高速铁路无碴轨道TRANBBS设计关键TRANBBS技术
江 成,范 佳,王继军(铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081)
摘 要:简述国外高速铁路无碴轨道发展概况,论述我国无碴轨道选型及关键技术。对我国高速铁路前期选用的三种结构型式无碴轨道(长枕埋入式、板式和弹性支承块式)进行室内实尺模型铺设及各项性能试验,对前两种结构型式进行桥上和隧道内试铺及现场试验。结果表明:无碴轨道具有线路稳定性、刚度均匀性和耐久性好、平顺性高、显著减少线路维修工作量等特点。无碴轨道结构设计的关键在于强度、横向稳定性、刚度均匀性、减振性和耐久性。为确保无碴轨道线路长期正常运营,必须严格控制桥梁及基础的变形、确保隧道基底稳固与合理设置线桥过渡段。
关键词:高速铁路;无碴轨道;设计;试验研究
中图分类号:Ｕ213．244 文献标识码:Ａ
收稿日期:2003 11 16
作者简介:江 成(1965—),男,安徽怀宁人,副研究员。
基金项目:“九五”国家重点科技攻关项目(95 411 02 01);
铁道部科技研究开发项目(98Ｇ01;99Ｇ06;99Ｇ07;2000Ｇ49 Ｄ)。
随着列车运行速度不断提高,有碴轨道的道碴粉化及道床累积变形的速率随之加快,必须通过轨道结构强化及频繁的养护维修工作来满足高速铁路对线路高平顺性、稳定性的要求。与有碴轨道相比,无碴轨道具有轨道稳定性、刚度均匀性和耐久性好、平顺性高、维修工作量显著减少的突出优点。因此,自上世纪六十年代初,世界各国铁路相继开展以整体式或固化道床替代散粒体道碴的各类无碴轨道结构的系统研究,一些国家已把无碴轨道作为高速铁路的主要轨道结构型式全面推广应用。
1 国外高速铁路无碴轨道
在高速铁路上应用无碴轨道,以日本、德国最为广泛。日本新干线无碴轨道最初一般铺设在基础坚固的隧道内、高架结构和桥梁上,后来逐渐扩大到土质路基上。而德国高速铁路无碴轨道则首先解决了在土质路基上铺设的技术问题,逐步推广到隧道和桥梁上,从而为全区间无碴轨道的应用创造了有利条件。
1．1 板式轨道
日本从60年代中期开始板式无碴轨道的研究到目前大规模的推广应用,走过近40年的历程。从津田沼、日野土木试验所内的实尺模型试验到既有线、新干线桥梁、隧道和路基上的各种型式无碴轨道结构的试铺,共建立了20多处近30ｋｍ的试验段,开展了大量的室内、运营线上动力测试和运营观测工作,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,最终将普通Ａ型(图1)、框架型(图2)、特殊减振区段用的减振Ｇ型(图3)及适用于土质路基上的ＲＡ型等板式轨道结构作为标准定型。板式轨道累计铺设里程已达2700ｋｍ,并从山阳新干线冈山—博多段开始,广泛应用于东北、上越、北陆和九州等新干线全部的桥、隧结构及基础坚实的部分土质路基区段上(如图4)。其中,土质路基上的ＲＡ型板式轨道在试铺60ｍ进行各项性能试验后,最终于1993年在北陆新干线(高崎—长野)正式铺设约11ｋｍ。
由于日本新干线高架桥所占比例较高,对高架桥上无碴轨道的各项关键技术开展了多专业、多部门之间的系统研究,特别考虑了预应力混凝土桥梁徐变上拱、墩台沉降等对无碴轨道的影响。在桥上无碴轨道的TRANBBS施工时间上,规范也要求必须在桥梁放张应力后半年以上,方可进行。
1．2 Ｒｈｅｄａ型无碴轨道
