解决关键技术发展无碴轨

摘要：通过实践与应用，无碴轨道已成为世界各国高速铁路轨道结构的首选。我国铁路无碴轨道应从严格控制工后沉降，连续、成段铺设无碴轨道，严格控制结构变形，优化无碴轨道结构，严格控制制遣质量，配备先进成套施工设备，优化扣件系统等7个方面解决无碴轨道关键技术，并与相关专业密切配合，发展无碴轨道。

关键词：无碴轨道；关键技术；客运专线

      无碴轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道碴道床而组成的轨道结构型式。它具有良好的轨道稳定性、平顺性、耐久性；其结构高度低、自重轻，可减小桥梁二期恒载和降低隧道净空；道床整洁美观，可消除列车运行时的道碴飞溅和粉化；轨道变形缓慢，不仅可显著减少轨道养护维修工作量，更为重要的是可减少施工“天窗” 的需求，对通车后的运输组织极为有利。无碴轨道初期相对较大的建设投资也能在运营中得到回报。基于此，无碴轨道成为世界各国高速铁路轨道结构的首选，特别是德国和日本在近年来修建的高速铁路基本采用无碴轨道。法国是最早建设高速铁路的国家之一，也是惟一以有碴轨道为主型轨道结构的国家，但是近年来也深为有碴轨道急剧变形而困扰。除在新建高速铁路时两次提高道碴材质标准外，也在对无碴轨道技术进行研究，并建议新建高速铁路的国家采用无碴轨道。如果采用法国近期修建高速铁路的道碴技术标准，则我国道碴供应也将成为突出的问题。

      我国近年来对无碴轨道结构设计参数、动力学仿真计算分析、室内实尺模型试验、无碴轨道部件技术条件以及设计、施工技术条件、施工细则和验收标准的编制、现场铺设、动力测试和长期观测等方面开展了一系列的试验研究，取得了宝贵的经验和教训。但是，与国外高速铁路无碴轨道技术发展相比，我国铁路无碴轨道的研究起步较晚，面对客运专线的建设，技术储备相对不足。而且，无碴轨道对基础和本身的结构要求极高，一旦基础变形下沉超出其调整范围或无碴轨道结构发生裂损，则修复比较困难。因此，对无碴轨道的发展既要积极，又必须十分慎重。根据国内外的经验，特别要注重解决以下问题。

      工后沉降是指路基或桥梁建成后铺轨时的剩余沉降。为使列车安全、高速、舒适运行，并尽可能地减少养护维修工作，严格控制路基变形和工后沉降十分重要。对无碴轨道而言，能否严格控制工后沉降则是成败的关键。

      各国高速铁路对工后沉降都有严格的要求。法国提出工后沉降应小于2 cm，并且在最后一次捣固和运行第一列高速列车之前，沉降应完全稳定。德国认为在列车开始运行后，路基工后总沉降不应大于1 cm，每年沉降总量不应超过2 mm，并应避免在短距离内发生不均匀沉降，在桥台附近不应有任何不均匀沉降。据资料介绍，日本在第一条高速铁路以后，工后总沉降已按3 cm控制，对使用连续梁和无碴轨道的地段，工后沉降的控制更为严格。

      2003年9月，我国与以上三国进行了无碴轨道技术咨询的交流，他们都认为工后沉降是完全可以控制的，特别是桥梁墩台的沉降必须严格控制，根据各国的实践，桥梁墩台在铺轨后都未发生沉降问题。德国专家以台湾高速铁路为例，台湾高速铁路约有l50 km的地质条件与沪宁段类似，通过详细的地质勘探、增加桩长和施工监测分析等措施，控制住了工后沉降，而且在高架桥上采用了无碴轨道。在交流中，上海磁悬浮线介绍了成功控制工后沉降的经验。

      我国在工后沉降问题上与国外高速铁路存在的差距是比较大的，主要表现在对工后沉降的理解有差距。法国要求“在最后一次捣固和运行第一列高速列车之前，沉降应完全稳定”，而我国的规定是控制“路基或桥梁建成后铺轨时的剩余沉降”。也就是说，在铺轨后至运行第一列高速列车之间的一段时间还会有沉降，我国的规定没有考虑这一部分沉降量。另外对工后沉降量的限值也有差距，借鉴国外的经验，路基的工后沉降不应大于3 cm，不均匀沉降每20 m 不应大于2 cm；桥梁墩台沉降量不应大于2 cm，相邻墩台沉降量之差不应大于5 mm 。

