德国铁路无碴轨道技术分析及建议

摘要：由于无碴轨道具有维修量小，稳定性好，使用寿命长，全寿命周期费用低，结构高度低，横向轨道阻力大，可避免飞碴，超高、坡度设置灵活等优点，在德国高速铁路建设中受到重视，得到了广泛应用，并形成了Rheda、Zt~BLIN、BERLIN、B6GL等系列产品。学习借鉴德国无碴轨道技术，对于提高我国客运专线建设水平，加快无碴轨道技术发展，具有重要意义。简要论述德国无碴轨道技术，重点介绍目前应用较多的Rheda型无碴轨道。

关键词：德国铁路；无碴轨道；技术；综述

中图分类号：U213．2 文献标识码：C文章编号：1004—2954 (2005)02—0001—06

Technical Analysis of Ballastless Track of DB and ProposalsXin Xuezhong

Abstract Ballastless track features little maintenance，high reliability，long service life，low cost compared to its service life， low structure height， large transverse track resistance， ballast splashing—proof，and flexible superelevation and gradient．So，it is widely used in Germany， and a series of such track have been estahlished，such as Rheda， ZfiBLIN， BERLIN， and B6GIJ_ It is of great impo~ance for US to learn such technology from Germany for promoting ballastless track development and improving construction level of passenger dedicated railway in China． A description is given of ballastless track technology of Germany，in particular Rheda． Keywords Germ any railway；ballastless track；technology；sum—mary Author’S address Science and Technology Dept．， Ministry ofRailways，Beijing 100844

      1 概况

      德国铁路开展无碴轨道的研究始于上世纪60年代末，1972年首次在Rheda车站试铺了无碴轨道结构 (故称“Rheda”型)。1991年德铁高速运输的年代开始时，无碴轨道只在新建的汉诺威一乌兹堡线的3座隧道和曼海姆一斯图加特新线的1座隧道内铺设，当时在德国全部高速线总共只有19．7 km的无碴轨道。随后于1993和1994年在经改造的柏林一汉堡、柏林一哈尔勒和乌兹堡一阿沙分堡新线上部分区段铺设了无碴轨道。

      20世纪90年代后期在新建高速线上，特别是客货混运的线路上，有碴轨道的道碴呈现明显的磨损粉碎而发白的现象，养护维修工作量显著增加。通过德铁有关方面努力，首次在设计时速280 km的柏林一汉诺威高速线全面推广应用无碴轨道结构，线路全长264 km，其中无碴轨道190 km(包括30组道岔区)，于1998年9月投入运营。设计速度330 km／h、运营速度300 km／h的科隆一法兰克福高速客运专线，新建线路长度177 km(隧道占19％ 、桥梁占3％)，其中150 km采用了无碴轨道结构。正在新建、计划于2006年竣工的纽伦堡一英格施塔特(Ingolstadt)高速线，设计速度330 km／h，运营速度300 km／h，其新建线路89 km，其中无碴轨道75 km(含全部25．6 km的隧道和475 m的桥梁区段)。包括正在新建的高速线，目前德铁路网将近有430 km的无碴轨道，其中包括80组道岔区。

      德国铁路无碴轨道结构发展遵循了循序渐进的发展思路。从60～70年代开始至今，德铁充分发挥各企业的技术优势，提出了多种无碴轨道结构型式，批准在既有线上试铺和试验观测，通过技术经济比较，最终确定大规模铺设应用的正式轨道结构型式。另外，对于新建高速线路，在建设初期就确定了轨道结构型式，在此前提下，线路平纵断面参数、路基、桥梁和隧道结构的设计、通信信号系统以及养护维修体制等方面都围绕轨道结构的特性进行综合考虑，从而为无碴轨道的全面推广应用创造了有利条件。

      2 无碴轨道结构类型

      德铁曾试铺过约17种无碴轨道结构，其提出的结构型式多种多样。无碴轨道的基础分钢筋混凝土 (BTS)和沥青混凝土(ATS)两类。钢轨的支承方式多为分散支承(即点支承)，连续支承方式(如INFUNDO、SFF型等)仍处在试铺阶段，未在路网上正式使用。

      对于分散支承方式的无碴轨道，其道床结构大体上可分为两大类，一类为整体结构(Compact)，另一类为直接支承结构(Supported)。根据分散支承方式的无碴轨道分类，表1列出德铁目前批准可在路网正式应用和可试铺进行运营考验的无碴轨道结构类型。

