客运专线轨道设计和施工技术

客运专线单元板式无砟轨道设计与施工技术中国铁道科学研究院2008年03月1江成۩国外单元板式轨道研究与应用概况۩我国单元板式轨道系统的前期研究۩单元板式无砟轨道系统的设计۩混凝土轨道板制造的主要技术要求۩单元板式无砟轨道的施工技术与质量控制要点2一.前言高速铁路轨道结构从总体上可分为两类：۩以碎石道床、轨枕为基础的有砟轨道；۩以混凝土或沥青混合料为基础的无砟轨道。实践表明：两种轨道结构均可保证线路的高平顺性、稳定性和高速列车的安全运营。由于两类轨道结构在技术经济性方面的差异，各国均根据自己的国情路情合理选用，以取得最佳的技术经济效益。随着列车速度的不断提高，有砟轨道结构面临严峻的挑战：۩道砟粉化及道床累积变形的速率加快；۩必须采取一系列轨道结构强化措施，诸如：铺设重型轨枕、优质道砟、弹性扣件、无缝线路，优化道床尺寸，铺设砟下胶垫、枕下胶垫等；۩需要频繁的养护维修作业来满足高速铁路对线路的高平顺性、稳定性的要求。一.前言۩自上世纪60年代开始，世界上很多国家在强化有砟轨道的同时，相继研发了以“高平顺性”和“少维修”为主要目标的多种型式无砟轨道结构，通过技术、经济性的不断完善，无砟轨道结构在高速客运专线上的推广应用范围愈来愈广，日本、德国、韩国、我国台湾等后期修建的客运专线铁路无砟轨道所占比例均在90%以上。一.前言۩线路平顺性高、钢轨支点支承均匀性好，提高旅客乘坐舒适性。۩消除了道床的累积变形，显著减少维修工作量和维修装备，延长维修周期，从而可大幅节省维修费用。۩耐久性好，服务期长（设计使用寿命60年）。۩提供更高、更稳定的线路纵、横向阻力，保证无缝线路在恶劣气候、紧急制动条件下的稳定性。在确保列车运行安全和舒适性的前提下，困难地段的选线设计参数有可能放宽，有利于适应地形选线，并可减少工程量。۩避免了高速铁路特级道砟资源的要求，道床整洁美观，避免高速条件下的道砟飞溅问题。۩自重轻，可减轻桥梁二期恒载；结构高度低，可减小隧道开挖断面。无砟轨道的主要优点：۩轨道结构本身的初期工程投资要大于有砟轨道。۩轨道必须建于坚实、稳定、不变形或有限变形的基础上，无砟轨道的高低调整能力有限（主要通过扣件系统），一旦下部基础残余变形超出扣件调整范围或导致轨道结构裂损，修复和整治困难。۩道床面相对平滑，轮轨产生的辐射噪声相对较大。无砟轨道同样具有结构设计特点所带来的一些不足，几十年来，世界铁路技术人员针对这些不足，在无砟轨道设计、制造、施工等各个环节在不懈地努力克服。适于无砟轨道铺设的范围۩基础变形相对较小的桥梁、隧道区段۩地质条件好、基础坚实、工后沉降易于有效控制的路基区段۩特殊减振区段۩优质道砟短缺、人工费用高的地区。目前我国客运专线采用的无砟轨道结构型式无砟轨道结构型式预制板式现浇混凝土式单元板式纵连板式双块式轨枕埋入式新广州站工程京津城际武广、郑西客专岔区۩日本为世界上铺设无砟轨道最多的国家，其无砟轨道结构型式主要为单元板式。从1965年开始试验研究，目前累计铺设里程已达2700多km（其中新干线约1600多km）۩日本板式轨道的是从隧道、桥梁上开始的，以后逐渐扩大路基区段。山阳、东北、上越、北陆、九州等新干线全部桥、隧及部分路基区段均铺设了板式轨道。二.国外单元板式轨道的研究与应用概况日本新干线无砟轨道所占比例东海道新干线(东京～新大阪）山阳新干线(新大阪～冈山）山阳新干线(冈山～博多）东北新干线(东京～盛冈）上越新干线(大宫～新泻）北陆新干线(高崎～长野）0%20%40%60%80%100%有碴碴道无碴碴道直碴碴道100955693110828491515852.1单元板式轨道的结构组成与设计特点2.2单元板式轨道结构型式的发展历程2.3北陆新干线板式轨道施工录像2.4轨道板制造过程录像2.5单元板式轨道的优缺点分析2.1板式轨道的结构组成与设计特点۩钢轨۩扣件（含充填式垫板）۩预制轨道板۩水泥沥青砂浆调整层۩混凝土底座۩凸形挡台及周围填充树脂结构组成۩明确的层状体系设计，方便维修，可修复性强۩传力明确水平荷载：凸形挡台垂向荷载：轨道板、底座۩轨道板工厂预制，道床结构现场拼装施工，施工效率高۩轨道板下可设置弹性层，减轻对环境的影响设计特点2.2板式轨道结构型式的发展历程日本单元板式轨道主要由铁道综合研究所集中研发，从60年代中期开始总共建立了20多处近30多公里的试验段，曾提出多种轨道结构设计方案，如A型、M型、L型和RA型等，开展了大量的室内、运营线上动力测试和长期观测的试验研究工作，并在试验结果的基础上，不断地改进完善结构设计参数和技术条件。