      准确掌握地质情况是控制工后沉降的重要前提。在无碴轨道地段的路基工程，必须沿线路中线每隔50 m布置一勘探点，当勘探点间的地质条件变化较大时，还应适当增加勘探点的数量，并作路基横断面勘探。勘探深度要满足工程地质、水文地质评价及路基工程设计要求，一般路堤地段孔深10～25 m；路堑地段孔深应至路基面以下5 m，硬质岩层时应至路基面以下2～3 m。对桥梁工程，勘探孔数量和深度视工程地质条件及基础类型确定，原则上每个墩、台应布置一个勘探孔。在此基础上研究、确定工程措施，严格控制工后沉降。

      桥梁的沉降变形是在恒载和活载作用下产生的：活载作用下的沉降变形是弹性的、瞬时的，而且可以恢复；恒载作用下的沉降变形有些在施工期间已经产生，桥梁的高程可以在施工中进行调整。因此，桥梁沉降变形主要考虑施工后因恒载引起的沉降，高速铁路桥梁因挠度要求高、梁体自重大，架梁后仍可能出现沉降，因此在墩、台设计中要充分考虑。

      无碴轨道的铺设范围应该选择在运量大、线路使用率高的区间或地质条件好的区段成段、连续铺设。无碴轨道的连续铺设不仅对铺设施工和养护维修有利，更重要的是对轨道刚度均匀分布至关重要。

      轨道刚度、轨道各部件刚度及其与轨道刚度的匹配、各部件刚度合理分配、轨道刚度沿线路方向的变化率是影响轨道荷载、结构振动和轮轨相互作用的重要因素，对高速铁路的无碴轨道，解决好轨道刚度的科学合理和均匀性显得尤为重要。轨道刚度过大，会造成轮轨动力作用增大，轨道结构振动加剧，加速轨道整体结构及其部件的变形失效。轨道刚度过小，则会导致轨道结构薄弱，在列车荷载作用下造成超常的变形，不利于保持轨道正确的几何状态，会缩短轨道修理周期，增加养护维修费用，对列车高速运行带来不利影响。轨道各部件刚度分配不合理，难以使轨道结构成为工作性能良好的整体，而且任一部件状态的变化都会不可避免地影响其他部件和轨道结构，同样会缩短轨道使用寿命。轨道结构刚度沿线路方向的均匀性极为重要，它不仅直接影响列车高速运行条件下的舒适性，而且刚度变化超过一定限度还会危及行车安全。轨道的各种过渡段，如路桥、路隧、桥隧、有碴轨道与无碴轨道、区间正线与道岔等，在两种刚度相差悬殊的结构间必须实现均匀的过渡。据各类考察报告，在德国、日本添乘高速铁路，通过这些过渡段时几乎没有感受到差异。

      因此，铺设无碴轨道首先应该是连续的，而不应仅限于桥梁和隧道。德国发展无碴轨道就是先解决了土质路基铺设无碴轨道的技术问题，然后推广到隧道和桥梁，从而为连续、成段铺设无碴轨道创造了条件。解决轨道各种过渡段刚度均匀性的要点如下。

      (1)各种不同轨道下部建筑的刚度差异很大，因此不同过渡段所采取的工程措施也是不同的，原则上在过渡点较软一侧要平顺地增大竖向刚度，而在过渡点较硬一侧平顺地减小竖向刚度。

      (2)合理确定各种不同过渡段的长度，严格控制桥梁、路基的工后沉降。

      (3)采取科学合理的施工组织设计，在桥台结构施工的同时安排过渡段路堤和相连接的填土路堤的施工，并使用具有同等压实能量的压实机械进行辗压，除了采用一切必要的工程措施外，还要进行静置预压、自然沉落处理。

      上面已经讲到的是下部结构沉降的控制，因此，控制结构变形则主要包括无碴轨道的轨道板或长枕、混凝土基床和桥梁梁体的变形控制。

      轨道板或长枕、混凝土基床和桥梁都是混凝土结构，不可避免都会在运营的过程中产生变形。当变形量超过一定的限值就会影响无碴轨道的正常使用，因此，必须掌握这些变形的规律并采取有效措施予以控制。

      在以上这些可能产生的结构变形中，混凝土桥梁的梁端转角和墩、台相对线路的转动变形影响最大，从这个角度看也应该积极推广使用连续梁。梁端转角由列车动荷载作用下引起的挠度和混凝土桥梁的收缩徐变引起。混凝土桥梁的收缩徐变是结构的长期变形，一般需要若干年才能最终完成，并且其大小和发展规律与材料、结构型式、结构应力水平和分布、施工工艺以及环境等诸多因素有关，因此，针对不同的情况采取的措施是不同的。预应力混凝土简支梁由于受力状态单一，其徐变规律和大小比较清楚。预应力混凝土连续梁和连续刚构，其收缩徐变规律比简支梁复杂得多，尤其是采用悬臂浇注和悬臂拼装的桥梁，其徐变规律和大小离散性比较大。因此，对采用无碴轨道的大跨度预应力混凝土连续结构的桥梁，要制定合理的残余收缩徐变上拱量限值以及相应的控制措施。一般来讲，桥梁架设后应预留半年以上的时间再铺设无碴轨道。