德国铁路于上世纪60年代开始无碴轨道的研究,曾试铺过十余种无碴轨道结构,其提出的结构型式多种多样。德铁规定试铺的轨道结构要经过5年的运营考验后经批准才能正式使用。德铁无碴轨道的基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类。Ｒｈｅｄａ型无碴轨道(图5)为钢筋混凝土底座的结构型式之一,在大量试铺段进行运行试验和长期观测研究的基础上,Ｒｈｅｄａ型已在德铁高速铁路桥梁、隧道和土质路基上推广应用,约占德铁铺设的360ｋｍ无碴轨道(含80多组道岔区)一半以上。最近开发的Ｒｈｅｄａ 2000型无碴轨道(图6)已投入商业应用。由两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代原Ｒｈｅｄａ型中的整体轨枕;取消原结构中的槽形板,统一了隧道、桥梁和路基上的型式;同时,轨道结构高度从原来的650ｍｍ降低为472ｍｍ。Ｒｈｅｄａ 2000型的支承块只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土,其余为桁架式钢筋骨架,从而减少了新、老混凝土的界面,有利于提高施工质量和结构的整体性。
改进后的Ｒｈｅｄａ型无碴轨道在1998年开通运营的柏林—汉诺威高速铁路上得到广泛应用。德铁根据其咨询公司对现行有碴轨道和无碴轨道的综合技术经济比较,建议在速度超过250ｋｍ·ｈ-1的新建高速线上全面推广应用无碴轨道。
1．3 其它结构型式
世界上许多国家根据自己的技术基础与线路特点,开发出多种型式的高速铁路无碴轨道结构,如:英国的ＰＡＣＴ型、法国的ＶＳＢ型、意大利的ＩＰＡ型以及美国Ｓｏｎｎｅｎｉｌｌｅ公司的ＬＶＴ型等。
2 我国高速铁路无碴轨道的前期研究
借鉴国外高速铁路无碴轨道结构的成功实践,我国提出了适用于高速铁路桥、隧结构上的三种无碴轨道结构型式(长枕埋入式、弹性支承块式和板式)及其设计参数[1]。1998完成对三种结构型式无碴轨道室内实尺模型的铺设及各项性能试验,提出高架桥上无碴轨道的施工方案和徐变上拱限值与控制措施,建立桥上无碴轨道车线桥耦合模型并进行仿真计算,初步分析高速铁路高架桥上无碴轨道的动力特性与车辆走行性能[2]。1999年选定三座高架桥作为无碴轨道的试铺段,在长度692ｍ的沙河特大桥试铺长枕埋入式无碴轨道(如图7),长度741ｍ的狗河特大桥(直线)和长度740ｍ双何特大桥(曲线)上试铺板式轨道(如图8),与此同时,完成桥上无碴轨道设计[3]、施工技术条件[4]的研究与编制。为掌握桥上无碴轨道在高速运行条件下的结构受力、变形情况与振动特性,评估两种无碴轨道结构的动力性能,2000年对三座桥上无碴轨道与两座桥上有碴轨道进行了各项性能的对比测试[5]。为完善高速铁路无碴轨道的结构设计、施工工艺和设备,选定渝怀线鱼嘴2号隧道和赣龙线枫树排隧道分别作为长枕埋入式和板式轨道的试铺段,并分别于2003年6月和2003年底完成铺设。在线路开通后将对隧道内铺设的无碴轨道结构进行动力测试与长期观测。
3．1 我国高速铁路无碴轨道的结构选型及特点
根据结构耐久、可靠,施工简单,减振性能好,经济适用,配套扣件有足够的调整量等选型原则,初步提出两种高速铁路无碴轨道结构型式,即:板式和长枕埋入式,其主要结构特点如下:(1)结构整体性能两种结构均体现无碴轨道具有线路稳定性和刚度均匀性好、线路平顺性和耐久性高的突出优点,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,相比而言,板式轨道结构高度低,道床宽度小,重量最轻(29ｋＮ 单线每延米),在桥上铺设可降低桥梁的二期恒载,在隧道内应用可减小隧道的开挖断面。