客运专线铁路无碴轨道工程技术(下)

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：铁路，无碴轨道，技术研究与探讨

3.4 3种无碴轨道结构的特点

      长轨枕埋入式无碴轨道、板式无碴轨道、弹性支承块式无碴轨道的结构组成和结构特点见表5。

      结构整体性能，3种结构均具有无碴轨道的线路稳定性好、刚度均匀性好、线路平顺性高、耐久性高的突出优点，并可显著减少线路的维修工作量。

      从轨道结构每延米重量看，无碴轨道均要小于有碴轨道。相对而言，板式轨道结构高度低，道床宽度小，重量最轻，这样在桥上铺设时可降低桥梁的二期恒载，在隧道内应用时可减小隧道的开挖断面，因此有可能降低桥梁、隧道结构的总造价；而长枕埋入式无碴轨道受预制轨枕长度的限制，道床宽度要大于板式轨道，每延米重量较大；弹性支承块式无碴轨道的自重则介于两者之间。

      从室内落轴冲击的试验结果看，长枕埋入式无碴轨道结构的整体刚度要稍大于设置CA砂浆调整层的普通型板式轨道，弹性支承块式无碴轨道结构由于设置了双层橡胶垫层，其整体刚度较小。对于在客运专线或高速铁路的桥上应用来说，无碴轨道结构具有的高平顺性、刚度均匀性，以及桥梁的挠曲变形在一定程度上可弥补无碴轨道结构整体刚度大的缺陷。

(2)制造与施工

①板式轨道

      板式轨道结构中的轨道板(RC或PRC)为工厂预制，其质量容易控制，现场混凝土施工量少，施工的机械化程度高，可将人为控制因素减至最少，且施工进度较快(200 m／d)，道床外表美观。

      由于其采用“由下至上”的施工方法，施工过程中不需工具轨，施工结束后，承轨面高低、水平误差小，为一次铺设跨区间无缝线路提供了平顺的工作面。

     在特殊减振及过渡段区域，通过在预制轨道板底粘贴弹性橡胶垫层，易于实现下部基础对无碴轨道的减振要求。

      轨道状态整理过程中充填式垫板的应用，使钢轨支点的支承均匀性得到保证。在桥上铺设时，受桥梁不同跨度的影响，需要不同长度的轨道板配合使用；曲线地段铺设时，线路超高顺坡、曲线矢度的实现对扣件系统高低、方向调整要求较高。板式轨道结构中CA砂浆调整层的施工质量要求高，其质量的好坏直接影响轨道的耐久性。板式轨道的制造、运输和施工的专业性较强，包括轨道板的制造、运输、吊装、铺设；CA砂浆的现场搅拌、试验、运输和灌筑；轨道状态整理过程中的充填式垫板树脂灌筑等。

②长枕埋入式和弹性支承块式轨道

     长枕埋入式无碴轨道和弹性支承块式无碴轨道采用我国较成熟的“钢轨支撑架”法“由上至下”进行施工，其道床结构中除横向穿孔轨枕、混凝土支承块需要工厂预制外，其余混凝土均为现场浇筑，道床表面宜设置横向排水坡。

