2010年一級建造師鐵路工程輔導：高速鐵路軌道技術綜述
來源：網絡發布時間：2010-04-07
高速鐵路軌道技術綜述
高速鐵路軌道結構和普通鐵路軌道結構一樣，由鋼軌、軌枕、扣件、道床、道岔等部分組成。這些力學性質絕然不同的材料承受來自車輪作用力，它們的工作是緊密相關的。任何一個軌道零部件的性能、強度和結構的變化都會影響所有其他零部件的工作條件，并對列車運行質量產生直接的影響，因此軌道結構是一個系統，要用系統論的觀點和方法進行研究。鋼軌直接承受由機車車輛傳來的巨大動力，并傳向軌枕；軌枕承受鋼軌傳來的豎向垂直力、橫向和縱向水平力后再將其分布于道床，并保持鋼軌正常的幾何位置；輪軌間的各種作用力通過軌枕和扣件的隔振、減振和衰減后傳遞給道床，使道碴重新排列，并將作用力擴散傳遞于路基。由于列車速度的提高給軌道結構的作用力與速度的n次方成正比，因此高速鐵路的軌道必然要比普通線路具有更高的安全性、可靠性和平順性，而軌道各部件的力學性能、使用性能和組成為結構的卜性能都比普通軌道部件高得多。
1 高速鐵路軌道結構等級
1.1結構等級
鐵路軌道結構等級與運輸條件密切相關。在鐵路運輸發展的初期，速度、軸重、密度都處于較低水平，對軌道結構的要求以可靠性為主，等級劃分則以年通過總質量為主，兼顧列車速度的要求。近年來發展的客運專線和重載鐵路，對軌道結構提出了不同側重的要求。客運專線以旅客運輸為主，除要求極高的安全性和可靠性以外，對旅客的舒適度提出了很高的要求。在軌道結構方面，則除了傳統軌道不允許存在的長波不平順以外，還對短波不平順作出了嚴格的限制。為了達到這些要求，歐洲AGC計劃明確要求線橋設備采用統一標準。這些標準包括：
（l）采用60 kg/m鋼軌、長度2.6 m軌枕、彈性扣件、硬質道碴的軌道結構；
（2）利用標準列車計算橋梁荷載；
（3）規定統一的列車速度和軸重；
（4）全部采用立體交叉；
（5）采用大號碼道岔，直向過岔速度與區間正線一致，側向過岔速度與連接的聯絡線一致。
1.2軌道結構類型
1.2.1有碴軌道和無碴軌道的應用范圍
高速鐵路軌道結構主要類型有有碴軌道和無碴軌道。有碴軌道是鐵路的傳統結構。它具有彈性良好、價格低廉、更換與維修方便、吸噪特性好等優點。但隨著行車速度的提高，其缺點也逐漸顯現。首先，由于有碴軌道不均勻下沉產生的120Hz以下頻率范圍的激振嚴重，軌道破損和變形加劇，從而使維修工作量顯著增加，維修周期明顯縮短。根據德國高速鐵路的資料，當行車速度為250～300km/h時，其線路維修費用約為行車速度為160 ～200 km/h時的2倍；速度為250～300km/h時，通過總重達3億噸后道碴就需全部更換，而在160～200km/h時，通過總重則可達10億噸。日本對高速鐵路橋上的有碴軌道與無碴軌道維修費用進行的統計分析表明，有碴軌道的線路維修費用比無碴軌道高111%，也就是說有碴軌道的維修費用相當于無碴軌道的2倍多�；谶@一情況，許多專家認為，從經濟角度和維修管理角度看，高速鐵路應采用無碴軌道。特別是在橋隧結構上，由于無碴軌道減少了二期恒載和建筑高度，采用無碴軌道更為有利。
除此以外，無碴軌道還具有使用壽命長、線路狀況良好、不易脹軌跑道、高速行車時不會有石碴飛濺等優點，因此無碴軌道在國外高速鐵路上獲得了越來越廣泛的應用，其鋪設范圍己從橋梁、隧道發展到上質路基和道岔區，無破軌道結構在高速鐵路上的大量鋪設已成為發展趨勢。