      无碴轨道是一个系统工程，其各部件之间的性能必须匹配，形成有机的整体，任何部件的性能不匹配，都可能影响轨道的整体功能。我国在前期的研究工作中推荐了板式、弹性支承块式和长枕埋入式3种结构型式。

      从目前的情况看，这3种型式的钢筋布置都不能满足高频谐振式轨道电路制式的要求，需要寻求新的结构型式。日本无碴轨道的发展巳由传统的板式轨道变成了框架型板式轨道。德国的无碴轨道曾有20多种型式，现在已基本稳定在5种型式。我国在轨道结构部件的研究工作方面有一定深度和基础，但在结构总体方面还要做大量的工作。

      无碴轨道从总体结构来讲，应满足以下基本要求。

      (1)足够的结构强度。我国前期无碴轨道的研究工作都是根据高速铁路的不同列车类型(ICE一2、SS8、DF11)的动力仿真计算分析结果，确定设计动轮载为300 kN，因此，无碴轨道应在设计动轮载300 kN 的条件下保证结构的强度。对于客货混运线路，无碴轨道结构设计荷载尚需作深入的理论计算分析和试验研究才能确定。

      (2)良好的轨道弹性。有碴轨道的弹性主要由散粒体道床提供；无碴轨道刚度比较大，其弹性住要由板弹性垫层和轨下弹性垫层提供。因此，板下和轨下垫层能否提供轨道结构合理的弹性和减振性能对无碴轨道尤为重要。

      (3)优良的扣件系统。扣件除要牢固地保持钢轨的正确位置、具备与弹性垫层匹配的弹性外，高速铁路无碴轨道扣件还应在轨道发生变形时能够调整钢轨的高程和方向。

      (4)满足环保和运营要求。环保方面要考虑线路两侧降噪要求；运营方面则要考虑防老化和防火要求。

      (5)便于检查和修理。

      (6)满足通信信号设施的安装、轨道电路绝缘和信号传输的需要。

      我国既有铁路使用预应力混凝土轨枕已超过2亿根，在长期的研究、设计、制造和管理工作中积累了丰富的经验，为我们开展无碴轨道工作打下了良好基础。但是，在预应力混凝土轨枕质量上暴露的大量问题也是突出的，主要表现在：综合研究开发能力不强、设计水平不高、工装和工艺都比较落后、产品质量不稳定等。这些问题不解决是不可能生产出符合高速铁路要求的无碴轨道的。

      影响无碴轨道制造质量的因素很多，重点要做好以下工作。

      (1)制定与国际接轨的技术标准。我国铁路混凝土行业至今仍在大产量、低水平的怪圈中徘徊，最根本的原因就是迁就现状， 在技术标准上没有与国际接轨。建设客运专线是实现铁路跨越式发展的重要内容，而客运专线无碴轨道技术要求很高，必须借鉴EN（欧洲工业标准）等国际标准拟订我国铁路无碴轨道的技术标准。

      （2）采用先进工装和工艺。我国混凝土轨枕生产厂家多达50家，生产能力达到年产2000多万根，大大超过实际需求。在客运专线的建设中还可能出现一部分现场生产线，而现有的流水机组生产线其工装、工艺基本处于同一水平，与无碴轨道的要求相差甚远。要通过无碴轨道的推广，组织对传统产业的改造，实现企业升级。

      （3）加强质量检验，严格准入制度。质量检测是把好质量关的重要环节，所有制造无碴轨道部件的厂家，如混凝土（水泥、水、各种集料、钢材等）、扣件（弹条、套管、螺栓、弹性垫板、轨距挡板及挡板座等）都要进行检验。准入制度和实施细则都必须实行公平、公平、公正原则。

      （4）对原材料进行全面普查。客运专线是国家重要的基础设施，必须贯彻长寿命原则。保证混凝土结构耐久性的重要措施是采用高性能混凝土，不允许有碱—活性材料进入无碴轨道。特别是在沿线建设现场生产线，必须对沿线水系及各种原材料进行调查，并由权威部门出具不存在碱一活性成分的证明。