      在曲线地段施工时，线路的超高顺坡、曲线圆顺度等易于控制。但施工过程中需要工具轨(新钢轨)作为控制线路高程的基准。

    现场混凝土的施工量较大，受混凝土龄期的影响，其施工进度相对较慢。

      由于混凝土道床板表面为人工抹平，外观上与板式轨道结构预制的轨道板相比要差。

      在需要特殊减振及过渡段区域，长枕埋入式无碴轨道由于混凝土底座中央两端设置限位凹槽，在设计与施工底座和道床板之间的弹性层方面都相对要困难一些。

(3)线路维修

       参照国外同类无碴轨道结构的使用情况，长枕埋入式和弹性支承块式无碴轨道的维修工作主要体现在扣件螺栓的涂油工作。

      板式轨道的维修除此之外，还存在控制和修补边缘CA砂浆破损的问题。从13本铁路板式轨道初期的运营经验看，由于板式轨道水泥沥青(CA)砂浆调整层的存在，其受自然环境因素的影响较大，在凸形挡台周围及轨道板底边缘的CA砂浆存在破损现象，特别是在线路纵向力较大的伸缩调节器附近，因此13本铁路除相应开发出了修补用的树脂砂浆外，在设计方面，用强度高、弹性和耐久性好的合成树脂材料替代凸形挡台周围的CA砂浆。对于轨道板底的CA砂浆调整层，以灌筑袋的形式取代初期的设置模板的直接灌筑，不仅节省了施工用模板的投入，而且减少CA砂浆层的环境暴露面，从而显著提高了板式轨道结构的耐久性，以实现无碴轨道结构少维修的设计初衷。

       从特殊情况下无碴轨道损坏时的可修复性方面来看，由于板式轨道的轨道板与下部基础之间、弹性支承块式无碴轨道的支承块与混凝土道床之间是隔开的，其可修复性较强；而长枕埋入式无碴轨道的穿孔轨枕与混凝土道床板浇筑成一体，尽管有隔离层将道床板与下部基础隔开，但相比而言，其可修复性较差。

(4)初期投资

      无碴轨道工程的初期投资与多种因素有关，包括轨道的结构型式、制造成本、施工地区、铺设长度、施工机具设备及施工工效等。

      在试验段的初期投资方面，板式轨道的制造设备、施工机具的专用性强，初期投资包括轨道板制造模型的投入；轨道板运输、吊装设备与铺设机具；CA砂浆的搅拌、运输及灌筑设备、充填式垫板施工机具等，而长枕埋入式无碴轨道的制造和施工主要是预制穿孑L轨枕的模型与钢轨支撑架、工具轨等的初期投入，因此相比而言，板式轨道的初期投资无论从轨道部件的制造成本、轨道的施工投入都要比长枕埋入式无碴轨道要大。

      弹性支承块式无碴轨道由于橡胶套靴和块下橡胶垫板的成本较高，而施工设备和机具的投入基本上与长枕埋入式无碴轨道相同，其初期投资介于板式轨道和长枕埋入式无碴轨道之间。

     但国内外的运营实践表明，无碴轨道结构可大幅降低线路养护维修费用，其社会经济效益明显。

3.5 板式、长枕埋入式无碴轨道结构综合试验结果

      在秦沈客运专线建设过程中，3次综合试验对板式、长枕埋入式无碴轨道(沙河、狗河大桥和双何特大桥)及2座桥上有碴轨道(石河二号、跨兴闫公路特大桥)的轨道各项动力参数进行了测试，测试结果均满足《秦沈客运专线桥上无碴轨道设计技术条件》的各项要求，并对今后设计与施工的完善提供了实践经验。例如，对于高速铁路路桥、无碴／有碴过渡段的处理技术方面，应加以重视，建议在设置无碴轨道范围内桥台取消耳墙式桥台形式。由于2种新型无碴轨道结构在我国首次铺设，施工方法、施工机具、设备等都未能达到标准化程度，导致个别地段的轨道铺设精度不高。因此为提高无碴轨道的施工质量，在施工方法和机具的标准化方面应进行深入研究。对于板式轨道结构，应将树脂充填式垫板作为其轨道结构的组成部分纳入板式轨道的设计技术条件中。箱梁的徐变上拱度初期发展较快(占60％ ～75％)，后期明显减缓，建议在无碴轨道梁体结构设计上应增大梁体刚度，在施工过程中通过严格控制混凝土质量、预应力张拉的龄期，准确施加预应力，尽可能地延长无碴轨道施工与箱梁张拉完毕的时间间隔，箱梁自终张拉完毕至观测结束期内的总徐变上拱度均应控制在20 mm以内。