1.2.2世界上一些國家鋪設有碴軌道和無碴軌道的概況
日本除在1964年開通的東海道新干線未采用無碴軌道外，其后修建的高速鐵路采用無碴軌道的比例逐年增加：1972年開通的山陽（大阪一岡山）新干線占了4.9％；1975年開通的山陽（大阪－福岡）新干線占68.6%；1991年開通的東北（東京－盛岡）新干線占82%；1990年開通的上越（大宮一新混）新干線占90%；1997年開通的北陸（高崎一長野）新干線占87.5%。德國認為，當運營速度超過300km/h時，有碴軌道會出現道碴粉化現象，需要經常維修，由于維修成本增加，其最終成本要比無碴軌道高。德國在20世紀70年代修建的高速鐵路，無碴軌道不足30%；而1998年開通的柏林－漢諾威高速鐵路，無碴軌道比例
達到80%以上。
中國臺灣高速鐵路無碴軌道155 km，占正線長度的45％。
荷蘭高速鐵路土質條件不好，軟土較多，但也積極采用無碴軌道。
法國是以有碴軌道為主的國家，目前也在鋪設無碴軌道。在京滬高速鐵路進行設計咨詢時，法國咨詢專家也建議京滬高速鐵路采用無碴軌道。法國高速鐵路延用了傳統的有碴軌道結構，采用雙塊式混凝土軌枕和拉布拉彈片式扣件。在1983年開通的388km長、速度270 km/h的巴黎－里昂的TGV東南客運專線上，盡管軸重較小，為160～170kN，但是平均通過總重4000萬噸（約每2年）就要進行一次線路修理，另外還需對鋼軌定期打磨，以消除因列車高速運行時道碴旋流造成的鋼軌踏面缺陷。值得注意的是，每一次修理都會造成道碴損壞（道床肩棱損壞、道碴破碎），從1986年開始就在37%的線路（硬基礎的路段）上增加巧cm厚的道碴，以便對受到嚴重損壞的道床上層補充道碴，為此還必須提升接觸網二線路通過總重達到2.5至3.0億噸后開始對道碴道床進行更新。與旅客列車速度為120～140km/h的客貨混運線路相比，上述高速線路的道破使用期約為道破正常使用期的25％。
法鐵總結有碴軌道道碴飛濺的原因主要有：
（l）冬季在車體和轉向架土有冰雪，列車進入氣溫較高地段冰塊下落；
（2）線路修理作業后道床不穩定；
（3）小動物破壞護欄進人線路，擾動道床；
（4）列車高速和大風。當列車速度250 km/h以上時，在2.5 m距離內飛碴已經非常嚴重，不能靠近。
德國也是歐洲最早建設高速鐵路的國家之一，和法國TCV不同的是，德國高速鐵路的軌道結構以無碴軌道為主。柏林－漢諾威的高速鐵路運營速度280km/h，無碴軌道占72%；科隆－法蘭克福的高速鐵路運營速度300km/h，無碴軌道占85%；正在修建中的紐倫堡一英戈城高速鐵路設計速度目標值330km/h，無碴軌道占84%。實踐表明，德國的無碴軌道技術是先進的和成熟的。
1.2.3無碴軌道的缺點
德國在2005年出版的《軌道概論》中仍然對無碴軌道的缺點進行了詳細的描述，主要有：
1.2.3.1投資問題：無碴軌道的初期投入比有碴軌道高得多，即使施工方法得到優化、建設數量增大，無碴軌道的成本系數仍為有碴軌道的1.5～2.0。另外，有碴軌道維修的大型養路機械作業精度越來越高、作業質量越來越好、保持軌道幾何狀態的周期延長，這些都會增強有破軌道的競爭力。而隨著運營時間的延長，無碴軌道鋼軌打磨工作量比有碴軌道大、修復工作比較復雜等都會增加投入，而這些投人在初期是無法計算的。
1.2.3.2混凝土無碴軌道為剛性承載層，當達到承載強度極限時將產生斷裂，并引起軌道幾何尺寸的突然變化和難以預見的惡化。