      高速铁路无碴轨道的施工有十分严格的要求，施工部门必须配备先进、适用、成套的施工设备和机具，具有责任感强、技术水平高的职工队伍，建立了严格的管理制度并取得资质才能进行无碴轨道的施工。

      不同结构型式的无碴轨道，其施工方法不同，施工设备也是完全不同的。在目前无碴轨道尚在选型的情况下，对铺设机具的研制还将有一个过程。但无论是哪种结构的无碴轨道，都要提高施工的机械化水平，最大限度地减少施工现场人为因素的影响。

      无碴轨道扣件系统与有碴轨道的不同主要表现在两方面：功能不同、养护维修的要求不同。无碴轨道扣件的基本要求如下。

      (1)具备足够的强度和适当的扣压力，以长期保证钢轨与轨下基础间的可靠联结，阻止钢轨作相对于轨下基础的纵向移动或横向位移，持久地保持其稳固位置。

      (2)无碴轨道轨下垫板应该具有良好的弹性。德国无碴轨道利用轨下垫板、弹性扣件及枕下弹性垫层等部件提供轨道结构合理的弹性和减振性能，要求在20 t静轴重作用下，钢轨有1．5 mm 的下沉量，因此，无碴轨道结构轨下垫板的刚度为2 0～2 5kN／ram。需要说明的是，扣件的弹性必须与轨下垫板的弹性相匹配，即弹条扣件应随弹性垫板的变形而变形，也就是说，弹条扣件应具有良好的“跟随性”，这是保证扣件系统作为一个整体所必需的性能。

      (3)扣件应精确、牢固地固定在无碴轨道中。无碴轨道扣件的固定方式是将套管预埋在轨道板或长枕中，其预埋的精度十分重要。从我国混凝土轨枕厂目前的工装和工艺水平来看，与无碴轨道的要求还有很大的差距。另外，套管预埋的这种紧固机构在可靠性方面也存在问题。从提速道岔和秦沈客运专线无碴轨道使用的情况看，上道使用l～2年就程度不同地开始出现各种形态的失效，而且随时间的推移，这种失效还在增加，对行车安全构成威胁。

      (4)扣件应具备调整钢轨高度和方向的功能。有碴轨道的水平和方向是利用起道捣固和轨道拨正的方法解决的，扣件可以不具备调整钢轨高度和方向的功能，或只需要小调整量。而无碴轨道需要较大调整量的扣件以调整钢轨高度和方向，我们在这方面的技术准备工作还不充分。

      无碴轨道与相关专业的配合主要是与信号制式的匹配。无碴轨道运用比较成熟的日本和德国其信号制式与我国不同。我国采用的电气绝缘方式是高频谐振式轨道电路。在秦沈客运专线试铺板式轨道和长枕埋入式轨道后，不仅道床电阻低于有碴轨道，钢轨阻抗中交流有效电阻过大，电感量偏小，使信号的线性损失增大，电气绝缘节的品质因素降低，轨道电路的技术长度缩短(据电务部门测试，有碴轨道的轨道电路长度为l 200 m，而板式无碴轨道为700 m，长枕埋入式无碴轨道为900 m)。经过测试和研究，延长轨道电路传输长度的关键是在无碴轨道中钢筋网不能形成回路。

为解决这个问题有以下途径。

      (1)在无碴轨道轨下部分采用非金属筋。这是在轨道板或长枕中不形成回路的最彻底措施。日本磁悬浮采用非金属筋证明是成功的，但是价格昂贵、无法推广。即使是一般的碳纤维筋，价格也比钢筋高得多，而非金属筋比碳纤维筋还高几倍，现在不具备应用于工程的条件。

      (2)在无碴轨道中取消结构钢筋。

      在无碴轨道的轨道板或长枕的结构设计中使纵、横向应力筋互不交叉也是不形成回路的措施。但是在这种情况下必须使用结构钢筋，而结构钢筋是会形成回路的，因此，采取纵、横向应力筋互不交叉方案的前提是取消结构钢筋，作为受力复杂的疲劳构件，不采用结构钢筋在安全上是不可行的。

      (3)在无碴轨道纵、横向钢筋交叉点采用绝缘套管。这个措施可以避免形成回路，但在一块轨道板中有一千多个交叉点，实施非常困难，影响质量的因素也很多。

      (4)采用环氧树脂涂层钢筋。涂层钢筋是在轨道板或长枕的配筋喷涂环氧树脂，利用环氧树脂涂层的隔离作用，使钢筋不与周围的腐蚀性介质直接接触并防止钢筋间形成回路，阻止电气连通。与采用非金属筋和绝缘套管的措施相比，涂层钢筋在技术和经济上都具有优势。