高速铁路轨道技术基础.ppt

高速铁路轨道,石家庄铁道学院,第一节 高速铁路对轨道的基本要求,1.1 高平顺性高平顺性是高速铁路对轨道的最根本的要求，也是建设高速铁路的控制性条件。这是因为轨道不平顺是引起列车振动、轮轨动作用力增大的主要原因。因此，为保障高速行车的平稳、安全和舒适，必须严格控制轨道的平顺性。,要达到高速铁路轨道高平顺性，必须满足以下条件：1路基设计和施工必须满足路基的工后沉降小、不均匀沉降小，在动力作用下变形小、稳定性高等要求。高平顺性、高稳定性的路基是确保轨道高平顺性的前提条件。2桥梁的动挠度等变形必须满足高平顺的要求。3道床必须选用硬质、耐磨的道碴，并在铺枕前整平压实。近十多年来国外重载、高速铁路均已采用。4严格控制轨道的初始不平顺。,欧洲时速200km/h以上轨道铺设精度标准如表4-1所示，日本新干线建设时的铺设精度标准如表4-2表4-4所示。,表4-1 欧洲铁路时速200km以上轨道铺设精度标准,表4-2 日本新干线有碴轨道的铺设精度标准,表4-3 日本新干线无碴轨道的铺设精度标准,表4-4 日本新干线道岔的铺设精度标准,结合我国铁路的国情，京沪高速铁路轨道平顺度铺设精度标准如表4-5表4-7所示。,表4-5 京沪高速铁路有碴轨道平顺度铺设精度标准,表4-6 京沪高速铁路无碴轨道平顺度铺设精度标准,表4-7 京沪高速铁路道岔平顺度铺设精度标准,2.高可靠性，长寿命高可靠性主要是指轨道结构保持平顺性，维持线路正常运营的能力。高速列车荷载的特点主要在于高频冲击和振动，这种高频荷载容易造成扣件松动、轨下胶垫磨耗、混凝土轨枕承轨槽破损，特别是有碴轨道中道碴破碎、粉化，道床沉降和变形。长寿命，指的是轨道结构有较长的维修和大修周期。由于高速铁路的行车密度大，速度高，因此其维修工作量必须少，维修周期必须长，才能保证不中断行车，维持列车正常运行。,1.3 高稳定性采用跨区间无缝线路是提高轨道结构连续性、均匀性的重大举措。在跨区间无缝线路中，道岔的连续焊接会使道岔区基本轨产生附加的温度力，从而使结构、受力和变形更为复杂的道岔区成为高速铁路稳定性的控制区；高速列车的高频冲击和振动会使轨道自身保持稳定的能力降低；而高速列车的蛇行和横向振动又会使作用到轨道上的横向荷载加大，增加轨道横向失稳（胀轨、跑道）的可能性。,第二节 有碴轨道结构,2.1 钢轨钢轨是轨道的主要结构之一。为保证列车高速运行的平顺性，线路下部基础、轨道上部结构以及各轨道部件，都要为钢轨的正常工作提供良好条件。而钢轨本身，其内在质量、材质性能、断面公差、平直程度等都是十分重要的特性。钢轨在技术上要能保证足够的强度、韧性、耐磨性、稳定性和平顺性，在经济上要能保证合理的大修周期，减少养护维修工作量。,日本新干线钢轨介绍,1无缝钢轨将长25米的钢轨焊接成1.21.5千米的长钢轨，最长的达到60.4千米。为了防止热胀冷缩现象，采用了伸缩接头。,日本新干线钢轨介绍,同诸多关键技术一样，长钢轨并非日本人的原创。早在20世纪20年代，欧洲人便开始研究长钢轨技术了。日本从1927年起开始着手研究。铁路钢轨的类型和强度一般以每米长度的重量来表示。钢轨每米长度的重量越大，钢轨的强度越高。日本常用的钢轨是50kg/m和60kg/m钢轨。目前，新干线都采用60kg/m钢轨。,日本新干线钢轨介绍,2.钢轨重量钢轨类型应根据轨道振动、轮轨冲击、轮轨接触和钢轨纵向力的计算来确定。60kg/m钢轨的横向、垂向刚度是可满足高速列车动弯应力的强度需求的。日本新干线、法国TGV和德国ICE高速铁路所采用的钢轨均为60kg/m钢轨。可见，京沪高速铁路选用60kg/m钢轨是适宜的。,3钢轨尺寸允许偏差及平直度要求高速铁路的轨道结构区别于普通线路的最重要的特点是对轨道不平顺的严格控制，体现在钢轨上则是对其表面尺寸质量、平直度、表面平整度和扭曲的严格要求。钢轨尺寸的精确和外形的平直是轨道平顺的基本保证之一。,4.钢轨的化学成分高速铁路钢轨出现质量问题的主要形式是由于钢轨内部夹杂、缺陷所引起的疲劳折损。提高钢轨材质的纯净度是减少钢轨疲劳折损、提高钢轨的可靠性、延长其使用寿命的有力途径。钢轨的化学成分是影响其力学性能、焊接性能及其他使用性能的基本因素，也是钢轨材质纯净度的重要指标。,2.2 轨枕,尽管在高速铁路的发展中无碴轨道所占的比例越来越大，在许多国家已成为轨道结构的首选，但有碴轨道仍然是高速铁路轨道结构的主要形式之一，混凝土枕的性能和质量仍是需要关注的重点。