中国高速铁路轨道结构走出去的几点建议

中国高速铁路轨道结构“走出去”的几点建议中国高铁走向世界，是“总理工程”，更是国家战略。作为我国创新型国家建设的重大突破和自主创新的标志性成果，高速铁路已然成为中国新的“外交名片”和“形象代表”。李克强总理多次向东南亚国家、中东欧国家和澳洲等推介我国高铁技术，体现了中国已经将高铁走出去提升至国家外交战略层面，高铁已成为既乒乓球、大熊猫之后，中国新的友好使者。走出去的中国高铁，必须严格保证列车运行的安全性和舒适性，这就对高速铁路的轨道结构提出了更高的要求。列车速度的提高给轨道结构的作用力与速度的n次方成正比,因此高速铁路的轨道必然要比普通线路具有更高的安全性、可靠性和平顺性。本文将对高速铁路轨道结构各组成部分的选择和技术标准的制定提出几点建议。轨道结构组成部分的选择轨道是铁路运输的重要技术设备，高速铁路轨道结构和普通铁路轨道结构一样，由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成。这些力学性质绝然不同的材料承受来自列车车轮的作用力，它们的工作是紧密相关的。轨道结构应该保证机车车辆在规定的最大载重和最高速度下运行时，具有足够的强度、稳定性和合理的修理周期。与其他工程结构物不同，轨道具有荷载的随机性和重复性、结构的组合性、修理工作的经常性和周期性。任何一个轨道零部件的性能、强度和结构的变化都会影响所有其他零部件的工作条件，并对列车运行质量产生直接的影响。影响轮轨动力作用的轨道参数极为广泛，包括轨道结构各部件质量及轨下基础弹性与阻尼等众多因素。通过综合分析比较，归纳出以下4点建议来保证轨道结构的质量。采用超长轨条无缝线路有缝线路的轨道接头是轮轨垂向动荷载作用的重要激扰源，在高速下会产生很大的轮轨力。例如，对于总折角为0.02rad的低接头，当以高于16okmh/的速度通过时，其轮轨力远远超出许用值。因此高速轨道要采用无缝线路，无缝线路是由许多根标准长度的钢轨焊接成一定长度的长钢轨线路。无缝线路具有行车平稳、旅客舒适、节省接头材料、降低维修费用、延长线路设备和机车车辆使用寿命等优点，是铁路轨道结构的发展方向。为了使轨缝数目减到最少，用超长轨条是十分必要的。与此同时，对最少数量的轨缝应该确保其接头质量。因为在高速情形下，即使是微小的焊缝凸台，都有可能导致相当剧烈的轮轨冲击与振动(表1)。从理论上讲，无缝线路可以无限长，但多年来由于技术上的限制，区间信号和道岔区存在钢轨接头，成为无缝线路的薄弱环节。随着科学技术水平的提高和铁路技术装备的加强，无绝缘轨道电路技术和装备的普及、钢轨绝缘接头的采用、高碳中锰钢轨和高碳微钒钢轨与道岔高锰钢焊接技术的突破，无缝线路实现实际上的无限长已成为现实。沪宁线利用线路大修在20世纪末实现一根全长223.2km的跨几十个区间的超长无缝线路、秦沈客运专线首创新线建设全线一次铺设无缝线路、结合秦沈客运专线的京秦改造工程实现全线一次铺设无缝线路等，说明我国铺设超长无缝线路的技术非常成熟。新线铺设无缝线路应采用一次铺设无缝线路方案，即新铺设长钢轨一次焊接成无缝线路，在无缝线路铺设之后，基本上不承受施工列车、更不承受初期运营列车的作用，保证高速线路的质量。采用板式轨道有碴轨道不均匀下沉产生的120Hz以下频率范围的激振严重，轨道破损和变形加剧，从而使维修工作量显著增加，维修周期明显缩短。日本对高速铁路桥上的有碴轨道与无碴轨道维修费用进行的统计分析表明，有碴轨道的线路维修费用比无碴轨道高111%，也就是说有碴轨道的维修费用相当于无碴轨道的2倍多。板式轨道结构因具有强度高、稳定性好、轨道几何尺寸保持长久、维修工作量少、耐久性好、残余变形的积累很小，缩短“天窗”时间，桥梁二期恒载小，可降低隧道净空减少开挖面积，综合经济效益高等优点，因此板式轨道在高速铁路上获得了越来越广泛的应用。在日本板式轨道的基础上经技术经济优化形成了我国的CRTSⅠ型板式轨道，在德国博格板式轨道的基础上形成了我国的CRTSⅡ型板式轨道，为了适应中国铁路“走出去”战略的需要，必需提升中国无砟轨道技术的自主创新,打造中国无砟轨道的自身品牌。为此，在总结我国既有无砟轨道研究与应用经验的基础上，结合无砟轨道技术再创新研究成果，研发并铺设了具有完全自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道。