1.2.3.3無碴軌道的建設和維修都遠未達到自動化程度，無碴軌道的質量需要高水平的養護措施提供保障，這意味著在施工工序和質量控制方面都要增加額外的費用和時間。建立期間的質量缺陷將為整個使用壽命期留下隱患，并需要花高昂的代價進行彌補。
1.2.3.4無碴軌道作為剛性結構，在后期運營階段允許作少量補修，如調整軌道幾何狀態，不僅十分困難，而風需要花費高昂代價。
1.2.3.5無碴軌道不能在粘土深路塹、松軟土路堤或地震區域鋪設。
1.2.3.6無碴軌道噪聲水平比有碴軌道高約5 dB，必須采取有效的降噪措施。
1.2.3.7對脫軌或其他原因導致的嚴重損壞還沒有特別有效的措施，而且一旦發生問題，修復時間很長。
1.2.3.8無碴軌道改進的可能性很小。
1.2.3.9在路基上鋪設無碴軌道時，在任何情況下都要鋪設防凍層（至少70cm厚）。要延長無碴軌道的壽命周期，水凝性材料層厚度幾乎不能減少。路基處理深度也比有碴軌道深。
1.2.3.10目前大部分的經濟研究沒有考慮無碴軌道到了壽命周期后高昂的再建費用。
1.3無縫線路
無縫線路是由許多根標準長度的鋼軌焊接成一定長度的長鋼軌線路。無縫線路具有行車平穩、旅客舒適、節省接頭材料、降低維修費用、延長線路設備和機車車輛使用壽命等優點，是鐵路軌道結構的發展方向。各國鐵路競相發展無縫線路，高速鐵路必須采用無縫線路。
從理論上講，無縫線路可以無限長，但多年來由于技術上的限制，區間信號和道岔區存在鋼軌接頭，成為無縫線路的薄弱環節。隨著科學技術水平的提高和鐵路技術裝備的加強，無絕緣軌道電路技術和裝備的普及、鋼軌絕緣接頭的采用、高碳中錳鋼軌和高碳微釩鋼軌與道岔高錳鋼焊接技術的突破，無縫線路實現實際上的無限長已成為現實。滬寧線利用線路大修在20世紀末實現一根全長223.2km的跨幾十個區間的超長無縫線路、秦沈客運專線首創新線建設全線一次鋪設無縫線路、結合秦沈客運專線的京秦改造工程實現全線一次鋪設無縫線路等，說明我國鋪設超長無縫線路已進入可以全面實施的階段。
新線鋪設無縫線路有2種基本方案。一種是短軌過渡方案，即先鋪設短軌有縫線路并經初期運營，待躋基、道床在列車作用下密實、穩定之后，保持道床、軌枕不動，將短軌更換為長軌條并焊接成無縫線路。這種經過短軌有縫階段過渡而鋪設的無縫線路，容易使鋼軌接頭部位的基床、道床受到破壞，使之在強度、彈性及其結構均勻性等方面成為固有的薄弱環節。而且這些己經形成的薄弱環節具有“記憶”特征，不可能通過維修手段徹底根除，它們將長期影響線路的平順性和均勻性，不能滿足高速列車的運營要求，同時也加大了養護維修工作量。另一種是一次鋪設無縫線路方案，即新鋪設長鋼軌一次焊接成無縫線路，在無縫線路鋪設之后，基本上不承受施工列車、更不承受初期運營列車的作用，從而免除了短軌過渡期形成的上述問題，保證高速線路的質量。世界各國高速鐵路無一例外全部采用一次鋪設無縫線路方案。
2各國客運專線和高速鐵路的軌道結構
客運專線和高速鐵路軌道結構除應具有比重載鐵路軌道結構更高的可靠性和穩定性以外，最大的區別在于它應具有極高的平順性。法國、德國為提高行車速度在軌道方面采取了許多技術措施，其中大部分是圍繞提高和保持軌道的平順性進行的。當機車車輛確定之后，輪軌間動力作用和振動隨軌道的不平順幅值及波長的變化而成倍變化。從法國高速鐵路的實測資料分析，軸重160～170kN的高速客車在平順性很好的軌道上以300 km/h的速度行駛時，輪軌間作用力并不比200 kN軸重貨車在中等平順軌道上以100km/h的速度運行時的作用力大。國外高速鐵路運營實踐表明，采用60kg/m鋼軌軌道結構，嚴格控制軌道平順性，可以滿足高速行車的需要。