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,每延米重量相对较大(41ｋＮ 单线每延米)。从室内落轴冲击试验看,长枕埋入式无碴轨道结构的整体刚度稍大于设置水泥沥青(ＣＡ)砂浆调整层的普通型板式轨道,但从试验结果看,两种结构的各项轨道动力参数差异不明显,特别对于在客运专线或高速铁路桥上应用来说,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。噪声与振动试验测试结果分析表明,在列车运行速度大于200ｋｍ·ｈ-1时,桥上有碴和无碴轨道的噪声源强Ｌｐｍａｘ基本在同一等级,而桥上无碴轨道线路产生的地面Ｚ振级(桥下及30ｍ地面处)要稍大于桥上有碴轨道。(2)制造和施工长枕埋入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需要工厂预制外,其余混凝土均为现场浇筑。优点是:道床表面宜设置横向排水坡;在桥上铺设时,与梁缝的配合比较灵活;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。不足是:施工过程中需要工具轨(新钢轨)作为控制线路标高的基准;现场混凝土的施工量较大,其施工进度相对较慢;由于混凝土道床板表面为人工抹平,外观上比板式轨道结构预制的轨道板要差;在需要特殊减振及过渡段区域,底座与道床板之间弹性层的设计与施工都相对要困难一些。板式轨道结构中混凝土轨道板为工厂预制。优点是:质量容易控制,现场混凝土施工量少,施工进度较快;道床外表美观;由于采用“由下至上”的施工方法,施工过程中不需工具轨;在特殊减振及过渡段区域,通过在轨道板底粘贴橡胶垫层,易于实现下部基础对轨道的减振要求。不足是:桥上铺设时,受桥梁跨度的影响,需要不同长度的轨道板配合使用,增加制造成本;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的要求较高;板式轨道结构中对ＣＡ砂浆调整层的原材料和施工质量要求高;板式轨道的制造、运输和施工专业性较强,包括:轨道板的制造、运输、吊装、铺设,ＣＡ砂浆现场搅拌、试验、运输和灌注;轨道状态整理过程中的充填式垫板树脂灌注等。(3)线路维修长枕埋入式无碴轨道的维修工作主要是扣件螺栓的涂油工作。而板式轨道的维修除扣件螺栓涂油作业外,从日本铁路板式轨道初期运营实践看,由于板式轨道ＣＡ砂浆调整层的存在,其受自然环境因素的影响较大,特别是在线路纵向力较大的伸缩调节器附近,凸形挡台周围的ＣＡ砂浆存在破损现象,因此日本铁路在板式轨道设计方面,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。我国近期也成功研制出同等性能的树脂材料,将在近期进行现场试铺。对于轨道板底的ＣＡ砂浆调整层,以灌注袋的形式取代直接灌注,不仅方便了施工,同时减少ＣＡ砂浆层的环境暴露面,提高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。
3．2 高速铁路无碴轨道设计关键技术
3．2．1 无碴轨道结构设计
为满足高速列车在无碴轨道线路上运行的安全性、舒适性要求,最大限度地实现线路少维修,无碴轨道的设计除在结构强度、横向稳定性方面应考虑足够的安全储备外,应高度重视无碴轨道各组成部分的耐久性、减振性以及实现线路高平顺性等。(1)结构强度考虑到无碴轨道结构的安全性和耐久性,在动力仿真计算和设计中,选用了轴重较大(19．5ｋＮ)的动力集中式电动车组,考虑线路和轮踏面的不平顺性,取动载系数为3．0,确定其设计动轮载为300ｋＮ。从国外高速铁路设计和运营实践以及我国实测结果看,根据此设计荷载确定的轨道板 道床板的设计承载能力可满足高速铁路无碴轨道的结构强度要求,并具有一定的安全储备。对