由于混凝土轨枕使用寿命长，维修工作量少，由混凝土制品厂生产的轨枕形状、尺寸、性能都比较标准、均一，为钢轨支撑的均匀性和轨面的动态平顺性提供了更可靠的条件，因而世界各国高速铁路有碴轨道均采用混凝土轨枕。我国既有铁路干线大部分铺设了混凝土枕，高速铁路则要求全部采用混凝土枕。,新干线的有碴轨道,高速铁路混凝土轨枕类型大部分为整体式，如德国、意大利、西班牙和日本等国的各类轨枕，法国有碴轨道传统的轨枕结构是双块式，在高速铁路中仍然采用双块式轨枕，但在有碴桥上因设置护轮轨的需要，采用了整体式轨枕。世界各国客运专线和高速铁路有碴轨道的技术发展表明，整体式和双块式混凝土轨枕形式都可以满足高速运行在承载能力、耐久性和稳定性等方面的使用要求。我国高速铁路采用整体式混凝土轨枕。,2.3 扣件高速铁路的扣件除要求具有足够的扣压力以确保线路的纵、横向稳定之外，还要求弹性好，以保证良好的减振、降噪性能；扣压力保持能力好，以降低日维修工作量；绝缘性能好，以提高轨道电路工作的可靠性，延长轨道电路长度，降低轨道电路投资。,我国采用弹性扣件已有20多年历史，已成功的开发了弹条扣件，弹条型调高扣件，弹条型扣件及弹条型扣件等，以上扣件已全部通过部级鉴定并推广使用。弹条型扣件（图4-3）是为高速重载而研制的无螺栓式扣件，系利用预埋于轨枕中的铁杆来保持轨距，承受横向力并固定弹条，以弹条扣压钢轨，尼龙块作为绝缘部件并用于调整轨距。,图4-3 弹条型扣件,2.4 道床 道床是轨道结构的重要组成部分。散粒体道床不仅要承受轨枕传递的各种力的作用，保持轨道结构的稳定性，而且要便于进行养护。对高速铁路而言，散粒体道床的这些作用显得尤为重要。,第三节 无碴轨道结构,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形式。由于无碴轨道具有轨道平顺性高、刚度均匀性好、轨道几何形位能持久保持、维修工作量显著减少等特点，在各国铁路得到了迅速发展。特别是高速铁路，一些国家已把无碴轨道作为轨道的主要结构形式进行全面推广，并取得了显著的经济效益和社会效益。,3.1 国外铁路无碴轨道结构型式国外铁路无碴轨道的发展，数量上经历了由少到多、技术上经历了由浅到深、品种上经历了由单一到多样、铺设范围上经历了由桥梁、隧道到路基、道岔的过程。无碴轨道已成为高速铁路的发展趋势。,1日本日本是发展无碴轨道最早的国家之一。早在20世纪60年代中期，日本就开始了无碴轨道的研究与试验并逐步推广应用，无碴轨道比例愈来愈大，成为高速铁路轨道结构的主要形式。据统计，日本高速铁路无碴轨道比例，在20世纪70年代达到60%以上，而90年代则达到80%以上。日本从20世纪60年代中期开始进行板式无碴轨道的研究到目前大规模的推广应用，走过了近40年的历程。,图4-6 普通A型轨道板 图4-7 框架型轨道板,图4-8 防振G型轨道,日本板式轨道结构在土质路基上的发展与桥上、隧上板式轨道是同时起步的。1968年提出RA型板式轨道，并在铁道技术研究所进行性能试验。,图4-8 土质路基上RA型板式轨道,2德国德国也是研究无碴轨道较早的国家之一。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）。德国铁路、高校研究所以及工业界自20世纪70年代一直进行无碴轨道的研究，目前德国有20多家企业参与无碴轨道新结构的开发，形成了市场竞争的局面，推进了新技术的发展，其提出的结构型式多种多样。,德国曾试铺过10余种无碴轨道结构，其轨道的基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类。无碴轨道的道床结构大体上可分为两大类，一类为整体结构，另一类为直接支承方式，表4-22列出了德国铁路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。,表4-22 德国铁路无碴轨道的结构类型,Rheda型无碴轨道（图4-11）为钢筋混凝土底座上的整体结构型式之一。Rheda型无碴轨道结构从1972年开始试铺的普通型（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年的发展里程。,图4-11 普通Rheda 型无碴轨道,最近开发的Rheda-2000型无碴轨道（图4-12）已投入商业应用。其结构特点是：由2根桁架型配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原Rheda型中的整体轨枕；取消了原结构中槽形板，统一了隧道、桥梁和路基上的形式；同时，轨道结构高度从原来得650mm降低为472mm。