2.1法國
法國高速鐵路一般采用由UIC60鋼軌、雙塊式混凝土枕、NABLA彈性扣件組成的有碴軌道。長軌條長280 m或396m，采用鋁熱焊焊接，鋪設跨區間無縫線路。道碴級配35/50，枕下道碴厚度最小為30cm。長大工程結構物端頭設溫度調節器。根據側向通過速度230 km/h、170 km/h和70 km/h的需要確定道岔號碼。每20～25 km設渡線，側向過岔速度160km/h,可反向行車。20多年的運營實踐表明，法國高速鐵路軌道結構是成功的，適應了高速行車，當試驗速度達到400km/h時，各種輪軌力都低于導致線路塑性變形的限值。在軌道實際運行中有如下情況值得重視：
2.1.1在1983年開通的巴黎－里昂TGV東南客運專線（長度388km,速度270 km/h,最小曲線半徑4 000m、最大曲線超高180 mm、最小豎曲線半徑25 000 m、最大坡度35‰）上，盡管軸重較小（160～170kN），但是平均通過總重僅4000萬噸（約2年）就要進行一次線路大修。
2.1.2對鋼軌要定期進行打磨，以消除因列車高速運行時道碴旋流造成的鋼軌踏面缺陷，這種缺陷會因動力作用增大而造成軌道狀態迅速惡化。如果不及時進行鋼軌打磨，就會增加線路大修工作量。
2.1.3線路大修會造成道碴損壞（道碴破碎）。法國對TGV東南客運專線從1986年（僅通車3年）開始就在37%的線路（硬基礎的路段）上增加15cm厚的道碴，以便對受到嚴重損壞的道床上層補充道碴，為此還必須提升接觸網。
2．1．4線路通過總重達到2.5～3.0億噸后，要對道床的道碴進行更換。與旅客列車速度為120~140km/h的客貨混運線路相比，高速線路道碴使用期僅為道碴正常使用期的25%。
2.2德國
德國高速鐵路采用UIC60鋼軌，鋼軌在工廠用閃光對接焊焊成180m長的軌條，再在工地用鋁熱焊焊成無縫線路鋼軌。鋼軌出廠前進行超聲波探傷，廠焊及工地焊的焊接接頭也要進行超聲波探傷。鋼軌及焊縫的平直度都要求達到0.3 mm/m,有碴軌道采用B70型混凝土枕，長度為2.6 m，軌枕間距為60 cm，軌枕中間部分50cm長不承受支承。由于其支承面積大，從而大大降低了道床頂面的軌枕壓應力；又由于軌枕的抗彎剛度大，從而保證了在高速條件下軌距和軌底坡的穩定性。采用SKL1和SKL4型ω彈條扣件。道床最小厚度為30cm，道床肩寬為50 cm。
2.2.1德國為改善道床工作條件采取的措施
德國高速鐵路為提高有碴軌道結構的承載能力，曾分別采取過下列改善道床工作條件的措施，有力地提高了道床抗力：
2.2.1.1采用長2.6 m甚至2.8 m的混凝土枕，以擴大枕底支承面積，降低道床頂面壓力。
2.2.1.2增加軌下膠墊彈性，使膠墊剛度從普通線路的800 kN/mm降低到高速線路的80kN/mm，以降低軌枕作用到道床頂面的準靜態荷載、沖擊荷載和振動荷載。
2.2.1.3增加碎石道床厚度，從普通線路道床厚度30 cm增加到高速鐵路的35cm，以提高道床的彈性，降低碎石道碴層傳遞到路基保護層的壓應力。