      Rheda型无碴轨道为钢筋混凝土底座上的整体结构型式之一，在大量试铺和长期观测试验的基础上，在德铁高速线土质路基、桥梁和隧道区段全面推广应用，所铺设的360 km 无碴轨道(含80多组道岔区)中， Rheda型约占一半以上。Rheda型无碴轨道结构从1972开始试铺的普通型(带槽形板、埋入轨枕)到目前研发的2000型(无槽形板、埋入支承块)经历了近30年的发展历程(图1)。

      Rheda一2000型无碴轨道(断面见图2，施工过程之一见图3)由2根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原Rheda型中的整体轨枕，取消了原结构中可能开裂和渗水的槽形板，统一了隧道、桥梁和路基上的型式，也可在道岔和伸缩调节器区段应用；同时，轨道结构高度从原来的650 mm降低为472 mm。Rheda一2000型中的支承块只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土，其余为桁架式的钢筋骨架，使其与现场灌筑混凝土的新、老界面减至最少，有利于提高施工质量和结构的整体性。建筑高度的下降，对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。

      最典型的直接支承方式的无碴轨道结构为ATD、GETRAC型，如图4、图5所示，上部的轨枕或支承块直接置于钢筋混凝土／沥青混凝土支承层上，成为一个独立的组成部分，在中部有多种方式设限位装置，以限制轨排纵、横向移动。

      由B6gl公司开发的博格板式无碴轨道结构由预制轨道板组成，轨道板结构高度(从水硬性材料支撑顶面到钢轨顶面)474 mm，分为标准预制板、特殊预制板和补偿预制板3种形式，标准板的外形尺寸6 450mm x2 550 mm×200 mm，轨道板之间用钢筋连接，板底充填水泥沥青砂浆层，如图6所示。与现场浇筑的混凝土轨道板相比，博格板具有工厂化生产，加工精度高，固化时间短，不需要费时费工的现场制模和浇筑，必要时可进行轨道板高程调整等优势，但厂房和设备等一次性投入较高。博格板式无碴轨道为二十多年前开发的一种轨道板，但一直限于小段试铺，最近得到EBA批准，在纽伦堡至英格施塔特新建线路得到大量使用，铺设长达70 km，共计使用了约11 000块不同的轨道板，下部结构则有路基、桥梁、隧道等。

      3 无碴轨道的主要技术要求

      在满足安全、舒适和环保要求的前提下，德铁要求各类无碴轨道结构的设计必须满足下列基本要求：

      (1)建设成本低；

      (2)设计使用寿命60年；

      (3)轨道弹性均匀；

      (4)轨道状态稳定，可持久保持；

      (5)最大限度地减少维修工作量；

      (6)满足高速列车涡流制动的要求；

      (7)为将来列车运行速度的提高提供足够的技术储备。

      德铁对无碴轨道的研究与推广应用最开始主要针对土质路基和隧道区段，以后逐步扩大到预应力混凝土桥上，全区间无碴轨道的应用为线路刚度的平顺过渡，提高列车高速运行的平稳性和舒适性创造了有利条件。针对不同结构物(土质路基、桥梁和隧道)上的无碴轨道结构，德铁对下部结构物及上部轨道结构的设计和施工在规范上均有明确的技术要求。

      3．1 土质路基上的无碴轨道

      无碴轨道线路状态的调整由于只能通过扣件系统进行，因此相比有碴轨道而言，其对下部基础的变形要求更为严格。德铁在土质路基上铺设无碴轨道结构时，对路基残余变形量有如下规定：

      (1)长期运营中的路基残余变形量必须小于等于扣件的调高量减去5 mm(为列车荷载产生变形所留出的余量)；

      (2)如在长度大于20 m的线路范围产生较均匀的轨道下沉，则路基残余变形量影响达到第(1)项的2倍；

      (3)路基的下沉能按竖曲线R=0．4v (13为线路的设计速度)进行圆顺；

      (4)如路基残余变形量大于扣件调高量减去余量的4倍或变形量无法进行圆顺的路基上不能铺设无碴轨道。对于使路基产生不可预测的残余变形区段、地下水位高出钢轨顶面以下1．5 m的路基区段均不应铺设无碴轨道。

      为提高列车动力作用下土质路基结构的稳定性，最大限度地控制工后沉降量，路基结构采用自下至上刚度逐步提高的多层支承系统，包括：钢筋混凝土(BTS)／沥青混凝土支承层 (ATS)、素混凝土支承层(HBS)及防冻层(FPL)(图8)等，针对新线、既有线的无碴和有碴线路，各层的变形模量(E )和压实系数(D。 )均有明确的规定。图9和l0所示为德国新建线路土质路基上的无碴轨道标准横断面图。

 

