無砟軌道:軌道結構-中文百科頻道

簡介

無砟軌道采用自身穩定性較好的混凝土或瀝青道床代替有砟道床來傳遞行車時的動、靜荷載，而行車時需要的彈性變形主要由設置在鋼軌或扣件下精确定義的單元材料提供。無砟軌道結構設計要求其具有足夠的抗凍安全性，特别是對其下部結構在鋪軌完成後出現的後續沉降變形要求十分嚴格。所以，無砟軌道線路的長期穩定性較好，特别是在高速行車條件下，屬于一種正常情況下很少需要維修的上部結構形式。

根據下部結構的類型，無砟軌道可分為路基上無砟軌道、隧道内無砟軌道和橋上無砟軌道三大類。按下列五個參數，無砟軌道可以分為不同的結構類型：

1)按鋼軌支承方式可分為點式和連續式；

2)按支承扣件方式可分為有軌枕和無軌枕；

3)按軌枕支承方式可分為埋入式、嵌入式和支承式；

4)按道床闆材料可分為混凝土和瀝青；

5)按道床闆施工方式可分為預制和現澆。

無論何種形式的無砟軌道結構，由于采用了剛性較大的黏結硬化材料作為道床闆，一方面使得系統的荷載傳遞、擴散功能顯著提高，另一方面其适應下部結構沉降變形的能力卻大為下降，所以各種無砟軌道結構對基礎或者說路基的要求原則上是一樣的。大量的現場測試對比表明，在其他條件相同的情況下，行車時，無砟軌道和有砟軌道下基床和路基中的動荷載差别很大，如動應力和振動速度，相比較而言，不同無砟軌道結構條件下路基中動荷載的差别較小。從這兩點出發，着眼于無砟軌道路基的設計，本章代表性地以德國軌枕埋入式無砟軌道Rheda系統為例，介紹其基本原理和設計方法，并在此基礎上推出其對路基結構功能性、耐久性和平順性的要求。

曆程

遂渝鐵路無砟軌道試驗段在進行實車試驗。據成都鐵路局發布的消息，我國首條無砟鐵路軌道于2007年1月10日晚完成綜合試驗。試驗結果顯示，動車組時速達到232公裡，其平穩性、舒适度達到優級，測試的各項數據都在安全标準之内。

2004年9月，鐵道部決定在遂（四川遂甯）渝（重慶）鐵路建設我國首條無砟軌道試驗段，正線全長13.16公裡。

2007年1月3日，遂渝鐵路無砟軌道試驗段開始綜合試驗。

2009年12月26日，武廣高速鐵路投入運行。該線采用從德國睿鐵公司（RAIL.ONE）引進的RHEDA 2000雙塊式無砟軌道技術。

京滬高鐵、京石高鐵、石武高鐵、廣深港高鐵、京沈高鐵、哈大高鐵、滬甯城際均采用CRTSⅠ或CRTSⅡ型闆式無砟軌道技術。

2015年4月，第一條采用CRTSⅢ軌道闆的鄭徐客運專線開始鋪設。

2021年5月8日，國内首套無砟軌道智能鋪軌機組成功落地。在湖南省張（家界）吉（首）懷（化）鐵路施工現場，由中鐵四局主持研發的WPZ-500型無砟軌道智能鋪軌機組，順利将一對500米長鋼軌鋪設到位。

結構

随着京津城際高速鐵路、武廣高速鐵路、滬杭高速鐵路和京滬高速鐵路的相繼開通和運營，我國高速鐵路無砟軌道技術已逐步實現系列化、現代化和标準化。無砟軌道結構形式在線路上主要有CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道、CRTSⅠ型闆式無砟軌道和CRTSⅡ型闆式無砟軌道、CRTSⅢ型闆式無砟軌道，在道岔區段主要有長枕埋入式無砟軌道和闆式無砟軌道。

高速鐵路無砟軌道結構與普通軌道結構一樣，由鋼軌、軌枕、扣件、道床、道岔等部分組成。這些力學性質截然不同的材料承受來自列車車輪的作用力，它們的工作是緊密相關的，任何一個軌道零部件性能、強度和結構的變化都會影響其他零部件的工作條件，并對列車運行質量産生直接的影響。因此，軌道結構是一個系統，要用系統論的觀點和方法進行研究。鋼軌直接承受由機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、橫向和縱向水平力後再将其分布于道床，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、減振和衰減後傳遞給道床，并将作用力擴散傳遞于路基。

