上，盡管軸重較小(160～170kN)，但是平均通過總重僅4000萬噸(約2年)就要進(jìn)行一次線路大修。

　　2.1.2對鋼軌要定期進(jìn)行打磨，以消除因列車高速運行時道碴旋流造成的鋼軌踏面缺陷，這種缺陷會因動力作用增大而造成軌道狀態(tài)迅速惡化。如果不及時進(jìn)行鋼軌打磨，就會增加線路大修工作量。

　　2.1.3線路大修會造成道碴損壞(道碴破碎)。法國對TGV東南客運專線從1986年(僅通車3年)開始就在37%的線路(硬基礎(chǔ)的路段)上增加15cm厚的道碴，以便對受到嚴(yán)重?fù)p壞的道床上層補充道碴，為此還必須提升接觸網(wǎng)。

　　2.1.4線路通過總重達(dá)到2.5～3.0億噸后，要對道床的道碴進(jìn)行更換。與旅客列車速度為120~140km/h的客貨混運線路相比，高速線路道碴使用期僅為道碴正常使用期的25%。

　　2.2德國

　　德國高速鐵路采用UIC60鋼軌，鋼軌在工廠用閃光對接焊焊成180m長的軌條，再在工地用鋁熱焊焊成無縫線路鋼軌。鋼軌出廠前進(jìn)行超聲波探傷，廠焊及工地焊的焊接接頭也要進(jìn)行超聲波探傷。鋼軌及焊縫的平直度都要求達(dá)到0.3 mm/m,有碴軌道采用B70型混凝土枕，長度為2.6 m，軌枕間距為60 cm，軌枕中間部分50cm長不承受支承。由于其支承面積大，從而大大降低了道床頂面的軌枕壓應(yīng)力;又由于軌枕的抗彎剛度大，從而保證了在高速條件下軌距和軌底坡的穩(wěn)定性。采用SKL1和SKL4型ω彈條扣件。道床最小厚度為30cm，道床肩寬為50 cm。

　　2.2.1德國為改善道床工作條件采取的措施

　　德國高速鐵路為提高有碴軌道結(jié)構(gòu)的承載能力，曾分別采取過下列改善道床工作條件的措施，有力地提高了道床抗力：

　　2.2.1.1采用長2.6 m甚至2.8 m的混凝土枕，以擴(kuò)大枕底支承面積，降低道床頂面壓力。

　　2.2.1.2增加軌下膠墊彈性，使膠墊剛度從普通線路的800 kN/mm降低到高速線路的80kN/mm，以降低軌枕作用到道床頂面的準(zhǔn)靜態(tài)荷載、沖擊荷載和振動荷載。

　　2.2.1.3增加碎石道床厚度，從普通線路道床厚度30 cm增加到高速鐵路的35cm，以提高道床的彈性，降低碎石道碴層傳遞到路基保護(hù)層的壓應(yīng)力。

　　2.2.1.4鋪設(shè)碴下膠墊，特別是在高架結(jié)構(gòu)的有碴線路及10m長度范圍內(nèi)的路橋過渡段上，在道床下鋪設(shè)減振膠墊，以減少道碴的破碎和粉化，碴下墊層的剛度為0.1N/mm。

　　2.2.1.5在碴肩的邊坡涂刷塑膠，以提高道床碴肩和邊坡的穩(wěn)定性。

　　正是由于有碴軌道存在的不足，為提高有碴軌道的工作性能還要采取如此多的措施，增加了不少投資，所以德國高速鐵路現(xiàn)在正大力推廣并采用無碴軌道。

　　2.2.2德國高速鐵路應(yīng)引起重視的問題

　　從德國早期修建的2條以有碴軌道為主的高速鐵路(1987年開通的運行速度為250km/h的曼海姆-斯圖加特高速鐵路和1991年開通的運行速度為270km/h的漢諾威-維爾茨堡高速鐵路)運營實際情況看，有如下問題應(yīng)引起重視：

　　2.2.2.1由于這2條高速鐵路實行客貨混運，為避免有碴軌道軌向的迅速變化，一般情況下只容許采用60 mm的欠超高，因此與法國TGN相比、德國的曲線半徑比較大。

　　2.2.2.2盡管這2條線橋梁比例不大.似在橋梁上道碴損壞嚴(yán)重，通過總重不到2億噸就討漢諾威-維爾茨堡高速鐵路大部分橋梁上的道床道碴進(jìn)行了更換，分析原因是橋梁端部和道碴硬墊層的變形

　　2.2.2.3為強化軌道結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)道床底面墊層和B75型混凝土枕(長度2.8 m)，并配合使用Ioan300型高彈性鋼軌扣件。

　　2.2.2.4為嚴(yán)格控制路基沉降，必須對路基和軌道防凍層充分夯實，對這種增大了剛度的軌道可能需要提前更換道碴。

　　2.3日本

　　1964年，在日本投人運營的長515 km、速度為220km/h的東海道新干線客運專線(最小曲線半徑2500m、最大超高180 m、最小豎曲線半徑10000 m,最大坡度20%c)是有碴軌道，雖然軸重較輕(僅為160kN)，但在運營15年后，高架線路和橋梁上的線路己不能保持符合高速運輸要求的良好狀態(tài)，必須進(jìn)行線路大修。

　　2.3.1東海道新千線出現(xiàn)的問題

　　東海道新于線有碴軌道出現(xiàn)以上情況的原因是：

　　2.3.1.1軌道結(jié)構(gòu)薄弱：東海道新干線是日本第一條離速鐵路，考慮到其是客運專線，軸重較輕，所以采用搶軌道結(jié)構(gòu)比較薄弱：鋼軌斷面小(54kg/m)、混凝土枕短(2. 4 m)、道床厚度薄(20～25 cm)。

　　2.3.1.2軌道彈性不良：由于道床厚度不足，而作為基礎(chǔ)的橋面板剛度又太大，在高速列車運行時產(chǎn)生了浪大的道碴應(yīng)力，加速了軌道整體結(jié)構(gòu)的變形和軌道部件的折損。

　　一方面是結(jié)構(gòu)薄弱、抗力不足，一方面是動力響應(yīng).急劇增大，東海道新干線曾被迫限速運行，直到更換為60kg/m鋼軌和增設(shè)了道碴墊層后，才恢復(fù)了正常運行。此后，日本在修建高速鐵路時尋求新的途徑，這就是無碴軌道。

　　2.3.2日本無碴軌道的特點

　　日本把無碴軌道稱作板式軌道，它具有如下結(jié)構(gòu)特點：

　　2.3.2.1板式軌道由軌道板和鋼軌組成，由扣件將其聯(lián)9.軌道板由水泥瀝青砂漿層(CA砂漿)整體支承。

　　2.3.2.2軌道板為鋼筋棍凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，考態(tài)到運輸、鋪設(shè)作業(yè)及曲線地段軌道中心和軌道板中心錯位等因素，軌道板標(biāo)準(zhǔn)長度為5m。

　　2.3.2.3為防止軌道板沿軌道縱、橫向移動，要把軌道板固定在整體道床上，因此在隧道及高架橋的整體道床上設(shè)置圓柱形混凝土凸臺。

　　2.3.2.4軌道的高低誤差可通過在軌道板襯墊和鋼軌墊板之間插人可調(diào)高襯墊進(jìn)行調(diào)整，而軌道的方向誤差則可通過調(diào)節(jié)鋼軌扣件及移動軌道板進(jìn)行校正。

　　2.3.2.5在軌道板和整體道床之間采用自然重力法填充瀝青

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