2.2.1.4鋪設碴下膠墊，特別是在高架結構的有碴線路及10m長度范圍內的路橋過渡段上，在道床下鋪設減振膠墊，以減少道碴的破碎和粉化，碴下墊層的剛度為0.1N/mm。
2.2.1.5在碴肩的邊坡涂刷塑膠，以提高道床碴肩和邊坡的穩定性。
正是由于有碴軌道存在的不足，為提高有碴軌道的工作性能還要采取如此多的措施，增加了不少投資，所以德國高速鐵路現在正大力推廣并采用無碴軌道。
2.2.2德國高速鐵路應引起重視的問題
從德國早期修建的2條以有碴軌道為主的高速鐵路（1987年開通的運行速度為250km/h的曼海姆－斯圖加特高速鐵路和1991年開通的運行速度為270km/h的漢諾威－維爾茨堡高速鐵路）運營實際情況看，有如下問題應引起重視：
2.2.2.1由于這2條高速鐵路實行客貨混運，為避免有碴軌道軌向的迅速變化，一般情況下只容許采用60 mm的欠超高，因此與法國TGN相比、德國的曲線半徑比較大。
2.2.2.2盡管這2條線橋梁比例不大．似在橋梁上道碴損壞嚴重，通過總重不到2億噸就討漢諾威－維爾茨堡高速鐵路大部分橋梁上的道床道碴進行了更換，分析原因是橋梁端部和道碴硬墊層的變形
2.2.2.3為強化軌道結構，鋪設道床底面墊層和B75型混凝土枕（長度2.8 m），并配合使用Ioan300型高彈性鋼軌扣件。
2.2.2.4為嚴格控制路基沉降，必須對路基和軌道防凍層充分夯實，對這種增大了剛度的軌道可能需要提前更換道碴。
2.3日本
1964年，在日本投人運營的長515 km、速度為220km/h的東海道新干線客運專線（最小曲線半徑2500m、最大超高180 m、最小豎曲線半徑10000 m,最大坡度20%c）是有碴軌道，雖然軸重較輕（僅為160kN），但在運營15年后，高架線路和橋梁上的線路己不能保持符合高速運輸要求的良好狀態，必須進行線路大修。
2.3.1東海道新千線出現的問題
東海道新于線有碴軌道出現以上情況的原因是：
2.3.1.1軌道結構薄弱：東海道新干線是日本第一條離速鐵路，考慮到其是客運專線，軸重較輕，所以采用搶軌道結構比較薄弱：鋼軌斷面小（54kg/m）、混凝土枕短（2. 4 m）、道床厚度�。�20～25 cm）。
2.3.1.2軌道彈性不良：由于道床厚度不足，而作為基礎的橋面板剛度又太大，在高速列車運行時產生了浪大的道碴應力，加速了軌道整體結構的變形和軌道部件的折損。
一方面是結構薄弱、抗力不足，一方面是動力響應．急劇增大，東海道新干線曾被迫限速運行，直到更換為60kg/m鋼軌和增設了道碴墊層后，才恢復了正常運行。此后，日本在修建高速鐵路時尋求新的途徑，這就是無碴軌道。
2.3.2日本無碴軌道的特點
日本把無碴軌道稱作板式軌道，它具有如下結構特點：
2.3.2.1板式軌道由軌道板和鋼軌組成，由扣件將其聯9．軌道板由水泥瀝青砂漿層（CA砂漿）整體支承。
2.3.2.2軌道板為鋼筋棍凝土或預應力混凝土結構，考態到運輸、鋪設作業及曲線地段軌道中心和軌道板中心錯位等因素，軌道板標準長度為5m。
2.3.2.3為防止軌道板沿軌道縱、橫向移動，要把軌道板固定在整體道床上，因此在隧道及高架橋的整體道床上設置圓柱形混凝土凸臺。
2.3.2.4軌道的高低誤差可通過在軌道板襯墊和鋼軌墊板之間插人可調高襯墊進行調整，而軌道的方向誤差則可通過調節鋼軌扣件及移動軌道板進行校正。
2.3.2.5在軌道板和整體道床之間采用自然重力法填充瀝青