目前日本新干线板式轨道的标准结构型式：۩A型（平板式）－RC或PRC型۩AF型（框架式）－RC或PRC型۩减振G型。（1）普通A型板式轨道（RC、PRC）最初为普通混凝土（RC）平板结构，为应用于东北、上越新干线的寒冷地区，后来又研制出双向预应力结构（PRC）的轨道板，以防止轨道板混凝土开裂和冻胀。（2）框架（AF）型轨道板－－适于温暖地区采用钢轨扣件（含充填式垫板）预制轨道板凸形挡台及周围填充树脂水泥沥青砂浆调整层(袋装灌注)现浇钢筋混凝土底座框架（AF）型轨道板的主要优点：۩降低轨道板的制造成本；۩减少CA砂浆的灌注量；۩减小由于日温差引起的轨道板翘曲；۩自重减小约15％～20％，不仅减小了二期恒载，同时改善了轨道板的铺设、维修更换的条件；۩有利降低无砟轨道线路的噪声；۩由于隔断了轨道板表面的部分水膜连通，在一定程度上可提高道床的漏泄电阻。۩框架式轨道板在露天区间应用时的中部排水问题。排水处理除在轨道板端部预留排水通道外，应根据线路纵坡、超高情况具体设计，检查确保排水通畅。۩严寒地区使用，轨道板中空部位积雪。框架板的主要缺点：普通混凝土框架型（RC）轨道板的厂内制造预应力混凝土框架型（PRC）轨道板的厂内制造（3）减振G型板式轨道为解决新干线的振动噪声问题，日本从70年代后期开始，在日野土木研究所、东北新干线上的“小山试验线”、北上地区、古河地区的高架桥上分别试铺了20多种型式的减振性板式轨道结构（减振A型～减振H型），测试其减振效果，在进行技术、经济分析后，最终将减振G型板式轨道作为标准型式在减振降噪区段推广铺设。板底橡胶及泡沫聚乙烯垫层的厂内粘贴减振G型板式轨道在车站高架桥上的应用橡胶垫层水泥沥青砂浆层۩桥上A型（PRC）板式轨道（含伸缩调节器区段）（4）日本板式轨道的应用۩桥上和隧道内框架式板式轨道隧道内桥上۩日本板式轨道在土质路基上的应用日本在土质路基上板式轨道在的研究与应用相对较晚，从80年代开始研究，90年代初开始试铺北陆新干线应用前，确定路基沉降目标值为30mm，在铺设60m试验段后，观测下沉6.2mm，1993年在北陆新干线铺设了10.8km，占土质路基上的的1/4在软弱路基上慎用。路基上单元板式轨道2.3日本北陆新干线板式轨道施工录像2.4日本新干线轨道板制造过程录像2.5单元板式轨道结构的优缺点优点缺点1.桥上、隧道和路基上轨道结构型式基本相同，利于轨道结构与线下工程的标准化设计。2.现场混凝土施工量少；CA砂浆袋装灌注，施工工效高、进度快。3.轨道板为工厂预制，质量易于保证；可采用框架结构，经济性好；现场设制造厂灵活、建厂投资相对较小。4.可修复性较好。CA砂浆将上下部结构分开，维修只需清除砂浆，即可分离上下部结构；1.钢轨铺设后，轨道精细调整工作量较大。2.乳化沥青水泥砂浆、凸形挡台填充树脂、充填式垫板材料的生产、施工专业性强。三.我国单元板式无砟轨道系统的前期研究我国铁路单元无砟轨道结构的研究始于上世纪90年代，经历了以下几个阶段：1995～1999高速铁路单元板式轨道结构的前期理论研究与室内试验2004～2005遂渝线无砟轨道试验段单元板式轨道的成区段铺设1999～2004秦沈桥上、赣龙隧道内单元板式轨道的小规模试铺2005国外无砟轨道先进技术的系统引进2006－客运专线无砟轨道技术再创新۩在国家“九五”计划项目中，开始针对京沪高速铁路的前期研究，开展了单元板式轨道无砟轨道结构设计参数的研究。