其主要创新点是:改变了板式轨道的限位方式、扩展了板下填充层材料、优化了轨道板结构、改善了轨道弹性及完善了设计理论体系等方面。鉴于板式轨道的特点，板式轨道可考虑在隧道、高架桥、混凝土桥面等混凝土基础之上铺设。另外，需降低线路上部建筑高度和改善净空条件（如车站高架桥和高速铁路下穿既有高速公路大桥）地段也可采用板式轨道结构。轨道板结构型式应采用双向预应力式。合理选择扣件目前我国自主研发的高速铁路扣件有弹条Ⅳ型、弹条Ⅴ型、WJ-7型、WJ-8型扣件。弹条IV型扣件系统为无螺栓扣件系统，属轨枕不带混凝土挡肩的弹性不分开式扣件。具有零部件少，结构紧凑，扣压力大，保持轨距能力强，维修工作量少等优点，尤其适用于采用大型机械作业的线路。弹条Ⅴ型扣件系统为螺栓扣件系统，属轨枕带混凝土挡肩的弹性不分开式扣件。WJ-7型扣件系统为带铁垫板的无挡肩弹性分开式结构，WJ-8型扣件系统为带铁垫板的弹性不分开式扣件。扣件是轨道结构的重要组成部件，为保证行车绝对安全和旅客乘坐的舒适性，要求钢轨扣件具有足够的扣压力，良好的绝缘性能、较低的刚度；要求少维修、各节点刚度一致等，因此，扣件技术是无砟轨道结构关键技术，做好钢轨扣件设计，是高速铁路轨道设计的重点。扣件不仅要有足够的强度和扣压力，还应具有良好的弹性和一定的调整能力等。扣件类型不同，使用范围也不同，设计中应根据扣件的性能参数、设计原则和上述选型设计要求，合理选用不同类型的扣件，才能充分发挥扣件的性能，达到经济合理、安全运营的目的。采用可动心轨道岔可动心轨道岔是我国高速铁路采用的主要道岔结构型式，它的主要特点是辙叉心轨是可动的，即可扳向正线一侧与正线翼轨密贴；亦可扳向岔线一侧与侧线翼轨密贴，从而消灭了存在于普通固定式辙叉中的有害空间，取消了辙叉护轨。因此，大大改善机车车辆和线路的相互作用，消除了列车通过辙叉时的剧烈冲击和横向摇晃，保证高速行车时的平顺性，同时还可延长辙叉的使用寿命，便于养护维修。与固定道岔一样，可动心轨道岔有单开道岔、双开道岔、三开道岔以及多开道岔（复式交分道岔）等，同时也有9号道岔、12号道岔、18号道岔等等。采用何种类型和号数的道岔要因地制宜，因线而异，不可一概而论。推动中国高铁标准国际化面对较快发展的世界铁路市场，欧洲的德国、法国、西班牙等国家，亚洲的日本等国家，积极向外推广铁路技术，参与国际铁路竞争。中国高铁走出国门必将面临更为激烈的竞争。最根本的竞争还是技术、经济上的竞争，其中，技术的竞争是基础，经济的竞争是关键。中国铁路“走出去”所面临的技术、经济上的竞争最终将集中体现在中国铁路所具有的技术能力上，体现在中国铁路的标准上。具体讲，就是体现在中国铁路是否具有根据目标国建设、运营要求，不受制约地提供相应的技术和装备，以及相应的技术标准是否在技术上具有先进性、在经济上具有比较优势，是否具有针对不同国家的适应性等主要方面。这就要求我国铁路必须加快提升技术和标准的国际竞争力，积极推进铁路关键技术装备自主化，在自主技术的基础上形成、完善相关标准，进一步增强技术标准的先进性、经济性和适应性。中国高铁走出去的过程，也是中国标准和中国品牌的输出过程。在国内高铁建设过程中，我们已经形成完整的高速铁路设计、建设、装备和安全标准体系以及铁路装备品牌。在这方面，我们可以借鉴发达国家的经验:第一，为他国培训专业技术人员，在培训过程中有意识地使他们了解并接受中国标准;第二，利用各种国际交流活动的机会，宣传中国标准;第三，利用国际组织，实现中国标准的国际化;第四，建立区域性国际高铁联盟，推动不同谱系标准的国际化。结语本文对高速铁路轨道结构的点建议是根据轨道结构的最优动力设计而提出的。中国高铁走出国门后，应结合各国各地区具体工程条件和建设工期要求，根据不同区段的线路条件、设计行车速度，分区段选用轨道结构类型，在路基、桥梁、隧道地段首先选用技术先进、工厂化程度高、质量易于控制、施工进度较快的板式无碴轨道；在噪声振动影响敏感地段采用减振型板式无碴轨道；正线道岔区段采用轨枕埋入式无碴轨道；条件特别严峻的山区高速铁路轨道结构甚至可选择有砟轨道。高速铁路轨道结构是保证列车安全运行的基础，要实现“走出去”的战略目标，相关各方有大量细致的工作需要进一步落实。包括推进高铁轨道结构关键技术装备自主化，在自主技术的基础上形成、完善相关标准。同时采取切实可行的步骤，掌握标准、开展技术交流、密切与当地合作等，逐步研究确定与当地标准和谐共处的设计原则和设计手段等。