Rheda-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。,最典型的直接支承方式的无碴轨道结构为ATD、GETRAC型，如图4-13、图4-14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。,图4-13 ATD型无碴轨道结构（单位：mm）,图4-14 GETRAC型无碴轨道结构（单位：mm）,从20世纪80年代开始，德国铁路董事会开始大力谋求新建铁路和扩建线路要尽量采用少维修轨道，这项措施极大地推动了无碴轨道的发展。德国在修建高速铁路的初期，无碴轨道仅占正线的30%以下，但1998年开通的柏林汉诺威高速铁路，无碴轨道已达80%以上。,3其他国家一向坚持采用有碴轨道的法国，也在新建的地中海线的路基上和隧道内分别铺设了2km、8km的双块式无碴轨道。荷兰高速铁路土质不好，软土较多，但也积极采用无碴轨道。韩国在修建高速铁路时，也把无碴轨道作为重要工程内容。总之，无碴轨道结构在高速铁路上的大量铺设已经成为发展趋势。,3.2 国内无碴轨道结构国内对无碴轨道的研究始于20世纪60年代，与国外的研究几乎同时起步。1994年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的进程，无碴轨道在我国重新被关注。,参照国外经验及结构型式，提出了板式、长枕埋入式、弹性支承块式三种结构形式的无碴轨道及其设计参数。在秦沈客运专线选定了三座特大桥作为无碴轨道的试铺段。其中，沙河特大桥（直线、长692m）试铺长枕埋入式无碴轨道；狗河特大桥（直线、长741m）和双河特大桥（曲线、长740m）试铺板式轨道。之前，我国最长的西康县秦岭隧道（长度为18.5km）内采用了弹性支承块式无碴轨道，已于2001年正式开通运营。,1长枕埋入式（图4-17）长枕埋入式无碴轨道由预应力混凝土轨枕、混凝土道床板和混凝土底座组成。其结构内没有易受环境或温度影响的橡胶、乳化沥青等材料，结构整体性和耐用性较好。混凝土枕制造和现场灌注混凝土的技术和设备均是成熟、配套的。,图4-17 桥上长枕埋入式无碴轨道结构（单位：mm）,2板式（图4-18）板式无碴轨道由预制的轨道板、CA砂浆填充层、混凝土底座和轨道板之间的凸形挡台组成。其轨道结构高度低，自重轻，可减小桥梁的二期恒载。,图4-18 桥上板式无碴轨道结构（单位：mm）,3弹性支承块式（图4-19）弹性支承块式无碴轨道由弹性支承块（混凝土支承块、块下弹性垫层和橡胶靴套）、混凝土道床板、混凝土底座等组成。,弹性支承块的现场混凝土施工量大，进度较慢。故一般将其限制在隧道内使用。,1无碴轨道与有碴轨道维修费用比较1995年，日本对运营了20年的山阳新干线板式轨道历年各项作业的维修费用进行了统计，并与有碴轨道作了比较，如图4-20。由于板式轨道线路的维修项目减少，且轨道几何状态稳定，故维修作业量明显减少，为高速运输提供了安全可靠、平顺高质量的轨道，实现了少维修和维修费用大幅度降低的目标。,4.3无碴轨道的技术经济性,图4-20 山阳新干线历年维修费用,2无碴轨道与有碴轨道经济比较无碴轨道的造价高于有碴轨道，但由于无碴轨道结构具有高度低、每延米重量轻的特点，可使桥梁、隧道结构物的建设费用降低。（1）日本板式轨道 日本板式轨道初期造价基本上控制在有碴轨道的2倍以内，大规模应用后，其造价明显下降，约为有碴轨道的1.31.5倍，但维修费用明显减少。据有关部门统计，山阳新干线16年的平均维修费用为有碴轨道的33%。无碴轨道多投资的差额约在10年（桥隧结构上）12年（土质路基上）内可得到偿还（不计对运营的影响）。,（2）Rheda型无碴轨道据德国铁路有关资料介绍，有碴轨道的造价为800马克/m，沥青混凝土底座上的无碴轨道为1000马克/m，混凝土底座上的Rheda型轨道为1400马克/m，无碴轨道的造价为有碴轨道的1.31.7倍。有碴轨道的年维修费用约为3000马克/km，无碴轨道则很少。德国铁路分析认为，在新线建设中采用无碴轨道，可使线路设计的总建筑高度和宽度有所减少，有利于减少隧道和桥梁结构的断面。因此，新线建设的综合造价将趋于合理。,（3）我国无碴轨道 我国铁路在西康线秦岭线隧道、秦沈客运专线分别铺设了弹性支承块式、长枕埋入式和板式无碴轨道。与有碴轨道造价相比，初步分析为：弹性支承块式为1.9倍，长枕埋入式为2.35倍，板式为3倍。无碴轨道铺设长度短，首次试制、机具及材料造价高、施工效率低是预算价格高的主要原因。,