4 无碴轨道扣件

      发无碴轨道扣件除了应具备普通钢轨扣件所具有的所有功能外，它还应具有其特殊的功能，具体表现在：(1)更强的保持轨距能力；(2)足够的防轨爬行扣压力；(3)良好的减振性能；(4)结构简单和养维护工作量少；(5)可靠度高和较好的绝缘性能等。各个国家针对自己不同的无碴轨道形式均采用了不同轨道扣件系统，并在使用过程中进行了改进和完善。

(1)无碴轨道的小阻力扣件

      无碴轨道扣件分为路基无碴轨道用扣件、桥上无碴轨道用扣件和隧道内无碴轨道用小阻力扣件，要求富有弹性并便于调整轨距高低。用于无缝线路的无碴轨道扣件，要求具有较小的线路纵向阻力。

     图20是我国目前仅在桥上采用的无碴轨道小阻力的扣件，适用于桥上无碴轨道标准轨距铺设60k#m钢轨和混凝土整体道床，满足高速铁路桥上铺设无缝线路对钢轨扣件的要求。在轨下及其垫板下均设置有调高垫板，扣件具有+10 mm至一12 mm的轨距调整量，+30 mm至0 mm的钢轨高低调整量。每副扣件，钢轨纵向阻力为6.5 kN±0.5 kN。

     如果采取结构措施，可降低至3.6 kN±0.4 kN，其钢轨纵向阻力值低于普通扣件7 kN。

(2)loarv300轨道扣件系统

      loarv300轨道扣件系统是德国目前无碴轨道的标准形式(见图21)，一般区段的无碴轨道结构设计必须与标准扣件形式相匹配。此扣件的高低调整量为+26 mm至-4 mm，轨距调整为±4 mm，橡胶垫板厚度12 mm，静刚度值为(22.5±2.5)kN／mm。

     其它形式的扣件还有336、A8、ERL／BWG和Krupp型等。

(3)无碴轨道上的潘德罗尔扣件

      普通的潘德罗尔扣件与我国Ⅲ型扣件相似，其调整轨距及钢轨高低的能力很低。无碴轨道使用的潘德罗尔扣件增加了带槽的铁垫板，以便调整钢轨高低。利用铁座孔内的偏心齿轮以调整扣压力，并利用楔形齿条以调整轨距。图22是1997年在日本长野新干线板式轨道上试铺的潘德罗尔扣件，轨距可调范围±10 mm。另有一种扣件，其钢轨高低最大可调14 mm。

(4)日本直结型板式轨道扣件

      日本在高速铁路建设过程中，研制了多种针对采用不同形式的无碴轨道的钢轨扣件，包括直结4型、5型、7型和8型。直结型轨道扣件是日本高速铁路板式轨道使用的特制扣件，其中直结5型采用较多，其结构特点是在铁垫板开设了长圆孔状的螺栓孔，通过移动铁垫板的位置来进行轨距和方向的调整。图23是在一般区间使用的直接8型扣件，其钢轨高低调节范围是+30 mm至0 mm，轨距±10mm。在软土路基的特殊区间，采用直结7型，具有更强的调节几何形位能力，其钢轨高低可调+50mm至0 mm，轨距±30 mm，如图24所示。图25为改进型直结8型钢轨扣件，它与直结8型扣件的区别在于采用锚固螺栓一塑料套管代替了T型锚固螺栓一固定铁件和套管，其实质是对紧固铁垫的连接件进行了改进，改进后紧固铁垫板更加可靠。

5 充填式垫板

      由于板式轨道结构中的轨道板为工厂预制，其施工方法为“由下至上”施工，轨道板状态调整、CA砂浆灌筑完成后，其上部线路状态的精细调整主要通过扣件进行调整；特别是对于处在缓和曲线与竖曲线上(线路高低渐变)的无碴轨道来说，利用预制的、厚度一定的调高垫板进行精细调整，难以满足高速铁路对线路平顺性、支承均匀性的设计要求，必须设置充填式无级调高垫板，见图26、图27。2001年在秦沈客运专线无碴轨道科研项目的支持下，通过借鉴日本板式无碴轨道调节用充填式垫板经验，我国完成了充填式垫板的试制和各项性能试验工作(包括充填式垫板内的树脂注人材料的研制)，并成功地在秦沈线双何特大桥曲线板式无碴轨道上铺设，效果良好。