于板式轨道而言,对轨道板起限位作用的混凝土凸形挡台直接承受由钢轨传递到轨下基础的纵向力和横向力,包括:梁轨间相互作用产生的纵向力、温度变化引起的轨道板伸缩力、轨道的横向抗力、起动与制动力、轮轨间的横向作用力等。从结构强度安全考虑,凸形挡台结构按悬臂受弯构件设计,悬臂梁的固定端固定于混凝土底座中,其受力图式如图9。填充于轨道板底的ＣＡ砂浆与凸形挡台周围的树脂材料抗压强度指标同样根据设计荷载以及作用于凸形挡台上纵向力的大小,并考虑足够的安全储备来确定。
构使线路的横向稳定性显著提高。对于曲线区段的
桥上无碴轨道来说,除结构中的限位部分设计(凸形挡台、限位槽)应考虑轮轨横向作用荷载外,桥上无碴轨道采用的调高量大、扣压力小的扣件结构系统应保证有足够的轨距保持能力。(3)线路的平顺性和刚度均匀性高速列车运行的安全性与舒适性对线路平顺性提出了更高的要求,线路状态的不平顺对刚度较大的无碴轨道结构的动力附加作用显著增加。因此,无碴轨道线路的高平顺性除在设计技术条件中对其静态铺设精度严格要求、施工工艺和过程管理严格控制以外,无碴轨道的结构设计应在技术上保证线路高平顺性和刚度均匀性。由于无碴轨道结构中的扣件直接将钢轨与构筑在下部基础的道床联接在一起,轨道几何状态的调整不能象有碴轨道那样进行起道、拨道和捣固作业,只能通过扣件系统进行,因此,无碴轨道的扣件结构设计应合理确定扣件高低、左右位置的调整能力,并可简便地对施工和维修过程中的线路状态进行调整,以实现高速线路的高平顺性。对板式轨道而言,由于结构中的轨道板为预制平板,加上轨道板本身的制造与施工偏差,特别是当板式轨道应用于轨面标高渐变的缓和曲线与竖曲线地段时,一定厚度的轨下调高垫板难以实现对板长范围内的轨道不平顺的精细调整,在设计中应将树脂充填式无级调高垫板作为无碴轨道的一个必要组成部分,以满足高速铁路对线路高平顺性、刚度均匀性的要求。(4)减振性由于无碴轨道以刚性混凝土道床取代有碴轨道提供线路弹性的道碴层,尽管无碴轨道线路的高平顺性和刚度均匀性在一定程度上可弥补其刚度大的不足,但在结构设计中应要求扣件系统具有良好的弹性,在基础减振要求较高的无碴轨道铺设区段,应考虑在轨道板底部设置弹性层(如减振Ｇ型板式轨道),以有效降低轮轨间的动力作用及无碴轨道下部基础的振动。(5)耐久性提高高速铁路无碴轨道结构的耐久性,除在结构强度上考虑足够的储备外,在轨道各部件的技术条件中应对直接影响无碴轨道耐久性的原材料性能提出严格要求,包括混凝土材料的抗冻性和氯离子渗透性,橡胶和树赚材料的耐热老化性、耐腐蚀性和疲劳性能,ＣＡ砂浆的抗冻性和耐候性等。线路平顺性和减振性能的好坏对无碴轨道结构耐久性的影响同样至关重要。
3．2．2 无碴轨道的下部基础
(1)桥梁
高速铁路对轨道高平顺性的要求给铺设无碴轨道的桥梁带来新的课题。影响桥面轨道不平顺的因素包括:预应力混凝土桥梁的徐变上拱、荷载作用下梁端转角、墩台基础的不均匀沉降、梁体上、下缘不均匀温差等。有碴轨道的线路状态由于可以通过道碴层与扣件进行调整;梁端转角、墩台基础的不均匀沉降对轨面状态的影响相对较小。而桥上无碴轨道轨面的高低状态只能通过扣件系统来调整,当桥梁变形超出扣件系统的最大调整量,其轨道的平顺性就难以满足高速铁路对线路的质量要求;墩台沉降和梁端转角过大,不仅影响线路的高低状态,同时将增大梁端扣件系统的螺栓上拔力。