۩1998年在铁科院试验室内建立单元板式无砟轨道实尺模型，进行静载和疲劳试验，验证设计方法和设计参数。1995～1999高速铁路单元板式轨道结构的前期理论研究与室内试验单元板式۩在秦沈线狗河（直线）、双何（曲线）特大桥上、赣龙线枫树排隧道试铺了单元板式无砟轨道。－针对试验段无砟轨道工程，研究制订了设计、制造、施工技术条件和验收标准，并进行了实车运行试验。1999～2004秦沈桥上、赣龙隧道内单元板式轨道的小规模试铺秦沈狗河桥赣龙线隧道内秦沈双何桥۩在遂渝线路基、桥梁、隧道内成区段铺设了自主研发的单元板式无砟轨道结构。－首次研发了普通混凝土框架板、预应力混凝土框架板－首次在路基上铺设了单元板式轨道结构－进行了动车组和货车运行试验2004～2005遂渝线无砟轨道试验段单元板式轨道的成区段铺设路基上单元板式隧道内单元板式铁科院环行线路基上单元板式2005年底在铁科院环行试验线路基上铺设了单元板式轨道۩铺设了双向预应力平板、双向预应力框架板、普通混凝土框架板۩经过25t轴重、120km/h货车8000万吨通过总重的运行试验۩与先进国家相比，我国针对高速铁路、客运专线无砟轨道的试验研究起步相对较晚。为满足我国客运专线的建设需要，2005年铁道部全面引进了国外无砟轨道先进技术，针对新广州站工程的建设，系统引进了日本新干线单元板式轨道的设计、制造、施工、检测和养护维修等成套技术。2005国外无砟轨道先进技术的系统引进2006客运专线无砟轨道技术再创新由于国情、路情的不同，单元板式无砟轨道引进技术在客运专线应用过程中存在一些适应性问题，突出表现在：۩我国幅员辽阔，地质条件复杂，气候条件差异大，无砟轨道与不同环境条件的适应性。۩无砟轨道与我国客运专线ZPW2000无绝缘轨道电路的适应性。۩无砟轨道工程材料（水泥、钢材、乳化沥青水泥砂浆及其它多种特殊材料等）的技术标准与我国国标、客运专线铁路相关标准的差异性。۩无砟轨道施工方法、施工装备、物流组织与我国客运专线具体条件的适应性。为此，我国铁路在前期研究成果和消化吸收无砟轨道引进技术的基础上，针对我国国情和客运专线具体条件，自2006年底开始开展无砟轨道技术再创新工作，对无砟轨道关键技术进行全面创新：无砟轨道设计理论和设计方法无砟轨道结构设计工程材料（水泥沥青砂浆、树脂等）站后接口（轨道电路、综合接地等）制造、施工装备及工艺经济性分析质量管理信息系统维修技术等研究成果近期在武汉综合试验段投入工程实施铺设长度约20km我国台湾高速铁路（台北－高雄）单元板式轨道的应用۩正线全长345km，其中86.6％采用引进的日本单元板式轨道结构；8.5%采用Rheda2000型；3.8％采用弹性支承块式（LVT）减振轨道；1％为有砟轨道；0.1％为直接支承式。۩位于温暖地区，采用普通混凝土（RC）框架式轨道板。四.单元板式无砟轨道系统的设计414.1设计原则与总体设计方案4.2桥上、路基和隧道内单元板式轨道结构设计4.3板式轨道～有砟轨道过渡段设计4.1设计原则与总体设计方案۩设计基于《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》，按容许应力法设计۩结构设计使用寿命为60年۩采用弹性地基上“梁-板”理论进行结构设计۩结构设计考虑客运专线高频谐振式轨道电路与综合接地的相关要求۩结构设计、原材料应考虑抗冻性和耐久性要求。－设计原则－单元板式轨道的总体设计方案（1）轨道板۩采用后张双向预应力混凝土轨道板，设计荷载作用下，混凝土容许出现拉应力，不容许开裂。۩在我国客运专线32.6m主型梁的基础上，确定了轨道板的标准长度4962mm，扣件的节点间距629mm，板间间隔70mm。۩适应严寒地区耐久性要求，轨道板厚度200mm，板面设承轨台，台高20mm（总高度220mm）严寒地区单元板式轨道的总体设计方案（2）配套扣件（含充填式垫板）采用无挡肩的弹性分开式扣件，刚度20～30kN/mm（3）凸形挡台۩在混凝土底座上设置凸形挡台，实现轨道