6 几点思考

     随着我国客运专线铁路的建设与发展，考虑世界先进国家无碴轨道工程技术的发展趋势，研究和应用适用我国国情的无碴轨道技术，特别是掌握无碴轨道施工核心技术，对于施工企业来说，具有重大的现实意义，有以下几个方面值得我们关注和思考。

(1)《中长期铁路网规划》的批复和客运专线铁 路建设标志着我国铁路建设理念的重大转变，也是铁路施工技术升级的关键时机。掌握客运专线无碴轨道技术对铁路施工企业的综合能力和专业水平提出了更新、更高要求，也是对施工企业高层管理人员和专业技术人员的重大挑战，必须给予前所未有的重视和高度关注。

(2)我国目前铁路提出的3种新型无碴轨道结构的应用还仅限于在桥梁和隧道中，规模小，施工大都采用传统的方法和工艺，机械化施工程度不高，效率低，部分施工企业虽然储备了一定的技术和积累了一些建设经验，但却难以应对即将建设的客运专线铁路建设工期、施工标准的要求，应提前进行技术、人才的储备和施工成套机械设备以及机具的开发和应用。对于技术的引进，应针对适合我国客运专线铁路建设特点，采取成套引进方式。因为国外研究和发展高速铁路已有多年，无论无碴轨道的设计和施工、运营以及维护均形成了较为完善的成套技术，并在运营中积累了比较丰富的经验，避免同一类型的无碴轨道采用多国技术。同时，并结合我国几条即将开工的客运专线无碴轨道试验段的建设，深入研究不同轨道结构的施工关键技术和施工机具配套，以在较短的时期内取得适合我国客运专线铁路特点的建设经验。

(3)积极学习并借鉴国外先进技术，通过选派技术、管理人员赴国外学习交流，甚至参加国外无碴轨道工程建设，这是加快掌握无碴轨道设计和施工核心技术的有效途径。

(4)板式无碴轨道的cA砂浆(乳化沥青水泥砂浆)弹性调整层是板式无碴轨道结构的关键组成部分，其使用性能直接影响板式轨道的耐久性。由水泥、乳化沥青(A乳剂)、聚合物(P乳剂)、细骨料(砂)、混合料、水、各种外掺剂等，必须在规定的条件下才能形成cA砂浆，生产工艺要求非常严格，其中A乳剂目前国内尚未有固定的商品化品牌，CA砂浆配制和灌筑的设备和机具还不完善等，很大程度上会影响其质量的稳定性，对此有条件的施工企业应进行开发或合作开发，甚至技术引进，其经济效益不可低估。

(5)基于我国采用高频谐振式轨道电路的实际，除设计主要决定钢轨阻抗参数特征外，在无碴轨道结构的施工过程控制中，施工误差也会对道床泄漏电阻造成影响，应重视施工误差对轨道电路技术要求的影响(国外由于采用的信号制式不同，不存在该问题)。

7 结束语

      无碴轨道具有低维修量，长久稳定性保持好，使用寿命长，全寿命周期费用低，结构高度低、横向轨道阻力大，能避免道碴飞溅等优点，在国外高速铁路建设中的到了广泛应用。近几年来，国内的无碴轨道施工技术也取得了较大发展，学习并借鉴国外成熟的先进无碴轨道工程技术，对于提高我国客运专线建设水平，加快无碴轨道工程技术的发展，特别是对于施工企业提升核心竞争力，具有重大的现实意义。

参考文献：

1 卢祖文．客运专线铁路轨道．北京：中国铁道出版社，2005

2 王其昌．高速铁路土木工程．成都：西南交通大学出版社，1999

3 铁道科学研究院．秦沈客运专线桥上无碴轨道综合试验研究．北京：中国铁道出版社，2002

4 铁建设【2003】13号京沪高速铁路设计暂行规定