针对桥梁徐变上拱的影响因素,确定以设计上考虑为主、设计与施工相结合的原则有效控制梁体的徐变上拱,设计方面的控制措施:适当增加梁高,以提高梁的刚度。梁的刚度增大,不仅可有效减小预应力混凝土桥梁的徐变上拱,减小梁体下挠的梁端转角,而且有利于桥上无缝线路的稳定性和平顺性;采用部分预应力混凝土结构。在设计荷载作用下,梁体下翼缘允许出现一定拉应力的部分预应力结构,与全预应力结构相比,施加给截面的预压力值小,也就是可较大限度地降低梁体上、下翼缘应力差,故徐变上拱随之减小。施工方面的控制措施:在满足混凝土强度与和易性条件下,尽可能采用较低的水泥用量和水灰比;在混凝土骨料上,施工时应强调选用弹性模量较高的岩石和适宜的级配;不同岩石骨料混凝土徐变增大的次序为:石灰岩、石英岩、砾石、花岗岩及砂岩。在对梁体施加预应力之前,除检验混凝土强度外,应同时检测混凝土的弹性模量,在两者均满足设计要求后,再施加预应力;在满足技术条件要求的前提下,尽量延长梁体张拉完毕至无碴轨道铺设的时间间隔。铺设无碴轨道的桥梁墩台沉降(包括均匀和不均匀沉降)同样需要严格控制,软弱基础上的桥梁墩台须采取必要的加固措施以满足无碴轨道线路对其沉降值的技术要求。(2)隧道隧道内基底处理的好坏直接影响无碴轨道的耐久性,我国铁路曾在隧道内铺设了近300ｋｍ的无碴轨道,大多数使用效果良好,但在个别工点的设计和施工中,对隧道基底、水害的处理不当,施工工序安排不合理,导致上部道床结构开裂破损,而对其维修整治十分困难。因此对于高速铁路铺设无碴轨道的隧道而言,应根据隧道围岩级别、地下水状况,选择合理的隧道衬砌结构,对于整体式衬砌,Ⅲ级及以上的围岩采用带仰拱的曲墙结构。不设仰拱的地段应有20ｃｍ厚以上的混凝土铺底,设仰拱地段的仰拱下面的浮碴必须清除干净,隧道开挖时,应仔细检查围岩基础的稳定性和风化破碎情况,检测基底承载力,若隧道基础的地质水文情况与勘测结果有差异(如遇断层破碎带、软弱夹层等),应作必要的变更设计,确保铺设无碴轨道的隧道基础稳定。
3．2．3 过渡段
为保证高速列车运行的安全性和平稳性、提高旅客乘坐舒适性,在桥台、隧道基础与路基衔接处应设置一定长度的过渡段。设置原则是将桥台、隧道基础与过渡段路基的工后沉降控制在较小的范围,并尽量保持一致,最大限度地减小过渡衔接处的轨面弯折角,因此在过渡段路基区段,应根据线路和地质情况采取相应的加固处理措施,如采用级配碎石、加筋土路基结构、设混凝土搭板等。为确保高速列车通过过渡段区域的平稳性,减小轮轨间的动力冲击,除在线路下部结构采取相应的处理措施来控制工后沉降值以外,由于桥上和隧道内无碴轨道刚度要大于路基上有碴轨道的刚度, 在线路上部结构需要合理进行轨道刚度的过渡,一方面采取措施减小无碴轨道的整体刚度(如低刚度轨下胶垫、板下设弹性层等),另一方面在过渡段有碴轨道部分设置刚度变化过渡区(调整轨下胶垫刚度、设辅助轨、固化道碴层等)。
4 结束语
稳定性、刚度均匀性、耐久性好、维修工作量显著减少的无碴轨道结构是高速线路的一个发展方向,尽管我国目前对高速铁路和客运专线上新型无碴轨道的研究刚刚起步,在设计和施工方面还有许多配套技术需深入研究,但在我国目前初步建立的新型无碴轨道研究模式下,即:提出结构型式、确定设计参数→室内模型试验→铺设试验段和运营考验、制订技术标准→改进完善、全区间推广应用,组织科研、设计和施工等部门的线路、桥隧和路基等多个专业的技术人员,针对性地开展技术攻关,无碴轨道结构在我国高速铁路和客运专线上将有广阔的应用前景。
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