      3．2 隧道内无碴轨道

      20世纪90年代初，德铁开始在高速线(汉诺威一维尔兹堡、曼海姆一斯图加特)的4座隧道内铺设无碴轨道，其隧道净空面积为82 in ，线路横断面如图ll所示，采用带槽形板的轨道结构，中部设凹槽方式限位，由于隧道内的温度变化较小，凹槽内部未配筋。

      德铁隧道内大规模铺设是从柏林一汉诺威高速线 (隧道净空面积82 m )开始，以后在运营时速300 km的科隆一法兰克福、纽伦堡一英格城客运高速线上全面应用，隧道净空面积也增加到92 m ，德铁正式批准的5种无碴轨道结构均在高速线隧道内有规模铺设。德铁规定在岩层断裂、基础不稳定及地下水涌流的隧道内，原则上不宜采用无碴轨道。图12为隧道内的ZtiBLIN型无碴轨道结构，图13为隧道内Rheda型无碴轨道结构。

 

      3．3 桥上无碴轨道

      德铁上世纪90年代开始桥上无碴轨道的研究和试铺。考虑桥上无缝线路梁轨间的相互作用，通过降低钢轨扣件的扣压力，以减小传递到墩台的纵向力。根据桥梁跨度的大小(以25 m为界)，无碴轨道结构有所不同。对于25 m 以下的桥梁，一般采用简化Rhe—da型。

      为了减小预应力混凝土桥梁徐变上拱的变化对桥上无碴轨道几何状态的影响，必须等待桥梁的上拱度变化基本完成之后再铺设无碴轨道(即尽量延长粱体预应力张拉完毕至无碴轨道铺设的时间间隔)。对于桥上铺设无碴轨道后，预应力混凝土梁徐变上拱的限值控制在L／5 000(为桥梁跨度)。

为最大限度地减小由于混凝土桥梁梁端转角与梁端悬出长度引起的上部无碴轨道状态的变化 (图14)，桥梁设计严格控制梁端支座断面的转角，单线桥：0．3％o(相当于挠跨比，／L=1／10 600)；双线桥：0．5%。(相当于挠跨比，／L=1／6400)。同时尽量减小梁端悬出长度。图15、16和图17为桥上无碴轨道标准横断面(以Rheda型示例)。

 

 

      4 我国发展无碴轨道建议

      德铁无碴轨道从理论分析、室内试验、运营线上短区段试铺到目前大规模铺设经过近40年的发展历程，尽管由于初期技术不成熟，造价相对较高而引起了较多的批评，但随着高速线有碴轨道道碴磨损速率加快，维修工作量增大，以及无碴轨道技术的逐渐成熟，区段试铺无碴轨道取得良好效果，自20世纪90年代后，在时速250 km以上的新建高速线全面推广应用无碴轨道结构得到广泛认同。

      随着我国列车运行速度的不断提高和客运专线建设，研究和应用稳定性、刚度均匀性、耐久性好，维修工作量显著减少的无碴轨道意义重大。目前我国铁路提出的3种新型无碴轨道结构的试验仅局限在桥上和隧道内，土质路基上无碴轨道仍在前期理论研究阶段，道岔区、伸缩调节器等特殊区段无碴轨道的研究尚未进行，要达到全区间大规模铺设无碴轨道的目标还有大量的工作要做。为提高我国客运专线建设水平，在较短时间内掌握无碴轨道关键技术，根据德国经验建议如下。

      (1)积极学习借鉴国外先进成熟技术，促进我国无碴轨道技术发展。通过国内外联合设计、国外设计咨询、国外监理等多种形式的无碴轨道试验段建设，系统学习国外先进技术，掌握其核心技术。

      (2)通过室内试验、工程建设和运营考核，研究开发适合我国路情的无碴轨道系列产品，建立具有中国运营特点的线路体系(包括线上和线下工程等)。

      (3)研究解决无碴轨道重点难点技术问题，如土质路基上的无碴轨道、道岔区、伸缩调节器等特殊区段无碴轨道试验研究，扣件垫板和相关理论研究等。研究梁与梁、路桥、有碴无碴、不同的地基之间过渡措施，无碴轨道与信号系统的适应性问题。

      (4)研究制定不同无碴轨道及相应下部结构物设计、施工和养修规定，逐步确定不同地基和土层条件下的合理工期。

      (5)选派技术、管理人员赴国外学习交流，参加国外无碴轨道建设，及时了解国外发展动态。

      参考文献：

      [1] 铁道部科学技术信息研究所．德国科隆一法兰克福高速铁路新线工程[M]．北京：2004．

      [2] Hans Bachmann，Pfleiderer track systems，(最先进的铁路有碴轨道和无碴轨道技术)，2004．

      [3] PHEDA 2000用于高速铁路运输的无碴轨道系统-Pfleiderer轨道系统，2004.