由于列車速度的提高與軌道結構的作用力及速度成正比，高速鐵路的軌道必然比普通線路具有更高的安全性、可靠性和平順性。為保證軌ⅡⅡ道結構的這些要求，軌道各部件的力學性能、使用性能和組成為結構的性能都比普通軌道部件高得多。作為鐵路基礎設施的軌道結構是一龐大的系統工程，其受力狀态極其複雜，運營條件的任何變化都會直接引發受力狀态的變化，而作為軌道結構基礎的橋梁、路基的狀态和性能對軌道結構有決定性影響，因此，作為高速鐵路和高速鐵路的軌道結構，具備良好的基礎并在正常受力條件下運營就顯得特别重要。高速鐵路一般采用60kg/m鋼軌、長度2.6m軌枕、彈性扣件、無砟的軌道結構，大号碼道岔，直向過岔速度與區間正線一緻，側向過岔速度與連接的聯絡線一緻，利用标準列車計算橋梁荷載，規定統一的列車速度和軸重，全部采用立體交叉。

設計

計算參數

根據闆式無砟軌道結構特點，選取基本計算參數。

為獲得最優的軌道結構，采用有限元梁-闆模型研究了主要參數對軌道結構各組成部分力學響應的影響規律。如果沒有特殊說明，荷載作用于闆中，CA砂漿彈性模量取300MPa，其它基本參數，計算結果中軌道闆或底座彎矩均為每米範圍所受的彎矩值，單位取KN·m/m。

荷載

根據試算，荷載作用于闆中和闆端兩個位置時軌道結構受力為最不利情況，因此選取這2種工況進行研究。荷載作用于闆中時，軌道闆縱向正彎矩、底座縱橫向負彎矩較大；荷載作用于闆端時，軌道闆縱向負彎矩、軌道闆橫向正負彎矩、CA砂漿最大反力以及底座橫向縱橫向正彎矩較大。設計中，應該綜合考慮這兩種荷載作用工況下的最大值。

扣件剛度

扣件剛度分别采用20KN/mm、40KN/mm、60KN/mm、80KN/mm進行分析。軌道闆和底座的彎矩以及CA砂漿最大反力都随着扣件剛度的增大而增大，但是當扣件剛度大于40KN/mm時，随着扣件剛度增大，軌道闆和底座的彎矩變化趨緩，底座的橫向負彎矩當扣件剛度大于60KN/mm時反而有所減小。

軌道闆

軌道闆寬度分别采用2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m進行分析。

随着軌道闆寬度的增大，軌道闆縱向彎矩逐漸減小；軌道闆橫向正彎矩當軌道闆寬度小于2.4m時随軌道闆寬度的增大而增大，當軌道闆寬度大于2.4m時随軌道闆寬度的增大而減小；軌道闆橫向負彎矩當軌道闆寬度小于2.2m時随軌道闆寬度的增大而減小，當軌道闆寬度大于2.2m時随軌道闆寬度的增大而增大；CA砂漿反力當軌道闆寬度小于2.4m時随軌道闆寬度的增大而減小，當軌道闆寬度大于2.4m時變化不明顯；随着軌道闆寬度的增大，底座縱橫向正彎矩均逐漸減小，縱橫向負彎矩變化不明顯。

軌道闆寬度為2.0m時，各别力學指标明顯偏大，說明軌道闆不宜太窄，同時可以看到軌道闆寬2.2~2.4m是力學指标變化的一個轉折點，因此結合力學計算及結構設計，從技術經濟角度綜合分析，軌道闆寬度取2.2~2.4m是合适的。

CA砂漿

CA砂漿彈性模量分别采用100MPa、300MPa、500MPa、1000MPa進行分析。

随着CA砂漿彈性模量的增大，軌道闆彎矩減小，CA砂漿本身的反力增大，底座彎矩增大，其中軌道闆縱向負彎矩和底座縱橫向負彎矩變化不明顯。

當CA砂漿彈性模量大于300MPa時，各力學指标變化趨緩，計算時其最大值可取300MPa，同時考慮CA砂漿彈性模量的離散性和軌道闆受力的最不利情況，最小值取100MPa。

地基

地基彈性系數采用K30，分别按50MPa/m、190MPa/m，500MPa/m，1000MPa/m進行分析。

随着地基彈性系數增大，除軌道闆橫向負彎矩增大外軌道闆其它彎矩減小，CA砂漿反力變化不明顯，底座彎矩減小。由此可知，隧道、橋梁地段由于基礎剛度較土質路基大，對軌道結構整體而言受力是有利的。

列車豎向荷載作用下闆式軌道最不利彎矩計算基本參數取值，同時考慮荷載作用位置以及CA砂漿彈性模量的離散性對計算結果的影響，計算列車豎向荷載作用下闆式軌道的最不利彎矩。

在闆式軌道力學計算中，荷載作用位置、扣件剛度、軌道闆寬度、CA砂漿彈性模量以及地基彈性系數等基本參數的取值是影響計算結果正确與否的主要因素，隻有基本參數合理才能保證計算結果的準确，為結構設計提供依據。

計算列車豎向荷載作用下軌道闆和底座的最不利彎矩時，荷載作用位置應分别考慮位于闆中及闆端兩種工況；CA砂漿彈性模量應考慮離散性，按100MPa和300MPa分别計算。

路基地段地基彈性系數采用K30時取190MPa/m是最不利情況，計算結果較隧道和橋梁地段偏大。

特點

優點

RHEDACITY無砟軌道闆的優點：

簡單、透明的系統結構，完美的軌道定位，與街道建築相融，交叉軌枕的使用确保了軌矩和軌道的幾何精确度，軌道盤采用摩擦鎖定式固定裝置，由于熱量可以充分進入軌道跨距，因此可以消除軌道構架的澆注不足現象。采用優化的軌道系統，設計具有出色的粘合質量，可進行整體式施工，使用預組裝部件确保軌道的彈性，軌道的彈性支撐或持續支撐，去除軌距連接杆，安全性極高、使用壽命長，符合電絕緣要求，具有“邊建設邊投入使用”的能力等。

缺點

無砟軌道具有高穩定性、少維修、壽命長的優點，并在國外鐵路獲得了廣泛應用，2005年德國出版的《軌道概論》對無砟軌道的缺點做了如下總結：

1)Rheda投資要比有砟軌道多1倍以上。科隆一法蘭克福線預算46億歐元，實際費用大約為50億歐元，增加大約30%，如此高的初期投資包括巨大的資本成本。有砟軌道成本為350歐元/m，無砟軌道最低為500歐元/m，最大為750—800歐元/m。即使施工方法得到優化，建設長度增加，成本系數仍達到1。

無砟軌道相對有砟軌道的經濟效益僅能從有砟軌道需要增加的維修費用計算得到。現有砟軌道的維修在很大程度上實現了機械化和自動化，比手工作業費用要低，并能夠持久地保持軌道幾何狀态；無碴軌道也需要維修，鋼軌打磨工作量相對有砟軌道要增加，随着無砟軌道使用時間的增加，傷損将增多，而且無砟軌道的修複工作比較複雜，并需要大量費用和時間，一旦損壞引起關閉線路帶來倒換相當大，也是初期無法計算或預料的。

隧道内的無砟軌道相對有砟軌道具有良好的經濟效益。但橋上和路基上的無砟軌道往往經濟效益差一些，限制基礎的長期沉降需要維護，比有砟軌道要增加2倍。

2)混凝土無砟軌道為剛性承載層，當達到承載強度極限時将産生斷裂，并引起軌道幾何尺寸的突然變化和難以預見的惡化。

3)總體上來說，無砟軌道建設和維修都沒有達到自動化程度。無砟軌道的質量需要高水平的養護措施提供保障。這意味着在施工工序和質量控制方面都要增加額外的費用和時間。建設期間的質量缺陷将為整個使用壽命期留下隐患，并需要花費高昂的代價進行彌補。

4)無砟軌道作為剛性結構，在後期運營階段僅允許做少量的完善，比如改善軌道幾何狀态很難。

5)無砟軌道很難在粘土深路塹、松軟土路堤或地震區域鋪設。

6)對脫軌或其他原因導緻的嚴重損壞還沒有特别有效的措施，要修複。混凝土的養生和硬化需要很長的時間。也就是說，嚴重的事故将導緻線路關閉時間比較長，對運輸影響比較大。

7)無砟軌道最嚴重的缺點是改進的可能性受到限制。

8)無砟軌道的另外一個缺點是，在路基上鋪設時，任何情況下都要鋪設防凍層（至少70cm厚）。要延長無砟軌道的壽命周期，水凝性材料層厚度幾乎不能減少。路基處理深度也比有砟軌道深。

9)大部分經濟研究沒有考慮無砟軌道到了壽命周期後高昂的再建費用。